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Química VOLUME 1 | ENSINO MÉDIO

VERA LÚCIA DUARTE DE NOVAIS Mestre em Educação pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Bacharel e licenciada em Química pela Universidade de São Paulo (USP). Foi professora em escolas da rede particular de Ensino Médio e de Ensino Superior, coordenadora de área e orientadora educacional, formadora de professores e de gestores escolares, além de pesquisadora na área de Ensino de Química e de Ensino a distância.

MURILO TISSONI ANTUNES Licenciado em Química pela Universidade de São Paulo (USP). Foi professor em escolas da rede particular de ensino e editor de livros didáticos.

1 Química

Manual do

Professor

1a edição Curitiba, 2016

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Vivá Química - Volume 1 © 2016 - Vera Lúcia Duarte de Novais, Murilo Tissoni Antunes

Direitos de publicação © 2016 Editora Positivo Ltda.

Direção de programas de Márcia Takeuchi governo e governança editorial Gerência editorial Sandra Cristina Fernandez

Coordenação editorial Angelo Stefanovits

Edição Sandra Fernandez, Maria Cecília Fernandes Vannucchi, Lilian Morato Martinelli

Assistência editorial Emilia Yamada, Karina Miquelini

Revisão Kátia Scaff Marques (superv.), Angela Cruz, Cristiano de Oliveira Conceição Supervisão de arte Juliano de Arruda Fernandes

Edição de arte Sidnei Moura (coord.), Fernando Morisco Machado Borges, Janaina Beltrame

Capa Megalodesign Projeto gráfico Pedro Gentile com ilustrações de Daniel Cabral

Editoração eletrônica Typegraphic Editoração Eletrônica Supervisão de iconografia Janine Perucci

Iconografia Lenon de Oliveira Araújo, Marina Gonçalves

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Produção gráfica Danilo Marques da Silva

“As Normas ABNT são protegidas pelos direitos autorais por força da legislação nacional e dos acordos, convenções e tratados em vigor, não podendo ser reproduzidas no todo ou em parte sem a autorização prévia da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. As Normas ABNT citadas nesta obra foram reproduzidas mediante autorização especial da ABNT.”

Dados Internacionais para Catalogação na Publicação (CIP) (Maria Teresa A. Gonzati/CRB 9-1584/Curitiba, PR, Brasil) N936 Novais, Vera Lúcia Duarte de. Vivá : química : volume 1 : ensino médio / Vera Lúcia Duarte de Novais, Murilo Tissoni Antunes – Curitiba : Positivo, 2016. : il. (Coleção Vivá) 1. Química. 2. Ensino médio – Currículos. I. Antunes, Murilo Tissoni. II. Título. CDD 373.33

ISBN 978-85-467-0797-3 (Livro do estudante) ISBN 978-85-467-0798-0 (Manual do professor) 1ª edição 2016 Todos os direitos reservados à Editora Positivo Ltda. R. Major Heitor Guimarães, 174 80440-120 – Curitiba – PR Fale com a gente: 0800 723 6868 Site: www.editorapositivo.com.br Impressão e acabamento: Gráfica Posigraf S.A. R. Senador Accioly Filho, 500 81310-000 – Curitiba – PR E-mail: posigraf@positivo.com.br

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Apresentação

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A você, estudante, Desejamos que esta coleção seja um apoio importante para sua aprendizagem de Química e, para isso, esperamos contar não só com a contribuição de seu professor, mas também com o seu próprio empenho, dedicação e participação ativa. Só assim você dominará os conhecimentos químicos previstos para esta etapa do ensino, os quais – independentemente da profissão que você venha a seguir – irão lhe permitir compreender e avaliar criticamente as informações que circulam, algumas delas relacionadas a questões fundamentais de nosso tempo, como o aquecimento global, a sustentabilidade, o aumento da produtividade agrícola e industrial. Ao longo dos três volumes, você será convidado a realizar experimentos, a observar, a refletir, a relacionar diferentes conhecimentos, a formular hipóteses, a redigir explicações. E ainda irá aprender novas formas de representação de alguns processos naturais e conhecer aspectos teóricos que envolvem abstrações. Porém, para que essas atividades sejam produtivas, você precisará exercer algumas competências: ler e interpretar textos, realizar operações matemáticas básicas, elaborar e interpretar gráficos. Vale lembrar que essas competências serão exigidas de você não apenas na escola e não apenas nesta fase de sua vida, mas também em seu dia a dia de cidadão que quer participar das decisões coletivas, no mundo do trabalho, na administração das próprias finanças, etc. Esperamos que seu desejo de aprender continue florescendo e que você se sinta cada vez mais motivado a estudar, a se posicionar criticamente em sociedade e a contribuir para a construção de um país mais justo, desenvolvido e ético. Sucesso! Os autores

A meus amores: Clara, Gabi, Carol e Edu.

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unidade

máquina Locomotiva movida por del-Rei (MG). a vapor, em São João das mais A máquina a vapor, uma s humanas, importantes invençõe ação responsável pela mecaniz de tarefas progressiva de uma série foi criada ao longo do século XVIII, Watt em 1777 pelo inglês James 9). (1736-181

Abertura de unidade A imagem de abertura se relaciona a algum dos conteúdos que serão desenvolvidos. Um texto curto introduz os conteúdos a serem abordados e lança uma ou duas questões que serão esclarecidas ao longo da unidade.

Estado gasoso

s estudar o estado gaNesta unidade, vamo quatro séculos de cososo, levando em conta s sobre leis físicas que nhecimentos acumulado ra ento de uma amost explicam o comportam desenvolver tecnologasosa e que permitiram ém de nossa vida. Tamb gias que fazem parte esdesses e de outros veremos as implicações nes envolvendo substâ tudos relativos a reaçõ determinantes para cias gasosas que foram teorias que estruturarar compreender e elabo a. ciênci ram a Química como balões hélio em vez de ar em ▸ Por que se usa ento meteorológico como os de monitoram ança? e de segur rimio gás quando é comp ▸ O que ocorre com nte? O que acontece do a temperatura consta o constituem? com as moléculas que

Nesta unidade e propriedades gerais

importância Capítulo 12. Gases:

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capítulo U4C12_250A288.indd

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micas e Leis das reações quí lton teoria atômica de Da IA MUSEUM OF ART LATINSTOCK/CORBIS/PHILADELPH

A teoria de Arrhenius

A formulação da teoria de Arrhenius represen ta um marco para a Química. mitiu explicar fatos experime Ela perntais e serviu de fundame nto para estabelecer avanços relação aos conceitos ácido-bas em e propostos por seus antecesso res. Leia o boxe a seguir.

Viagem no tempo Um jovem que abalou

Para situá-lo Essa seção busca introduzir e/ou contextualizar o estudo que será feito no capítulo. Ao final, questões estimulam diferentes habilidades e valorizam seu conhecimento prévio.

Um fato experimental

©WIKIMEDIA COMMONS/PHOTOGR AVURE MEISENBACH RIFFARTH & CO. LEIPZIG

uma crença Em 1884, o sueco Svante August Arrhenius (1859-192 7), então um jovem estudante de Química, elaborou uma teoria – que ficou conhecida como teoria de Arrhenius – capaz de explicar de modo coerente um fato que desafiava os cientistas da época. Svante August Arrhenius, químico e físico sueco. Seu trabalho, no final do século XIX, foi fundamental para superar a concepção de indivisibilidade do átomo. Foto tirada em 1909. Ilustração produzida para

Naquele período, já se Cores fantasia, sem escala. havia verificado que, quando se dissolve um sólido, como x moléculas de a sacarose (açúcar comum), x “unidades” de NaCℓ sacarose por litro de água em água, a temperatura por litro de água de solidificação da água diminui, ficando abaixo de 0 oC; quanto maior é a quantida lo situáde de Para sacarose, em relação ao o de transformação volume da solução, mais u a formular o conceit começo acentuasovocê r, refletir da é a redução da temperat a. Vamos agora No capítulo anterio ura de solidificação da no estudo da Químic s centrais água. alguma de temas to dos Havia, porém, um fato química, um nosso dia a dia a propósi que intrigava Arrhenius podem ser feitas em : quando se preparam duas soluções, bre observações que uma de sacarose e outra s. Veja: de cloreto de sódio, ambas dessas transformaçõe com a mesma quantidad e de unidades “moleculares” de soluto no mesmo volume de solvente, verifica-se que a de cloreto de sódio tem temperatura de solidificação banho de gelo-seco inferior à da solução de sacarose. A imagem acima representa Como explicar essa diferença o resfriamento de duas ? soluções aquosas: uma de sacarose (açúcar) e outra A explicação de Arrheniu de cloreto de sódio. s Arrhenius propôs que cada partícula de NaCℓ poderia Este capítulo irá ajudá-lo se dividir em duas partícula opostas: os íons (o termo s com cargas elétricas íon havia sido introduzi a compreender: do em 1821, por Michael Faraday, 1791-1867). Assim, em 1884, Arrhenius • a lei da conservação apresentou a teoria da dissociaç ão iônica outorgou o título de ph.D. à comunidade acadêmic da massa; (equivalente ao título de a, que lhe doutor). Essa conquista ões lógico de seu trabalho do • a lei das proporç deveu-se muito mais ao que à aceitação de sua caráter teoria. Ela não foi bem definidas; crença no átomo indivisíve recebida porque punha folha de papel. Combustão de uma l, considerada indiscutív em xeque a de Dalton. el pelos cientistas da época. • a teoria atômica no final do século XIX e As descobertas de Thomson início do XX – das quais tratamos no capítulo 4 Arrhenius obtivesse credibilid – contribuíram para que a teoria de ade, e o cientista acabou recebendo o Prêmio Nobel o ao estudo da Química depois, em 1903. Unidade 1 Introduçã de Química duas décadas 32 5/2/16 16:13 Foi graças a Arrhenius que se associou a presença de íons livres MATRIZ NOVA HCℓ(aq), e cloreto de sódio, a soluções aquosas de ácido clorídrico, NaCℓ(aq). 32 C2_032A047.indd

este conteúdo.

IMAGENS: DOTTA2/ACERVO

DO FOTÓGRAFO

no período Durante o século XVII, gestada, em que a Química era valeram de alguns estudiosos se as contribuições dos alquimist bastante e tinham uma forma fenômenos peculiar de explicar os da natureza. Com o avanço os a, tecnologi da ciência e da os recursos conceitos, as teorias e e trouxeram novas questões dores. desafios aos pesquisa a, de alquimist O obra a Na foto, David Teniers, 1649.

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Capítulo 7 Ácidos, bases e sais EME18_VIVA_QUI1_U3C7_1

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como a ole de variáveis, ca e reflexão s fatores, o contr Química: práti de um sistema ve, entre outro ece com a massa o química envol etc. O que acont de uma reaçã A investigação de uma substância, o, a quantidade pressã a , temperatura ca? Cuidado! uma reação quími quando ocorre

– Formas artific iais do carbono

Uma terceira forma alotrópica do carbon tida em laboratório o foi obpelas equipes de Richard Errett Smalley (1943-2 005), dos Estado s Unidos, e Harold (Harry) Walter Kroto (1939-), da Inglate rra, há cerca de trinta anos. A disposição dos átomos de carbon o dessa forma alotrópica, conhec ida por buckybolas buckyballs) ou fuleren (do inglês o, lembra uma bola profissional. O nome de futebol original dessa forma é buckminster fulleren de carbono e, em homenagem ao arquiteto

estadunidense Richard Buckm inster Fuller (1895-1983), que criou a estrutura geodés ica.

Essa forma de carbon o, de fórmula C , é a mais simples de uma família de fulerenos, cujos 60 arranjos molecu lares fechados podem atingir até 960 átomos de carbono. Muitos químicos vêm realizando pesquisas sobre buckybolas, tendo em vista a enorm e possibilidade de aplicações dessas substâncias, tanto dica, para viabiliz na área méar novas terapia s (por exemplo, osteoporose), como a de em lubrificantes, combustíveis, baterias, entre outras. ©SHUTTERSTOC K/MEUNIERD

100 mL). ente (cerca de s a Procedimento em cada recipi a com elástico bexiga e prend água equivalente Observe ha no fundo da quantidade de do recipiente. . Segure a pastil 1. Coloque uma pastilha dentro scente na bexiga não derrubar a pastilha eferve cuidando para 2. Insira uma do recipiente, boca na boca da bexiga esquema. rda) a foto desse . esque à massa o, de (abaix e anote o valor na balança. ve o que ocorre desse conjunto à direita). recipiente. Obser 3. Meça a massa scente (abaixo, ha na água do e pastilha eferve . despeje a pastil nto recipiente 4. Em seguida, s e o valor de massa a massa do conju suas observaçõe recipiente, meça o da reação, anote 5. Com o outro água. Ao términ je a pastilha na despe a, seguid 6. Em

As misturas podem

20 hexágonos regulares

ser

ca? observações ormação quími diferença Analisem suas dimentos. Há vadas nessa transf s 4 e 6 dos proce cas foram obser adas nas etapa 1. Que característi imentais realiz situá-lo obser vações exper ade 3 do Para 2. Considere as dada na ativid Explique. com a resposta or nos resultados? anteri lo? você deu ao item resposta que no início do capítu 3. Compare a resposta dada a de Dalton reformularia a as e teoria atômic (página 33). Você

Representação da estrutura das buckybo las. Cada uma delas é formada por 60 átomos de carbono, disposto s em 20 regulares e 12 pentágo hexágonos nos regulares. Cores fantasia, sem escala. Fonte da ilustração : KOTZ, J. C.; TREICHE L JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 105. 37

s químic

das reaçõe Capítulo 2 Leis

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60 átomos de carbono

PAULA RADI/ARQUIVO

resíduos: Descarte dos outras atividades.

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MATRIZ NOVA

DA EDITORA

As buckybolas assemel ham-se a estrutur geodésicas, como as

a do museu em homenagem ao meio ambient à direita, a e (The nte. Na imagem de Montreal, Canadá, Biosphere), na cidade a na boca do recipie que vemos na imagem da bexiga inserid acima. Foto de 2012. cente está dentro da, a pastilha eferves zenada para Na imagem à esquer nte. pode ser arma lado do recipie pia. A bexiga na s rtada pastilha está ao desca

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As buckybolas

DO FOTÓGRAFO DOTTA2/ACERVO

plástico ou garrafas de • 2 erlenmeyers co • 1 bexiga de plásti • 1 elástico scentes eferve has • 2 pastil • balança

Conexões Química e tecnol ogia

e os materiais Nunca coloqu na boca ou em de laboratório parte do contato com outra . aspire corpo; não os segurança e Use óculos de s compridas. manga de l aventa

600 mL de 510 mL ou

DO FOTÓGRAFO DOTTA2/ACERVO

Química: prática e reflexão Essa seção traz experimentos – com todas as orientações e recomendações de segurança necessárias –, além de questões que estimulam a reflexão.

ário Material necess

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Viagem no tempo Nessa seção, além de curiosidades sobre alguns estudiosos, são exploradas passagens importantes da História da Ciência e o contexto em que conceitos, modelos e teorias foram desenvolvidos.

Conexões Os conceitos químicos desenvolvidos no capítulo são relacionados aos de outras áreas da Ciência ou a situações do cotidiano.

12 pentágonos regulares

Capítulo 3 Substân cias e misturas

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Sugestões de filmes, livros, sites Filmes, livros ou sites relacionados a algum assunto do capítulo são sugeridos.

A guerra do fogo

FRANCE

THÈQUE NATIONALE DE ©WIKIMEDIA COMMONS/BIBLIO

reações químicas Capítulo 2 Leis das

e teoria atômica de

Dalton

39 Capítulo 1 Química: que ciência

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é essa?

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Atividades

Testando seus conhe cimentos

Não escreva neste livro.

maçã e a deixou exestudante cortou uma os resule experimental, um fias a seguir mostram 1. Em uma atividad três horas. As fotogra posta ao ambiente durante te ao longo do tempo. tados obtidos pelo estudan

1. Enem (200 9) Os núcleos dos átomos de prótons são constituí e nêutron dos s, sendo amb responsáveis os os prin pela sua mas cipais sa. Nota-se ria dos núcl que, na mai eos, essas partículas ona mesma não estão proporção. presentes O gráfico mos de nêutron tra s (N) em funç a quantidade ão da quantid (Z) para os ade de prót núcleos está ons veis conhecid 160 os.

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FOTOS: ROBSON MEREU/ARQUIVO

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representada s abaixo. Com no estado relação a esse fundamental s isótopos, , assinale o que for corr eto. U92234 U 235 U92238 92 (01) O urân io-234 poss ui 92 prótons (02) O urân e 92 elétrons io-235 poss ui 92 . (04) Os três 150 átomos poss prótons e 143 nêutron s. uem o mes massa. núcleos estáv mo número 140 eis de (08) O urân io-238 poss 130 ui 92 elétrons Dê como resp e 146 nêutron osta a som s. exposição. 120 a dos núm às afirmaçõe Após 30 minutos de eros associad s corretas. os Maçã recém-cortada. 110 3. IFCE (201 2) Ao long o da histó 100 modelos surg ria da quím iram, para ica, muitos tentar expl dade do átom 90 icar a com o, desde a plexicrença de minúscula que ele seria esfera 80 uma temático prob até a construção de um abilístico. 70 Com relação modelo macas do átom às caracter o e ao conc ístieito 60 correto afirm de elemento ar-se que: químico, é a) a caracter 50 ização de um elem pela determin 40 ento quím Z = N para os núcleos ico ocorre ação do seu sobre esta o. exposiçã núm linha de b) os átomos ero de mas 30 Após 3 horas de um mes sa. mo elemento gatoriamente horas depois. 20 químico obri devem apre o estado inicial até 3 e com a maçã desde ro de nêutron sentar o mes a) Descreva o que acontec 10 mo númes. podem ser observadas? c) na eletrosf Que transformações era, região que concentr sa do átom reação química? Quais? 0 de indício a algum 10 toda o, encontram-s b) Há 20 30 a maso fogo. Proponha 40 50 e os elétrons d) o número carbônico para apagar 60 70 gás usam r. que Núm o . 80 queima de massa de ero de próto incêndi 90 100 ou número ns (Z) 110 2. Há extintores de es, o combustível deixar soma do núm de Moseley KAPLAN, o fato de, nessas condiçõ ero de prót I. Física Nucle éa uma explicação para inicial e final elétrons. ons com o ar. Rio de Janeiro: Guan número de , em seu caderno, os estados abara Dois, mação a seguir, indique estado, dê o nome. e) o elemento a de 1978 (adap antimônSugira 3. Sobre cada transfor 1. Em de suamudanç opinião, a maioria das pessoas sabe que tintas à base de chumbo são O tóxicas? de tado). io é umformas químico corr física. No caso de tratar-se elemento esponde a de átomos prótons e se ela é química ou fazer com que essa informação chegue ao conhecimento não só dos consumidores, mas também de tra- químico que poss e poss um conjunto de mesma ui vári água. ui carg à os 50 isótopos – a nuclear. 4. Uespi-PI rem pelo núm a) Acrescentar álcool balhadores que manipulam tintas (operários, pintores), para que evitem riscosdife à saúde. átomos que (2012) Os radi horas. ero oito só por de dor se nêutrons. congela oisótopos gráfico, os te utilizado De acordo b) Colocar água no são hoje isótopos s na medicina 2. Pirataria é crime, e os produtos piratas são baratos porque são produzidos sem preocupação com com o estáhigieveis do anti tratamento para diagnóst largamena) o-o mônio poss de doenças c) Queimar madeira. ico, estudo armário, deixand e 24 ne, segurança e preservação ambiental. Além disso, os trabalhadores recrutadosentr parae 12 sua fabricação uem: nêutrons não da em um . Por usado para e a men to” da naftalina guarda prótons. destruir e imp exemplo, o cobalto contam com garantias trabalhistas: não há salário mínimo, respeito à carga horária máxima de trabalho, os que o número d) O “desaparecimen 60 é edir o cres las canceros de a”. cimento de as. Os núm exatamepirata? segurança, etc. Converse com os colegas: o que leva as pessoas a comprar umb)produto Que medicom “cheiro de naftalin célueros de prót nte o mes de elétrons ons, mo ja. no de nêutron núm nuclídeo 60 31 enferru trons. ero de prót das poderiam ser tomadas para resolver essa situação? se e) A palha de aço que ons e nêusão, respectiv 27 Co a) 33, 27 e . seguem que 24 tas ame c) entre 0 nte: e responda às pergun 3. Com base no que leu, responda: que efeitos têm os íons de chumbo no organismo? e 12 nêutron d) 27, 33 e b) 27, 60 e 4. Leia o texto abaixo 27 s a mais que 24 prótons. o número COP21 Paris, e) 27, 33 e , em c) 60, 33 e de 4. Segundo os textos, por que,aapesar de sua toxicidade, a tinta à base de chumbo ainda é usada em diversos do planeta 24 27 d) entre 12 que discute o futuro tar de 28% e 24 nêutron Para a conferência produtos? leva a meta de aumen 5. FGV-SP s a mais que prótons. ro de 2015], o Brasil (2012) A tabe o número como eólica, solar, [ocorrida em dezemb la seguinte energia, a de o de eis fere renováv ntes 5. “Para detectar presença de chumbo [...] o brinquedo é banhado a 37 C com água, depois imerso num reapre as fontes às espécies sidera e) entre 0 senta dados para 33% até 2030 ica. A meta descon e nêutron K, K 1, Ca 21 22 reenergét cipiente com misturaimpact aquosa com ácido do12 produto após poseS . s a men tal clorídrico. Esse teste visa observar a reação o etanol, na matriz o ambien prótons. os que o núm biomassa, entre elas eis, causam Espécie ero de (NOGUEIRA, Italo. Após novo recall, Inmetro fará teste de chumbo em brinquedo. Folha de S.Paulo, São Pausível ingestão.” embora sejam renováv Z 2. UEPG-PR as hidrelétricas que, Nêutrons K (201 Acesso dez. 2015.) barragens. lo, 7 set. 2007. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/folha/dinheiro/ult91u326522.shtml>. 3) Naem: natu22reza 19 e social por causa das variedades podem-se 22 K1 isotó encontrar Descreva o procedimento usado para testar a toxicidade das tintas de brinquedos. Qual a finalidade do uso picas do elem 19 três ento quím 22 Ca 21 de ácido clorídrico na detecção de chumbo nessas tintas? ico urânio, 20 136 Unid 0

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Atividades Ao longo de cada capítulo, questões de diferentes graus de complexidade permitem a aplicação dos conteúdos desenvolvidos, além de possibilitarem a autoavaliação.

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Glossário O glossário traz o significado de palavras e expressões menos conhecidas usadas nos textos ou nas atividades.

ENEM/REPRODUÇ ÃO

Boxes Sempre que necessário, boxes complementam ou aprofundam assuntos tratados no capítulo.

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PULSAR IMAGENS/THOMAZ

VITA NETO

CAL HERITAGE FOUNDATION ©WIKIMEDIA COMMONS/CHEMI

(La guerre du feu), ão a liderança do Galileu e a Santa Inquisiç de Jean-Jacques e político da Igreja, sob do grande poder religioso Annaud. França/ julgava todos aqueles No século XIII, diante ão, um tribunal que Canadá, 1981 crenças criada a Santa Inquisiç cristãs. Entre essas papa Gregório IX, foi (125 minutos). m ameaçar as crenças les. pudesse Aristóte forma, filósofo no Esse filme francoque, de alguma o, baseada era o centro do Univers -canadense, com um telescópio feitas micas, estava a de que a Terra , bastante premiado do Unis em observações astronô que o Sol era o centro de Ao expor ideias baseada tese a conta a história u , Galileu defende do mundo, em de uma batalha construído por ele mesmo os dois grandes sistemas sobre Diálogos de sua obra, ão. Para evitar entre duas tribos verso. A publicação e condenado pela Inquisiç preso foi Ele da Pré-História dos Igreja. diante o pela 1632, não foi aceita ideias em uma confissã em torno da posse decidiu renegar suas vivo, do do queima e da produção que fosse fogo, tecnologia de que o julgavam. inicia grande importância precisão quando se o, é difícil dizer com na evolução do proposta no subtítul a científica terem coexisti Voltando à questão humana. práticas de naturez fato de as primeiras alquimistas. Estas últimas a Química, até pelo e: as realizadas pelos diferent século o bem era desde – com outras, cujo caráter chineses, árabes, etc. entos povos – egípcios, gregos, procedim vários por as quando foram praticad durante o século XVIII, mações. a perder importância transfor ram suas de e começa e a.C. matéria IV estudo da is ganharam espaço no entre suas principa de caráter científico práticas que tinha, obam um conjunto de comuns em ouro e de Os alquimistas realizav transformar metais muitos por uma maneira de trabalho deles que motivações, a busca a vida; foi graças ao pudesse prolongar que a Química, da maneira ter um material que que foi da Alquimia dizer Pode-se . materiais foram obtidos se originou. em seu como é entendida hoje, os marcaram a Química ra-se que dois estudios 91). Autor No entanto, conside Robert Boyle (1627-16 foi o estudioso irlandês as na início. O primeiro deles deflogisti- l Chymist), desenvolveu suas pesquis de “ar(The Sceptica quartocético Além dos diversos tipos te um O químico livro adamen do aproxim de aço, empregados de parte o inverso, tanto em objetos simples e travessas – quanto era respirável (essa uma ar quera. também o process Inglater ou seja, do em estruturas complex o da elaboração de − como talheres cou Lavoisier realizou r identifi as e resistentes de grandes mercúr io(II), cado”, entos planejados, partind ria, outras ligas metálic experim medidas, oxigênio). Lavoisie ento do óxido de obras de engenhaas são bastante conheci respirável do ar é oBoyle realizou realizou observações, hoje isso, isto é, o aquecim (que em Para “ar” azoto er. e o io ar: das e usadas. É o caso do latão, ligas contend ia esclarec inte a obter mercúr ões, repetiu prooutro constitu dos vários tipos de o basicamente cobre questão que pretend s, formulou explicaç notando que voltava idas também e estanho, resistentes testou-a es, consum transfor hipótes foram Deixou u nio). que madas izações. à corrosão e facilmen as às em fios, e dos bronzes anotações, elaboro chamamos de nitrogê te , formados por cobre, quantidades idêntic ão dedeles, estabeleceu general a conclus s r foi ligas em muitos ainda base estanho veremo Lavoisie com de mais e, como e r. ição tos outros resisten componentes, dos gases, tes e menos vulnerá Outra contribucedimen no processo anterio e oxigênio que veis à corrosão que nio da Pneumá.tica – do estudo de hidrogê s na área os latões. trabalho de experimentos, concluiu muitosída a água era constitu Depois de uma série seus uma subs- que 12.uíram para que contrib 94), que deixou capítulo ertas não continha apenas Essas descobno . t de Lavoisier (1743-17 o ar da atmosfera flogisto -Lauren ideia do Antoine nassem foi oafrancês , uma mistura de diversos . Entre elas, vale s abando O segundo Química porâneo da o contem lviment tância; o ar era, na verdade constituído para o desenvo ental, assim ar da atmosfera era inúmeras contribuições em seu trabalho experim gases. Para ele, o ão do uso da balança adiante). Fez destacar a introduç livro de tão (que veremos mais Página de abertura do a reação de combus dos particicomo os estudos sobre que mediu as massas Robert Boyle, de 1661. incluindo vários em das massas, sobre s experimentos, o nome delas, inúmero u a lei da conservação cias. Desse modo, s. Formulo Nomenclatura química os químico s nomear as substânpantes de process para iniciada tização fossem não uma sistema s para pessoas que s no capítulo 2. Antigamente, não havia Ponte sobre o rio para transformar os eram incompreensívei nos aprofundaremo técnicas qual a ntá-las, as que represe XVIII, s para Paranaíba, ligando os no final do século bem como os símbolo em investigações Foi a partir dessa época, : uma metodologia baseada municípios de Porto pelos alquimistas. Observe a ser exercidas usando materiais passaram Alencastro (MS) e a. Nome atual da Ciência modern de um problema. Mas Carneirinho (MG), 2013. Símbolo utilizado experimentais, próprias partida a formulação de ponto tas expecomo outro O alquimis de aço é empregado em pelos Nome antigo Essa metodologia tinha entação? Ela pode nascer estruturas da construçã ão que propicia a experim trabalhos de outros o a indagaç sulfúrico ácido como surge dúvidas sugeridas pelos civil, especialmente no mesmo estudioso, de ou de acontecimentos caso de grandes obras. rimento realizado pelo de observações feitas ácido vitriólico É s realizadas a partir da pesquisa. muito usado, por exemplo, estudiosos, de reflexõe16), Claude- um experimento e que mudam o rumo (1737-18 na estrutura de pontes, ocorrem durante -Morvea stosuque 19 imprevi ernard Guyton essa? é o ciência Louis-B – que 1787, as pois torna mais rápida Capítulo 1 Química: r – publicou, em , um grupo de cientist y (1755-1809) e Lavoisie Diante dessa situação seus Fourcro e fácil essa etapa da de is um -Franço como 22), Antoine ), obra que tinha construção do que se -Louis Berthollet (1748-18 de nomenclatura química elas medida do possí5/2/16 16:16 lature chimique (Método fossem feitas em concreto. adores buscaram, na Avanços da Bioquím Méthode de nomenc . Lavoisier e os colabor de sódio pode ser ica – campo respons a linguagem química exemplo, o cloreto ável pelo estudo dos ocorrem nos seres vivos MATRIZ NOVA objetivos aperfeiçoar compor seu nome (por processos químicos − têm permitido conhece 19 que ição da substância para C1_001A031.indd r muitos mecanismos de organismos, favorece vel, utilizar a compos EME18_VIVA_QUI1_U1 Princípio ativo: de funcionamento ndo o desenvolviment cias cloro e sódio). o da Biologia Molecul substância que atua fundamentais ao progress obtido pelas substân ar e da Farmacologia, o da Medicina. A cada como medicamento dia, novos princípios por pesquisadores er ativos são sintetizados ou isolados a partir no combate a uma to químico para Lavoisi de produtos naturais A definição de elemen testes, são usados no doença. Quando , que, após um período iu a ideia controle e, em muitos de cético, Boyle introduz compramos um casos, na cura de inúmera que era inviável há alguma Em seu livro O químico s enfermidades, o Boyle, Lavois décadas. remédio e o vendedor do-se nas teorias de Vários outros exempl nos oferece outro de elemento. Basean os ainda poderiam todas as substânquímico to ser equivalen citados. No entanto esquecer de que, ao te – um sier chamou de elemen , não podemos nos lado dessas conquis processo genérico, por tas, a utilização que s decompor por nenhum recursos também tem se faz de muitos desses exemplo –, devemos cias que não podemo causado danos ao ambient o conceito ento). Atualmente, e e à vida de modo geral. pessoas atribuam à verificar se o princípio Química a responsabilidad Embora algumas (por exemplo, aquecim o no ativo é o mesmo. e por esses problem decide como o conheci e diferente e será discutid as, é o ser humano que mento químico vai ser Quando se extrai de elemento é bastant usado. A Química é uma solucionar muitos desses um medicamento de ciência que permite problemas, desde que capítulo 4. uma planta, mesmo o ser humano tenha essa preocupação. que ela contenha Biologia Molecular vários componentes e Farmacologia químicos, um A Biologia Molecular é um dos campos de deles (às vezes estudo mais recente em meados do século mais que um) terá s da Biologia. Iniciada XX, seu principal objeto reside no estudo de o efeito desejado néticas, entre elas a características geparticipação dos cromoss no organismo, o omos, do DNA, em fatores Enquanto a Genétic princípio ativo. a estuda esses mesmo hereditários. s fatores em nível celular, cular, como o próprio a Biologia Molenome indica, o faz em nível molecular – unidade constituem essas estrutur s diminutas que as e que também são objeto de estudo da estudos são de fundam Química. Esses ental importância na busca novas drogas, campo de tratamentos e na ção do trabalho de específico de estudo pesquisa de Página de apresenta da Farmacologia. Ou de estudo ligadas ao publicado por seja, todas essas áreas campo da Farmácia nomenclatura química e da Medicina são muito conhecimentos químico Fourcroy e Lavoisier. dependentes dos Morveau, Berthollet, s.

30

o ao estudo Unidade 1 Introduçã

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da Química

6. Equacione na forma iônica o processo usado na detecção de chumbo.

ade 2 Intro duçã

o à estrutura

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da matéria

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Atividades

VA

1. Equacione as reações entre ácido e base que permitem obter, além da água, as substâncias abaixo. Indique-as também na forma iônica: a) sulfato de ferro(III)

Não escreva neste livro.

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Testando seus conhecimentos Ao final de cada unidade, é apresentada uma seleção de questões tiradas do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem) e de exames vestibulares de todo o país.

b) fosfato de sódio

2. Equacione as reações de precipitação possíveis, indicando com (aq) os participantes em solução aquosa e com (s) os precipitados. a) NaOH 1 CuSO4

b) HCℓ 1 AgNO3

c) Pb(NO3)2 1 H2S

d) Ca(OH)2 1 FeCℓ3

Questão comentada 3. (Unicamp-SP) Uma solução contém cátions bário, Ba21, chumbo, Pb21, e sódio, Na1. Os cátions bário e chumbo formam sais insolúveis com ânions sulfato, SO22 4 . Dentre esses cátions, apenas o chumbo forma sal insolúvel com o ânion iodeto, I2. a) Com base nessas informações, indique um procedimento para separar os três tipos de cátion presentes na solução. b) Escreva as equações das reações de precipitação envolvidas nessa separação. Sugestão de resolução a) Inicialmente, podemos adicionar um iodeto solúvel, que reagirá com íons Pb21 formando um composto insolúvel. A adição de I2 deve ser feita até que a quantidade de precipitado fique constante. PbI2(s) Pb21(aq) 1 2 I2(aq) O conjunto deverá ser filtrado de modo a reter no papel de filtro todos os íons Pb21 na forma de sal insolúvel. No filtrado, adiciona-se excesso de sulfato solúvel, precipitando os íons Ba21. BaSO4(s) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq) Repetindo a filtração, os íons Ba21 ficarão retidos no papel de filtro sob a forma de BaSO4. No filtrado, estarão os íons Na1 com todos os ânions presentes. b) Pb21(aq) 1 2 I2(aq) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq)

PbI2(s) BaSO4(s)

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Questões comentadas Para algumas questões, é apresentada uma possibilidade de resolução.

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Conheça seu livro

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Sumário Unidade

1 Introdução ao estudo da Química

CAPÍTULO 1 Química: que ciência é essa?....................................... 12 Como o conhecimento químico tem sido empregado...14 Conexões – Química e ambiente – Problemas × soluções........16 Viagem no tempo – O fogo e a revolução tecnológica; Quando se inicia a Química?; Um esclarecimento.......................18

Os químicos estudam as transformações dos materiais.................................................................................. 21 As mudanças de estado: um tipo de transformação........21 Aquecer sempre provoca mudança de estado?.............25 Química: prática e reflexão.........................................................25

Misturar é diferente de reagir................................................ 26 Que evidências indicam a ocorrência de reação?..........27

DIVULGAÇÃO PNLD

Conexões – Química e energia...................................................... 29 Atividades........................................................................................30

CAPÍTULO 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton......................................................................................32 O desenvolvimento da Química.......................................... 34 Dos gregos ao nascimento da Química............................. 34

Substâncias simples e substâncias compostas............. 58 Modelos para representar substâncias simples e substâncias compostas.........................................................60 Atividade...........................................................................................61 Diferentes substâncias, um só elemento..........................61 Conexões – Química e tecnologia – Formas artificiais do carbono......................................................................................... 65

Substância e mistura: diferenciação teórica...................67 Atividades........................................................................................68

Tipos de mistura.......................................................................... 69 Misturas homogêneas ou soluções.................................... 69 Misturas heterogêneas............................................................. 70 Atividades........................................................................................ 70

Separação de misturas.............................................................. 71 Filtração............................................................................................ 71 Conexões – Química e tecnologia.................................................72

Peneiração.......................................................................................73 Decantação.....................................................................................73 Destilação........................................................................................74 Evaporação......................................................................................75 Dissolução fracionada................................................................75

Atividades........................................................................................ 36

Química: prática e reflexão.........................................................75

A trajetória de Lavoisier e o esclarecimento da teoria do flogístico................................................................ 36

Atividades.........................................................................................76 Resgatando o que foi visto..........................................................77

Química: prática e reflexão.........................................................37

Testando seus conhecimentos.................................................78

Leis ponderais das reações químicas ...............................40 Lei da conservação da massa.................................................41 Atividade...........................................................................................41

Lei das proporções definidas................................................. 43 Atividades........................................................................................44

Teoria atômica de Dalton....................................................... 45 Atividades........................................................................................46

CAPÍTULO 3 Substâncias e misturas.....................................................48

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/CORDELIA MOLLOY

Algumas contribuições de Lavoisier................................... 38

Como diferenciar substância de mistura?......................50 Atividade..........................................................................................50

Caracterizando uma substância...........................................55 Critérios de pureza.......................................................................55 Atividades........................................................................................ 56

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Unidade

2 Introdução à estrutura da matéria

CAPÍTULO 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais.... 82 Modelos atômicos: lidando com partículas que não podemos ver................................................................84

DIVULGAÇÃO PNLD

Atividades........................................................................................ 85 Modelo atômico de Thomson............................................... 85 Os átomos podem “quebrar”? ..............................................88 Modelo nuclear de Rutherford.............................................89 A questão não respondida por Rutherford e o modelo de Rutherford-Bohr...........................................91 Outras partículas presentes no núcleo...................... 92

Grupos e períodos.....................................................................105 Atividades...................................................................................... 107 Conexões – Química e Economia – Terras-raras:

importância na economia atual...................................................108

Conceito de propriedade periódica...................................110 Atividades........................................................................................111

Comparando raios de átomos aos de íons..................... 112 Atividades....................................................................................... 112

Atividades........................................................................................ 93

Dois grandes grupos: metais e não metais.................... 113 Metais.............................................................................................. 113 Não metais....................................................................................115 Atividades.......................................................................................116

Número atômico (Z)..................................................................94 Elemento químico e símbolo................................................94 Número de massa (A)............................................................... 95 Isótopos........................................................................................... 95

CAPÍTULO 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem...............................................................................118

Atividades........................................................................................ 96

Isóbaros........................................................................................... 96 Atividades........................................................................................ 96

Distribuição dos elétrons no átomo...................................97 Uma orientação inicial sobre distribuição eletrônica........................................................................................... 97 Atividades........................................................................................98 A formação de íons.....................................................................98 Atividades........................................................................................ 99

CAPÍTULO 5 Classificação periódica dos elementos químicos....................................................................................100 Classificar: uma necessidade das ciências.........................102 Viagem no tempo – A Tabela Periódica: um trabalho

de muitos cientistas; O congresso para reorganização.............103 A classificação atual dos elementos químicos..............105

Os gases nobres e a teoria eletrônica das ligações...120 Ligação iônica.............................................................................120 Atividade.........................................................................................122 Atividades.......................................................................................123 Algumas generalizações........................................................ 124 Ligação covalente ou molecular........................................125 Atividades...................................................................................... 126 Atividade........................................................................................ 128 Algumas generalizações sobre ligações químicas....... 129 Natureza das ligações e comportamento das substâncias..........................................................................130 Substâncias iônicas..................................................................130 Substâncias moleculares........................................................ 131 Eletronegatividade, ligações polares e apolares..........133 Atividades...................................................................................... 134 Resgatando o que foi visto....................................................... 135 Testando seus conhecimentos.............................................. 136

Eletrólitos e reações químicas: 3 fundamentos qualitativos e quantitativos

Unidade

CAPÍTULO 7 Ácidos, bases e sais..........................................................140 Ácidos e bases............................................................................ 142 Química: prática e reflexão...................................................... 142 Viagem no tempo – Um pouco da história dos conceitos

de ácido e base................................................................................. 143

Função química.........................................................................144 Propriedades funcionais........................................................144 Condutibilidade elétrica.........................................................144 A teoria de Arrhenius...............................................................147 Viagem no tempo – Um jovem que abalou uma crença........147

Ácidos.............................................................................................148

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Conceito de ácido de Arrhenius..........................................148

Tipos de reação que merecem destaque.......................184

Atividades......................................................................................149

Atividades......................................................................................184

Ionização de poliácidos...........................................................149

As reações e a redução do número de íons livres....... 185

Força de um ácido.....................................................................150

Atividades......................................................................................186

Alguns ácidos de importância comercial........................151 Atividades.......................................................................................152

Bases ou hidróxidos................................................................. 153 Conceito de base de Arrhenius........................................... 153

Mol: unidade fundamental para a Química.................190

Algumas bases de importância comercial..................... 154

Atividades...................................................................................... 193

Força das bases...........................................................................155

Massa atômica e massa molar de um elemento.......194

Atividades.......................................................................................155

Massa molar e seu uso em cálculos químicos.............194

Sais................................................................................................... 156

Atividades......................................................................................194

Conceito de sal........................................................................... 156

O mol e os cálculos por meio de reações...................... 195

O que é neutralização?.............................................................157

Atividade........................................................................................ 195

A neutralização, o pH e os indicadores.............................157

Conexões – Química e trabalho – O transporte de produtos perigosos...........................................................................197

Conexões – Química e saúde – A reação de neutralização

e o tabagismo.................................................................................. 159

Atividades......................................................................................198

A reação de neutralização e os tipos de sal...................160

Reagentes em solução...........................................................199

Nomenclatura de ácidos, bases e sais............................ 163 Atividades......................................................................................164

DIVULGAÇÃO PNLD

CAPÍTULO 9 Cálculos químicos: uma iniciação.......................188

CAPÍTULO 8 Reações químicas: estudo qualitativo.............166 Representando as reações...................................................168 Conexões – Química, cotidiano e meio ambiente...................169

Determinando coeficientes de acerto............................ 170 É preciso ter método no balanceamento por tentativas.............................................................................. 170 Atividades.......................................................................................172

Concentração de uma solução...........................................199 Química: prática e reflexão......................................................199

Concentração em quantidade de matéria por litro (mol/L).................................................................................200 Reagente limitante...................................................................201 Atividades......................................................................................201 Viagem no tempo – Massa atômica: do hidrogênio ao carbono-12; Massa atômica de um elemento químico que possui isótopos........................................................................ 203 Atividades..................................................................................... 204

Decomposição do azoteto de sódio...................................173

CAPÍTULO 10 Reações de oxirredução.............................................. 206

Decomposição térmica do calcário...................................174

Conceitos importantes: oxidação e redução.............. 208

Decomposição por ação da luz e da eletricidade.........174

Atividades..................................................................................... 208

Reações de decomposição ou análise.............................173

Reações de síntese ou adição..............................................174

Um exemplo de reação de oxidação e redução.......... 208

Obtenção industrial do ácido clorídrico..........................174

Número de oxidação.............................................................. 209

A combustão do hidrogênio..................................................175

Número de oxidação médio.................................................. 211

Outros exemplos de reação de síntese............................175

Atividades.......................................................................................212

Atividades.......................................................................................175

Algumas generalizações sobre o cálculo do Nox.........213

Condições para que reações envolvendo eletrólitos ocorram...................................................................176

Atividade........................................................................................ 214

Reações de neutralização.......................................................176

Reações de oxirredução: agente oxidante e agente redutor............................................................................215

Reações de precipitação.........................................................176

Atividades...................................................................................... 216

Química: prática e reflexão.......................................................176 Conexões – Química e defesa do consumidor.........................180 Atividades.......................................................................................181

Reações com formação de eletrólitos mais fracos e/ou voláteis.................................................................. 182 Química: prática e reflexão...................................................... 183

Conexões – Algumas reações de oxirredução presentes no cotidiano......................................................................................217

Um tipo particular de oxirredução: substâncias simples com eletrólitos em solução................................220 A substância simples é um não metal.............................220 Atividades.......................................................................................221

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A substância simples é um metal......................................222

Nomenclatura dos óxidos.....................................................235

Química: prática e reflexão......................................................222

Atividades......................................................................................235

Atividades......................................................................................224

Classificação dos óxidos.........................................................236

Balanceamento de uma reação de oxirredução........225 Atividades......................................................................................227 Conexões – Os bafômetros e as reações de oxirredução........228

Equações de oxirredução na forma iônica....................228 Atividades......................................................................................229

Atividades......................................................................................239 Química: prática e reflexão...................................................... 241 Conexões – Química e ambiente – A chuva ácida...................242 Conexões – Química e Medicina – O gás hilariante: monóxido de dinitrogênio (N2O)...................................................243

CAPÍTULO 11 Óxidos..........................................................................................232

Atividades......................................................................................245

Introdução aos óxidos............................................................234

Testando seus conhecimentos............................................. 248

Resgatando o que foi visto.......................................................247

Unidade

DIVULGAÇÃO PNLD

4 Estado gasoso CAPÍTULO 12 Gases: importância e propriedades gerais.....252

Atividades.......................................................................................271

Por que estudamos os gases?.............................................254

Explicando a transformação isotérmica (Lei de Boyle)...............................................................................273

Comparando o estado gasoso com os demais estados...........................................................................................255

Como explicar o comportamento dos gases?.............272

Explicando a transformação isovolumétrica...............273

Atividade........................................................................................256

Explicando a transformação isobárica............................273

Liquefação de um gás.............................................................256

Explicando o princípio de Avogadro.................................274

Variáveis de estado de um gás............................................257

Atividades......................................................................................274

Pressão de um gás....................................................................258

Densidade absoluta.................................................................275

Conexões – Química e Física: Stevin e Pascal...........................259

Atividades......................................................................................275

Lei volumétrica de Gay-Lussac..........................................262

Como se calcula a densidade de um gás qualquer?......................................................................................276

Princípio de Avogadro.............................................................262 Viagem no tempo – Avogadro: um reconhecimento

Como a densidade de um gás varia com a pressão e com a temperatura?............................................276

póstumo..................................................................................... 264

Densidade relativa dos gases............................................... 277

Volume molar de um gás......................................................265

Atividades...................................................................................... 277

Volume molar nas CNTP e nas CPTP...............................265

Misturas gasosas....................................................................... 277

Atividades......................................................................................265

Pressão parcial de um gás..................................................... 277

Lei dos gases.............................................................................. 266

Atividades..................................................................................... 280

Química: prática e reflexão..................................................... 266

Conexões – Química e Biologia – Trocas gasosas

Consequências do princípio de Avogadro......................263

Química: prática e reflexão......................................................267

na respiração.................................................................................. 280

Lei de Boyle..................................................................................267

Cálculos em reações químicas das quais participam gases.......................................................................282

Lei de Charles e Gay-Lussac................................................ 268 Lei de Charles............................................................................. 268

Atividades......................................................................................282

Atividades......................................................................................269

Resgatando o que foi visto...................................................... 284

Lei dos gases ideais...................................................................270

Testando seus conhecimentos..............................................285

Atividades......................................................................................270

Tabelas para consulta............................................................... 286

Equação de estado e transformações gasosas...................271

Respostas.......................................................................................287

Lei dos gases (combinada).....................................................271

Referências bibliográficas....................................................... 288

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©SHUTTERSTOCK/WATCHARA

unidade

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Introdução ao estudo da Química

Leia os títulos das notícias que abrem esta unidade. Você já tinha percebido como é comum depararmos com a palavra química em nosso cotidiano?

<entra foto> Verificar a possibilidade de imprimir as matérias digitais seguintes, estudando a melhor forma para compor essas matérias de modo que as chamadas fiquem nítidas (e que fiquem claras as fontes) e fotografar essa composição. Com isso, o material fica mais verdadeiro com as fontes, estilos e tamanho de letra próprios de cada portal. Se precisar de mais chamadas, os autores poderão fornecer facilmente. Empresa Brasil de Comunicação, EBC, 7 out. 2015. Disponível em: <http://www.ebc.com. br/noticias/internacional/2015/10/nobelde-quimica-sai-para-tres-pesquisadores-dareparacao-de-dna>. Acesso em: 23 out. 2015.

Nesta unidade, vamos ver de que forma conhecimentos sobre a natureza da matéria se desenvolveram, se organizaram, passaram a ser elaborados com base em uma metodologia de pesquisa, se acumularam, se difundiram, dando origem à ciência Química. Também vamos retomar alguns conceitos básicos da área das Ciências da Natureza, como os de estados físicos da matéria e mudanças de estado. Analisaremos ainda outras possíveis alterações pelas quais um material passa e os conceitos de substância, substância simples, substância composta, além dos principais métodos para separar uma substância quando ela está misturada a outras. 10

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FOTOMONTAGEM/REPRODUÇÃO

https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/6463353/projeto-estuda-influencia-da-composicao-quimica-de-solos-agricolas-na-qualidade-de-hortalicas

Portal Embrapa, 20 out. 2015. Disponível em: <https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/6463353/projeto-estuda-influencia-dacomposicao-quimica-de-solos-agricolas-na-qualidade-de-hortalicas>. Acesso em: 23 out. 2015.

http://seculodiario.com.br/20862/10/pm-ambiental-registra-capina-quimica-em-area-de-preservacao-no-sul

DIVULGAÇÃO PNLD

Século Diário, 14 jan. 2015. Disponível em: <http://seculodiario.com.br/ 20862/10/pm-ambiental-registracapina-quimica-em-area-depreservacao-no-sul-do-es-1>. Acesso em: 23 out. 2015.

http://www.olhardireto.com.br/agro/noticias/exibir.asp?noticia=Embrapa_e_Embrap

Agro Olhar, 22 dez. 2015. Disponível em: <http://www.olhardireto. com.br/agro/noticias/exibir. asp?noticia=Embrapa_e_ Embrapii_unem-se_para_ pesquisas_em_Quimica_ Renovavel&edt=12&id=21994>. Acesso em: 4 jan. 2016.

http://exame.abril.com.br/geral/noticias/explosao-em-industria-quimica-mata-9-e-fere-2-na-china

Exame.com, 20 out. 2015. Disponível em: <http://exame.abril.com.br/geral/noticias/explosao-em-industria-quimica-mata-9-e-fere-2-na-china>. Acesso em: 23 out. 2015.

Nesta unidade Capítulo 1. Química: que ciência é essa? Capítulo 2. Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton Capítulo 3. Substâncias e misturas

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capítulo

Química: que ciência é essa?

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D.A PRESS/ON/FABYANA MOTA

Alunos em laboratório de Química do curso de Engenharia de Alimentos na Universidade Federal da Paraíba (UFPB) em uma das muitas aplicações dos conhecimentos químicos. Foto de 2011.

Para situá-lo Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • os objetos de estudo da Química; • as aplicações do conhecimento químico e suas implicações socioeconômicas e ambientais.

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Muitas pessoas nunca tiveram oportunidade de estudar Química; mesmo assim, já têm algumas ideias a respeito dessa ciência, elaboradas a partir das observações e reflexões acumuladas em sua vida. Talvez algo parecido aconteça com você. Ainda que não tenha estudado Química como passará a fazer a partir de agora, já deve ter algumas noções a respeito dela. Esse conhecimento foi se constituindo por meio da observação de fatos do cotidiano, de conversas informais, de reflexões sobre informações divulgadas em programas de televisão, em sites, revistas, jornais. Como ponto de partida, faça as atividades seguintes.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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1. Observe as tiras a seguir:

©NIQUEL NAUSEA/FERNANDO GONSALES

©GILMAR/ACERVO DO ARTISTA

Não escreva neste livro.

2. Leia, ao lado, o título de uma matéria e o pequeno texto que vem antes dele.

FOLHA DE S.PAULO/REPRODUÇÃO

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Que ideias a respeito da Química são ressaltadas nas tiras? Converse a respeito delas com seus colegas e com seu professor.

Ao terminar essa leitura, que ideia você tem sobre limpeza e química? 3. Em uma palestra sobre problemas associados ao cigarro, um médico afirmou: “É preciso evitar que as pessoas comecem a fumar porque não é fácil abandonar o cigarro, já que a nicotina causa dependência química”. O que o médico quis dizer com essa afirmação? 4. Procure em jornais, revistas, letreiros, anúncios, fotos e na internet frases relacionadas à Química. Registre-as em seu caderno e avalie os aspectos positivos e negativos de cada uma delas. Não se esqueça de anotar as fontes de cada uma das informações. 5. Faça uma pesquisa com quatro ou cinco pessoas (que não sejam estudantes de Ensino Médio) e peça que relacionem palavras ou mencionem fatos que elas associam à Química. Registre esses dados em seu caderno.

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Limão, vinagre e bicarbonato de sódio também ajudam na faxina

Limpeza sem química

a) Com base em suas anotações, procure avaliar se a imagem que essas pessoas têm da Química é predominantemente positiva ou negativa. b) Compare o material que você listou na questão 4 com os dados colhidos na sua pesquisa. Há algo em comum entre eles? Qual a ideia geral que se tem da Química?

GEROLLA, Giovanny. Folha de S.Paulo, São Paulo, 11 set. 2005. Disponível em: <http://www1.folha.uol. com.br/fsp/construcao/ cs1109200501.htm>. Acesso em: 23 out. 2015.

Este capítulo, além de propiciar uma reflexão sobre as ideias que você e seus colegas têm do campo de estudo da Química, permite a análise de alguns exemplos de transformações importantes para a aprendizagem das Ciências Naturais. Parte dele discute algumas das consequências das aplicações dos conhecimentos científicos. Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Talvez a maioria das pessoas não se dê conta, mas a Química está ligada ao dia a dia de todos os seres humanos e isso independe de se viver no campo ou em uma grande cidade, de ter ou não boas condições econômicas. Entretanto, muitas pessoas associam a Química a tudo o que é artificial. Predomina também a ideia de que essa ciência seria uma das principais responsáveis por prejuízos à saúde e à preservação do equilíbrio ambiental e da biodiversidade. Ouvimos com frequência frases do tipo: “Cuidado! Não coma isso: tem química”. Ou propagandas como: “Nossos produtos são isentos de substâncias químicas”. Mas, afinal, qual o campo de estudo da Química? Que papel tem essa ciência em nossa vida? Que uso os seres humanos fazem dela? A Química é uma ciência que se ocupa principalmente do estudo dos materiais e suas transformações. Por isso, graças a seu desenvolvimento, tem sido possível obter um grande número de materiais. Vamos ver alguns exemplos que mostram como o desenvolvimento da Química tem trazido benefícios à humanidade. A maioria dos tecidos das roupas que usamos nos dias de hoje foi obtida graças ao conhecimento químico. Algodão, seda, lã e outros materiais de origem animal ou vegetal, por exemplo, vêm convivendo com fibras sintéticas como o náilon, o poliéster e as lãs acrílicas. O náilon tem um emprego bastante amplo. Além de ser usado na confecção de roupas, é empregado, por exemplo, em engrenagens ou outras peças que necessitam ter alta resistência ao desgaste. ©SHUTTERSTOCK/MATPITCHAYA

O desenvolvimento da Química associado ao da Metalurgia permitiu a criação de muitas ligas metálicas. Na prática, uma liga metálica é empregada no lugar do metal que a constitui quando apresenta características vantajosas para o fim a que se destina. O aço, por exemplo, que é uma liga constituída basicamente de ferro e carbono, é mais resistente e mais facilmente transformado em fios e em lâminas do que o ferro. Além disso, dependendo da porcentagem de cada componente nessa liga e da presença de outros metais, o tipo de aço produzido pode apresentar propriedades que o tornam vantajoso para certas aplicações. Por exemplo, os aços inoxidáveis (basicamente, liga de ferro, carbono e cromo) são mais resistentes à corrosão que aços comuns. 14

Biodiversidade: termo criado em 1988, bastante usado nos últimos tempos para designar a variedade da vida em nosso planeta (flora, fauna, microrganismos), encontrada nos mais diferentes ambientes. Tendo em vista que as espécies e os ambientes que lhes dão suporte interagem, é desse processo que se dá a evolução das espécies. Nosso país possui a maior biodiversidade do mundo; estima-se que estejam no Brasil cerca de 2/3 das espécies existentes na superfície terrestre. A preservação da biodiversidade é fundamental para nossa sobrevivência.

©S HU TT ER ST OC K/ GO PF AS TE R

©SHUTTERSTOCK/WK1003MIKE

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Como o conhecimento químico tem sido empregado

Objetos fabricados com materiais sintetizados pelo ser humano.

Liga metálica: material formado por vários componentes, sendo ao menos um deles um metal.

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PULSAR IMAGENS/THOMAZ VITA NETO

Além dos diversos tipos de aço, empregados tanto em objetos simples − como talheres e travessas – quanto em estruturas complexas e resistentes de grandes obras de engenharia, outras ligas metálicas são bastante conhecidas e usadas. É o caso dos vários tipos de latão, ligas contendo basicamente cobre e estanho, resistentes à corrosão e facilmente transformadas em fios, e dos bronzes, formados por cobre, estanho e outros componentes, ligas ainda mais resistentes e menos vulneráveis à corrosão que os latões.

Ponte sobre o rio Paranaíba, ligando os municípios de Porto Alencastro (MS) e Carneirinho (MG), 2013. O aço é empregado em estruturas da construção civil, especialmente no caso de grandes obras. É muito usado, por exemplo, na estrutura de pontes, pois torna mais rápida e fácil essa etapa da construção do que se elas fossem feitas em concreto.

Avanços da Bioquímica – campo responsável pelo estudo dos processos químicos que ocorrem nos seres vivos − têm permitido conhecer muitos mecanismos de funcionamento de organismos, favorecendo o desenvolvimento da Biologia Molecular e da Farmacologia, fundamentais ao progresso da Medicina. A cada dia, novos princípios ativos são sintetizados por pesquisadores ou isolados a partir de produtos naturais, que, após um período de testes, são usados no controle e, em muitos casos, na cura de inúmeras enfermidades, o que era inviável há algumas décadas. Vários outros exemplos ainda poderiam ser citados. No entanto, não podemos nos esquecer de que, ao lado dessas conquistas, a utilização que se faz de muitos desses recursos também tem causado danos ao ambiente e à vida de modo geral. Embora algumas pessoas atribuam à Química a responsabilidade por esses problemas, é o ser humano que decide como o conhecimento químico vai ser usado. A Química é uma ciência que permite solucionar muitos desses problemas, desde que o ser humano tenha essa preocupação. Biologia Molecular e Farmacologia A Biologia Molecular é um dos campos de estudo mais recentes da Biologia. Iniciada em meados do século XX, seu principal objeto reside no estudo de características genéticas, entre elas a participação dos cromossomos, do DNA, em fatores hereditários. Enquanto a Genética estuda esses mesmos fatores em nível celular, a Biologia Molecular, como o próprio nome indica, o faz em nível molecular – unidades diminutas que constituem essas estruturas e que também são objeto de estudo da Química. Esses estudos são de fundamental importância na busca de tratamentos e na pesquisa de novas drogas, campo específico de estudo da Farmacologia. Ou seja, todas essas áreas de estudo ligadas ao campo da Farmácia e da Medicina são muito dependentes dos conhecimentos químicos.

Princípio ativo: substância que atua como medicamento no combate a uma doença. Quando compramos um remédio e o vendedor nos oferece outro equivalente – um genérico, por exemplo –, devemos verificar se o princípio ativo é o mesmo. Quando se extrai um medicamento de uma planta, mesmo que ela contenha vários componentes químicos, um deles (às vezes mais que um) terá o efeito desejado no organismo, o princípio ativo.

Capítulo 1  Química: que ciência é essa?

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Conexões Química e ambiente – Problemas × soluções Vamos refletir um pouco sobre a importância da escolha de determinadas soluções para problemas enfrentados pela humanidade. Inseticidas

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No início dos anos 1940, com a descoberta da substância conhecida como DDT, imaginava-se que se teria conseguido, finalmente, combater insetos responsáveis por doenças e que destruíam a agricultura, sem causar danos à saúde humana e ao ambiente. Durante os 20 anos seguintes, a produção e o uso do DDT cresceram muito e as consequências disso começaram a ser percebidas. Embora a utilização desse e de outros inseticidas tivesse impedido que grandes grupos populacionais fossem vítimas de doenças como a malária e o tifo, por exemplo, percebeu-se que eles permaneciam muito tempo no ambiente. Se, por um lado, essa característica permitia que eles atuassem por tempo suficiente para combater muitas gerações de insetos, por outro, causava problemas ao ambiente, muitos deles decorrentes do fato de se acumularem na cadeia alimentar. Com o tempo, outras técnicas de combate a insetos passaram a ser empregadas, como o uso de inseticidas de menor durabilidade, de feromônios que atraem insetos e funcionam como armadilhas, e a esterilização de insetos por radiação.

Feromônio: substância produzida por animais que provoca reações em outros da mesma espécie. Existem vários tipos de feromônios, como os sexuais, que provocam a atração sexual do sexo oposto.

Os CFCs, clorofluorocarbonetos (impropriamente chamados de clorofluorcarbonos), foram muito usados em geladeiras, aparelhos de ar condicionado e aerossóis. Com o passar do tempo, revelaram-se prejudiciais à camada de ozônio – nome dado a uma região da atmosfera rica em gás ozônio. Essa camada nos protege de parte dos raios ultravioleta emitidos pelo Sol porque, ao absorvê-los, impede que nos atinjam e prejudiquem nossa saúde. Isso explica por que os CFCs vêm sendo substituídos por produtos que não destroem o gás presente nessa região da atmosfera. Proteger a camada de ozônio é importante para evitar queimaduras e câncer de pele, por exemplo.

ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

CFCs

Embalagem de inseticida em aerossol isento de CFCs.

Os combustíveis, a produção de energia e as questões ambientais Certamente, uma das maiores fontes de agressão ao meio ambiente tem vindo do uso de combustíveis fósseis e de seus derivados – caso da gasolina, do óleo diesel, do carvão, entre outros. Por quê? Geralmente a energia utilizada para movimentar um veículo, aquecer um alimento, aumentar a temperatura de uma mistura a ser processada em uma siderúrgica, por exemplo, é obtida a partir desses combustíveis e tem como consequência a formação de poluentes, isto é, de materiais que, em curto ou longo prazo, causam prejuízos ao ambiente e à vida em geral. Um dos desafios da atualidade é reduzir as emissões desses poluentes, seja substituindo os combustíveis fósseis por etanol ou hidrogênio, por exemplo, seja utilizando energia solar ou eólica (energia gerada pelo vento) em substituição a fontes mais poluentes.

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GETTY IMAGES/KEVIN FRAYER

Poluição elevada obriga turistas a usarem máscaras. Cidade Proibida, antigo Palácio Imperial da China, Pequim (2015). FOTOARENA/JOÃO PEDRO DURÃO

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Por esse motivo, as questões ambientais vêm sendo discutidas pela sociedade e pela mídia. Vários encontros internacionais foram realizados nos últimos 25 anos com o objetivo de conscientizar a comunidade internacional sobre a necessidade de todos os países buscarem soluções para frear as agressões à natureza. Entre esses encontros, tivemos a ECO-92, realizada na cidade do Rio de Janeiro em 1992, e a Rio+20 em 2012; desde 1995, têm sido realizadas, anualmente, as COP (Conferência das Partes da Convenção das Nações Unidas sobre a Mudança do Clima). Acordos internacionais, no entanto, não bastam para resolver essas questões. É necessária a contínua expansão do nível de conhecimento e de comprometimento de todos em relação às questões que envolvem o ambiente. A decisão de usar ou não determinado material, de que forma e em quais circunstâncias não deve depender apenas de uma legislação eficaz ou da maior agilidade dos órgãos públicos. A população tem de ser bem informada e atuante, capaz, assim, de compreender os principais aspectos envolvidos em cada decisão.

Peixes mortos na Lagoa Rodrigo de Freitas, Rio de Janeiro (RJ), em 2013. Chuvas intensas levam grande quantidade de matéria orgânica para a lagoa, que, ao se decompor, absorve o oxigênio da água, ocasionando a morte dos peixes.

1. Identifique no texto exemplos de usos benéficos e destrutivos que se pode fazer dos conhecimentos químicos.

Não escreva neste livro.

2. Reúna-se com seus colegas e conversem sobre: • outros usos benéficos ou negativos que se pode fazer dos conhecimentos químicos; • o papel de cada um de nós para que a humanidade tire o melhor proveito possível dessa ciência. Resuma em seu caderno as principais conclusões a que o grupo chegou. Depois cada grupo elege um representante para apresentar suas conclusões a toda a classe. As conclusões foram semelhantes?

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Viagem no tempo

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Há quanto tempo a humanidade se dedica ao estudo dos materiais, valendo-se de metodologias e critérios científicos, como se faz em Química? Se compararmos o tempo de existência do ser humano na Terra com o tempo de existência da Química como ciência, podemos dizer que esse campo de estudo se estruturou há relativamente pouco tempo. No entanto, sua prática sempre esteve ligada à vida humana. O fogo, por exemplo, representa um dos mais antigos recursos usados por nossos ancestrais para transformar materiais retirados da natureza. A possibilidade de usar o fogo diferenciou o ser humano de outros animais. Em cavernas asiáticas, há vestígios de fogueiras feitas há 500 mil anos. Supõe-se que os povos primitivos o tenham encontrado na natureza – o fogo teria aparecido por ação de um raio, por exemplo – e, inicialmente, tenham aprendido a controlá-lo e a alimentá-lo. Imagina-se que só mais tarde se tenha conseguido produzir fogo atritando dois pedaços de madeira. O domínio do fogo representou uma conquista importante para a humanidade, uma vez que proporcionou acesso à iluminação e proteção contra o frio. Também com a utilização do fogo foi possível obter metais a partir dos minérios retirados da natureza, como é o caso do cobre (4000 a.C.). Voltando à questão sobre quando começou o estudo dos materiais, pode-se dizer que, desde as práticas iniciadas por nossos ancestrais, milhares de anos antes de Cristo – de caráter eminentemente empírico, isto é, baseadas somente nas observações e experiências vividas, sem a elaboração de teorias –, até a Química como ciência estruturada, houve um longo processo, que se estendeu até o início do século XIX.

©SHUTTERSTOCK/TALASHOW

O fogo e a revolução tecnológica

Há milhares de anos, o ser humano tem usado o calor do fogo, produzido em reações de combustão, para cozinhar os alimentos.

Antes dessa discussão, é importante fazer alguns esclarecimentos. Não se pode dissociar uma descoberta ou o desenvolvimento de um conjunto de conhecimentos do contexto em que eles têm lugar. Isso quer dizer que todo processo de criação científica está intimamente ligado a múltiplos aspectos da sociedade em que ocorre − a organização social e econômica, as crenças religiosas, os aspectos psicológicos e filosóficos (que dizem respeito a como as pessoas dessa sociedade veem o mundo e o sentido que dão à própria existência, por exemplo). O que se pretende destacar é que as descobertas que marcaram a Química no período em que ela começava a se estruturar como ciência fizeram parte de um processo que ocorreu em um período histórico e em certas sociedades que o favoreceram. Nesse sentido, vale destacar que esse processo foi influenciado pelo que aconteceu no decorrer do século XVI, quando houve avanços importantes no campo da Física e da Astronomia. Esse período se caracterizou pelo domínio da razão, da experimentação, em oposição às ideias dominantes na Idade Média (período histórico compreendido entre os séculos V e XVI), fortemente marcadas por interpretações místicas do cosmo. Isso provocou muitos choques. Foi marcante, por exemplo, o impacto causado pelos trabalhos do astrônomo italiano Galileu Galilei (1564-1642), que chegou a ser obrigado pela Santa Inquisição a negar sua teoria, uma vez que havia chegado à conclusão de que a Terra girava em torno do Sol, e não o Sol em torno da Terra. Além de Galileu, outros estudiosos passaram a valer-se de uma metodologia baseada em fatos observáveis e na experimentação. Retrato de Galileu Galilei, de Justus

JUSTUS SUSTERMANS/NATIONAL MARITIME MUSEUM, LONDRES, REINO UNIDO

Quando se inicia a Química?

Sustermans, 1639.

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No século XIII, diante do grande poder religioso e político da Igreja, sob a liderança do papa Gregório IX, foi criada a Santa Inquisição, um tribunal que julgava todos aqueles que, de alguma forma, pudessem ameaçar as crenças cristãs. Entre essas crenças estava a de que a Terra era o centro do Universo, baseada no filósofo Aristóteles. Ao expor ideias baseadas em observações astronômicas, feitas com um telescópio construído por ele mesmo, Galileu defendeu a tese de que o Sol era o centro do Universo. A publicação de sua obra, Diálogos sobre os dois grandes sistemas do mundo, em 1632, não foi aceita pela Igreja. Ele foi preso e condenado pela Inquisição. Para evitar que fosse queimado vivo, decidiu renegar suas ideias em uma confissão diante dos que o julgavam.

A guerra do fogo (La guerre du feu), de Jean-Jacques Annaud. França/ Canadá, 1981 (125 minutos). Esse filme franco-canadense, bastante premiado, conta a história de uma batalha entre duas tribos da Pré-História em torno da posse e da produção do fogo, tecnologia de grande importância na evolução humana.

Voltando à questão proposta no subtítulo, é difícil dizer com precisão quando se inicia a Química, até pelo fato de as primeiras práticas de natureza científica terem coexistido com outras, cujo caráter era bem diferente: as realizadas pelos alquimistas. Estas últimas foram praticadas por vários povos – egípcios, gregos, chineses, árabes, etc. – desde o século IV a.C. e começaram a perder importância durante o século XVIII, quando procedimentos de caráter científico ganharam espaço no estudo da matéria e de suas transformações. Os alquimistas realizavam um conjunto de práticas que tinha, entre suas principais motivações, a busca por uma maneira de transformar metais comuns em ouro e de obter um material que pudesse prolongar a vida; foi graças ao trabalho deles que muitos materiais foram obtidos. Pode-se dizer que foi da Alquimia que a Química, da maneira como é entendida hoje, se originou. No entanto, considera-se que dois estudiosos marcaram a Química em seu início. O primeiro deles foi o estudioso irlandês Robert Boyle (1627-1691). Autor do livro O químico cético (The Sceptical Chymist), desenvolveu suas pesquisas na Inglaterra. Boyle realizou experimentos planejados, partindo da elaboração de uma questão que pretendia esclarecer. Para isso, realizou observações, medidas, anotações, elaborou hipóteses, testou-as, formulou explicações, repetiu procedimentos e, com base em muitos deles, estabeleceu generalizações. Deixou muitos trabalhos na área da Pneumática – do estudo dos gases, como veremos no capítulo 12. O segundo foi o francês Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794), que deixou inúmeras contribuições para o desenvolvimento da Química. Entre elas, vale destacar a introdução do uso da balança em seu trabalho experimental, assim como os estudos sobre a reação de combustão (que veremos mais adiante). Fez inúmeros experimentos, incluindo vários em que mediu as massas dos particiPágina de abertura do livro de Robert Boyle, de 1661. pantes de processos químicos. Formulou a lei da conservação das massas, sobre a qual nos aprofundaremos no capítulo 2. Foi a partir dessa época, no final do século XVIII, que as técnicas para transformar os materiais passaram a ser exercidas usando uma metodologia baseada em investigações experimentais, próprias da Ciência moderna. Essa metodologia tinha como ponto de partida a formulação de um problema. Mas como surge a indagação que propicia a experimentação? Ela pode nascer de outro experimento realizado pelo mesmo estudioso, de dúvidas sugeridas pelos trabalhos de outros estudiosos, de reflexões realizadas a partir de observações feitas ou de acontecimentos imprevistos que ocorrem durante um experimento e que mudam o rumo da pesquisa.

Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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©WIKIMEDIA COMMONS/CHEMICAL HERITAGE FOUNDATION

Galileu e a Santa Inquisição

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A experimentação levará à coleta de dados, que pode ou não exigir a realização de medidas. Isso requer planejamento para que as condições do experimento estejam bem definidas. O registro dessas condições, bem como o das observações, garante a possibilidade de reprodução dos experimentos, viabilizando a comparação entre vários deles. Todo esse processo leva a novos problemas e a mudanças no curso das pesquisas, conduzindo à elaboração de teorias que expliquem os dados obtidos. Um esclarecimento A Ciência moderna foi marcada por uma visão mecanicista, racional, com ênfase na experimentação, no que pode ser observado. Havia também uma busca por certezas. Já a Ciência contemporânea abandonou essa busca por certezas absolutas, assumindo uma postura investigativa na busca de explicações, sujeitas a constantes revisões e reavaliações, já que suas conclusões são provisórias. Para a Ciência atual, a experimentação e a observação são apenas alguns dos recursos de que a busca pelo conhecimento dispõe. Sendo assim, não se pode afirmar que exista apenas um método científico ou uma única maneira de se construir conhecimento no campo das Ciências Naturais. 1. Explique em que medida a Química, apesar de ser considerada por muitos uma ciência jovem, está ligada à vida humana desde os seus primórdios.

Não escreva neste livro.

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2. Relacione o domínio do fogo à Química. 3. Cite alguns procedimentos típicos de uma ciência experimental que permitiram à Química adquirir uma base teórica que a fundamentasse. O conhecimento científico é construído a partir de dúvidas, surpresas e reconsiderações – A descoberta da penicilina A descoberta da penicilina G pelo médico inglês Alexander Fleming (1881-1955), em 1928, é um marco na Medicina; o trabalho de Fleming, seguido pelo de outros estudiosos, viabilizou a produção do primeiro medicamento usado como antibiótico em 1941. Fleming voltou da Primeira Guerra Mundial motivado pelo desejo de reduzir o sofrimento observado em soldados que tinham suas feridas infectadas pela bactéria Staphylococcus aureus e passou a realizar experimentos com culturas desse microrganismo. O cientista saiu de férias e esqueceu em seu laboratório algumas placas de cultura desprotegidas. Ao retomar a pesquisa, notou que elas estavam contaminadas por um bolor; a observação cuidadosa do material levou-o a notar que, em volta desse bolor, não havia mais bactérias. Fleming conduziu então sua equipe a um novo caminho: o objetivo de sua pesquisa era o de descobrir o que explicaria a destruição das bactérias ao redor das colônias de bolor. Experimentos levaram à obtenção de um fungo, Penicillium, extraído do bolor, e os pesquisadores concluíram que esse fungo era o responsável pela produção de uma substância que tinha efeito bactericida: a penicilina. Essa descoberta exemplifica a importância de o pesquisador manter-se atento à observação de aspectos não previstos de acordo com o objetivo da pesquisa inicial. Foi, portanto, um acaso que levou à descoberta do primeiro antibiótico, mas isso só foi possível porque o cientista soube explorar um fato inesperado; a observação e a reflexão em torno desse fato nortearam a formulação de uma pergunta em torno da qual novos experimentos foram realizados. Fonte: Jornal Brasileiro de Patologia e Medicina Laboratorial, v. 45, n. 5. Rio de Janeiro, out. 2009. Disponível em: <http://dx.doi.org/10.1590/S1676-24442009000500001>. Acesso em: 26 out. 2015.

• Que ocorrência acidental motivou Fleming a fazer pesquisas que levaram à descoberta da penicilina?

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Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Os químicos estudam as transformações dos materiais Para introduzir a ideia de transformação de materiais, vamos analisar alguns sistemas. Mas o que são sistemas para a Química? Chamamos de sistema o conjunto de materiais que são isolados de todos os outros com a finalidade de serem estudados. Se as características iniciais de um sistema são diferentes das finais, dizemos que ele sofreu uma transformação.

As mudanças de estado: um tipo de transformação Você está familiarizado com as transformações que ocorrem com a água quando é aquecida ou resfriada. Mas isso não ocorre apenas com a água. De maneira geral, os materiais presentes na natureza se transformam quando são aquecidos ou resfriados. Vamos falar um pouco sobre essas transformações.

Aquecendo estanho

PULSAR IMAGENS/RICARDO AZOURY

©SHUTTERSTOCK/TROMBAX

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É possível que você nunca tenha visto estanho; trata-se de um metal usado, por exemplo, em objetos de decoração e em soldas de componentes de circuitos eletrônicos.

Na soldagem de componentes de circuitos eletrônicos, como é o caso dos que compõem um computador, é usada uma liga de estanho na forma de fio (como na foto acima, à esquerda). Também utensílios de cozinha ou objetos de decoração (foto à direita) podem ser feitos de estanho. SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Você sabe que, quando aquecemos um cubo de gelo, ao atingir certa temperatura, ele “derrete”. Será que acontece algo semelhante com o estanho? Ao aproximarmos um pouco de estanho sólido de uma chama, observamos o aparecimento de um líquido – como pode ser observado na foto ao lado – que nos lembra o mercúrio – único metal líquido à temperatura ambiente, até pouco tempo bastante utilizado em termômetros clínicos (leia o boxe na página seguinte).

O aquecimento do metal estanho produz um líquido de cor prateada que lembra o mercúrio. Capítulo 1  Química: que ciência é essa?

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Será que o aquecimento do estanho o transforma em mercúrio? Para saber se houve, de fato, uma transformação tão profunda – uma transformação química –, teríamos de comparar diversas propriedades do estanho líquido com uma série de propriedades do mercúrio. Por exemplo, podemos dizer que o estanho líquido não é mercúrio porque, quando se adiciona ácido clorídrico a ele, nota-se a liberação de bolhas, o que não ocorreria no caso do mercúrio. Mas então o que o aquecimento provocou no estanho? Ele apenas passou do estado sólido para o estado líquido. Essa transformação é chamada de fusão e pode ser representada por: estado inicial

aquecimento

estado final

estanho sólido

fusão

estanho líquido

Ou, de modo simplificado, por: ∆

estanho(s)

estanho(ℓ)

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Se colocarmos o estanho líquido em uma superfície fria, obteremos esse metal na forma sólida. A passagem de um material do estado líquido para o estado sólido é chamada de solidificação. Na solda de circuitos eletrônicos, por exemplo, o estanho sólido passa para o estado líquido quando entra em contato com o ferro de solda a alta temperatura; já ao se depositar sobre a superfície bem mais fria da placa do circuito, ocorre o processo oposto e o estanho líquido se solidifica. estado inicial

resfriamento

estado final

estanho líquido

solidificação

estanho sólido

estanho(ℓ)

resfriamento

Veja alguns símbolos adotados na linguagem científica: s – sólido ℓ – líquido g – gasoso ∆ – aquecimento

estanho(s)

Saúde sem mercúrio

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/CORDELIA MOLLOY

Em novembro de 2011 o uso do mercúrio em termômetros clínicos foi proibido no Brasil. Isso porque esse metal é tóxico. Um dos riscos de seu emprego em termômetros clínicos é o invólucro de vidro quebrar e o metal entrar em contato com a pele e as mucosas, causando danos à saúde. A exposição excessiva ao mercúrio danifica o sistema imunitário e pode acarretar transtornos psicológicos e digestivos, a queda de dentes e problemas cardiovasculares ou respiratórios. Desde 2008, está em curso uma campanha mundial, da qual faz parte a Organização Mundial da Saúde (OMS), pela “Saúde sem mercúrio”. Desde 2009, muitos hospitais aderiram a ela, deixando de usar termômetros e esfigmomanômetros de mercúrio (medidores de pressão). Fontes: <http://www.protecao.com.br/noticias/legal/ portarias_do_inmetro_proibem_o_uso_de_termometros_ de_mercurio/J9y4Jjjb/8997>; <http://portal.crfsp.org.br/noticias/5087-proibicao-deinstrumentos-com-mercurio.html>; <http://noticias.r7.com/saude/noticias/entidadesambientais-pedem-a-anvisa-que-proiba-termometros-demercurio-20100520.htm>. Acessos em: 24 nov. 2015.

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Por muitos anos, o mercúrio, metal líquido à temperatura ambiente (foto acima), foi bastante utilizado em termômetros clínicos, para medir a temperatura de nosso organismo.

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Aquecendo iodo

GETTY IMAGES/PHOTO RESEARCHERS RM

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/DR. P. MARAZZI

Será que todo sólido submetido a aquecimento funde? Vamos considerar o caso do iodo.

À temperatura ambiente, o iodo encontra-se na forma de cristais cinzentos e brilhantes. Assim que se inicia o aquecimento do iodo sólido em uma capela de um laboratório, nota-se imediatamente o aparecimento de vapores arroxeados. Esses vapores são tóxicos e, por isso, não devem ser inalados. Observe a imagem. LATINSTOCK/PHOTO RESEARCHERS, INC./CHARLES D. WINTERS

LATINSTOK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY

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Talvez você associe o iodo a um líquido marrom-alaranjado, conhecido como “tintura de iodo”, utilizado como antisséptico (foto à esquerda); esse líquido é uma mistura de iodo e álcool. Já o iodo (foto à direita) é um sólido à temperatura ambiente.

Cuidado! Os vapores arroxeados, formados quando o iodo é aquecido, são tóxicos e não devem ser inalados. Observe na imagem que o experimento foi realizado em uma “capela”.

Capela: as capelas fazem parte dos equipamentos de laboratórios químicos para proteger as pessoas que nele trabalham quanto ao manuseio de produtos químicos tóxicos ou que podem liberar para o ambiente materiais prejudiciais à saúde. Nesse equipamento há um potente exaustor que minimiza o risco de essas substâncias se difundirem pelo espaço do laboratório.

Quando os vapores de iodo esfriam, ele passa diretamente para o estado sólido.

O iodo não passa do estado sólido para o estado líquido quando é aquecido nas condições do ambiente; o sólido se transforma diretamente em vapor. Chama-se sublimação a mudança direta de estado físico de sólido para gasoso. Em contato com uma superfície fria, o iodo na forma de vapor volta a ser sólido; portanto, o vapor de iodo se transforma diretamente em sólido com o abaixamento suficiente da temperatura. Capítulo 1  Química: que ciência é essa?

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Continuamos tendo iodo antes e depois dessas transformações, que podemos representar por: estado inicial

aquecimento

estado final

iodo sólido

sublimação

iodo gasoso

iodo(s)

iodo(g)

estado inicial

resfriamento

estado final

iodo gasoso

deposição ou sublimação inversa

iodo sólido

resfriamento

iodo(g)

iodo(s)

O que há em comum entre o aquecimento, seguido de resfriamento, da água, do estanho e do iodo?

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Aquecimento e resfriamento de iodo, estanho e água são exemplos de mudanças de estado físico. Essas mudanças de estado são um dos tipos de transformação física. São atribuídos vários nomes à mudança de estado físico do estado gasoso para o sólido. De acordo com União Internacional de Química Pura e Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC), ela deve ser chamada solidificação. Em livros de nível superior de Física e Química são encontrados, também, os termos: ressublimação, sublimação inversa, deposição, entre outros. Nesta obra usaremos os termos sublimação inversa ou deposição para designar a mudança de estado de gás a sólido. Vamos relembrar o nome dessas mudanças de estado usando o exemplo da água. Ilustração elaborada para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala. PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Mudanças de estado físico da água

sublimação

fusão

vaporização

solidificação

condensação ou liquefação

estado sólido

estado líquido

estado gasoso

sublimação inversa ou deposição

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Atenção! O vapor de água não é visível. A “nuvem” que costumamos ver acima de uma panela com água aquecida é constituída por gotículas de água líquida. O vapor de água (invisível) que sai do líquido quente esfria ao entrar em contato com o ar, que se encontra em temperatura inferior. Com esse resfriamento, o vapor volta para o estado líquido (condensação).

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Aquecer sempre provoca mudança de estado? O açúcar refinado é um material que se caracteriza por um conjunto de propriedades: nas condições ambientes, ele é sólido, branco, doce e dissolve-se bem na água. Vamos ver o que ocorre quando se aquece o açúcar refinado para fazer uma calda. À medida que é aquecido, a cor branca vai desaparecendo e progressivamente o produto do aquecimento vai escurecendo. Se passarmos do ponto de calda, obteremos um sólido escuro, um novo material com propriedades distintas das do sólido inicial. Observe o quadro: Estado inicial

Estado final

Cor

branca

preta

Sabor

doce

não é doce

Em água

dissolve-se bem

praticamente não se dissolve

açúcar

produto preto

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Se resfriarmos esse novo material, ele não voltará a ter as características que possuía antes de ser aquecido. No aquecimento do açúcar refinado ocorrem transformações (ou reações) químicas. Vale dizer que nesse processo há liberação de gases.

Não escreva neste livro.

Química: prática e reflexão O aquecimento de alguns materiais pode produzir materiais novos, com propriedades diferentes das iniciais, como ocorreu com o açúcar refinado. E quando se junta um material a outro, pode ocorrer uma reação química? Material necessário

• 3 copos • cerca de 300 mL de água • 3 colheres (sopa) de vinagre

• 3 colheres (café) de bicarbonato de sódio • 3 colheres (café) de detergente

• 1 colher (sopa) • 1 colher (café)

Procedimentos

1. Coloquem quantidades iguais de água nos 3 copos e, em seguida, 1 colher (café) de detergente em cada um deles. 2. No primeiro copo, coloquem 3 colheres (sopa) de vinagre e 1 colher (café) de bicarbonato de sódio. Observem por alguns segundos. 3. No segundo copo, coloquem 2 colheres (café) de bicarbonato e observem por alguns segundos. 4. No terceiro copo, deixem apenas a água com o detergente. Descarte dos resíduos: os resíduos da atividade podem ser descartados diretamente no ralo de uma pia. Analisem suas observações

1. Anotem no caderno o que vocês observaram em cada um dos copos e comparem os resultados. 2. Por que vocês acham que foi misturado detergente à água? 3. O detergente foi colocado nos três copos com água. Em um deles, nada mais foi acrescentado. Por que vocês acham que foi adotado esse procedimento no terceiro copo? 4. Nos três copos da atividade foram misturados diferentes materiais. Em qual deles vocês acham que ocorreu reação química? Justifique sua resposta.

Capítulo 1  Química: que ciência é essa?

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Misturar é diferente de reagir O experimento anterior foi proposto para ajudá-lo a diferenciar misturar de reagir. Analise as situações a seguir.

Acrescentando sal à água Quando se coloca um pouco de sal de cozinha na água, obtém-se um sistema incolor, de aspecto igual ao da água pura, e tem-se a impressão de que o sal desapareceu. Mas isso não ocorre. Você já deve ter tido a oportunidade de experimentar água na qual foi misturado sal de cozinha (se não o fez, faça isso na cozinha de sua casa) e pôde verificar que o sabor salgado, uma propriedade desse material, é mantido nessa mistura. Dizemos que o sal se dissolve na água, originando uma mistura homogênea ou solução, isto é, nesse tipo de mistura não é possível distinguir os materiais misturados – sal e água. Água e sal podem ser separados da solução por aquecimento: a água vaporiza-se e, ao encontrar uma superfície fria – como a tampa da panela onde a solução está –, condensa-se, enquanto o sal permanece no estado sólido, inalterado. A dissolução do sal na água é um exemplo de transformação física.

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Você sabe que, se acrescentarmos mais água quente a uma xícara de chá colorido, ele vai assumir uma cor mais clara. Nesse caso, não há transformação química, apenas física. Nesse processo houve acréscimo de água à solução – que já continha a água que foi usada em seu preparo; esse acréscimo provocou a diluição (da solução do chá preparado).

A

B

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Acrescentando água quente a uma xícara de chá

Acrescentando sumo de limão ao bicarbonato de sódio Quando gotejamos sumo de limão em bicarbonato de sódio, observamos uma rápida efervescência, ou seja, uma intensa produção de gás. Ao final, obtêm-se materiais com propriedades diferentes das dos materiais iniciais (bicarbonato de sódio e substâncias presentes no sumo de limão). Observando e comparando as transformações que vimos até aqui, chegamos à conclusão de que há dois tipos de fenômenos: ▸▸ transformações físicas: em que não há formação de novos materiais – é o caso da dissolução do sal em água, da diluição de uma solução ou da mudança de estado físico de um material, como o aquecimento da água líquida até que ela se transforme em vapor. ▸▸ transformações químicas ou reações químicas: em que há transformação de um ou mais 26

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

A solução inicial (A) contém chá (componentes do vegetal dissolvidos em certa quantidade de água quente). Com a adição de mais água, a solução inicial é diluída (B).

O bicarbonato de sódio “reage” com o sumo de limão. A produção de bolhas é um indício de que algum tipo de material, inexistente no início, pode ter se formado.

Unidade 1  Introdução ao estudo da Química

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materiais em outro(s) − como na queima do açúcar refinado ou na interação entre sumo de limão e bicarbonato de sódio. Ou seja, podemos representar o que ocorre em uma reação química por: estado inicial

reação química

estado final

reagentes

produtos

Antes de ocorrer uma reação química (estado inicial), as substâncias de um sistema são chamadas de reagentes; as substâncias obtidas após a reação (estado final) são chamadas de produtos.

Que evidências indicam a ocorrência de reação?

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/USTC INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY

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Normalmente, não bastam algumas simples observações para afirmar se, em um sistema, houve ou não reação química. Em todo caso, há alguns indícios, isto é, algumas pistas que, em seu conjunto, nos ajudam a compreender se uma reação ocorreu ou não. Vamos ver algumas delas. ▸▸ Produção de gases: quando o sumo de limão entra em contato com o bicarbonato de sódio, há formação de gás, que pode ser percebido, neste caso, pela efervescência.

Nesta foto há o registro da reação entre uma casca de ovo e ácido clorídrico, que gerou bolhas de dióxido de carbono.

Formação de precipitado: outro indicativo de que em um sistema tenha ocorrido transformação química é a formação de um precipitado, ou seja, de um material sólido praticamente insolúvel em meio aquoso. A

DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

▸▸

B

Quando se misturam as soluções aquosas de sulfato de ferro(III) e hidróxido de sódio (A), forma-se um sólido insolúvel em água de cor castanho-avermelhada (B). Capítulo 1  Química: que ciência é essa?

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Mudança de cor e aspecto: quando um pedaço de ferro fica em contato com o ambiente e interage com o ar umedecido, ocorrem reações químicas, originando a ferrugem. Com isso, a superfície do ferro, que era acinzentada, passa a ser alaranjada, o que é um sinal indicativo de que houve reação química.

©SHUTTERSTOCK/RANGZEN

▸▸

A ferrugem que se forma na superfície de objetos ferrosos resulta de reações envolvendo o ferro, o oxigênio do ar e o vapor de água.

©CACO GALHARDO/ACERVO DO ARTISTA

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No processo de aquecimento de um alimento estão envolvidas reações químicas. Se o aquecimento prosseguir, o alimento pode queimar, passando a ter um aspecto semelhante ao do carvão.

A tira acima, ao mostrar o frango sendo “esturricado”, ironiza seu sabor desagradável, bem diferente do de um frango assado. O sabor final decorre dos materiais formados após esse aquecimento excessivo.

▸▸

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Vale destacar que nem sempre uma mudança de cor, por si só, indica que houve transformação química. Alterações de energia: as queimas de combustíveis são exemplos de reações químicas nas quais há liberação de energia térmica e, em muitos casos, luz. A energia liberada nesse tipo de reação pode ser usada, por exemplo, para aumentar a temperatura de um alimento sobre a chama de um fogão. Essas reações de queima, também chamadas de combustão, são importantes fontes de energia usadas para diversos fins. Por exemplo, a energia liberada na combustão da gasolina é usada para movimentar um automóvel. Com relação aos efeitos térmicos que acompanham as transformações, elas podem ser classificadas em: •• exotérmicas – quando liberam energia térmica para o ambiente (combustão, por exemplo); •• endotérmicas – quando absorvem energia térmica do ambiente (cozimento de um alimento, por exemplo).

Energia térmica: energia que transita entre corpos que estão em temperaturas diferentes.

Unidade 1  Introdução ao estudo da Química

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Conexões Química e energia O uso da energia térmica liberada em uma combustão faz parte do cotidiano de todos nós. Ao queimarmos o gás de cozinha de um fogão, nos valemos da energia liberada na queima desse combustível gasoso. Essa fonte de energia é usada, cotidianamente, para cozinhar os alimentos. No caso, a reação química transforma energia química em térmica. O mesmo vale para a combustão da gasolina, em um motor de explosão, responsável pela conversão da energia química proveniente da reação em energia mecânica, sem o que seria impossível o movimento do veículo. Em qualquer caso, a combustão implica dois tipos de reagentes: o combustível (o etanol, por exemplo) e o comburente (o oxigênio presente no ar, por exemplo). É por essa razão que se pode combater o início de um incêndio impedindo o contato do combustível com o ar. Para isso, pode-se recorrer a um cobertor ou outro material que “abafe” a chama ou isole o combustível do ar. As reações de combustão comumente precisam ser iniciadas por uma fonte de energia: de uma chama, de uma faísca elétrica, por exemplo. Em baterias e em pilhas, obtém-se energia elétrica a partir das reações químicas que ocorrem no interior desses equipamentos, isto é, há uma conversão da energia liberada nos processos químicos em energia elétrica. Tal energia pode ser utilizada para movimentar um motor ou ligar uma lanterna, por exemplo.

Em nosso organismo, reações químicas também são responsáveis pela obtenção da energia que nos permite respirar, pensar, andar, etc. É fácil concluir que a energia das reações é essencial para viabilizar processos naturais e outras atividades nas quais se necessite de energia. Combustíveis como o carvão em pedra, ou a gasolina, o diesel e o gás, extraídos do petróleo, são chamados de fontes não renováveis de energia, isto é, a natureza dispõe de quantidades limitadas de recursos dos quais são retirados combustíveis como o carvão mineral e o petróleo. Já o etanol, proveniente da cana-de-açúcar, é um combustível renovável, uma vez que é possível obtê-lo por meio de novas plantações, assim como o vento que movimenta as pás de usinas eólicas. A busca por novas alternativas Como já vimos, a preocupação com a preservação do ambiente tem ganhado espaço nos dias atuais. Por isso, vem crescendo o empenho de muitos países na busca por novas matrizes energéticas, visando evitar o esgotamento de fontes não renováveis e desenvolver tecnologias que permitam transformações de um tipo de energia em outro com menor impacto ambiental. Assim, fontes de energia que não envolvam a queima de combustíveis fósseis (carvão e derivados de petróleo) tendem a ser mais usadas e aprimoradas. PULSAR IMAGENS/MAURICIO SIMONETTI

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Reações químicas como fonte de energia

O Nordeste é o maior produtor de energia eólica do Brasil. Na foto, Complexo Eólico União dos Ventos, em São Miguel do Gostoso (RN), 2015.

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Atividades 1. Em uma atividade experimental, um estudante cortou uma maçã e a deixou exposta ao ambiente durante três horas. As fotografias a seguir mostram os resultados obtidos pelo estudante ao longo do tempo.

FOTOS: ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Não escreva neste livro.

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Maçã recém-cortada.

Após 30 minutos de exposição.

Após 3 horas de exposição.

a) Descreva o que acontece com a maçã desde o estado inicial até 3 horas depois. Que transformações podem ser observadas? b) Há algum indício de reação química? Quais? 2. Há extintores de incêndio que usam gás carbônico para apagar o fogo. Proponha uma explicação para o fato de, nessas condições, o combustível deixar de queimar. 3. Sobre cada transformação a seguir, indique, em seu caderno, os estados inicial e final e se ela é química ou física. No caso de tratar-se de mudança de estado, dê o nome. a) Acrescentar álcool à água. b) Colocar água no congelador por oito horas. c) Queimar madeira. d) O “desaparecimento” da naftalina guardada em um armário, deixando-o com “cheiro de naftalina”. e) A palha de aço que enferruja. 4. Leia o texto abaixo e responda às perguntas que seguem. Para a conferência que discute o futuro do planeta, em Paris, a COP21 [ocorrida em dezembro de 2015], o Brasil leva a meta de aumentar de 28% para 33% até 2030 as fontes renováveis de energia, como eólica, solar, biomassa, entre elas o etanol, na matriz energética. A meta desconsidera as hidrelétricas que, embora sejam renováveis, causam impacto ambiental e social por causa das barragens.

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A proposta tem o objetivo de reduzir o uso do carvão e de combustíveis derivados do petróleo, como o diesel, a gasolina e o querosene. Utilizados em aviões, caminhões, carros e nas usinas termelétricas – para geração de eletricidade –, são considerados vilões do efeito estufa, por liberar gás carbônico na atmosfera. Na 21ª Conferência das Partes da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas, que vai até 11 de dezembro, é esperado um acordo para diminuir os incentivos governamentais a esses combustíveis, os chamados subsídios. [...] Hoje o Brasil tem produzido energia elétrica de fato, principalmente por meio de usinas hidrelétricas. Junto com as fontes fósseis, as usinas são responsáveis por 83% do total da eletricidade gerada no país [...]. Segundo o Ministério de Minas e Energia, a eletricidade produzida pelo sol e pelos ventos era insignificante em 2004. Dez anos depois, por meio de financiamento estatal aliado à queda de preços dos equipamentos, a energia eólica chegou a 5% do total da eletricidade gerada em 2014, embora a energia fotovoltaica [obtida por meio das placas solares] ainda estivesse engatinhando (0,02%). [...] VIEIRA, Isabela (repórter); ADJUTO, Graça (edição). Dependente de hidrelétricas, Brasil quer mais energias renováveis. EBC Agência Brasil, 3 dez. 2015. Disponível em: <http://agenciabrasil.ebc.com.br/geral/ noticia/2015-12/dependente-de-hidreletricas-brasil-quer-mais-energias-renovaveis>. Acesso em: 26 dez. 2015

a) De acordo com o texto, qual é a fonte de energia mais utilizada no Brasil? Ela é classificada como fonte renovável ou não renovável? b) Dê exemplos de reações químicas envolvidas na obtenção de energia elétrica que contribuem para o agravamento do efeito estufa. c) Em textos de jornais e livros é comum descrever os aspectos positivos das fontes renováveis de energia e desconsiderar os impactos negativos causados ao meio ambiente e à sociedade. Nessa matéria de jornal, no entanto, são citadas algumas desvantagens de uma fonte renovável. Qual é ela? Quais as desvantagens dessa fonte de energia? d) Pesquise em sites e livros as desvantagens das outras fontes de energia renovável indicadas no texto e construa uma tabela com essas informações. Não se esqueça de utilizar fontes de pesquisa confiáveis e de indicá-las na atividade. e) Quando não se tem acesso à energia elétrica e se necessita iluminar um ambiente, pode-se recorrer a reações químicas que fornecem luz. Dê exemplos desses usos. 5. Neste capítulo, você pôde refletir sobre fatos, conhecimentos e tecnologias associados ao campo de estudo da Química. O amplo leque de questões que podem ser analisadas do ponto de vista da Química permite elencar desde aspectos comuns de nosso dia a dia até aplicações que requerem conhecimentos e tecnologias bastante sofisticados, que muito têm contribuído para a melhoria de nossa qualidade de vida. Apesar disso, muitos dos problemas que preocupam a sociedade atual são atribuídos a essa ciência. Entretanto, a quem se deve atribuir boa parte dos problemas ambientais: à Química ou aos seres humanos? Escreva um pequeno texto, fundamentando sua posição a respeito. Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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2 capítulo

Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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LATINSTOCK/CORBIS/PHILADELPHIA MUSEUM OF ART

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • a lei da conservação da massa; • a lei das proporções definidas; • a teoria atômica de Dalton.

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Para situá-lo No capítulo anterior, você começou a formular o conceito de transformação química, um dos temas centrais no estudo da Química. Vamos agora refletir sobre observações que podem ser feitas em nosso dia a dia a propósito de algumas dessas transformações. Veja: IMAGENS: DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

Durante o século XVII, no período em que a Química era gestada, alguns estudiosos se valeram de contribuições dos alquimistas e tinham uma forma bastante peculiar de explicar os fenômenos da natureza. Com o avanço da ciência e da tecnologia, os conceitos, as teorias e os recursos trouxeram novas questões e desafios aos pesquisadores. Na foto, a obra O alquimista, de David Teniers, 1649.

Combustão de uma folha de papel.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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1. Como você explicaria essas observações aparentemente contraditórias?

IMAGENS: DOTTA2/ARQUIVO DA EDITORA

Quando queimamos uma folha de papel, como pode ser observado nas fotos da página ao lado, obtém-se um material escuro de massa menor que o papel tinha antes de queimar. Já a combustão da palha de aço produz um material de massa maior (fotos ao lado).

Combustão de uma palha de aço.

Agora, observe as imagens ao lado, que mostram uma vela queimando sobre uma balança digital recoberta por um vidro, isto é, em um processo do qual participa apenas o ar que está contido no interior do vidro. Pense na diferença entre o que acabamos de descrever e o que se pode deduzir observando as imagens. Observe os valores de massa da vela durante a combustão.

IMAGENS: DOTTA2/ARQUIVO DA EDITORA

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Você já percebeu o que acontece com uma vela quando colocamos fogo em seu pavio? De início, a parafina que constitui a vela e que está próxima da chama passa por mudanças de estado. É o vapor obtido nessas mudanças que entra em combustão. Com o passar do tempo, a parafina da vela acaba e, com isso, a chama desaparece.

À esquerda, a chama da vela se mantém acesa com o uso do ar contido no interior do vidro. À direita, a chama já se apagou, mesmo ainda havendo parafina.

2. O que é necessário para haver combustão?

Não escreva neste livro.

3. Observe as duas imagens em que uma vela é queimada em local recoberto por uma campânula de vidro. O que a balança indica? O que você pode deduzir com base nessas duas fotos? 4. Haveria alguma diferença se a queima da vela ocorresse sem a campânula de vidro? 5. Como você representaria as transformações do papel, da palha de aço e da vela? Quais são os reagentes e os produtos?

Campânula: recipiente de vidro em forma de sino utilizado comumente como equipamento de laboratório.

A observação das situações experimentais sobre as quais você acabou de refletir é útil para que se possa entender como questões semelhantes foram interpretadas por alguns estudiosos nos séculos XVIII e XIX. Neste capítulo, além de conhecer as contribuições desses pesquisadores, vamos relacioná-las com a construção de alguns alicerces da Química, estabelecidos no início do século XIX. Capítulo 2  Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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O desenvolvimento da Química Há algo mais belo que as mais belas descobertas; é o conhecimento da maneira pela qual são feitas. Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), filósofo alemão.

Dos gregos ao nascimento da Química

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c.: (cerca de) indica que há incerteza sobre a data.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

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Ao que tudo indica, foram os filósofos gregos os primeiros a especular sobre qual seria a constituição da matéria, há pouco mais de 2 500 anos. Tales de Mileto (c. 624 a.C.-c. 558 a.C.), observando que a água poderia existir nas formas líquida e gasosa, propôs que todo o Universo era formado por água. Anaxímenes (c. 585 a.C.-c. 524 a.C.) acreditava que o ar fosse a base de tudo o que há na Terra. Heráclito (c. 540 a.C.-c. 475 a.C.), centrando suas reflexões na ideia de que no Universo tudo está em constante mudança, supôs ser o fogo a base de tudo o que existia. Para Empédocles (c. 490 a.C.-c. 435 a.C.), além da água, do ar e do fogo, a terra participaria da constituição do Universo. Ele defendia a teoria dos quatro elementos, segundo a qual a interação entre esses quatro participantes seria regida por Amor, responsável pela união entre eles, e Ódio, responsável pela separação. De todas as concepRepresentação da teoria dos quatro elementos ções gregas sobre a maAR FOGO téria, uma das mais importantes é a de Leucipo (c. 480 a.C.-c. 420 a.C.), QUENTE defendida também por seu aluno Demócrito (c. 460 a.C.-c. 370 a.C.). Segundo essa concepção, se, por hipótese, fosse possível fragmentar a SECO ÚMIDO amostra de um material qualquer pela metade e, em seguida, cada uma das partes fosse dividida ao meio e assim sucessivamente, chegaríamos FRIO a uma unidade imaginária, invisível e indivisível, chamada átomo (o termo ÁGUA TERRA vem do grego e significa “que não pode ser cortado”, “indivisível”). Pouco tempo depois, Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.) criticou a concepção atomista e, retomando a teoria dos quatro elementos, completou-a, propondo que qualquer um deles poderia ser transformado em outro, já que na constituição dos quatro havia algo comum. Apesar de os filósofos gregos terem sido os primeiros a se preocupar com a composição da matéria, não se podem confundir essas ideias com as que surgiram como consequência de trabalhos feitos a partir do século XVIII, uma vez que não havia vínculo entre elas e a experimentação. Aliás, por conta de seu status social privilegiado, para os filósofos gregos, a manipulação de materiais era impensável – eles valorizavam as atividades mentais, associando o trabalho manual ao trabalho escravo, socialmente desvalorizado.

Cores fantasia, sem escala.

A teoria dos quatro elementos foi proposta por Empédocles e posteriormente ampliada por Aristóteles. De acordo com ela, os quatro princípios constituintes de tudo o que há – ar, fogo, terra, água – se uniriam graças ao Amor e se separariam devido ao Ódio, e a interação entre eles formaria o quente, o seco, o frio e o úmido.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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No capítulo anterior, já nos referimos a técnicas que foram desenvolvidas por nossos antepassados e que lhes permitiram obter muitos materiais, entre os quais demos destaque aos trabalhos ligados à metalurgia, sem, no entanto, precisar quando essas práticas deixaram de ser consideradas alquímicas. Mas o que vem a ser alquimia? Quando ela surgiu? Provavelmente você deve ter alguma ideia sobre o significado da palavra alquimia. Frequentemente ela é associada a algo místico, misterioso, o que não deixa de ser, em parte, verdadeiro. É difícil precisar quando e onde a alquimia teve início. Mesmo quanto à origem dessa palavra, são encontradas várias versões. Uma das hipóteses liga a alquimia à metalurgia, o que daria a ela um caráter prático, embora a ligação com o sagrado e o místico se mantenha (por exemplo, os alquimistas usavam fórmulas e recitações mágicas para fazer invocações nos procedimentos de laboratório). A alquimia adquire importância no Egito, cerca de 300 d.C., devido à busca pela compreensão dos mistérios que envolvem a essência da matéria. As práticas alquímicas se espalharam pela Europa, China e pelo mundo árabe desde o início da Era Cristã até o século XVII. Entre as motivações do trabalho dos alquimistas estavam a busca da pedra filosofal – que seria capaz de realizar a transmutação, isto é, a transformação de qualquer material em ouro – e do elixir da vida – material que teria a propriedade de garantir juventude e vida eterna. Os alquimistas legaram à Química, por exemplo, receitas para a obtenção da pólvora, de alguns ácidos, bases e sais e do álcool (por meio da destilação do vinho). Supõe-se ainda que arsênio, antimônio, bismuto, fósforo e zinco tenham sido isolados pelos alquimistas. Também as técnicas de destilação e cristalização (que estudaremos mais adiante), além de equipamentos que utilizavam em seu trabalho, foram importantes contribuições para a Ciência moderna. Durante o século XVII, no período em que a Química era gestada, alguns estudiosos se valeram de contribuições dos alquimistas – como técnicas e instrumentos de laboratório – e procuraram estabelecer generalizações com base em fatos experimentais. O irlandês Robert Boyle, por exemplo, foi responsável por sistematizar o conhecimento sobre muitos compostos e materiais formados por eles. A partir de experimentos realizados com gases, Boyle retomou algumas ideias dos filósofos gregos e formulou uma lei, que posteriormente ficou conhecida como lei de Boyle e que você conhecerá mais para a frente neste volume. Apesar de os estudos de Boyle terem pressuposto a existência de átomos, passou-se mais de um século para que essa ideia voltasse com John Dalton (1766-1844) de modo mais consistente. Em seu livro O químico cético, Boyle tentou diferenciar os trabalhos desenvolvidos por alquimistas e químicos. Concluiu que o componente mais simples da Terra era um elemento e que dele não se poderia obter nada mais simples. Conhecendo o trabalho de um alquimista que obtivera o fósforo branco da urina, refez o experimento, porém usando o fósforo branco para produzir chama, criando a primeira versão do palito de fósforo. Foi no final do século XVIII que a Química passou a ter uma fundamentação teórica consistente. Dentre os estudos que contribuíram para isso, podemos destacar os de Antoine-Laurent de Lavoisier. Já no início do século XIX, com a formulação da teoria atômica de Dalton (que veremos no final deste capítulo), a ideia da matéria constituída por corpúsculos indivisíveis, chamados átomos, atinge novo patamar, ao se associar aos trabalhos experimentais quantitativos – aqueles nos quais são realizadas medidas.

Robert Boyle foi um dos primeiros cientistas a criar teorias científicas com base experimental. ROBERT BOYLE/WELLCOME LIBRARY, LONDRES, REINO UNIDO

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Os alquimistas

Elemento: nos textos que fazem referência aos conhecimentos que antecedem o século XIX, a palavra elemento tem significado diferente do que é atualmente atribuído a elemento químico, conceito que será analisado mais adiante.

Capítulo 2  Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Atividades

Não escreva neste livro.

1. Cite algumas contribuições “de natureza química” de povos que viveram antes de Cristo. 2. No que consistia a teoria dos quatro elementos?

4. Qual é uma possível explicação para a ausência de base experimental nas concepções gregas sobre a constituição da matéria? 5. Os trabalhos anteriores ao século XVIII foram inúteis para a Química? Explique. 6. Quais foram as motivações iniciais dos alquimistas?

A trajetória de Lavoisier e o esclarecimento da teoria do flogístico

Retrato de Lavoisier e sua esposa, de Jacques-Louis David, 1788. Óleo sobre tela, 259,7 cm × 194,6 cm. Marie-Anne Pierrette Paulze (1758-1836), esposa de Lavoisier, foi também sua assistente. JACQUES-LOUIS DAVID/METROPOLITAN MUSEUM OF ART, NOVA YORK, ESTADOS UNIDOS

3. Cite uma importante contribuição dos filósofos gregos para o conhecimento da constituição da matéria.

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Antoine-Laurent de Lavoisier nasceu em Paris em 1743. Depois de terminar o curso de Direito, provavelmente por influência de seu pai, que era procurador do Parlamento, passou a estudar ciências (Matemática, Astronomia, Química, Botânica, Geologia e Mineralogia). Acabou mesclando a vida política com a de cientista. Em 1768 ingressou na Académie Royale des Sciences (Academia Real de Ciências), fundada no século XVII por Luís XIV para promover a investigação científica na França − inicialmente como suplente, depois como presidente. Desenvolveu vários trabalhos de pesquisa na área da Química, como é o caso da produção de pólvora para o governo francês. Nesse tipo de atividade utilizava balanças de boa precisão para a época. Entre as muitas contribuições de Lavoisier para o desenvolvimento da Química, três foram especialmente importantes: a concepção da conservação da massa, a definição de elemento químico e a formulação de uma nomenclatura química.

A teoria do flogístico A teoria do flogístico ou flogisto – do grego phlogistós, “inflamável” −, publicada pelo estudioso alemão Georg Ernst Stahl (1660-1734), em 1697, apresentava uma explicação para o fenômeno da combustão baseada na ideia de que, quando há queima, algo é liberado. Essa ideia já era defendida por seu compatriota, Johann Joachim Becher (1635-1682), cerca de três décadas antes. Segundo ela, muitos materiais, ao queimar, têm sua massa reduzida porque uma parte do material (o flogisto) era perdida na queima. Quanto aos metais, que ganhavam massa ao serem queimados − caso do magnésio, do alumínio e do ferro, por exemplo −, a teoria admitia que o flogisto perdido por eles na queima tinha massa negativa. Dessa forma, a queima de uma folha de papel, que comentamos na abertura deste capítulo, serve para exemplificar o que Stahl interpretava como perda de flogisto. No caso da combustão da palha de aço, por raciocínio semelhante, Stahl diria que o flogisto do ferro seria negativo. Nessa época, o oxigênio, componente do ar, fundamental para o processo de combustão feito no ambiente, ainda não havia sido descoberto. Foi Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) quem descobriu o oxigênio, em 1771. Com essa descoberta, a teoria do flogístico passou a ser cada vez menos aceita. 36

BRAGA, Marco et al. Lavoisier e a ciência do Iluminismo. 2. ed. São Paulo: Atual, 2005. (Coleção Ciência no Tempo). Este livro contextualiza os trabalhos de Lavoisier com o desenvolvimento de diversas áreas; enfatiza aspectos históricos, sociopolíticos e econômicos do período em que o cientista viveu.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Química: prática e reflexão A investigação de uma reação química envolve, entre outros fatores, o controle de variáveis, como a temperatura, a pressão, a quantidade de uma substância, etc. O que acontece com a massa de um sistema quando ocorre uma reação química? Material necessário

• 2 erlenmeyers ou garrafas de plástico de 510 mL ou 600 mL • 1 bexiga de plástico • 1 elástico • 2 pastilhas efervescentes • balança

Cuidado! Nunca coloque os materiais de laboratório na boca ou em contato com outra parte do corpo; não os aspire. Use óculos de segurança e avental de mangas compridas.

Procedimentos

1. Coloque uma quantidade de água equivalente em cada recipiente (cerca de 100 mL). 2. Insira uma pastilha efervescente na bexiga. Segure a pastilha no fundo da bexiga e prenda com elástico a boca da bexiga na boca do recipiente, cuidando para não derrubar a pastilha dentro do recipiente. Observe (abaixo, à esquerda) a foto desse esquema. 3. Meça a massa desse conjunto na balança. 5. Com o outro recipiente, meça a massa do conjunto recipiente e pastilha efervescente (abaixo, à direita).

DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

6. Em seguida, despeje a pastilha na água. Ao término da reação, anote suas observações e o valor de massa. DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

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4. Em seguida, despeje a pastilha na água do recipiente. Observe o que ocorre e anote o valor de massa.

Na imagem à esquerda, a pastilha efervescente está dentro da bexiga inserida na boca do recipiente. Na imagem à direita, a pastilha está ao lado do recipiente.

Descarte dos resíduos: As misturas podem ser descartadas na pia. A bexiga pode ser armazenada para outras atividades. Analisem suas observações

1. Que características foram observadas nessa transformação química? 2. Considere as observações experimentais realizadas nas etapas 4 e 6 dos procedimentos. Há diferença nos resultados? Explique. 3. Compare a resposta que você deu ao item anterior com a resposta dada na atividade 3 do Para situá-lo (página 33). Você reformularia a resposta dada no início do capítulo? Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Algumas contribuições de Lavoisier O ar, o oxigênio e a combustão

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campânula contendo ar e mercúrio

óxido de mercúrio(II)

lente

óxido de mercúrio(II)

Esquema representativo do processo usado por Priestley na obtenção do oxigênio, gás que chamou de ar deflogisticado. O feixe de luz que atravessa a lente atinge o óxido de mercúrio(II) e provoca, por meio de aquecimento, sua decomposição, liberando oxigênio.

Ilustração elaborada para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

retorta contendo mercúrio

luz

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Ilustração elaborada para Embora o oxigênio tenha sido descoberto por este conteúdo. Scheele, seu trabalho teve pouca repercussão. MuiCores fantasia, sem escala. tos atribuem essa descoberta a Joseph Priestley (1733-1804), que, em 1774, divulgou a descoberta de um gás que alimentava melhor a combustão do que o ar. Ele havia obtido esse gás a partir da decomposição do óxido de mercúrio(II), represenoxigênio tado em vermelho no esquema ao lado, feita por aquecimento. Para isso, recorreu a uma lente que mercúrio concentrava um feixe de luz sobre o óxido, aquecendo-o. O gás, ao qual Priestley atribuiu o nome de ar deflogisticado (com base na teoria do flogístico), era o oxigênio. Além de ter tomado conhecimento dessa e de outras pesquisas a respeito da natureza do ar, Lavoisier teve contato com o próprio Priestley. Como não concordava com a interpretação dos fatos baseada na teoria do flogístico, Lavoisier planejou uma série de experimentos, utilizando balanças. Entre seus experimentos, podemos mencionar o aquecimento do fósforo e do enxofre em ambiente aberto. Com isso, ele verificou que obtinha materiais de massas diferentes das de partida. Realizou também o aquecimento de outras substâncias, como o óxido de chumbo, notando o desprendimento de um gás. Uma de suas experiências mais famosas foi a do aquecimento do mercúrio em um vaso selado durante 12 dias. Como resultado, observou a formação de um sólido vermelho, que atualmente sabemos tratar-se de óxido de mercúrio(II), e a redução de volume do “ar” em cerca de 20% (hoje sabemos que essa redução ocorre por causa do consumo do oxigênio presente no ar, quando há a reação com o mercúrio). Observe o esquema que representa o experimento que Lavoisier realizou.

fonte de aquecimento

cuba contendo mercúrio

Esquema de um dos experimentos feitos por Lavoisier. Observe que o nível do mercúrio na campânula subiu, ocupando o lugar do ar (na verdade, oxigênio) que reagiu com o mercúrio produzindo um sólido avermelhado, o óxido de mercúrio(II). 38

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Lavoisier realizou também o processo inverso, isto é, o aquecimento do óxido de mercúrio(II), notando que voltava a obter mercúrio e “ar” em quantidades idênticas às que foram consumidas no processo anterior. Depois de uma série de experimentos, concluiu que o ar da atmosfera não continha apenas uma substância; o ar era, na verdade, uma mistura de diversos gases. Para ele, o ar da atmosfera era constituído

de aproximadamente um quarto de “ar deflogisticado”, ou seja, do ar que era respirável (essa parte respirável do ar é o oxigênio). Lavoisier identificou também outro constituinte do ar: o azoto (que hoje chamamos de nitrogênio). Outra contribuição de Lavoisier foi a conclusão de que a água era constituída de hidrogênio e oxigênio. Essas descobertas contribuíram para que seus contemporâneos abandonassem a ideia do flogisto.

Nomenclatura química Antigamente, não havia uma sistematização para nomear as substâncias. Desse modo, o nome delas, bem como os símbolos para representá-las, eram incompreensíveis para pessoas que não fossem iniciadas pelos alquimistas. Observe: Nome antigo

Símbolo utilizado pelos alquimistas

ácido sulfúrico

Diante dessa situação, um grupo de cientistas – Louis-Bernard Guyton-Morveau (1737-1816), Claude-Louis Berthollet (1748-1822), Antoine-François Fourcroy (1755-1809) e Lavoisier – publicou, em 1787, o Méthode de nomenclature chimique (Método de nomenclatura química), obra que tinha como um de seus objetivos aperfeiçoar a linguagem química. Lavoisier e os colaboradores buscaram, na medida do possível, utilizar a composição da substância para compor seu nome (por exemplo, o cloreto de sódio pode ser obtido pelas substâncias cloro e sódio). A definição de elemento químico para Lavoisier Em seu livro O químico cético, Boyle introduziu a ideia de elemento. Baseando-se nas teorias de Boyle, Lavoisier chamou de elemento químico todas as substâncias que não podemos decompor por nenhum processo (por exemplo, aquecimento). Atualmente, o conceito de elemento é bastante diferente e será discutido no capítulo 4.

©WIKIMEDIA COMMONS/BIBLIOTHÈQUE NATIONALE DE FRANCE

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ácido vitriólico

Nome atual

Página de apresentação do trabalho de nomenclatura química publicado por Morveau, Berthollet, Fourcroy e Lavoisier.

Capítulo 2  Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Leis ponderais das reações químicas A palavra ponderal (do latim pondus, “peso”) é utilizada na Química para se referir a leis relacionadas ao “peso” das substâncias nas reações químicas. Duas delas – a lei da conservação da massa, proposta por Lavoisier, e a lei das proporções constantes, proposta por Proust – foram fundamentais para o estabelecimento da Química como ciência no final do século XVIII e início do século XIX e serão abordadas adiante. Esclarecimentos necessários Peso e massa No passado era comum a utilização do termo peso para se referir à massa de objetos, materiais, etc. No entanto, massa e peso não são sinônimos. Massa é uma propriedade relacionada à dificuldade de alterar a velocidade do corpo. Por exemplo: o esforço necessário para empurrar um carrinho de supermercado cheio é maior do que o esforço feito para empurrá-lo vazio; isso porque a massa do carrinho cheio é maior. Peso é uma propriedade relacionada à força de atração entre o corpo e o astro (por exemplo, a Terra).

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Quando alguém sobe em uma balança para verificar se engordou ou emagreceu, obtém uma medida de sua massa, por exemplo, 50 quilogramas ou 50 kg. No entanto, todos dizem que estão “se pesando”. Por quê? É que as medidas de massa e peso de um corpo são proporcionais. Na verdade, a balança mede a força (peso) com que a Terra nos atrai e, quanto maior for a massa, maior será o peso correspondente. O peso de um corpo corresponde, em módulo, ao produto da sua massa pela aceleração da gravidade do local. Assim, a massa de um corpo não varia se ele estiver na Terra, na Lua ou em outro astro. Já o peso de um corpo na Terra será 6 vezes maior do que na Lua. Unidades de medida Quando fazemos uma medição, associamos um número a uma unidade. Na tentativa de uniformizar as unidades de medida adotadas para cada grandeza, na década de 1960 foi estabelecido o Sistema Internacional de Unidades (SI). A massa é uma das grandezas básicas do SI. No caso da massa, a unidade-padrão de medida é o quilograma (kg). Embora o quilograma seja a unidade-padrão, comumente são usados seus múltiplos e submúltiplos. Veja algumas dessas conversões no quadro abaixo: Algumas unidades de massa e suas conversões Unidades de medida

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Conversões

miligrama (mg)

1 mg 5 1026 kg 5 1023 g

grama (g)

1 g 5 1023 kg

quilograma (kg), unidade recomendada pelo SI

1 kg 5 1 000 g 5 103 g

tonelada (t), unidade aceita pelo SI, ainda muito usada

1 t 5 103 kg

Grandeza: chamamos de grandeza tudo o que pode ser medido. Temperatura, velocidade, comprimento, área, volume são exemplos de grandezas. Para fazer medidas, isto é, para associar um número a uma grandeza, temos de usar um instrumento de medida; para medir a temperatura de uma amostra de água ou de nosso corpo, por exemplo, usamos termômetros.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Lei da conservação da massa Embora se atribua a Lavoisier a formulação da lei da conservação da massa, o mais adequado é afirmar que ele propôs que, se uma reação química ocorresse em um sistema fechado, haveria a conservação da massa. Ou seja, a massa dos reagentes é igual à massa dos produtos. Em sua obra Traité élémentaire de Chimie (Tratado elementar de Química), de 1789, Lavoisier defendeu que qualquer ideia, por mais simples que fosse, deveria ser continuamente posta à prova por meio da experiência. Apesar disso, nessa publicação, a conservação da massa aparece como algo já sabido, que não é discutido em detalhe. Assim, segundo historiadores da Ciência, os textos originais de Lavoisier usam a palavra axioma para se referir ao que comumente se associa a essa “lei”. Vale destacar também que, embora seja frequente associar a Lavoisier o enunciado “Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”, não há nenhum trabalho escrito por ele que faça referência a esse enunciado.

Atividade

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Considere a informação:

Não escreva neste livro.

O ferro (presente no arame, na palha de aço ou em outra forma) exposto ao ar após certo tempo transforma-se em ferrugem, isto é, adquire coloração avermelhada, passando a ter massa maior. a) Como a teoria do flogístico explicaria essa alteração de massa? b) A massa se conserva na formação da ferrugem? Como você faria para verificar isso? c) Afora o ferro, de onde provêm os demais reagentes da transformação?

Axioma: premissa considerada necessariamente evidente e verdadeira, fundamento de uma demonstração, porém ela mesma indemonstrável, originada, segundo a tradição racionalista, de princípios inatos da consciência ou, segundo os empiristas, de generalizações da observação empírica [...]. INSTITUTO ANTÔNIO HOUAISS. Dicionário eletrônico Houaiss da língua portuguesa. Rio de Janeiro: Objetiva, 2010. Versão multiusuário 2009.

Observação:

Ao fazer as atividades anteriores, é provável que você tenha percebido que, para comprovar a proposição de Lavoisier no caso da formação de ferrugem, teríamos de utilizar um sistema fechado. Os reagentes do processo que origina a ferrugem são ferro (sólido) e substâncias gasosas provenientes do ar (oxigênio e vapor de água), de modo que: massa de ferro 1 massa dos gases (ar) incorporados à estrutura metálica = = massa do ferro “enferrujado” Se o experimento tivesse sido feito em recipiente fechado, não observaríamos o aumento de massa do sistema, pois os componentes do ar que se incorporaram ao ferro já fariam parte do sistema. A conservação da massa, na verdade, é válida mesmo que a reação se dê em um sistema aberto ao ambiente. A dificuldade residiria em determinar a massa de substâncias no estado gasoso.

A composição das substâncias Para que o conhecimento químico sobre os constituintes de um material avançasse, foram fundamentais os dados quantitativos relativos às reações químicas acumulados por alguns estudiosos, como foi o caso de Joseph-Louis Proust (1754-1826). Uma questão que o atraía: se variarmos a forma de obtenção de uma substância, sua composição será alterada? Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Ele procedeu a uma análise cuidadosa de amostras de carbonato de cobre com duas origens diferentes: preparado em laboratório e retirado da natureza. Verificou que, independentemente da origem, havia uma proporção constante em massa de 5 partes de cobre para 4 de oxigênio e 1 de carbono. 1

2

3

5 partes

:

4 partes

:

1 parte

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Esquema que ilustra uma proporção constante (5 : 4 : 1) de retângulos verdes, vermelhos e azuis entre as fitas 1, 2 e 3. Algo semelhante é válido para a relação entre as massas de cobre, oxigênio e carbono no carbonato de cobre.

Dessa forma, no limiar do século XIX, passou a ser possível identificar sistemas formados por várias substâncias, chamados de misturas – caso do ar, por exemplo, que é constituído de diferentes gases, entre os quais predominam o nitrogênio e o oxigênio –, e sistemas em que há apenas uma substância – caso da água, isenta de sais e gases dissolvidos, uma substância que tem composição fixa, isto é, para cada 8 g de oxigênio temos 1 g de hidrogênio. Esse tema será retomado e aprofundado nos próximos capítulos. Substância Substância é uma palavra largamente usada em Química. No próximo capítulo vamos analisar mais detidamente seu significado; em todo caso, vale fazer um esclarecimento inicial. Pense no significado da frase abaixo: “Eles discutiram e até brigaram, mas, do que eu ouvi, não havia diferença na substância do que disseram.” Nesse caso, poderíamos substituir “na substância” por “na essência”, isto é, no que é básico, no que é fundamental; enfim, apesar da aparente divergência, as ideias centrais das duas pessoas eram semelhantes. Concorda? Vamos agora fazer um paralelo entre esse significado e aquele que é usado em Química. No capítulo anterior, vimos alguns exemplos de mudança de estado, um tipo de transformação física. Por exemplo, quando a água é aquecida até entrar em ebulição, ela muda de estado físico (de líquido para gasoso). No século VI a.C., o filósofo grego Tales de Mileto afirmava que, ao passar por essa mudança, a essência da água não era alterada. Essa ideia permanece válida, pois, apesar de diferentes quanto ao aspecto, em ambas as formas ela continua sendo a mesma substância: água. Na prática, se tivermos um líquido incolor e quisermos saber se se trata de água, teremos de analisar uma série de propriedades desse líquido e comparar com as que estão registradas em livros de referência.

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Lei das proporções definidas Para saber se duas amostras de uma mesma substância procedentes de fontes diferentes apresentavam a mesma composição em massa, Proust fez experimentos em que repetia uma mesma reação química, variando e medindo as amostras das substâncias envolvidas. Como exemplo, considere os dados sobre a decomposição da água, em que são obtidos hidrogênio e oxigênio. Massas de oxigênio e hidrogênio obtidas pela decomposição de diferentes quantidades de água Experimento

água

oxigênio

hidrogênio

I

18 g

16 g

2g

II

45 g

40 g

5g

III

9g

8g

1g

IV

180 g

160 g

20 g

1

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Vamos calcular a relação massa de oxigênio/massa de hidrogênio para cada amostra de água formada nos diversos experimentos. moxigênio

(I)

mhidrogênio

(II)

moxigênio mhidrogênio

5

16 g 5 8 2g

(III)

5

40 g 5 8 5g

(IV)

moxigênio mhidrogênio moxigênio mhidrogênio

5

8g 58 1g

5

160 g 58 20 g

Ao determinar a relação massa de água/massa de hidrogênio ou massa de água/massa de oxigênio, também vamos encontrar relações constantes, respectivamente iguais a 9 e 9/8. Essas relações independem da origem da água (desde que ela esteja isenta de sais minerais e gases dissolvidos); ela pode tanto ter sido obtida da natureza (chuva, mar, lago, rio) quanto sintetizada em laboratório. Proporção em massa: água 9

:

oxigênio

1

hidrogênio

8

:

1

A generalização, feita a partir de experimentos com diversas substâncias, levou Proust a concluir que, numa dada reação química, existe uma proporção constante entre as massas das substâncias participantes. Essa lei ponderal, conhecida como lei das proporções definidas, foi publicada por Proust em 1799. Genericamente, podemos representá-la assim: Experimento

X

Y

Z

I

x1

y1

z1

w1

II

x2

y2

z2

w2

1

1

W

em que x, y, z, w representam as massas das substâncias X, Y, Z e W: x1 y z w 5 1 5 1 5 1 x2 y2 z2 w2 Capítulo 2  Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Um dos experimentos realizados por Proust foi o da determinação das quantidades em massa de cobre, carbono e oxigênio em amostras de diferentes origens de carbonato de cobre. A tabela abaixo relaciona as massas, em gramas, de carbonato de cobre com as massas dos elementos que o compõem. Composição de carbonato de cobre em função da massa Carbonato de cobre (g)

Cobre (g)

Carbono (g)

Oxigênio (g)

10,0

5,1

1,0

3,9

20,0

10,2

2,0

7,8

30,0

15,3

3,0

11,7

40,0

20,4

4,0

15,6

50,0

25,5

5,0

19,5

Tabela produzida para este conteúdo.

de cálcio que não reagiu – diz-se que havia excesso de 1 g de cálcio. Qual a massa da amostra de cálcio utilizada na reação? b) Se colocarmos 80 g de cálcio para reagir com 150 g de cloro gasoso, obteremos apenas cloreto de cálcio? Por quê? Qual deverá ser a massa do cloreto de cálcio formado? c) Qual lei ponderal está envolvida no raciocínio utilizado para resolver os itens anteriores? 3. O magnésio sofre combustão (queima), originando um pó branco, o óxido de magnésio. Esse processo é acompanhado da emissão de uma luz branca intensa e, por isso, era usado pelos fotógrafos nos antigos flashes. Se 12 g desse metal produz, na combustão, 20 g de pó branco, responda:

b) Usando os dados da tabela, construa um gráfico (em papel quadriculado ou no computador) de massa de carbono (no eixo das ordenadas) em função da massa de carbonato de cobre (no eixo das abscissas). c) O que se pode concluir da tabela fornecida e do gráfico do item b que você obteve? Qual a relação de proporcionalidade entre as massas de carbono e de carbonato de cobre? d) Construa um gráfico que relacione a massa de carbono com a massa de cobre. Que conclusão se pode tirar do gráfico obtido? e) Se construíssemos um gráfico da massa de carbono em função da massa de oxigênio, você acha que encontraríamos um perfil diferente do gráfico anterior? De que forma esse fato se relaciona com a lei das proporções definidas? 2. O cálcio sólido reage com cloro gasoso, originando cloreto de cálcio. Sabe-se que 40 g de cálcio reagem completamente com 71 g de cloro, originando 111 g de cloreto de cálcio. a) Uma pessoa provocou a reação entre uma amostra de cálcio e 14,2 g de cloro. Como resultado desse processo, obteve 22,2 g de cloreto de cálcio e ainda restou no recipiente 1 g 44

SÉRGIO DOTTA JR.

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a) Usando seu conhecimento sobre proporções e os dados da tabela, calcule a porcentagem, em massa, dos elementos que constituem o carbonato de cobre e represente-a em um gráfico “de pizza”.

Luz branca emitida pela combustão de magnésio metálico.

a) que massa de oxigênio do ar deve ter sido consumida no processo? Em que lei se baseia a resposta? b) calcule a relação entre a massa de magnésio que sofreu combustão e a massa de oxigênio consumida no processo. 4. Consultando os valores que aparecem na tabela Massas de oxigênio e hidrogênio obtidas pela decomposição de diferentes quantidades de água, na página anterior, construa gráficos (utilizando papel quadriculado ou o computador): a) da massa de água em função da massa de hidrogênio; b) da massa de oxigênio em função da massa de hidrogênio. 5. Ao se aquecer 1 kg de carbonato de cálcio, obtêm-se 560 g de óxido de cálcio, além de gás carbônico. a) Que massa de gás foi obtida? b) Qual a relação entre a massa do óxido de cálcio formado e a do carbonato de cálcio que se decompõe?

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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átomo Y:

átomo X: massa de

:x

massa de

:y X

GETTY IMAGES/DE AGOSTINI

Com base nas massas das substâncias envolvidas nas reações, John Dalton (1766-1844) concluiu que a matéria é formada por pequenas partículas, que ele supôs indivisíveis. Os trabalhos que o levaram a essa conclusão foram publicados entre 1803 e 1827. Para Dalton, a ideia de átomo surgiu como uma possibilidade de justificar o que verificava experimentalmente. As conclusões de seu trabalho foram coerentes com as leis ponderais das reações – como as que vimos anteriormente, de Lavoisier e Proust. Os pontos básicos da chamada teoria atômica de Dalton, de modo simplificado, são os seguintes: ▸▸ A matéria é formada de partículas indivisíveis chamadas átomos. ▸▸ Átomos de um mesmo tipo (mesmo elemento) são iguais (em tamanho, forma, massa, por exemplo) e diferentes dos átomos de outro elemento. ▸▸ Os átomos podem se unir uns aos outros formando “átomos compostos” (atualmente, esses “átomos compostos” são chamados de moléculas). ▸▸ As reações químicas podem ser consideradas processos em que ocorrem união e separação de átomos. Z, para que você possa comVamos supor uma reação genérica X 1 Y preender como a teoria atômica de Dalton é capaz de justificar as leis de Lavoisier e de Proust. Utilizaremos a seguinte representação:

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Teoria atômica de Dalton

John Dalton desenvolveu trabalhos que o levaram a considerar que a matéria é descontínua (formada de pequenas partículas). Também estudou a incapacidade de algumas pessoas de distinguir cores (daltonismo), problema com que ele mesmo conviveu.

átomo composto Z: 1 Y Z

1o- experimento mx 5 3x

my 5 3y

mz 5 3(x 1 y)

mx 5 8x

my 5 8y

mz 5 8(x 1 y)

Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as representações são apenas modelos para facilitar a compreensão; as partículas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos).

2o- experimento

Lavoisier 1o- experimento

3x 1 3y 5 3(x 1 y)

2o- experimento

8x 1 8y 5 8(x 1 y)

Proust 8x 3x 5 8y 3y 3x 8x 5 3(x 1 y) 8(x 1 y)

Apesar de a teoria atômica de Dalton ter se mostrado coerente para explicar os resultados experimentais que levaram às leis ponderais, apenas muitas décadas depois ela foi totalmente aceita no meio científico. No final do século XIX descobriu-se que um átomo podia emitir espontaneamente partículas menores e, nas primeiras décadas do século XX, foi possível provocar a fissão do átomo, isto é, a “quebra” de alguns tipos de átomos, o que contrariava a ideia de sua indivisibilidade. Mesmo assim, até hoje muitos processos podem ser compreendidos pelo modelo de átomo proposto por Dalton. John Dalton deixou importantes contribuições para diversas áreas das ciências, como a Química, a Física e a Meteorologia. Como veremos no capítulo 12, seus trabalhos colaboraram para a compreensão de algumas propriedades dos gases. Capítulo 2  Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Não escreva neste livro.

Atividades

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

1. Em um laboratório de Química, um grupo de alunos realiza um experimento com o objetivo de estudar a reação entre carbonato de cálcio e ácido clorídrico. A imagem a seguir mostra o estado inicial (antes da reação) e final (após a reação).

estado inicial

estado final

Cores fantasia, sem escala.

Considerando que nessa reação são formados cloreto de cálcio (dissolvido em meio aquoso), água e gás carbônico, quantos gramas de gás carbônico foram formados nesse experimento?

DIVULGAÇÃO PNLD

2. O metano é um gás combustível que pode ser obtido a partir do lixo orgânico. É formado apenas por carbono e hidrogênio (80 g são constituídos de 60 g de carbono e 20 g de hidrogênio). Qual a composição em porcentagem do metano (x% de carbono e y% de hidrogênio)? 3. O trióxido de enxofre, componente indesejável do ar poluído porque participa da chamada “chuva ácida”, é constituído por 40% de enxofre e 60% de oxigênio. Qual a massa de enxofre necessária para reagir com 96 g de oxigênio originando trióxido de enxofre?

Questão comentada 4. Verifica-se num experimento que 2 g de hidrogênio reagem com 71 g de cloro para formar o cloreto de hidrogênio. a) Qual a massa de cloreto de hidrogênio formada quando 10 g de hidrogênio são colocados em contato com 380 g de cloro? b) Qual o reagente em excesso? c) Qual a massa do reagente em excesso? Sugestão de resolução a) De acordo com a proporção fornecida (2 : 71), deduz-se que é o cloro que está em excesso: 2 g de hidrogênio 10 g de hidrogênio

71 g de cloro x

x 5 355 g de cloro Se 10 g de hidrogênio reagem com 355 g de cloro, formam-se 365 g de cloreto de hidrogênio (lei de Lavoisier). b) Considerando que reagem apenas 355 g dos 380 g de cloro disponíveis, o reagente em excesso é o cloro. c) A massa do excesso é dada por: 380 g 2 355 g 5 25 g de cloro. 5. Qual a diferença essencial entre a concepção de átomo dos gregos e a de Dalton?

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Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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MATRIZ NOVA

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6. Segundo a teoria atômica de Dalton, como podemos interpretar uma reação química? Nela os átomos sofrem alteração?

Alguns trabalhos mais recentes tentam comprovar que a aspirina inibe o crescimento de vários tipos de tumores: endometrial, esofágico, gástrico, pulmonar e colorretal. Há também perspectivas do uso de aspirina para prevenção e tratamento de doenças que atacam o cérebro, como é o caso do mal de Alzheimer e de outras enfermidades degenerativas. [...] É importante observar, no entanto, que a aspirina pode gerar efeitos colaterais indesejáveis. Muitas pessoas não toleram a droga mesmo em baixas doses. A aspirina pode provocar dores estomacais, úlceras gástricas, diarreias, náuseas, sangramentos e hemorragias internas. Seu uso não é recomendado para quem possui problemas gástricos, renais ou biliares. Deve-se evitar também o uso indiscriminado, sem a devida prescrição médica.

7. O nitrato de amônio, usado como fertilizante, é constituído de nitrogênio, oxigênio e hidrogênio. Sabe-se que em 80 g desse fertilizante são encontrados 28 g de nitrogênio, 48 g de oxigênio e 4 g de hidrogênio. a) Determine a porcentagem, em massa, de nitrogênio, oxigênio e hidrogênio no nitrato de amônio. b) Qual a massa de nitrogênio contida em 4,0 kg de nitrato de amônio?

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8. Leia o texto abaixo e responda às questões. A aspirina é uma substância sólida conhecida há mais de 100 anos. Seu nome químico é ácido acetilsalicílico (AAS) e, provavelmente, é o medicamento mais conhecido e mais vendido no mundo. Milhões de pessoas já se utilizaram da aspirina para diminuir dores e baixar a febre. Acontece que, nos últimos trinta anos, muitas pesquisas foram realizadas com a aspirina, tendo sido encontrados novos usos para esta droga centenária. A história da aspirina começou há cerca de um século, quando o químico alemão Felix Hoffman pesquisava um medicamento para ser usado no tratamento da artrite, doença de seu pai. O objetivo dele era encontrar uma droga para substituir o salicilato de sódio, medicamento usado naquela época, mas que exigia grandes doses diárias e provocava irritação e fortes dores estomacais nos pacientes. Hoffman conseguiu preparar o ácido acetilsalicílico, que veio depois a ser chamado de aspirina. A nova droga tinha as mesmas propriedades do salicilato de sódio, conseguia melhorar a qualidade de vida dos portadores de artrite e gerava menos efeitos colaterais. [...] [...] Muitos estudos foram realizados com a aspirina nos últimos 30 anos, envolvendo grupos de pessoas que pertenciam a três categorias: pessoas com doenças cardiovasculares ou cerebrovasculares, pessoas em fase aguda de infarto e pessoas sadias. Nessas pesquisas, o uso da aspirina se mostrou de enorme importância na prevenção e tratamento de doenças cardiovasculares. Houve uma sensível diminuição no número de mortes e de infartos nos grupos considerados de risco. [...]

MASSABNI, Antonio Carlos. Um velho medicamento com novos usos. Química Viva. Conselho Regional de Química – IV Região. Disponível em: <http://www.crq4.org.br/quimica_ viva__aspirina>. Acesso em: 30 dez. 2015.

a) De acordo com o texto, a descoberta do ácido acetilsalicílico ocorreu devido às pesquisas do cientista Hoffman. Qual era o objetivo do seu estudo? b) O ácido acetilsalicílico pode ser obtido pela reação entre anidrido acético e ácido salicílico segundo a equação a seguir: anidrido acético 1 ácido salicílico ácido acetilsalicílico 1 ácido acético Se, para obter 180 g de ácido acetilsalicílico, são necessários 102 g de anidrido acético e 138 g de ácido salicílico, quantos gramas de ácido acético são formados nessa transformação? c) A automedicação, ou seja, a utilização de medicamentos por conta própria, sem prescrição médica, é um hábito entre os brasileiros, principalmente para problemas considerados simples, como dores de cabeça e febre. No entanto, tal prática pode causar problemas à saúde e, em alguns casos, até a morte. De acordo com o texto, a aspirina é uma exceção? Justifique sua resposta. d) Em grupos de três ou quatro alunos, pesquisem dados sobre acidentes envolvendo o uso de medicamentos sem prescrição médica no Brasil. Discutam as possíveis ações para combater a automedicação e elaborem uma apresentação com os resultados obtidos.

Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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3 capítulo

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Substâncias e misturas

GETTY IMAGES/ MALZKORN/ULLSTEIN BILD

Uma substância chamada luminol é utilizada por peritos policiais para investigar crimes porque, após reagir com sangue, ela se torna visível no escuro, como nessa pegada.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • as principais diferenças entre substância e mistura de substâncias; • as diferenças entre substância simples e substância composta; • como caracterizar uma mistura em homogênea ou heterogênea; • alguns métodos de separação e suas aplicações no cotidiano.

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Para situá-lo Entre as atividades exercidas por um químico, algumas têm semelhanças com as de um detetive. Para desvendar aspectos obscuros que podem ajudá-lo a entender fatos não presenciados, o detetive deve fazer observações e colher uma série de dados que lhe permitam refletir e elaborar hipóteses coerentes com as informações de que dispõe. Por exemplo, colhendo impressões digitais, fios de cabelo e amostras de sangue, ele pode chegar a conclusões do tipo: quantos e quais são os envolvidos na ocorrência, e qual a participação de cada um no evento a ser desvendado. Um químico também tem necessidade de obter informações sobre o que não é “visível” em relação a um material. Entre as atividades profissionais que exerce, uma consiste em descobrir qual ou quais são as substâncias constituintes de uma amostra que lhe é fornecida para ser analisada. Para isso, além de seus conhecimentos, ele terá de realizar uma série de procedimentos, como separar os componentes de uma mistura, fazer observações, experimentos, medidas, que lhe permitem identificar cada uma das substâncias que constituem o material que é objeto de sua investigação.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Vamos então refletir sobre algumas questões próximas a suas experiências de vida que possam lhe dar uma ideia do que será analisado neste capítulo. 1. Imagine que você esteja em uma cozinha e tenha diante de si duas amostras de sólidos brancos em pó, como as das fotos abaixo. Se souber com certeza que uma delas é de sal de cozinha e outra de açúcar, como poderia diferenciá-las?

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ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Não escreva neste livro.

2. Suponha também que você esteja em um laboratório e tenha de diferenciar dois líquidos incolores, sendo um o álcool comum (etanol) e outro o éter comum (éter etílico). Como você acha que seria possível diferenciá-los? 3. É comum, no dia a dia, ouvirmos as expressões: ar puro, água pura, ferro puro, puro azeite de oliva, cloro puro. A palavra puro(a), nessas expressões, tem sentido positivo ou negativo? Que significado está sendo atribuído ao adjetivo puro? 4. Imagine que alguém lhe pergunte se a água que você bebe em casa é pura. Que resposta você daria supondo que, antes de usá-la para beber, ela tenha sido retirada da torneira de um filtro de sua cozinha? 5. Quando a água chega a uma Estação de Tratamento de Água (ETA), em geral, não está em condições de ser consumida. Por quê? Usando apenas os sentidos, que características você observaria para diferenciar essa água da que é disponibilizada para consumo da população? 6. Como você já viu em capítulos anteriores, o aço é uma liga de ferro que contém carbono, além de pequenas quantidades de outros metais. De acordo com essa composição, as propriedades do aço e, consequentemente, as possibilidades de uso variam. Uma coisa é certa: essa liga não é ferro “puro”. Nesse caso, a “impureza” é uma desvantagem? Explique. Neste capítulo, vamos conhecer as diferenças entre mistura e substância e estudar os processos usados para separar os vários componentes de uma mistura. Veremos também modelos que auxiliam nessa diferenciação. Capítulo 3  Substâncias e misturas

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Como diferenciar substância de mistura? Amostras de água de torneira ou de água mineral de diferentes procedências têm sempre as mesmas propriedades? Podemos perceber que, em geral, essas amostras podem apresentar gosto e cheiro diferentes. Mas por quê? Todos esses líquidos são constituídos basicamente por água, mas eles também contêm outros materiais (por exemplo, sais dissolvidos), que são responsáveis pelas diferenças de odor, gosto e até cor da água.

Em noticiários de jornais e televisão e no dia a dia é comum a utilização da expressão “água pura” associada a água potável, ou seja, água própria para o consumo humano. No entanto, na Química, o termo puro tem um significado diferente; ele indica que a água é isenta de outros materiais (como os sais dissolvidos), ou seja, a água pura é constituída de uma única substância, a água. Como você diferenciaria a água mineral (mistura de substâncias) de uma água pura (uma substância)? Você acha que o ar atmosférico é formado por uma única substância ou por uma mistura? Não escreva neste livro.

Atividade

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a) Imagine que se queira colocar um rótulo em cada uma delas. Para isso, é necessário descobrir o que cada uma contém. Talvez a primeira ideia que lhe venha à cabeça seja identificar os líquidos usando os órgãos dos sentidos. No entanto,

não é seguro identificar uma amostra pelo cheiro e pelo gosto. Por quê? b) Seria possível diferenciar o conteúdo dos três frascos por meio do aquecimento de uma amostra de cada um deles? Em caso positivo, explique como. c) Se passássemos amostras dos três líquidos através de um funil com papel de filtro (dos usados para coar café), haveria possibilidade de fazer a diferenciação dos conteúdos? Por quê?

Uma maneira de diferenciar uma substância de uma mistura consiste em verificar se as mudanças de estado físico ocorrem ou não em temperaturas constantes. Para exemplificar, vamos comparar o que se observa durante a ebulição da água (substância) e a da água com sal (mistura contendo cloreto de sódio – principal constituinte do sal de cozinha – dissolvido em água).

A água começa e termina sua ebulição (passagem do estado líquido para o gasoso) à mesma temperatura, ou seja, t1 é igual a t2.

t1

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

t2

água

estado inicial

estado final t2

t1

água com sal

A água da mistura água com sal começa e termina sua ebulição (passagem do estado líquido para o gasoso) em temperaturas diferentes, t2 é maior que t1. 50

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Considere três garrafas contendo líquidos incolores. Uma delas contém somente água, outra contém água e sal de cozinha dissolvido e a terceira, água e álcool comum.

estado inicial

sal

estado final

Unidade 1   Introdução ao estudo da Química

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Observe a seguir o gráfico de temperatura em função do tempo relativo ao aquecimento da água, do estado sólido (gelo) ao estado gasoso (vapor de água), realizado no nível do mar. Variação de temperatura da água (°C) em função do tempo de aquecimento (min) Temperatura (ºC) 120

líquido-gasoso

100

gasoso

80 60

líquido

40 20 0 –20 –40

sólido-líquido 5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Tempo de aquecimento (min)

sólido

–60

DIVULGAÇÃO PNLD

Esse gráfico é apenas um esboço, isto é, as inclinações das retas não correspondem a dados obtidos experimentalmente. Não escreva neste livro.

Depois de analisar o gráfico, responda às questões: a) No início (t 5 0), qual é a temperatura da água e qual é seu estado físico? b) O que ocorre no intervalo entre 15 min e 25 min? c) Em que intervalo de tempo toda a amostra fica líquida? d) O que se dá no intervalo entre 50 min e 63 min? e) Qual o estado físico da água após 63 min?

Durante as mudanças de estado físico de uma substância, a temperatura permanece constante. Isso é representado graficamente pelas linhas horizontais paralelas ao eixo do tempo – chamadas de patamares. A temperatura em que uma substância “ferve”, ou seja, em que entra em ebulição, é denominada temperatura de ebulição. No caso da água, ao nível do mar, esse valor corresponde a 100 oC.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

< 100 ºC

100 ºC

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

No topo de uma montanha, a água entra em ebulição a uma temperatura inferior a 100 °C, que é o valor da temperatura de ebulição da água ao nível do mar, onde a pressão exercida pelo ar é igual a 1 atmosfera (1 atm).

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Para uma mistura como a de água e sal, o gráfico será como a seguir. Variação de estado físico de uma mistura de água e sal comum em função do tempo de aquecimento Temperatura gasoso

líquido-gasoso líquido

Tempo de aquecimento

Note que, ao contrário do que acontece com a água pura, a temperatura de ebulição da mistura de água e sal de cozinha não se mantém constante durante a mudança de estado.

Fonte: MASTERTON, W. L.; SLOWINSKI, E. J. Química geral superior. 4. ed. Rio de Janeiro: Interamericana, 1978. p. 11.

DIVULGAÇÃO PNLD

De modo geral, no caso das misturas, a temperatura não se mantém constante durante as mudanças de estado. Assim, quando aquecemos uma mistura de água e sal, a ebulição da água se inicia em uma temperatura e termina em outra, mais alta. Ou seja, não há patamares (retas paralelas ao eixo do tempo) em gráficos de temperatura em função do tempo no caso das misturas. A mudança de estado se dá em um intervalo de temperatura, como mostra o gráfico acima. Esclarecimentos necessários

Quente e frio correspondem a diferença de temperatura? Calor e temperatura são conceitos-chave no estudo da Termologia, parte da Física que estuda esses conceitos, muito usados na Química. Por isso, vale a pena fazer um breve esclarecimento sobre eles. Em nosso cotidiano, é comum usarmos os termos quente e frio, valendo-nos de nossas sensações, para dar uma ideia da temperatura de um corpo. No entanto, esse tipo de informação não é confiável. Vamos ver um exemplo. Quando colocamos uma de nossas mãos em uma superfície metálica e a outra, simultaneamente, sobre uma superfície de madeira, ambas no mesmo ambiente há bastante tempo, temos a sensação de que o metal está mais frio do que a madeira. No entanto, o metal e a madeira devem estar à mesma temperatura, já que estão há certo tempo no mesmo ambiente. A sensação de que o metal é mais frio decorre do fato de que o calor transferido de nosso corpo (que está a uma temperatura maior do que a do ambiente) para o metal ocorre com maior rapidez do que o calor transferido para a madeira. Os adjetivos quente e frio são relativos e, portanto, não são precisos. Se tirarmos uma garrafa de água da geladeira e a

52

deixarmos em um ambiente no qual a temperatura é igual a 25 °C, o que ocorrerá? Passado algum tempo, a temperatura da água será igual à do ambiente, isto é, a água terá entrado em equilíbrio térmico com o ambiente. Para que a temperatura da água aumente, o ambiente cede calor para a água. Já no caso de um alimento que é retirado do fogão a uma temperatura elevada e é colocado no mesmo ambiente, ocorre o contrário: à medida que a comida esfria, ela perde calor para o local onde se encontra. De qualquer forma, dois corpos a temperaturas diferentes em um mesmo ambiente, depois de algum tempo, entram em equilíbrio térmico, isto é, passam a ter temperaturas iguais. A energia transferida de um corpo para outro por causa da diferença de temperatura entre eles é chamada de calor. A energia se transfere do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. O corpo que cede calor tem sua temperatura diminuída e o que recebe calor tem sua temperatura aumentada. Assim, dois corpos em um mesmo sistema, isolado do ambiente, trocarão energia até que suas temperaturas se igualem.

Unidade 1   Introdução ao estudo da Química

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Dois corpos com a mesma massa têm a mesma densidade? Você, provavelmente, já deve ter ouvido esta pergunta quando era criança: o que pesa mais, 1 “quilo” de chumbo ou 1 “quilo” de algodão? Essa é uma pergunta que, feita a uma criança, costuma causar certo impacto. Isso ocorre porque é comum que elas confundam a massa de um objeto (medida em uma balança) com o volume (espaço ocupado). No caso, as duas amostras têm massa de 1 quilograma, ou seja, ambas têm mesma massa e mesmo peso. A

diferença está no espaço ocupado. O chumbo tem sua massa “concentrada” em volume menor que o do algodão. Quando comparamos diferentes amostras de água líquida, nota-se certa coincidência entre o valor numérico que exprime a massa e o que exprime volume, o que não ocorre com outras substâncias. Isso porque a densidade da água líquida equivale a 1 g/mL. Ou seja, em outras palavras:

1 mililitro de água

1 grama

1 000 mililitros (1 litro) de água

1 000 gramas (1 quilograma)

DIVULGAÇÃO PNLD

1

2

©SHUTTERSTOCK/SEALSTEP

Massa

©SHUTTERSTOCK/RON KLOBERDANZ

Volume

A balança (1) é um instrumento de medida de massa. Para medições de volume em laboratórios, é comum utilizar vidrarias, como balões volumétricos (2), provetas (3) e pipetas (4). 4

P. IMAGENS/PITH

©SHUTTERSTOCK/PRILL

3

Capítulo 3  Substâncias e misturas

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53

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1 L de mercúrio

1 L de água

1 L de etanol

12 kg

0,2 kg

0,5 kg

1 L de mercúrio corresponde a 13,5 kg

1 L de água corresponde a 1 kg

1 L de água

1 L de etanol corresponde a 0,8 kg

1 L de água corresponde a 1 kg

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Compare estas outras situações: Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Volumes iguais de materiais diferentes têm massas diferentes.

Observe que, de acordo com a ilustração acima, enquanto 1 litro de mercúrio tem massa igual a 1 litro de água mais 12,5 kg, 1 litro de etanol tem massa menor que a de 1 litro de água. Na tabela a seguir constam os dados de volume (em centímetro cúbico) de diferentes amostras de etanol a 20 °C e de massa (em gramas) correspondente a esses volumes. A partir desses dados foi construído um gráfico que relaciona a massa de etanol (em g) com seu volume (em cm3). Etanol

DIVULGAÇÃO PNLD

Massa (g) 0,8 8 16 80 160 400 800

Massa de etanol em função de seu volume Volume (cm3) 1 10 20 100 200 500 1 000

Massa (g) 800

400

160 80

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Organic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 3-232.

0

100

200

500

1 000 Volume (cm3)

Note que, ao dividir os valores de massa pelos correspondentes valores de volume, obtemos uma relação proporcional: 80 g

5

100 cm

3

160 g 200 cm

3

5

400 g 500 cm

3

5 ... 5

0,8 1 cm

3

5 0,8

g cm3

Ou seja, uma relação constante para uma determinada temperatura. Ou:

0,8 g 1 cm

3

5

8g 10 cm

3

5

800 g 1 000 cm3

.

O gráfico de massa × volume de qualquer material é uma reta que passa pela origem, pelo fato de a massa e o volume do material serem diretamente proporcionais. Apesar disso, não há sentido físico no valor zero para a massa e o volume. Podemos resumir o que foi visto anteriormente da seguinte maneira: Densidade de um material é a relação entre sua massa e seu volume. O valor obtido é constante em dada temperatura e não depende da quantidade de material. massa m ou d 5 densidade 5 volume V Respondendo à questão inicial, só é possível que dois corpos com a mesma massa tenham a mesma densidade se ocuparem o mesmo volume. 54

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Caracterizando uma substância Geralmente, para identificar uma substância, recorre-se a um conjunto de propriedades que ela tem. Algumas delas, como temperatura de ebulição, temperatura de fusão, solubilidade em água (quantidade máxima de uma substância que pode ser dissolvida em determinado volume de água) e densidade, são característicos da substância, ou seja, variam de um material para outro. Essas propriedades são chamadas de específicas. Outras propriedades, como a massa e o volume, não permitem a identificação das substâncias e são classificadas como gerais. O sal que usamos no preparo de alimentos, conhecido como sal de cozinha, é formado principalmente por cloreto de sódio. Vamos analisar algumas das propriedades dessa substância. Observe a tabela: Propriedades do cloreto de sódio Temperatura de fusão (ao nível do mar)

Temperatura de ebulição (ao nível do mar)

Solubilidade em água (a 25 oC)

. 800 oC

1 465 oC

36,0 g/100 g de H2O

DIVULGAÇÃO PNLD

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-89.

▸▸ ▸▸ ▸▸ ▸▸

Analisando essas propriedades do cloreto de sódio, podemos tirar algumas conclusões: abaixo de 800 °C ele é sólido; entre 800 °C e 1 465 °C é líquido; acima de 1 465 °C é gás; para dissolver (totalmente) 36,0 g de cloreto de sódio a 25 °C, são necessários 100 g de água. temperatura de fusão sólido

temperatura de ebulição líquido

800 oC

gasoso 1 465 oC

Temperatura

Isso quer dizer que, se uma amostra apresentar todas essas características, é bem provável que a substância seja cloreto de sódio.

Critérios de pureza Como acabamos de ver, o conjunto de propriedades específicas de uma substância serve para identificá-la. As temperaturas de fusão e de ebulição, a densidade e a solubilidade são os testes mais comuns em laboratório para verificar se uma amostra contém uma única substância ou uma mistura de substâncias. Elas constituem alguns dos critérios de pureza. Veja alguns exemplos na tabela abaixo. Note que a densidade a 25 °C do monóxido de carbono e do nitrogênio é idêntica. Isso quer dizer que, se uma pessoa estiver identificando uma amostra de uma substância desconhePropriedades de algumas substâncias a 1 atm cida e obtiver um valor de densidade igual a Temperatura Temperatura 1,14 g/L (a 25 °C), não conseguirá identificá-la Densidade Substâncias de fusão de ebulição (g/L) a 25 oC utilizando somente essa propriedade. Por isso, o o ( C) ( C) é importante destacar que, para caracterizar Hidrogênio 2259,3 2252,9 0,08 uma substância, é necessário conhecer o conNitrogênio 2210,0 2198,8 1,14 junto de suas propriedades específicas. Fonte: LIDE, David R (Ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 87th ed. Internet Version. Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2007.

Oxigênio

2218,8

2118,6

1,31

Monóxido de carbono

2205,0

2191,5

1,14

Dióxido de carbono

256,6

278,5

1,80

Capítulo 3  Substâncias e misturas

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Consultando a tabela a seguir, que indica as temperaturas de fusão e de ebulição de água, acetona, cobre, bromo, etanol e mercúrio, indique o estado físico de cada uma dessas substâncias nas temperaturas indicadas. Temperaturas de fusão e ebulição de algumas substâncias puras (a 1 atm) Água Temperatura de fusão ( C)

0

Temperatura de ebulição ( C)

100,0

o

o

Acetona

Cobre

Bromo

Etanol

Mercúrio

294,7

1 084,6

27,2

2114,1

238,8

2 562,0

58,8

78,3

356,6

56,1

Fonte: LIDE, David R (Ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 87th ed. Internet Version. Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2007.

a) 10 °C

b) 240 °C

DIVULGAÇÃO PNLD

2. Construa um gráfico temperatura (°C) 3 tempo (min) que represente o aquecimento de um sólido desde 0 °C até 120 °C, sabendo que se trata de uma substância pura que funde a 41 °C e cuja temperatura de ebulição é de 112 °C. A fusão se inicia aos 5 minutos e termina aos 11 minutos, e a ebulição ocorre no intervalo de 14 a 23 minutos. Qual o estado físico da amostra aos 12 minutos de aquecimento? 3. Em uma atividade experimental, o professor forneceu aos grupos de alunos esferas de cobre de diferentes tamanhos e pediu a eles que encontrassem a densidade da amostra fornecida. Para tanto, um grupo de alunos fez os seguintes procedimentos: • Mediu a massa da amostra de cobre fornecida, obtendo um valor igual a 89 g. • Colocou água em um cilindro graduado (proveta) até uma marca de 30 mL. • Mergulhou no líquido a esfera de cobre e notou que o nível da água se deslocou para a marca de 40 mL.

b) Qual é o volume total dos recipientes que contêm detergente? 5. Posteriormente, você compra outra marca de detergente em pó de mesma composição, com a indicação de 600 g na embalagem. Porém, só consegue encher 5 copos de 200 mL. a) Qual é a massa do detergente em pó do segundo pacote? b) Qual é o volume total dos recipientes que contêm detergente? c) Qual dos dois detergentes é mais denso? Considere que o volume do detergente corresponde ao volume total medido. 6. Na determinação da densidade dos detergentes dos dois pacotes, não se estava calculando apenas a densidade do detergente, caso contrário os valores encontrados deveriam ser idênticos. Explique a razão dessa diferença. 7. Reproduza a tabela abaixo em seu caderno e complete-a. Depois, faça as atividades seguintes.

a) Considerando que as amostras fornecidas pelo professor eram de cobre puro, ou seja, não havia impurezas (outras substâncias), qual é a importância de vários grupos de alunos executarem medidas da densidade do mesmo metal?

Relação entre massa e volume para o ferro e para o oxigênio (a 25 oC e 1 atm) Massa (g)

Volume (cm3)

b) Qual é o valor aproximado da densidade do cobre obtida pelo grupo de alunos?

////////////

1,0

15,74

2,0

////////////

2,00

157,4

////////////

13,1

////////////

////////////

40

////////////

1 000

c) O procedimento adotado pelo grupo de alunos é útil para identificar metais, mas ele poderia ser utilizado para amostras de açúcar? E de cortiça? Justifique sua resposta. 4. Na embalagem de um detergente em pó há uma indicação: 600 g. Imagine que você consiga encher 6 copos de 200 mL com o conteúdo do pacote. a) Qual é a massa do detergente? 56

c) 1 500 °C

Ferro

Oxigênio Massa (g) 1,31

Volume (L) 1,00

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. Internet Version. Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-79 e 4-68.

a) Construa um gráfico de massa (g) em função do volume (cm3) para o ferro, se possível, em papel quadriculado.

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b) Qual é a densidade do ferro, em g/cm3? c) Qual é a densidade do gás oxigênio, em g/L? d) Calcule a massa de 1 cm3 (1 mL) de gás oxigênio. Qual é a densidade do oxigênio gasoso, em g/cm3? e) Explique o significado das densidades calculadas nos itens b e c. f) Qual é a relação entre a densidade do ferro e a do gás oxigênio? O que indica tal relação? 8. Observe o gráfico seguinte e responda às questões. Massa (g) A

100 80

B

60 C

40

DIVULGAÇÃO PNLD

20

0

20

40

60

80

100 Volume (cm3)

a) Qual é o volume de 50 g de A? b) Qual é o volume de 40 g de B? c) Qual é a densidade de A? d) Qual é o volume de 100 g de C? e) Coloque A, B e C em ordem crescente de densidade. 9. Leia o texto seguinte e responda às questões.

GETTY IMAGES/CHRIS MCGRATH

Meu tio e a densidade do tungstênio Meu tio trouxe um minúsculo cilindro graduado de 0,5 mililitro, encheu-o com água até a marca de 0,4 mililitro e então

colocou lá dentro os grânulos de tungstênio. A água subiu um vigésimo de mililitro. Escrevi os números exatos e fiz o cálculo – o tungstênio pesava pouco menos de um grama e sua densidade era (A). “Excelente”, disse meu tio. [...] “Agora tenho aqui vários metais diferentes, todos em grânulos. Que tal você praticar pesando-os, medindo seu volume e calculando sua densidade?” Passei a hora seguinte empolgadíssimo na tarefa, e descobri que meu tio me fornecera uma variedade imensa, que ia de um metal prateado, um pouco embaciado, com densidade menor que 2, a um de seus grânulos de osmirídio* (eu reconheci o metal), cuja densidade era quase doze vezes maior. Quando medi a densidade de um minúsculo grânulo amarelo, vi que era exatamente igual à do tungstênio – (A) para ser exato. “Está vendo?”, meu tio comentou. “A densidade do ouro é quase igual à do tungstênio, mas a prata é bem mais leve. É fácil sentir a diferença entre ouro puro e prata revestida de ouro – mas seria difícil com o tungstênio revestido de ouro.” SACKS, Oliver. Tio Tungstênio – memórias de uma infância química. Trad. Laura Teixeira Motta. São Paulo: Companhia das Letras, 2002. p. 48-49. * Osmirídio é uma liga metálica formada principalmente por ósmio e irídio.

a) Do texto extraído do romance Tio Tungstênio, foi retirado um número e substituído pela letra (A). Calcule o valor aproximado de A. b) O trecho destacado contém um termo impróprio. Diga qual é e troque-o de modo a deixá-lo cientificamente correto.

Oliver Sacks (foto) nasceu em Londres, em 1933. Foi renomado neurologista e escritor. Graduou-se em Medicina pela Universidade de Oxford. Em 1965, mudou-se para Nova York, onde desenvolveu sua carreira como professor e médico especialista em desordens do sistema nervoso. Além de Tio Tungstênio, são suas obras Alucinações musicais: relatos sobre a música e o cérebro, O homem que confundiu sua mulher com um chapéu, Um antropólogo em Marte, Tempo de despertar, entre outros livros. Vítima de câncer, faleceu em Nova York, em agosto de 2015.

Tempo de despertar. Direção: Penny Marshall. Estados Unidos, 1990. 121 min. Adaptação para o cinema do livro Tempo de despertar, em que Sacks descreve sua experiência, entre 1969 e 1972, com pacientes sobreviventes de uma epidemia de encefalite letárgica, ocorrida entre os anos 1910-1920.

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Substâncias simples e substâncias compostas

DIVULGAÇÃO PNLD

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Uma substância pode ser simples ou composta. Em que critério se baseia essa classificação? Vamos analisar alguns experimentos que permitem diferenciá-las. Para isso, as substâncias serão submetidas a agentes físicos – como calor, luz, eletricidade. Observe, então, as imagens relativas a dois momentos do aquecimento do óxido de mercúrio – um sólido vermelho-alaranjado. O aquecimento do óxido de mercúrio(II) libera um gás incolor e permite observar a formação de um líquido prateado. Quando se aproxima um palito em brasa do gás liberado, aparece uma chama. Por isso, dizemos que esse gás é comburente, isto é, alimenta a queima da madeira do palito de fósforo.

Cuidado! Não faça este experimento. Ele requer cuidados que evitem a inalação de vapores de mercúrio, altamente tóxicos.

óxido de mercúrio(II)

Óxido de mercúrio(II). Do aquecimento dessa substância obtêm-se duas outras.

anel de mercúrio

O oxigênio liberado pelo aquecimento do óxido de mercúrio(II) faz o palito em brasa acender. O anel formado no tubo de ensaio indica que outra substância se formou.

Por mais que se aqueça o líquido obtido, não é possível decompô-lo em mais substâncias. A determinação de várias propriedades das duas substâncias obtidas permite concluir que: ▸ o líquido prateado é mercúrio – único metal líquido nas condições ambientes; ▸ o gás é o oxigênio, substância incolor, essencial às combustões ao ar e à nossa vida. Agora vamos ver o que acontece quando se passa uma corrente elétrica em ácido clorídrico. corrente elétrica

gás A

1

gás B polo +

Substância

Cor

Densidade (g L21) a 25 °C e 1 atm

gás A

incolor

0,082

gás B

verde-amarelado

polo – AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

ácido clorídrico

bateria

3,17

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

O esquema representa a decomposição de uma solução de ácido clorídrico (cloreto de hidrogênio aquoso) em hidrogênio gasoso e cloro gasoso, por ação da corrente elétrica (eletrólise). 58

gás cloro

gás hidrogênio

ácido clorídrico

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MATRIZ NOVA

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Com base nessas e em outras propriedades de cada gás, podemos identificar os gases A e B como hidrogênio e cloro, respectivamente. ácido clorídrico

corrente elétrica

gás hidrogênio

1

gás cloro

Quando uma substância, submetida apenas à ação de agentes físicos − como calor, luz, eletricidade –, é decomposta em outras, a substância de partida é chamada composta ou, simplesmente, composto. Substância composta (composto) é aquela que, por ação de um agente físico, se decompõe formando duas ou mais substâncias. A seguir estão representadas algumas reações de decomposição: aquecimento

óxido de mercúrio(II)(s)

D

2 HgO(s)

2 Hg(ℓ)

corrente elétrica

cloreto de hidrogênio(aq)

t . 2 700 °C

água(ℓ)

H2(g)

1

O2(g) Lembre-se: (s) – sólido (ℓ) – líquido (g) – gás (aq) – aquoso

1

Cℓ 2(g)

hidrogênio(g) 1 oxigênio(g)

t . 2 700 °C

2 H2O(ℓ)

1 oxigênio(g)

hidrogênio(g) 1 cloro(g)

corrente elétrica

HCℓ(aq)

DIVULGAÇÃO PNLD

mercúrio(ℓ)

2 H2(g)

1

O2(g)

As representações das transformações que aparecem indicadas acima são chamadas de equações químicas. Estudaremos em capítulos mais à frente como se escreve uma equação e de que forma ela pode ser interpretada. Uma decomposição por aquecimento, também chamada de decomposição térmica ou pirólise, muito importante para a sociedade, ocorre com o carbonato de cálcio – componente da rocha calcária. Por meio do aquecimento dessa substância, são obtidos dois novos compostos, o dióxido de carbono gasoso (gás carbônico) e o óxido de cálcio, comercialmente conhecido como cal, produto sólido largamente usado na construção civil. carbonato de cálcio(s) CaCO3(s)

aquecimento D

óxido de cálcio(s) 1 dióxido de carbono(g) CaO(s)

1

CO2(g)

Observe que, em todos esses exemplos, há um único reagente (substância composta) que se transforma, por ação de agente físico, em mais de um produto. Note também que, nessa última transformação, os produtos obtidos (CaO e CO2) podem ser decompostos novamente. Já uma substância simples não pode ser decomposta. Substância simples é aquela que, submetida a agentes físicos (luz, calor, eletricidade), não se decompõe em outras substâncias. São exemplos de substâncias simples: mercúrio (Hg), oxigênio (O2), hidrogênio (H2), cloro (Cℓ 2), prata (Ag), ferro (Fe) e cobre (Cu). Óxido de mercúrio (HgO), ácido clorídrico (HCℓ), água (H2O), óxido de cálcio (CaO) e dióxido de carbono (CO2) são exemplos de substâncias compostas. Capítulo 3  Substâncias e misturas

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Modelos para representar substâncias simples e substâncias compostas Tendo em vista que é impossível visualizar as unidades constituintes de uma substância, mesmo usando um microscópio óptico, torna-se importante recorrer a modelos que ajudem a representar os diferentes tipos de substâncias e a explicar processos de transformação em que elas estão envolvidas. Os estudiosos do século XIX propuseram modelos com base na teoria atômica de Dalton. Como vimos no capítulo anterior, essa teoria era capaz de explicar as leis ponderais das reações químicas. Esses modelos são bastante úteis até hoje para explicar grande parte dos conceitos estudados durante o curso de Química do Ensino Médio. Usando o modelo de Dalton, vamos diferenciar substâncias simples de compostas. Vale destacar que Dalton chamou de átomos compostos as unidades constituídas por conjuntos de átomos. Observe: óxido de mercúrio(II)

DIVULGAÇÃO PNLD

2 elementos

D

D

D

água

2 elementos

D

oxigênio

1

mercúrio

1 elemento

1

1 elemento

hidrogênio

1

oxigênio

1 elemento

1

1 elemento

Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (a representação é apenas um modelo e as partículas representadas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos).

O óxido de mercúrio(II) e a água são exemplos de compostos Elemento Símbolo formados por mais de um tipo de átomo (o óxido de mercúrio hidrogênio H é formado por mercúrio e oxigênio, e a água é formada por hidrogênio e oxigênio). Pode-se dizer que tanto o óxido de oxigênio O mercúrio quanto a água são formados por dois elementos carbono C químicos. Os elementos químicos podem ser representados mercúrio Hg por símbolos, conforme a tabela ao lado. As substâncias são representadas por fórmulas em que átomos do mesmo elemento químico ou de elementos diferentes estão unidos, formando aglomerados. Assim:

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Substância simples

60

Fórmula

Substância composta

hidrogênio

H2

água

H2 O

oxigênio

O2

gás carbônico

CO2

mercúrio

Hg

monóxido de carbono

CO

Modelo

Modelo

Fórmula

Cores fantasia, sem escala.

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Você pode notar que as substâncias simples são formadas por um só elemento químico, embora muitas vezes suas unidades constituintes sejam formadas por mais de um átomo. O número escrito à direita e abaixo do símbolo do elemento (índice) indica o número de átomos do elemento na unidade constituinte. Assim, o índice 2 que aparece na fórmula do hidrogênio (H2) indica o número de átomos de hidrogênio (H) que constitui cada molécula da substância simples hidrogênio.

Atividade O texto a seguir foi retirado de um site que tem a água como uma de suas preocupações ambientais. Leia-o com atenção e responda à questão seguinte.

Não escreva neste livro.

A água pura (H2O) é um líquido formado por moléculas de hidrogênio e oxigênio. Na natureza, ela é composta por gases, como oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio, dissolvidos entre as moléculas de água. [...] Fonte: ÁGUA: recursos hídricos. Ambiente Brasil. Disponível em: <http://ambientes.ambientebrasil.com.br/ agua/recursos_hidricos/agua_-_recursos_hidricos.html>. Acesso em: 30 out. 2015.

Diferentes substâncias, um só elemento Vamos ver agora um caso pouco frequente, mas bastante interessante: a possibilidade de um mesmo elemento químico constituir substâncias simples diferentes, que também diferem quanto a suas propriedades. Esse fenômeno é chamado de alotropia, e as substâncias simples formadas são chamadas de formas alotrópicas do elemento que as constitui.

Formas alotrópicas do oxigênio Cores fantasia, sem escala.

Observe a representação das duas substâncias simples diferentes que o elemento oxigênio forma: gás oxigênio e gás ozônio.

LATINSTOCK/ALAMY STOCK PHOTO/ MEDICIMAGE

Gás oxigênio: O2 ▸ Cor: não tem (incolor). ▸ Essencial à respiração. ▸ É o comburente presente na atmosfera, isto é, é o constituinte do ar indispensável para que algum material combustível queime na presença do ar.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Os trechos destacados encontram-se imprecisos do ponto de vista da linguagem científica. Reescreva-os em seu caderno de modo a torná-los mais adequados.

Cerca de 20% do volume do ar que respiramos é composto de oxigênio. Em balões de oxigênio, esse teor é bem mais elevado do que no ar, para aumentar a concentração de oxigênio no sangue.

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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DIVULGAÇÃO PNLD

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Gás ozônio: O3 Cores fantasia, sem escala. ▸▸ Cor: levemente azulada; odor: característico. ▸▸ Bactericida. ▸▸ Na estratosfera, que fica entre 30 km e 50 km de altitude, há uma “camada de ozônio” que absorve parte da radiação ultravioleta que vem do Sol. A incidência direta dessa radiação em nossa pele nos predispõe ao câncer de pele (é carcinogênica); o ozônio nessa região funciona como um protetor contra esse tipo de radiação. ▸▸ Na baixa atmosfera, o ozônio é capaz de agir como bactericida – quando em concentração relativamente baixa – e é um poluente do ar – quando em concentrações elevadas.

O gás ozônio é usado, por exemplo, no tratamento de água de piscinas em substituição ao cloro, que, em alguns usuários, pode causar irritação das vias aéreas e dos olhos.

A diferença de propriedades desses dois gases é consequência do fato de as moléculas que os constituem serem formadas por dois átomos no caso do gás oxigênio e três átomos no caso do gás ozônio. O gás oxigênio é formado por moléculas diatômicas (O2) e o gás ozônio é formado por moléculas triatômicas (O3). Em dias ensolarados, a formação de ozônio é favorecida em locais de tráfego intenso porque ele é produzido por reações químicas entre gases emitidos por veículos automotivos. Trata-se de um problema sério em metrópoles e grandes centros urbanos. O trecho da matéria abaixo evidencia essa questão. Qualidade do ar de BH não é boa em um terço do ano Estações que monitoram o ar na capital fazem disparar alerta. Especialistas criticam tamanho da rede de coleta [...] [...] De acordo com o levantamento do índice da qualidade do ar dos últimos 12 meses, o ozônio foi o grande vilão no ar da capital, tendo sido registrado em 99 dos 365 dias do período analisado. [...] [...] Estado de Minas, 8 out. 2015. Disponível em: <http://www.em.com.br/app/noticia/gerais/2015/10/08/interna_ gerais,695949/qualidade-do-ar-de-bh-nao-e-boa-em-um-terco-do-ano.shtml>. Acesso em: 3 nov. 2015.

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Unidade 1   Introdução ao estudo da Química

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MATRIZ NOVA

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Há outros casos de alotropia em que a diferença está na disposição espacial dos átomos, como veremos a seguir.

Formas alotrópicas do enxofre O enxofre é um sólido amarelo encontrado principalmente em terrenos de origem vulcânica como impureza de alguns minérios (a pirita, por exemplo, que é composta principalmente por ferro e enxofre – FeS2) e como subproduto do petróleo. O elemento enxofre pode formar substâncias simples diferentes: o enxofre rômbico e o enxofre monoclínico. Elas correspondem a estruturas distintas, ambas formadas por oito átomos, representadas por S8. O cristal de enxofre é encontrado na forma rômbica a temperaturas de até 95,3 oC. Acima dessa temperatura, ele passa para a forma monoclínica. Apesar de ambas serem formadas por unidades com oito átomos de enxofre, a distribuição espacial de suas unidades é bastante diferente, o que explica as diferenças de propriedades: a densidade do enxofre rômbico, por exemplo, é 2,1 g/cm3 e a do enxofre monoclínico é 2,0 g/cm3.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

©SHUTTERSTOCK/MARCELCLEMENS

Representação do cristal de enxofre Cores fantasia, sem escala.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

LATINSTOCK/SPL/ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY

DIVULGAÇÃO PNLD

Formas alotrópicas do enxofre

Fonte das representações: Royal Society of Chemistry. Disponível em: <http://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/ res00000686/allotropes-of-sulfur?cmpid=CMP00004757>. Acesso em: 7 jan. 2016.

As duas principais substâncias simples constituídas pelo elemento fósforo são o fósforo vermelho e o fósforo branco. A primeira, cujas moléculas são formadas pela união de um grande e variável número de grupos de 4 átomos de fósforo, (P4)n, é bastante conhecida por seu uso cotidiano em lixas de caixas de fósforos de segurança; já a segunda, P4, foi utilizada várias vezes para fins bélicos, inclusive durante a Primeira Guerra Mundial (1914-1918), como constituinte de armas químicas. Embora ambas sejam substâncias combustíveis, se expostas ao ar ambiente, têm comportamentos diferentes: o fósforo branco se incendeia espontaneamente (motivo pelo qual é armazenado em água), podendo causar sérias queimaduras se não for manipulado com cuidado; no caso do fósforo vermelho, é preciso fornecer-lhe energia para que a combustão se inicie – é o que fazemos, por exemplo, quando atritamos a cabeça do palito (que não contém fósforo) À esquerda, o fósforo vermelho e, à direita, o fósforo com a lixa da caixa de fósforos de segurança, onde branco em água. esse elemento se encontra. Capítulo 3  Substâncias e misturas

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MATRIZ NOVA

LATINSTOCK/PHOTO RESEARCHERS, INC./CHARLES D. WINTERS

Formas alotrópicas do fósforo

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GLOWIMAGES/ZUMA PRESS/XINHUA

O fósforo branco, conhecido por WP (de white phosphorus), é usado para fins bélicos como bomba incendiária. Como é altamente solúvel em lipídios (gordura), partículas que entram na pele podem queimar rapidamente chegando até os ossos, além de causar danos ao pulmão e à garganta devido à formação de um ácido (ácido fosfórico).

Formas alotrópicas do carbono: diamante e grafita

Explosão de bomba de fósforo branco na cidade de Gaza, localizada na chamada Faixa de Gaza (território palestino próximo a Israel), em 2009.

ângulo entre as ligações: 109º

109º

©SHUTTERSTOCK/YEKO PHOTO STUDIO

1 pm = 10–12m (picômetro)

LATINSTOCK/ALAMY/WORLD HISTORY ARCHIVE

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

154 pm

Diamante bruto.

Fonte da representação da estrutura cristalina do diamante: DUTCH, S. Diamond Structure. Natural and Applied Sciences. University of Wisconsin, Green Bay. Disponível em: <http://www.uwgb.edu/dutchs/Petrology/Diamond%20Structure.htm>. Acesso em: 11 jan. 2016

Representação da estrutura cristalina do diamante. Cores fantasia, sem escala. ângulo entre as ligações: 120º 120º

©SHUTTERSTOCK/TYLER BOYES

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Diamantes lapidados.

©SHUTTERSTOCK/IAN GRAINGER

DIVULGAÇÃO PNLD

Na natureza, é possível encontrar duas formas alotrópicas do carbono: o diamante e a grafita. O diamante, usado em objetos de adorno, é o material mais duro da natureza. Por essa razão, tem grande emprego industrial. A grafita que usamos para escrever é cinza-escura, apresenta brilho metálico e pode ser quebrada com pouco esforço. Por ser boa condutora elétrica, é empregada em pilhas elétricas e pode também ser usada como lubrificante.

335 pm

Amostra de grafita mineral.

Grafita usada para escrever.

141,5 pm

Representação da estrutura cristalina da grafita. Cores fantasia, sem escala.

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Fonte da representação da estrutura cristalina da grafita: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 105.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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MATRIZ

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Conexões Química e tecnologia – Formas artificiais do carbono As buckybolas

As buckybolas assemelham-se a estruturas geodésicas, como a do museu em homenagem ao meio ambiente (The Biosphere), na cidade de Montreal, Canadá, que vemos na imagem acima. Foto de 2012.

20 hexágonos regulares

60 átomos de carbono

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

©SHUTTERSTOCK/MEUNIERD

Uma terceira forma alotrópica do carbono foi obtida em laboratório pelas equipes de Richard Errett Smalley (1943-2005), dos Estados Unidos, e Harold (Harry) Walter Kroto (1939-), da Inglaterra, há cerca de trinta anos. A disposição dos átomos de carbono dessa forma alotrópica, conhecida por buckybolas (do inglês buckyballs) ou fulereno, lembra uma bola de futebol profissional. O nome original dessa forma de carbono é buckminster fullerene, em homenagem ao arquiteto

estadunidense Richard Buckminster Fuller (1895-1983), que criou a estrutura geodésica. Essa forma de carbono, de fórmula C60, é a mais simples de uma família de fulerenos, cujos arranjos moleculares fechados podem atingir até 960 átomos de carbono. Muitos químicos vêm realizando pesquisas sobre buckybolas, tendo em vista a enorme possibilidade de aplicações dessas substâncias, tanto na área médica, para viabilizar novas terapias (por exemplo, a de osteoporose), como em lubrificantes, combustíveis, baterias, entre outras.

Representação da estrutura das buckybolas. Cada uma delas é formada por 60 átomos de carbono, dispostos em 20 hexágonos regulares e 12 pentágonos regulares. Cores fantasia, sem escala. Fonte da ilustração: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 105.

12 pentágonos regulares

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Nanotubos de carbono

DIVULGAÇÃO PNLD

©SHUTTERSTOCK/TYLER BOYES

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/EYE OF SCIENCE

Os nanotubos, outra forma alotrópica do carbono, são um tipo de fulereno. Descritos pela primeira vez em 1952, foram amplamente divulgados na comunidade científica apenas em 1991. A palavra nanotubo remete tanto à forma quanto à dimensão (o prefixo nano vem do grego e significa “excessiva pequenez”): 100 mil vezes mais fino do que um fio de cabelo.

átomos de carbono

Micrografia de tunelamento colorida de nanotubos de carbono. Por meio dessa técnica, é possível observar a topologia da superfície do material estudado. Aumento de 6 000 000 vezes para imagens de 6 cm × 6 cm.

Representação de parte da estrutura de um nanotubo. Cores fantasia, sem escala.

Diamantes artificiais Desde meados do século XX, cientistas vêm obtendo diamantes artificiais que, apesar de serem formados por cristais irregulares, têm encontrado emprego industrial por sua elevada dureza (diamante vem do grego adámas: “indomável”), por conduzirem bem o calor, terem baixa resistência à passagem do som – o que possibilita seu uso em alto-falantes – e por serem pouco reativos – o que permite seu uso em próteses no corpo humano. Mais recentemente, equipes de cientistas, incluindo brasileiros, têm se dedicado a pesquisar novas formas de diamantes artificiais e suas possibilidades de aplicação. Entre elas, podemos mencionar o uso de diamantes sintéticos em brocas adequadas a vários tipos de técnicas utilizadas em odontologia, para recobrimento de instrumentos médicos e peças de transplantes, funcionando como bactericida e inibidor da formação de coágulos sanguíneos, em ferramentas utilizadas em implantes ósseos e para o revestimento de bandejas usadas para transportar instrumental cirúrgico em hospitais. 1. Com base em seus conhecimentos e no que leu nesta seção e em outras fontes de pesquisa, faça um resumo sobre alguns empregos das formas de carbono naturais e artificiais.

Não escreva neste livro.

2. A descoberta dos fulerenos rendeu o Prêmio Nobel de Química em 1996 aos cientistas R. Crul, H. Kroto e R. Smalley. Você já ouviu falar do Prêmio Nobel? O que ele representa? Faça uma pesquisa em livros e sites sobre esse assunto.

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Substância e mistura: diferenciação teórica ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Nos sistemas abaixo, estão representadas substâncias puras. Cores fantasia, sem escala.

O H

Água (H2O), substância composta de H e O.

Oxigênio (O2), substância simples.

Note que as ilustrações representam água e oxigênio. No que essas substâncias diferem? A água é uma substância composta (constituída por mais do que um elemento, H e O) e o oxigênio é uma substância simples (formada por um só elemento, O). No caso de misturas, há diferentes tipos de aglomerados atômicos, e cada um desses tipos corresponde a uma substância. Observe:

DIVULGAÇÃO PNLD

Cores fantasia, sem escala.

C O H

Representação do álcool comercial.

O álcool comercial é uma mistura de etanol (C 2H5OH) que contém teores variáveis de água. O álcool 54 oGL tem 54 cm3 de etanol para cada 46 cm3 de água. Cores fantasia, sem escala.

N O

Representação do ar “puro”.

O ar “puro” é uma mistura de diversos gases, na qual predominam dois: o oxigênio (O2), com cerca de 20%, e o nitrogênio (N2), com 80%, aproximadamente. Portanto, uma substância é composta por átomos ou aglomerados de átomos, cuja constituição é a mesma. As substâncias podem ser de dois tipos: ▸

substâncias simples ou elementares – formadas por um só elemento;

substâncias compostas (compostos) – constituídas por dois ou mais elementos.

Já uma mistura é constituída de várias substâncias. Ela pode ser obtida quando essas substâncias são colocadas em contato sem se alterar, ou seja, quando não reagem entre si. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Não escreva neste livro.

Atividades SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

1. Observe a foto ao lado. Mesmo sem ter conhecimentos de Química, uma pessoa atenta pode notar algo incoerente na propaganda da loja. Na sua opinião, o que seria?

a) Quais representam substâncias simples? b) Quais são compostos binários, isto é, formados por dois elementos? c) Qual substância é simples e tetratômica? d) Quantos átomos formam uma molécula de butano, C4H10? e) Qual dessas substâncias está presente no ar não poluído?

Temperatura de fusão (oC) a 1 atm

Temperatura de ebulição (oC) a 1 atm

Cor

2 101,5

2 34,0

verde-amarelado

6. Nos sistemas a seguir, átomos são representados por esferas. Para resolver os itens de a a d, reproduza em seu caderno o(s) que corresponde(m) ao que é descrito.

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-58.

3. Com base nos dados das questões 1 e 2, nos conceitos de substância simples, substância composta e de elemento que você pôde construir até aqui, redija uma explicação possível para a confusão de informações sobre o cloro na propaganda. 4. Considere as seguintes informações: • Substâncias que contêm ferro devem fazer parte de uma alimentação saudável. • Sabe-se que ferro na forma metálica é atraído por ímãs, o que não acontece com compostos de ferro. Observa-se que: • Um medicamento que contém ferro, usado no tratamento da anemia, não é atraído por ímã. • Uma farinha enriquecida com ferro não é atraída por ímã. • Uma embalagem de cereais em flocos mostra que eles são atraídos por ímã.

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I

II

IV

V

III

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ ARQUIVO DA EDITORA

2. Dadas as seguintes propriedades do cloro, qual deve ser seu estado físico em uma temperatura ambiente de aproximadamente 20 °C, a 1 atm de pressão?

DIVULGAÇÃO PNLD

5. Considere as fórmulas P4, CO, C3H6O, N2, O3, C4H10.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

a) Substância pura composta. b) Substância pura simples. c) Mistura de duas substâncias, uma simples e uma composta. d) Mistura de duas substâncias simples. 7. Complete em seu caderno o quadro abaixo para os sistemas I, II, III, IV e V representados anteriormente. As respostas relativas ao sistema I estão dadas. I

II

III

IV

V

Número de átomos

18

/////

/////

/////

/////

Número de elementos

2

/////

/////

/////

/////

Número de moléculas

9

/////

/////

/////

/////

a) Se os flocos não forem atraídos por ímã, é porque não contêm ferro? Explique.

Número de substâncias

2

/////

/////

/////

/////

b) Utilizando os conceitos de elemento, substância simples e substância composta, escreva um texto que explique o fato de o medicamento e a farinha não serem atraídos por ímãs, mas o cereal, sim.

Número de substâncias compostas

0

/////

/////

/////

/////

Número de substâncias simples

2

/////

/////

/////

/////

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Tipos de mistura

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Já vimos que, quando duas ou mais substâncias são colocadas em contato e não há transformação química, isto é, quando não reagem entre si, elas originam uma mistura.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

água

1

álcool etílico (etanol)

mistura de álcool e água (nessa mistura se mantêm os dois tipos de moléculas iniciais)

Representação de um béquer com água, outro com etanol e um terceiro com a mistura obtida quando se acrescenta água a etanol. Também estão representados os três líquidos, do ponto de vista microscópico, isto é, das unidades que os constituem.

De acordo com o aspecto, as misturas podem ser classificadas em homogêneas e heterogêneas.

DIVULGAÇÃO PNLD

Misturas homogêneas ou soluções Misturas homogêneas ou soluções são as que têm o mesmo aspecto em todos os pontos, ainda que observadas com microscópios potentes. São exemplos de soluções: álcool comercial; ar isento de partículas sólidas (poeira); água com açúcar dissolvido; tintura de iodo (iodo dissolvido em álcool). Todas as misturas gasosas são homogêneas. O ar isento de pequenas partículas sólidas também é um exemplo de mistura homogênea. Em uma mistura homogênea ou solução, as unidades constituintes de um componente distribuem-se entre as do(s) outro(s), sem que seja possível distingui-los. Observe as imagens:

ua + ág ir dilu

dissolver

água

solução 1

+ su co e mp con ó cen tr a r

solução 2

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

suco em pó

solução 3

A solução 2 é mais diluída do que a 1. A solução 3 é mais concentrada do que a 1.

A solução 2 é mais diluída do que a 1. A solução 3 é mais concentrada do que a 1. Ou seja: Dissolver significa misturar substâncias que não reagem entre si, formando solução. ▸ Diluir significa acrescentar mais solvente a uma solução. ▸ Concentrar significa adicionar mais soluto a uma solução, ou retirar solvente dela. Para que fique mais claro, no exemplo mostrado na ilustração, a água é o solvente. Já o suco em pó contém várias substâncias que constituem o soluto. Vale lembrar também que, como as misturas têm composição variável, não podem ser representadas por fórmulas. ▸

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Misturas heterogêneas Misturas heterogêneas são as que apresentam regiões com diferentes aspectos, chamadas fases. As diversas fases de um sistema podem ser diferenciadas a olho nu ou por meio de microscópios de luz.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

água

óleo

areia

vinagre 2 fases: uma sólida e outra líquida

cubos de gelo (todos os cubos de gelo são uma fase) areia (os vários grãos de areia constituem uma só fase) 2 fases: 2 líquidos imiscíveis (que não se misturam)

2 fases: cada uma está dividida em várias partes com o mesmo aspecto

Misturas difásicas: apresentam duas fases.

Cores fantasia, sem escala.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Observação: Uma única substância pode se apresentar simultaneamente em duas ou três fases; é o caso do conjunto água líquida-gelo (heterogêneo). Por isso, mudanças de estado físico sólido-líquido, por exemplo, também são chamadas de mudanças de fase.

Água pura em duas fases: sólida e líquida.

Atividades

Não escreva neste livro.

1. Explique como proceder para: a) diluir uma solução alcoólica de iodo (iodo dissolvido em álcool); b) concentrar uma solução aquosa de dicromato de potássio (dicromato dissolvido em água). 2. Qual é a diferença entre dissolver e diluir? 3. Considere os sistemas indicados a seguir para responder aos itens de a a d. I. Álcool em água. II. 3 cubos de gelo em solução aquosa de sal. III. Vapor de água 1 gás carbônico. IV. Vapor de água 1 3 cubos de gelo. V. 1 colher de açúcar em 1 litro de água. VI. Nitrogênio 1 oxigênio. a) Quais constituem misturas? b) Quais são monofásicos? c) Qual é formado por substância pura? d) Quais contêm duas substâncias?

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Separação de misturas Quase todos os materiais obtidos da natureza são misturas de substâncias. Muitas vezes o ser humano está interessado em um ou mais componentes de uma mistura e, para isso, realiza métodos de separação que permitem obtê-lo(s). Você conhece algum método de separação? Como você faria para retirar os sais que estão dissolvidos na água do mar? Vamos agora estudar alguns processos de separação de misturas e suas aplicações.

Quando alguém passa aspirador de pó em um piso empoeirado, está fazendo com que o ar que contém essa poeira, ao passar pelo filtro no interior do equipamento, deixe retidas nele as partículas de poeira. Dizemos que essa mistura gás-sólido passou por uma filtração, separando o sólido (poeira) do gás (ar). Outro exemplo da aplicação do método de filtração ocorre quando uma pessoa prepara um café de modo tradicional. O coador de pano ou o de papel que é colocado em um suporte é um filtro que retém o pó de café, deixando passar o líquido, uma solução de café em água. Nesse caso, a filtração separa a fase sólida da fase líquida. Nos laboratórios, é muito frequente recorrer à filtração feita em funil de vidro. No processo, podem-se utilizar trompas de vácuo ou compressores de ar (ou bombas de vácuo), que reduzem a pressão dentro do recipiente, resultando numa sucção que acelera o processo de filtração. Esquema de filtração simples mistura

Esquema de filtração a vácuo papel-filtro

bastão de vidro

mistura mangueira

papel-filtro torneira funil de vidro

trompa de vácuo

frasco de segurança

béquer

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Filtração

vácuo

filtrado

funil de porcelana filtrado

kitasato

Aparelhagem de laboratório para dois tipos de filtração: à esquerda, a filtração simples; à direita, a filtração a vácuo.

Cores fantasia, sem escala.

Agora reflita: é possível separar por filtração sal de cozinha da água em que está dissolvido? E os componentes da mistura óleo e água? Para filtrar, é fundamental que a mistura seja heterogênea e que contenha pelo menos um componente no estado sólido, que ficará retido nos poros do filtro. Para que isso ocorra de maneira satisfatória, é preciso que os poros do filtro tenham dimensões menores que as dimensões das partículas do sólido. Portanto, não é viável separar sal de cozinha e água e óleo e água por filtração. A filtração é empregada para separar misturas heterogêneas de: ▸ sólido-líquido; ▸ sólido-gás. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Conexões Química e tecnologia Novos filtros: melhorando a vida das pessoas sem acesso a água potável

Fontes: Scientific American Brasil. Filtro completo em um canudinho. Disponível em: <http://www2.uol.com.br/sciam/noticias/filtro_ completo_em_um_canudinho.html>; Committing to Child Survival: A Promise Renewed Progress. Report 2013. Disponível em: <http://www.unicef.org/publications/files/ APR_Progress_Report_2013_9_Sept_2013.pdf>; World Health Organization. Arsenic. Disponível em: <http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs372/en/index.html>. Acessos em: 11 jan. 2016.

GETTY IMAGES/AFP/TONY KARUMBA

DIVULGAÇÃO PNLD

Como fazer para sobreviver em um lugar em que a única água disponível é imprópria para o consumo? Você já se imaginou tendo de ingerir água de uma lagoa barrenta, contaminada por microrganismos que transmitem doenças? Essa é a realidade de muitas pessoas que vivem em regiões carentes de saneamento básico. De acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), estima-se que, em 2014, cerca de 800 mil pessoas no mundo não tinham acesso a água potável. Em muitos locais, a água é conseguida em lagoas sujas, onde pessoas e animais dividem espaço. Segundo dados de 2012 do Unicef e da Organização Mundial da Saúde, 6,6 milhões de crianças menores de 5 anos morrem todo ano vítimas de causas evitáveis, como diarreia, pneumonia ou malária. Para tentar ajudar a reduzir esses índices, uma companhia suíça desenvolveu um filtro de água portátil e barato. Usando membranas têxteis com poros menores do que o diâmetro de um fio de cabelo, seguidas de uma resina impregnada com iodo e outra com carvão ativado, esse filtro é capaz de

filtrar 99,99% dos parasitas e bactérias presentes na água, sem o uso de eletricidade. Ele é menos efetivo para os vírus, que são muito menores, e também não retém arsênio, presente em altos níveis nas águas subterrâneas de vários países, como Bangladesh, Índia, Chile e México. Esses filtros têm sido entregues por grupos humanitários após desastres, como terremotos, e em locais de pobreza extrema, como Moçambique, Mianmar e Quênia. Apesar de não resolver o problema do acesso à água – já que muitas vezes é preciso percorrer longas distâncias para encontrar uma fonte de água, ainda que imprópria –, o uso desses filtros tem ainda outra vantagem: como as pessoas não precisam ferver a água para poder consumi-la, há uma redução no uso de combustíveis fósseis e de lenha, o que ajuda a diminuir a emissão de gases que contribuem para o efeito estufa.

Filtro de água portátil (versão família) utilizado para abastecer um galão de água na província ocidental do Quênia. O filtro portátil é uma opção barata que ajuda a reduzir o número de vítimas de doenças por uso de água não potável. Esse tipo de filtro pode abastecer uma família por cerca de três anos (ou 18 000 litros de água filtrada); já a versão individual é capaz de filtrar 1 000 litros de água, o suficiente para hidratar uma pessoa por um ano. Foto de 2011. Não escreva neste livro.

1. Por que esse tipo de filtro resolve, ao menos em parte, o problema da ausência de água tratada para o consumo em regiões carentes? 2. A que você atribui o fato de o texto informar que o filtro não elimina substâncias contendo arsênio em solução? 3. De que modo a evolução do conhecimento sobre o “mundo invisível” tem relação com esse recurso?

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R-P/KINO.COM.BR

Peneiração Peneiração é um método de separação de materiais usado para misturas heterogêneas formadas por sólido e líquido ou por dois ou mais sólidos de dimensões diferentes. Nesse processo, são usadas peneiras que tenham malhas de tamanhos diferentes.

Ao deixarmos uma mistura heterogênea em repouso (de sólido e líquido, de líquido e líquido, de sólido e gás) em um recipiente (ou recinto), a fase mais densa deposita-se na parte inferior por ação da gravidade. É o que ocorre com a poeira – partículas sólidas em suspensão no ar – que se deposita em móveis, no chão, etc., ou com o vinagre, que, em uma mistura com óleo, usada no tempero da salada, fica na parte inferior da mistura. De acordo com as características da mistura a ser separada, são adotados procedimentos compatíveis. Observe-os nas imagens. A decantação é empregada para separar misturas heterogêneas de: ▸ sólido-líquido; ▸ líquido-líquido (funil de decantação); ▸ sólido-gás. Peneiração de areia em Rio Branco (AC). Foto de 2012.

TYBA/DELFIM MARTINS

Cores fantasia, sem escala.

funil de decantação

líquido A líquido B

©SHUTTERSTOCK/WAVEBREAKMEDIA

Tanque de decantação em estação de tratamento de água em Teresina (PI). Nesses tanques, as sujeiras (por exemplo, pequenas partículas sólidas) que estão dispersas na água decantam no fundo do recipiente. Foto de 2015.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Decantação

Em centrífugas e microcentrífugas, os tubos giram rapidamente, o que acelera o processo de decantação, fazendo o material mais denso se depositar no fundo do tubo.

Esse tipo de funil é usado em laboratórios para separar líquidos imiscíveis (que formam mais do que uma fase). O mais denso é retirado quando se abre a torneira, e o menos denso, pela parte superior do funil. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Destilação é um processo de separação de misturas homogêneas em fase líquida. Nessa separação, o sistema é aquecido até que o componente que evapora com mais facilidade, ou seja, o mais volátil, atinja a temperatura de ebulição; os vapores obtidos passam por um condensador, equipamento onde são resfriados, voltando ao estado líquido. A destilação simples normalmente é utilizada para separar os componentes de uma solução formada de líquido e sólido não volátil. Observe, a seguir, o equipamento usado em laboratório na destilação simples. O que acontece se utilizarmos o processo de destilação na água do mar? O aquecimento dessa mistura irá evaporar grande parte da água, que será condensada e coletada em um frasco. Essa água, diferentemente Cores fantasia, sem escala. Esquema de destilação simples da água do mar, é constituída apetermômetro condensador nas por água, ou seja, é uma única ou tubo refrigerante saída de água substância. Chamamos a água que passou pelo processo de destilação de água destilada. É importante destacar que no balão de destilação, balão de mistura destilação torneira além do sólido, pode sobrar certo mangueira volume do líquido.

DIVULGAÇÃO PNLD

A destilação fracionada é utilizada normalmente para separar misturas formadas por líquidos miscíveis, ou seja, líquidos que se misturam. O grau de pureza dos líquidos coletados será tanto maior quanto maior for a distância entre as temperaturas de ebulição dos líquidos. É na coluna de fracionamento que o vapor sobe e é, em parte, condensado. Esse líquido desce pela coluna em direção ao balão. Entretanto, nesse processo, o líquido condensado entra em contato com o vapor proveniente da vaporização e que está subindo; com a troca de calor entre o líquido e o vapor, a fase gasosa é enriquecida com o vapor proveniente do líquido de temperatura de ebulição mais baixa. O vapor entra no condensador onde é resfriado e, então, é recolhido em outro frasco. Observando a variação de temperatura evidenciada pelo termômetro, é possível medir a temperatura do vapor em equilíbrio com o líquido de cada componente. Assim, substituindo o frasco coletor, os líquidos podem ser separados. 74

manta elétrica de aquecimento

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Destilação

entrada de água fria líquido destilado no frasco de coleta

Aparelhagem de laboratório para destilação simples. Fonte: MASTERTON, W. L.; SLOWINSKI, E. J. Química geral superior. 4. ed. Rio de Janeiro: Interamericana, 1978. p. 13.

Cores fantasia, sem escala.

Esquema de destilação fracionada termômetro coluna de fracionamento

saída de água

condensador

líquido destilado no frasco de coleta

torneira

mangueira

balão de destilação entrada manta elétrica de de água aquecimento

Aparelhagem de laboratório para destilação fracionada. Fonte: CHANG, R. Chemistry. 10th ed. New York: McGraw-Hill, 2010.

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PULSAR IMAGENS/LUCIANA WHITAKER

Evaporação Enquanto na destilação simples o interesse reside na substância líquida mais volátil, na evaporação, o interesse está voltado para o sólido que está dissolvido. Nesse método de separação, utilizado para misturas homogêneas formadas por sólido e líquido, ocorre o aquecimento da mistura até a completa evaporação do líquido. Essa técnica é utilizada, por exemplo, para a obtenção de sal marinho a partir da evaporação da água do mar, processo que ocorre de maneira lenta e por ação da energia solar e eólica (dos ventos).

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Dissolução fracionada Dissolução fracionada é um processo de separação de misturas usado para separar sólido de sólido. Usa-se um solvente que seja capaz de dissolver somente um dos componentes da mistura, o que explica o nome: dissolução de parte, isto é, fração da mistura. A dissolução fracionada é usada para separar, por exemplo, o cloreto de sódio da areia. Deve-se adicionar à mistura água em quantidade suficiente para dissolver o cloreto de sódio. Uma filtração faz com que a areia fique retida no filtro. O filtrado (material que passa pelo filtro, nesse caso, constituído de água e cloreto de sódio) é submetido a aquecimento para que a água seja eliminada e deixe o cloreto de sódio como resíduo.

Salina em Araruama (RJ): a energia solar, auxiliada pelo vento, evapora a água do mar e resta o sal. Foto de 2013.

Química: prática e reflexão Será que a tinta preta das canetas esferográficas é constituída de um único corante? Que técnicas vocês utilizariam para descobrir isso? Material necessário

• caneta esferográfica preta

• álcool

• tira de papel de filtro de mais ou menos 2 cm de largura por 10 cm de comprimento

• 1 copo de vidro

Cores fantasia, sem escala.

marca feita com caneta esferográfica

Procedimentos

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

1. Com a caneta, façam uma marca de mais ou menos 0,7 cm de diâmetro, a cerca de 3 cm de uma das extremidades do papel. 2. No copo, coloquem álcool até 1 cm de altura; mergulhem nele a extremidade da tira de papel mais próxima da marca de tinta. Somente a ponta deve ser mergulhada no álcool. 3. Observem e descrevam o que ocorre.

álcool

Analisem suas observações

1. A tinta da caneta contém somente uma substância corante? 2. A técnica de identificação proposta no início da atividade serve para identificar se a tinta é formada por uma substância ou por uma mistura? 3. Por que o álcool foi útil neste experimento? 4. Levantem hipóteses para explicar por que uma mancha “caminha” com velocidade maior que outra. Capítulo 3  Substâncias e misturas

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Atividades 1. No livro Todas as letras (Companhia das Letras, 1996), o compositor Gilberto Gil usa alguns termos e símbolos que são muito próprios da Química para analisar uma letra de seu parceiro João Donato. Na página 152 do livro dele, lê-se:

Não escreva neste livro.

[...] como se fosse composta de um número regular de átomos de uma substância simples, fundamental e conhecida, como H2O. Gil não deve ter tido como objetivo escrever um texto quimicamente correto; em todo caso, diga que palavras seriam inadequadas e por quê. Redija o trecho novamente corrigindo os termos que não estão corretos do ponto de vista químico.

DIVULGAÇÃO PNLD

JOSÉ ALBERTO DE LIMA/AMAZÔNIA REAL

2. Os jornais vêm publicando notícias sobre queimadas e incêndios florestais no Brasil, como no Amazonas, em Rondônia, Goiás, Mato Grosso e Acre. Além dos danos às florestas, a fumaça atinge regiões distantes do local da queimada. Na foto, estudantes usam máscaras de tecido em protesto contra essa situação.

Alunos da rede pública do município de Manacapuru, no estado do Amazonas, fazem protesto nas ruas contra as queimadas e o desmatamento usando máscaras contra fumaça. Foto de outubro de 2015.

Considerando que a fumaça contém gases tóxicos e partículas em suspensão, o uso de máscaras seria eficiente? Explique por quê. 3. É possível separar os componentes das misturas abaixo pelos processos propostos? Explique por quê. a) Sal de cozinha e água por filtração. b) Benzeno e álcool, por destilação fracionada (o álcool tem temperatura de ebulição 5 78,5 °C e o benzeno tem temperatura de ebulição 5 80 °C). c) Carbonato de cálcio e água (mistura heterogênea) por centrifugação. d) Açúcar e água por decantação. e) Gás propano e gás nitrogênio, por liquefação (temperatura de ebulição do propano 5 241 °C; temperatura de ebulição do nitrogênio 5 2196 °C). 4. Leia o texto a seguir e, depois, responda às questões. Catadores de materiais recicláveis Os catadores de matérias reutilizáveis e recicláveis desempenham papel fundamental na implementação da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), com destaque para a gestão integrada dos resíduos sólidos. De modo geral, atuam nas atividades da coleta seletiva, triagem, classificação, processamento e comercialização dos resíduos reutilizáveis e recicláveis, contribuindo de forma significativa para a cadeia produtiva da reciclagem.

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Sua atuação, em muitos casos realizada sob condições precárias de trabalho, se dá individualmente, de forma autônoma e dispersa nas ruas e em lixões, como também, coletivamente, por meio da organização produtiva em cooperativas e associações. A atuação dos catadores de materiais reutilizáveis e recicláveis [...] contribui para o aumento da vida útil dos aterros sanitários e para a diminuição da demanda por recursos naturais [...]. [...] Fonte: Ministério do Meio Ambiente (MMA). Disponível em: <http://www.mma.gov.br/cidades-sustentaveis/residuos-solidos/catadores-de-materiais-reciclaveis>. Acesso em: 8 jan. 2016.

a) O trabalho realizado pelos catadores de materiais recicláveis e reutilizáveis envolve uma técnica de separação de misturas conhecida como catação. Esse método consiste na separação manual dos componentes de uma mistura que, na situação descrita pelo texto, pode ser a separação de materiais que são constituídos por vidro, metal, papel e plástico, por exemplo. Dê outros exemplos em que a catação pode ser empregada no cotidiano.

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b) De acordo com o texto, a atuação desses trabalhadores contribui para aumentar a vida útil dos aterros sanitários e para diminuir a demanda de recurso natural. Explique por quê. c) A atuação dos catadores de materiais recicláveis coloca, muitas vezes, a saúde do trabalhador em risco devido ao contato com materiais cortantes e à exposição a agentes biológicos. Em grupos de três ou quatro alunos, discuta possíveis ações para minimizar esse risco. Sob a orientação do professor, eleja um dos integrantes do grupo para apresentar as ideias aos demais colegas. d) Além dos riscos à saúde que os catadores de materiais recicláveis correm, eles enfrentam outras dificuldades no exercício de sua profissão, como preconceitos, agressões, a falta de reconhecimento profissional e a invisibilidade perante a sociedade. Em grupos de três ou quatro alunos, pesquise em livros e sites as condições de vida desses trabalhadores. Reúna-se com seus colegas de grupo e discutam as ações que poderiam ser feitas para melhorar a qualidade de vida dos catadores. Eleja um dos integrantes do grupo para apresentar as propostas do grupo.

Resgatando o que foi visto As explicações elaboradas por estudiosos das ciências sobre a constituição da matéria e as transformações químicas pelas quais os materiais passam sofreram mudanças significativas em certos períodos de nossa história. De que forma essas mudanças ocorreram e que importância elas tiveram na estruturação da Química como a conhecemos hoje foram alguns dos aspectos abordados nesta unidade. Alguns conceitos básicos para a aprendizagem da Química também foram contemplados: substância (simples e composta), mistura, entre outros; propriedades específicas de uma substância (temperatura de fusão, temperatura de ebulição, densidade). Procedimentos comuns em laboratórios e indústrias para separar os componentes de uma mistura e algumas formas simples usadas para identificá-los foram outros temas desenvolvidos na unidade. Liste os conceitos que estudou e, de modo esquemático, estabeleça relações entre eles. Reflita: as ideias que você tinha a respeito desses conceitos e procedimentos mudaram do início do capítulo 2 para o final do capítulo 3? Como?

Capítulo 3  Substâncias e misturas

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Testando seus conhecimentos

Não escreva neste livro.

1. Enem (2009) O ciclo da água é fundamental para a preservação da vida no planeta. As condições climáticas da Terra permitem que a água sofra mudanças de fase e a compreensão dessas transformações é fundamental para se entender o ciclo hidrológico. Numa dessas mudanças, a água ou a umidade da terra absorve o calor do sol e dos arredores. Quando já foi absorvido calor suficiente, algumas das moléculas do líquido podem ter energia necessária para começar a subir para a atmosfera.

do. Para preservar esse importante recurso, algumas companhias de saneamento estão disponibilizando no mercado a chamada água de reúso, que é obtida após o tratamento do esgoto das cidades. A água de reúso não pode ser utilizada para as chamadas “finalidades nobres” (consumo humano ou animal e higiene pessoal), mas pode ser aproveitada, por exemplo, em diversos processos industriais. Dentre as alternativas abaixo, assinale aquela que traz três situações em que a água de reúso pode ser utilizada.

Disponível em: <http//www.keroagua.blogspot.com>. Acesso em: 30 mar. 2009 (adaptado).

a) Produção de vapor para geração de energia; descarga em vasos sanitários; limpeza de ruas.

A transformação mencionada no texto é a:

b) Descarga em vasos sanitários; uso em chuveiros e lavatórios; limpeza de praças.

a) fusão. b) liquefação. 

c) Produção de vapor para geração de energia; cocção de alimentos; descarga em vasos sanitários.

c) evaporação.

DIVULGAÇÃO PNLD

d) solidificação.

d) Cocção de alimentos; uso em chuveiros e lavatórios; limpeza de pisos e paredes.

e) condensação 2. UPE/SSA1 (2012) Realizou-se a seguinte atividade experimental no laboratório de uma escola: Em uma cápsula de porcelana, colocada sobre uma chapa de aquecimento, adicionou-se determinada quantidade de um sólido, o ácido benzoico (C7H6O2). Depois, essa cápsula foi coberta com um pedaço de papel de filtro todo perfurado e colocou-se um funil de vidro em cima dele, cobrindo-o. Em seguida, vedou-se a saída do funil (a parte de menor diâmetro). Após a chapa ser ligada, percebeu-se uma névoa no interior do funil e, depois, a presença de cristais no formato de agulhas. Quais processos estão envolvidos nessa atividade experimental?

e) Uso em chuveiros e lavatórios; limpeza de utensílios domésticos; limpeza de ruas. 4. Enem (2008) Um jornal de circulação nacional publicou a seguinte notícia: Choveu torrencialmente na madrugada de ontem em Roraima, horas depois de os pajés caiapós Mantii e Kucrit, levados de Mato Grosso pela Funai, terem participado do ritual da dança da chuva, em Boa Vista. A chuva durou três horas em todo o estado e as previsões indicam que continuará pelo menos até amanhã. Com isso, será possível acabar de vez com o incêndio que ontem completou 63 dias e devastou parte das florestas do estado.

a) Destilação e solidificação. b) Filtração e decantação. c) Fusão e evaporação.

Jornal do Brasil, abr. 1998 (com adaptações).

d) Sublimação e cristalização. e) Vaporização e condensação. 3. Unicamp-SP (2013) Na região Amazônica existe água em abundância, mas o acesso aos serviços de tratamento e de saneamento é limitado. Já nas regiões industrializadas do Sul e Sudeste, a situação se inverte: a maioria da população tem acesso aos serviços de tratamento de água e de saneamento, mas os mananciais adequados à captação de água estão escassean78

Considerando a situação descrita, avalie as afirmativas seguintes. I. No ritual indígena, a dança da chuva, mais que constituir uma manifestação artística, tem a função de intervir no ciclo da água. II. A existência da dança da chuva em algumas culturas está relacionada à importância do ciclo da água para a vida.

Unidade 1   Introdução ao estudo da Química

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III. Uma das informações do texto pode ser expressa em linguagem científica da seguinte forma: a dança da chuva seria efetiva se provocasse a precipitação das gotículas de água das nuvens.

É correto o que se afirma em a) I, apenas. b) III, apenas.

a) A temperatura da água pode ficar constante durante o tempo em que estiver fervendo.

c) I e II, apenas. d) II e III, apenas.

b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água.

e) I, II e III 5. Fuvest-SP (2012) Água e etanol misturam-se completamente, em quaisquer proporções. Observa-se que o volume final da mistura é menor do que a soma dos volumes de etanol e de água empregados para prepará-la. O gráfico a seguir mostra como a densidade varia em função da porcentagem de etanol (em volume) empregado para preparar a mistura (densidades medidas a 20°C). FUVEST-SP/REPRODUÇÃO

DIVULGAÇÃO PNLD

1,10

Densidade (g/mL)

1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50

0

te” e temperatura mede a “quantidade de calor de um corpo”. Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática. Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura?

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % de etanol (em volume) empregado para preparar a mistura

c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela. d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura. e) Um forno pode fornecer calor para uma vasilha de água que está em seu interior com menor temperatura do que a dele. 7. Enem (2010) Em visita a uma usina sucroalcooleira, um grupo de alunos pôde observar a série de processos de beneficiamento da cana-de-açúcar, entre os quais se destacam: 1. A cana chega cortada da lavoura por meio de caminhões e é despejada em mesas alimentadoras que a conduzem para as moendas. Antes de ser esmagada para a retirada do caldo açucarado, toda a cana é transportada por esteiras e passada por um eletroímã para a retirada de materiais metálicos. 2. Após se esmagar a cana, o bagaço segue para as caldeiras, que geram vapor e energia para toda a usina.

Se 50 mL de etanol forem misturados a 50 mL de água, a 20°C, o volume da mistura resultante, a essa mesma temperatura, será de, aproximadamente,

3. O caldo primário, resultante do esmagamento, é passado por filtros e sofre tratamento para transformar-se em açúcar refinado e etanol.

a) 76 mL

Com base nos destaques da observação dos alunos, quais operações físicas de separação de materiais foram realizadas nas etapas de beneficiamento da cana-de-açúcar?

b) 79 mL c) 86 mL d) 89 mL e) 96 mL 6. Enem (2010) Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor” e “temperatura” de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como “algo quen-

a) Separação mecânica, extração, decantação. b) Separação magnética, combustão, filtração. c) Separação magnética, extração, filtração. d) Imantação, combustão, peneiração. e) Imantação, destilação, filtração. Capítulo 3  Substâncias e misturas

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2

A água do mar e dos icebergs é composta pelos mesmos elementos: hidrogênio e oxigênio. Como ela adquire formas tão diferentes? Ilha Rei George, Antártida, 2013.

unidade

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Introdução à estrutura da matéria

Apenas 90 elementos naturais constituem uma imensa variedade de materiais. Como se explica isso? Qual a razão de, em pleno século XXI, recorrermos a modelos propostos no século XIX para explicar vários fatos?

Nesta unidade, vamos conhecer alguns conceitos básicos sobre a estrutura da matéria, como átomo, molécula, íons e a relação desses constituintes com as propriedades de um material. Partindo do modelo de Dalton e dos fenômenos que ele não podia explicar, veremos ainda alguns dos modelos atômicos que o sucederam. Vamos estudar também a Tabela Periódica dos elementos – uma forma de organizar conhecimentos químicos – e as propriedades e os modelos de representação de substâncias iônicas, moleculares e metálicas.

80

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@GLOWIMAGES/SUPERSTOCK

Propriedades da água Fórmula

H2 O

Temperatura de fusão a 1 atm (ºC)

0

Temperatura de ebulição a 1 atm (ºC)

O

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H

100

H

1

18 8A

1A 1

1

H

Li

2 11

19

Be

K

12

20

37

Rb

rubídio 85,5 55

6

Cs

38

Fr

frâncio

Sr

estrôncio 87,6 56

césio 132,9 87

Ca

cálcio 40,1

Ba

bário 137,3 88

Ra

rádio

5

metais

B

boro 10,8

não metais 13

Mg

3

magnésio 24,3

4

3B 21

Sc

22

escândio 45,0 39

Y

ítrio 88,9 57-71

La-Lu

89-103

Ac-Lr

5

4B

Ti

titânio 47,9 40

Zr

23

Hf

háfnio 178,5 104

Rf

V

41

Nb

nióbio 92,9 73

Ta

tantálio 180,9 105

Db

dúbnio

rutherfórdio

7

6B 24

vanádio 50,9

zircônio 91,2 72

6

5B

Cr

cromo 52,0 42

Mo

molibdênio 96,0 74

W

Sg

8

7B 25

Mn

43

Tc

26

Fe

44

Re

107

Bh

27

76

Os

45

108

Hs

hássio

28

Rh

77

Ir

46

Mt

meitnério

29

Cu

Pd

78

Pt

47

Ds

darmstádtio

30

Ag

79

Au

ouro 197,0 111

Rg

roentgênio

Zn

48

Cd

31

Hg

49

Cn

copernício

In

índio 114,8 81

mercúrio 200,6 112

Ga

gálio 69,7

cádmio 112,4 80

Aℓ

Tℓ

tálio 204,4 113

Uut

15

C

carbono 12,0 14

Si

7

N

nitrogênio 14,0 15

silício 28,1 32

Ge Sn

estanho 118,7 82

Pb

chumbo 207,2 114

unúntrio

Fℓ

fleróvio

P

fósforo 31,0 33

germânio 72,6 50

16

5A

4A

6

alumínio 27,0

zinco 65,4

prata 107,9

platina 195,1 110

2B

cobre 63,6

paládio 106,4

irídio 192,2 109

Ni

12

1B

níquel 58,7

ródio 102,9

ósmio 190,2

bóhrio

Co

11

8B

cobalto 58,9

rutênio 101,1

rênio 186,2

seabórgio

Ru

10

8B

ferro 55,8

tecnécio 75

9

8B

manganês 54,9

tungstênio 183,8 106

14

3A

Símbolo

berílio 9,0

potássio 39,1

5

7

Na

sódio 23,0

13

P número e atômico r í o d nome do elemento o massa atômica

2A 4

lítio 6,9

3

4

2

hidrogênio 1,0 3

2

Grupo Família

As

O

Sb Bi

bismuto 209,0 115

Uup

ununpêntio

S

34

17

Se

52

Te

35

Po

53

Lv

livermório

l

iodo 126,9 85

polônio 116

Br

bromo 79,9

telúrio 127,6 84

Cℓ

cloro 35,5

selênio 79,0

antimônio 121,8 83

F

10

flúor 19,0

enxofre 32,1

arsênio 74,9 51

7A

9

oxigênio 16,0 16

hélio 4,0

17

6A

8

He

At

astato 117

Uus

ununséptio

Ne

neônio 20,2 18

Ar

argônio 40,0 36

Kr

criptônio 83,8 54

Xe

xenônio 131,3 86

Rn

radônio 118

Uuo

ununóctio

Série dos lantanídeos 57

La

58

lantânio 138,9

Ce

cério 140,1

59

Pr

praseodímio 140,9

60

Nd

neodímio 144,2

61

Pm

promécio

62

Sm

samário 150,4

63

Eu

európio 152,0

64

Gd

65

gadolínio 157,3

Tb

térbio 158,9

66

Dy

67

disprósio 162,5

Ho

hólmio 164,9

68

Er

érbio 167,3

69

Tm

túlio 168,9

70

Yb

itérbio 173,0

71

Lu

lutécio 175,0

Série dos actinídeos 89

Ac

actínio

90

Th

tório 232,0

91

Pa

protactínio 231,0

92

U

urânio 238,0

93

Np

netúnio

94

Pu

plutônio

95

Am

96

amerício

Cm cúrio

97

Bk

berquélio

98

Cf

califórnio

99

Es

einstênio

100

Fm

férmio

101

Md

mendelévio

102

No

nobélio

103

Lr

laurêncio

Nesta unidade Capítulo 4. Estrutura atômica: conceitos fundamentais Capítulo 5. Classif icação periódica dos elementos químicos Capítulo 6. Ligações químicas: uma primeira abordagem

81

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4 capítulo

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FOTOS: LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ANDREW SYRED

Estrutura atômica: conceitos fundamentais

A observação das três imagens de uma ponta de lápis, com diferentes aproximações, permite notar cada vez mais detalhes. Se pudéssemos enxergá-la mais de perto ainda, será que notaríamos novos detalhes?

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • modelos atômicos (Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr); • partículas subatômicas (elétrons, prótons e nêutrons); • número atômico e número de massa; • elemento químico e símbolo; • isótopos e isóbaros. 82

Para situá-lo Muito do que vimos até aqui diz respeito ao que pode ser observado, submetido à experimentação. A partir deste capítulo, além desses aspectos fenomenológicos dos materiais − relativos aos fenômenos que podemos observar, medir, experimentar –, cada vez mais vamos nos valer de teorias e dos vários tipos de representação que nos ajudam a compreender o que não é visível. Pense no seguinte: nem sempre é fácil imaginar aquilo que está muito “distante” do que nossos órgãos dos sentidos podem perceber. Quando olhamos de perto um punhado de areia, vemos detalhes que não podemos distinguir se observamos a areia do 15º andar de um edifício, por exemplo. O mesmo acontece com a grafita de um lápis, como a que você viu acima.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ

14/05/16 13:49


Agora leia a tira abaixo. Depois, responda às questões.

©LUÍS FERNANDO VERÍSSIMO/ACERVO DO ARTISTA

Não escreva neste livro.

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1. Em que reside o humor da tira? 2. Por que você acha que o autor da tira citou o átomo? Que relação ele fez? 3. Você acha que um átomo poderia realmente incomodar a pulga? 4. Você consegue imaginar a dimensão de um átomo? O modelo de Dalton, que você viu no capítulo 2, nos permite imaginar os átomos como se fossem unidades esféricas. Esse modelo é adequado, por exemplo, para explicar a fusão do estanho, metal que, como você já viu, funde a uma temperatura relativamente baixa: 230 °C. Isso explica o fato de ele não ser usado em conexões de canalizações como as de gás, uma vez que, em caso de incêndio, ele fundiria e o vazamento do gás contribuiria para agravar o incêndio. É provável que você saiba que a maioria das substâncias aumenta de volume ao fundir. No entanto, há algumas exceções. Uma delas é a água, que, ao se fundir, diminui de volume. É por isso que, quando esquecemos uma garrafa de vidro totalmente cheia de água líquida no congelador de uma geladeira, ela, provavelmente, se quebra. A prata também é uma exceção: no estado sólido ocupa um espaço maior do que no estado líquido. 5. Usando o modelo de Dalton, procure representar em seu caderno a fusão do estanho. 6. Represente em seu caderno a solidificação da prata usando o modelo de Dalton. 7. De modo semelhante aos casos anteriores, represente, em seu caderno, a ebulição do mercúrio, o único metal líquido nas condições ambientes.

Neste capítulo, partindo do modelo atômico conhecido, vamos estudar outros modelos de átomo que surgiram em função da necessidade de explicar fatos experimentais e que serão úteis para que outros conceitos químicos sejam entendidos. Entre esses fatos, podemos citar a descarga elétrica que notamos quando, em dias secos, tiramos uma blusa de material sintético, ou quando, ao desligar a tevê, os pelos de nosso braço ficam eriçados. Capítulo 4  Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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83

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DIVULGAÇÃO PNLD

Imaginar dimensões tão grandes como as que envolvem distâncias entre galáxias e tudo o que se relaciona com o Universo, gigantesco para nós, é extremamente difícil. O mesmo vale quando tratamos de algo infinitamente pequeno, como o átomo e suas partes. Os átomos são tão diminutos que é impossível vê-los, por exemplo, através dos microscópios ópticos, que ampliam mais de mil vezes o objeto observado. Desde 1914, os cientistas têm conseguido determinar posições e dimensões de átomos nos cristais de substâncias por meio do uso de raios X. Graças ao desenvolvimento da ciência e da tecnologia, sabemos que o diâmetro de um átomo mede, aproximadamente, entre 1 ? 10210 m e 5 ? 10210 m, quer dizer, de 0,0000000001 m a 0,0000000005 m. Os cientistas traduziriam esses valores por, respectivamente, 0,1 nm e 0,5 nm (1 nanômetro 5 1 nm 5 1029 m). Para você ter uma ideia da dimensão desse número, observe a tabela abaixo, que compara os diâmetros da Terra, de uma gota de água, de uma molécula de água, de um átomo de oxigênio e outro de hidrogênio.

Do macro ao micro Para começar a ter uma ideia da dimensão do mundo dos átomos e moléculas, você pode acessar um dos seguintes sites (acessos em: 7 nov. 2015): <https://www.youtube.com/ watch?v=7S3cgUG4PNQ>; <https://www.youtube.com/ watch?v=Pq_bb-4WPyM>; <http://www.slideshare. net/centraldopps/ macro-micro-potencia-de-10>. A visita a esses recursos pode ajudá-lo a “viajar” do mundo “infinitamente grande” ao “infinitamente pequeno”, bem distante da visão que temos quando examinamos um objeto do cotidiano.

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Modelos atômicos: lidando com partículas que não podemos ver

©SHUTTERSTOCK/ SOMCHAI SOM

Diâmetro aproximado

Comparação dos diâmetros aproximados de diferentes corpos

Terra

Gota de água

Molécula de água

Átomo de O

Átomo de H

12 756 km

6,0 mm

0,182 nm

0,136 nm

0,046 nm

12 756 000 m

0,006 m

0,000000000182 m

0,000000000136 m

0,000000000046 m

1,3 ? 10 m 7

6 ? 10

23

m

1,9 ? 10

210

m

1,4 ? 10

210

m

0,5 ? 10210 m

Fontes: LIDE, David R. (Ed.). Atomic Radii of the Elements and Properties of the Solar System. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 9-49; 14-2; VILLERMAUX, Emmanuel; BOSSA, Benjamin. Single-drop fragmentation determines size distribution of raindrops. Nature Physics, 9 jul. 2009, v. 5, p. 697-702. Disponível em: <https://www.irphe.fr/~fragmix/publis/VB2009.pdf>. Acesso em: 4 nov. 2015.

Em 1931, Ernst Ruska (1906-1988), físico alemão, projetou e construiu o primeiro microscópio eletrônico, considerado um dos mais importantes inventos do século XX. Esse fato lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1986. Nessa época, esse microscópio já era capaz de ampliar objetos em até 1 milhão de vezes, isto é, era possível obter imagens de algo com dimensões de 1026 m. Atualmente cientistas podem acompanhar, por exemplo, reações químicas e ter noção do posicionamento dos átomos individualmente (10210 m), como se examinassem um mapa em relevo ou lessem um texto escrito em Braille.

LATINSTOCK/LBL/PHOTORESEARCHERS

Primeiro microscópio eletrônico

Fonte: RUSKA, August Friedrich Ernst. Molecular Expressions. Science, Optics & You. Florida State University. Disponível em: <http://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/ruska.html>. Acesso em: 13 jan. 2016.

Imagem por micrografia de tunelamento de uma molécula de DNA – responsável pelo armazenamento da informação genética. Foto ampliada . 2 000 000 vezes em imagens de 6 cm x 7 cm. Cores fantasia.

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Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Considerando que o diâmetro de um átomo de carbono mede, aproximadamente, 0,15 nm (1,5 ? 10210 m), desenhe em seu caderno um traço de 3 cm (0,03 m) utilizando a grafita de um lápis ou lapiseira. Em seguida, responda a estes itens: a) A grafita, conforme consta no capítulo anterior, é uma forma alotrópica do carbono. Suponha que o traço que você fez seja formado por átomos de carbono enfileirados um ao lado do outro. Quantos desses átomos constituem o traço de 3 cm? b) Tomamos o cuidado de utilizar os termos considere e suponha para tratar do diâmetro do carbono e do fato de os átomos de carbono estarem enfileirados lado a lado. Formule algumas hipóteses para justificar esse cuidado. 2. Considere a teoria atômica de Dalton, segundo a qual a matéria seria constituída de unidades indivisíveis, os átomos. Entre os fatos relatados abaixo, qual(is) pode(m) ser explicado(s) por meio dessa teoria? Justifique. a) Numa reação química a massa total se conserva. b) Ao inserirmos os terminais de um circuito elétrico numa solução aquosa de sal, esse sistema conduz corrente elétrica. d) Quando um líquido vaporiza, seu volume no estado gasoso é maior do que no estado líquido.

Vimos que alguns processos podem ser entendidos recorrendo ao modelo de Dalton. Segundo esse modelo, os átomos se comportariam como se fossem unidades esféricas. Por meio dele, é possível explicar, por exemplo, a fusão do ferro, como se vê ao lado. Apesar de a teoria atômica de Dalton, divulgada no início do século XIX, ter sido importante para os avanços da Química e de ainda hoje valer para a compreensão de inúmeros fenômenos que estudamos, ela não permite explicar uma série de fatos experimentais, alguns dos quais passaram a ser conhecidos durante o século XIX. Por exemplo: ela não explicava fenômenos como a eletrização de um corpo por atrito ou as reações químicas provocadas pela passagem da corrente elétrica. Amplamente empregado pelo contemporâneo de Dalton, Humphry Davy (1778-1829), e pelo discípulo deste, Michael Faraday (1791-1867), na primeira metade do século XIX, esse processo – a eletrólise – levou à ideia de que os átomos estariam de alguma forma associados a cargas elétricas.

Possibilidade de representação da fusão do ferro metálico usando o modelo atômico de Dalton

Quando se aproxima uma bexiga de cabelos secos e limpos, pode ocorrer uma eletrização da bexiga e dos cabelos, que se atraem, produzindo o eriçamento dos fios. Seria possível explicar esse fato com base no modelo atômico de Dalton?

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos).

Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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MATRIZ NOVA

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Modelo atômico de Thomson

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/R3F

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c) A explosão da bomba atômica. Nesse processo, ocorre a fissão, isto é, a quebra dos átomos.

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AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Ao longo do século XIX, buscando entender melhor os fenômenos elétricos, vários estudiosos realizaram inúmeros experimentos e conseguiram provocar descargas elétricas em ampolas de vidro contendo gases rarefeitos, isto é, à baixa pressão. No interior dessas ampolas havia placas metálicas que se ligavam, por fios, a fontes de energia elétrica de alta tensão – uma das placas funcionava como polo positivo (ânodo) e a outra, como polo negativo (cátodo). O aspecto da luminosidade no interior da ampola variava de acordo com a tensão (voltagem) aplicada, o gás utilizado e a pressão do gás. Observe a ilustração. Esquema de tubo de descarga elétrica contendo gás rarefeito Cores fantasia, sem escala.

ânodo +

cátodo –

bomba de vácuo

alta voltagem

amperímetro

DIVULGAÇÃO PNLD

A

Na figura está indicada a ligação da ampola com uma bomba a vácuo. Essa bomba tem a finalidade de retirar gás do interior da ampola e pode deixá-la praticamente sem gás.

Um desses estudiosos foi o físico inglês William Crookes (1832-1919). Ele realizou experimentos usando descargas elétricas em gases a baixíssima pressão (próxima do vácuo). Com a redução significativa da pressão no interior do tubo (gás rarefeito), uma luminosidade aparecia na parede da ampola em frente ao cátodo (polo negativo). Os raios que partiam do cátodo e iam em linha reta em direção ao lado oposto a ele passaram, então, a ser chamados de raios catódicos (observe a imagem ao lado). Crookes realizou inúmeras descargas, alterando algumas variáveis, como a posição das placas metálicas no interior do tubo, a natureza do gás usado, a inserção de um anteparo em frente à placa que funcionava como polo negativo, o cátodo, entre outras. Algum tempo depois, o também físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940), um dos cientistas que trabalhou com raios catódicos, constatou que eles possuíam massa, pois eram capazes de movimentar uma pequena hélice colocada dentro da ampola, eram barrados por um anteparo como o da cruz (veja a sombra que aparece no vidro, na foto acima) e mudavam de direção se a ampola ficasse entre as placas carregadas de um condensador – desviavam, aproximando-se da placa de carga positiva. Dando continuidade a seus experimentos, Thomson constatou que, independentemente do gás de início colocado na ampola ou do metal que constituía os eletrodos, a relação entre a carga e a massa das partículas que constituíam os raios cató86

©WIKIMEDIA COMMONS/D-KURU

Fonte: THE CATHODE Ray Tube site. History and Physics Instruments. Disponível em: <http://www.crtsite.com/big/geissler/hor%20geissler2-big.jpg>. Acesso em: 14 dez. 2015.

Tubo de Crookes.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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dicos era sempre a mesma. Assim, ele concluiu que os raios catódicos eram formados por um feixe de partículas idênticas, de carga negativa, e que essas partículas faziam parte dos átomos de toda a matéria. Essas partículas eram o que hoje conhecemos como elétrons. Como os corpos são neutros, Thomson propôs a existência, no átomo, de cargas positivas, capazes de neutralizar as negativas (dos elétrons). Em 1898, após diversos experimentos, elaborou um modelo de átomo que consistia em uma esfera sólida positivamente carregada, na qual estariam distribuídos elétrons, de carga negativa. O conjunto da esfera (de carga elétrica positiva) com os elétrons (de carga negativa) seria eletricamente neutro, ou seja, a soma das cargas dos elétrons presentes na esfera seria igual, mas de sinal contrário ao da carga distribuída no restante da esfera. Representação esquemática em corte do modelo atômico de Thomson Cores fantasia, sem escala.

DIVULGAÇÃO PNLD

No átomo eletricamente neutro: carga total positiva 1 carga total negativa 5 0. Fonte: CHEMICAL Heritage Foundation. Disponível em: <http://www.chemheritage. org/discover/media/distillations/054-holidaygreetings-2008.aspx>. Acesso em: 8 nov. 2015.

Esse modelo atômico pôde explicar os fenômenos elétricos, levando em conta que a entrada e a saída de elétrons no átomo provocaria um desequilíbrio das cargas elétricas. Desse modo, o átomo pode passar a ter um número de elétrons que faça com que o número de cargas negativas supere o de cargas positivas ou que seja inferior a ele. Os átomos que passam a ter carga elétrica diferente de zero são chamados de íons. Ao admitir a existência de elétrons no átomo, o modelo atômico de Thomson permitiu explicar fenômenos que o modelo de Dalton não conseguia. É o caso do cabelo bastante seco e limpo que pode ser eletrizado por atrito com um pente de plástico: se os átomos que constituem os fios de cabelo, com o atrito, cederem elétrons para o pente, este ficará com carga elétrica negativa, e os cabelos, com carga positiva. Isso explica por que eles se atraem (cargas elétricas opostas se atraem). Os experimentos de decomposição de certas substâncias por meio da passagem da corrente elétrica (realizados no século XIX por Davy e Faraday) também puderam ser explicados por esse modelo. De acordo com esse modelo, podemos explicar, então, o que acontecia nas ampolas do tipo das que descrevemos anteriormente: quando há certa quantidade de gás a baixa pressão no interior da ampola e se provoca uma descarga elétrica, os elétrons arrancados em virtude da elevada tensão elétrica aplicada entre os polos saem em alta velocidade do cátodo e, devido a sua alta energia, percorrem um caminho em linha reta em direção à parede oposta – e isso independe da posição do ânodo (polo positivo), embora a atração exercida por cargas elétricas seja capaz de desviar o feixe de elétrons. Nas Ciências Naturais, novos modelos surgem a partir da constatação de que fatos experimentais até então desconhecidos não podem ser explicados por modelos anteriores. Ainda assim, dependendo do que se deseja estudar, teorias e modelos propostos há muito tempo podem continuar se mostrando úteis. Isso explica por que a representação de átomos como esferas, proposta no início do século XIX, continua sendo de grande valia para explicar diferentes fenômenos, como as mudanças de estado físico. Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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DIVULGAÇÃO PNLD

Em 1896, o francês Antoine-Henri Becquerel (1852-1908) descobriu, acidentalmente, que amostras contendo urânio poderiam emitir raios espontaneamente; esses raios eram capazes não só de atravessar diversos materiais, mas também de deixar marcas em filmes fotográficos. O casal de físicos Marie Sklodowska Curie (1867-1934) e Pierre Curie (1859-1906), ao estudar esse fenômeno, descobriu que outros elementos tinham propriedade semelhante à do urânio – a de emitir radiações. Essa propriedade foi chamada de radioatividade. Mas no que consistiam essas radiações? Buscando resposta a esse e outros questionamentos, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) propôs, em 1903, um experimento para determinar características dessas emissões radioativas. Ele inseriu uma amostra de material radioativo (polônio) na cavidade de um bloco de chumbo; nesse bloco havia uma pequena abertura para que as radiações emitidas saíssem em uma só direção, impedindo que elas se dispersassem. Um feixe dessas radiações passava entre duas placas de um condensador – uma com carga positiva e outra, negativa – e colidia com um anteparo fluorescente. Rutherford nomeou os feixes de radiação que chegavam ao anteparo de α, β e γ. Observe a ilustração. Experimento de Rutherford sobre a natureza das radiações emitidas por material radioativo amostra de material radioativo

LATINSTOCK/INTERFOTO/FRIEDRICH

Os átomos podem “quebrar”?

Marie Sklodowska Curie, polonesa, e Pierre Curie, francês, em foto por volta de 1900; o casal e Antoine-Henri Becquerel ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1903, por seus estudos sobre a radioatividade. Em 1911, Marie Curie recebeu o Prêmio Nobel de Química pela descoberta de dois elementos radioativos (que emitem radiação): o rádio e o polônio – nome dado em homenagem à Polônia, país onde nasceu. Marie Curie foi a primeira mulher a receber um Prêmio Nobel e a primeira pessoa a receber dois deles. Cores fantasia, sem escala.

placa carregada positivamente

β

γ α

bloco de chumbo

placa carregada negativamente

anteparo

Lembre-se de que a radiação não é visível; ela foi colorida na ilustração apenas por razões didáticas.

Fonte: CHANG, R. Chemistry. 5th ed. Highstown: McGraw-Hill, 1994. p. 38.

O feixe de radiações emitidas pelo elemento ao atravessar o campo elétrico de um condensador se dividia em três direções. Ao chegar ao anteparo, essas radiações deixavam impressões no material fluorescente. Com base nesse e em outros experimentos, Rutherford chegou às seguintes conclusões: ▸ os raios correspondiam a emissões de átomos naturalmente radioativos; ▸ as partículas que desviavam sua trajetória em direção à placa negativa deveriam ter carga positiva e foram chamadas de partículas α (alfa); ▸ as partículas que sofriam desvio em direção à placa positiva deveriam ter carga negativa e foram chamadas de partículas β (beta); ▸ as partículas α deveriam ter maior massa, uma vez que desviavam menos da direção inicial do que as partículas β; ▸ os raios que não eram desviados não tinham carga elétrica e foram chamados de raios γ (gama). 88

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Modelo nuclear de Rutherford

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Em 1911, Rutherford e alguns colaboradores realizaram uma série de experimentos com materiais radioativos que emitiam partículas α, cuja carga é positiva. Em um deles, incidiram um feixe de partículas em uma fina lâmina de ouro, de 1023 mm de espessura, conforme ilustra a figura. Experimento de Rutherford

Cores fantasia, sem escala.

anteparo fluorescente amostra de material radioativo

<EME18_QUI1_U2C4_I011 - Experimento de Rutherford> A radiação α não é visível, mas deixa marcas no anteparo fluorescente. A placa de chumbo no desenho tem a finalidade de impedir que o feixe de radiação α passe por outro lugar que não seja o orifício da placa.

orifício lâmina de ouro

feixe de partículas α bloco de chumbo

placa de chumbo

Mais de 99% das partículas α atravessaram a finíssima lâmina de ouro que ficava entre o orifício de onde saíam as partículas e o anteparo fluorescente; elas eram responsáveis pela luminosidade intensa que aparecia no anteparo. Observe: Cores fantasia, sem escala.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Fonte: CHANG, R. Chemistry. 5th ed. Highstown: McGraw-Hill, 1994. p. 39.

O que ocorreu: a maioria (mais de 99,9%) das partículas atravessou a lâmina sem desviar, como se ela não existisse; pouquíssimas a atravessaram com algum desvio e raríssimas voltaram em direção à fonte.

Fonte: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 69.

Com base no modelo de Thomson, Rutherford e sua equipe esperavam que as partículas atravessassem a lâmina metálica sem sofrer desvios expressivos. Observando as marcas detectadas no material fluorescente, concluíram que quase todas as partículas atravessavam a lâmina sem sofrer desvio. Isso indicava que havia regiões “vazias” nos átomos. Entretanto também notaram que algumas partículas atravessavam a lâmina desviando um pouco da trajetória inicial e que poucas não a atravessavam. O que mais surpreendeu nesse experimento foi o fato de que essas poucas radiações que não atravessavam a lâmina metálica voltavam em direção à fonte de radiação. Rutherford descreveu seu espanto afirmando que isso tinha sido a coisa mais incrível que havia acontecido, que era quase tão inacreditável quanto se atirássemos uma granada de 15 polegadas contra uma folha de papel e a granada voltasse e nos atingisse. Capítulo 4  Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Foi para explicar os resultados desses experimentos que Rutherford propôs um novo modelo de átomo. De que forma? ▸ O átomo deveria ter sua carga positiva concentrada (núcleo), de forma que as partículas α (também de carga positiva) que passassem próximo do núcleo seriam repelidas por ele e teriam sua trajetória desviada (cargas elétricas de mesmo sinal se repelem). ▸ O núcleo do átomo conteria quase toda a massa do átomo; por isso as partículas α que se chocassem com o núcleo (uma pequeníssima parte delas) voltariam no sentido da fonte que as emitira. ▸ O elétron, com carga negativa, teria massa desprezível em relação à das partículas α; por isso as partículas α que atravessassem a região ao redor do núcleo onde estariam os elétrons não mudariam de direção. Isso porque essas partículas α têm grande energia cinética, e o elétron tem massa desprezível em relação a elas. Vale destacar que uma partícula α tem massa quase 8 000 vezes maior que a do elétron. Fazendo uma analogia, poderíamos imaginar algo como um caminhão (partícula α) em alta velocidade atropelando uma lata de ferro (o elétron). O modelo de átomo proposto por Rutherford representou grande inovação em relação aos anteriores por supor a existência do núcleo atômico; o átomo seria uma esfera cujo raio teria dimensões da ordem de 1028 cm, no centro da qual estaria o núcleo, cujas dimensões seriam da ordem de 10212 cm. Para que você tenha ideia da relação entre as dimensões do raio do átomo e do núcleo, imagine que, se o núcleo “crescesse” até atingir 1 cm de diâmetro, o átomo teria de 100 m a 1 km de diâmetro. Segundo o cientista, os elétrons estariam espalhados ao redor do núcleo, movendo-se em torno dele em uma região de baixa densidade – pequena massa ocupando um grande volume: a eletrosfera. No núcleo estariam todas as cargas positivas do átomo. Para reforçar o que vimos, imagine um depósito de petróleo, cuja massa seja da ordem de 2 ? 108 kg, isto é, 200 000 000 kg ou 200 mil toneladas; se, magicamente, pudéssemos remover todas as eletrosferas dos átomos nele existentes, ele passaria a ocupar um volume menor que o de uma gota. Ou seja, a matéria é constituída de diminutos núcleos, com carga positiva, extremamente densos, cercados por uma região praticamente “vazia”, na qual estão os elétrons, de carga negativa.

Modelo de átomo de Rutherford

Em: <https:// commons. wikimedia.org/ wiki/File:3D_ anamation_of_the_ Rutherford_atom. ogv> (acesso em: 16 dez. 2015), você pode ver a representação do modelo de Rutherford em três dimensões.

Cores fantasia, sem escala.

Fique atento! R R: raio do átomo r : raio do núcleo

eletrosfera r

R 100 000 > r > 10 000

núcleo

O esquema está totalmente fora de proporção. Se a relação entre as dimensões átomo-núcleo estivesse correta, seria necessário um espaço muitíssimo maior do que o desta folha.

Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 239.

A análise detalhada dos resultados experimentais obtidos pela equipe de Rutherford praticamente não deixou dúvidas quanto à sua validade. Restava uma grande questão: como explicar a estabilidade desse átomo? 90

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Como o átomo pode ser estável, isto é, como ele não se desintegra, possuindo um núcleo de carga positiva e elétrons de carga oposta? Se os elétrons de carga negativa estivessem parados, deveriam ser atraídos pelo núcleo, incorporando-se a ele; tal raciocínio estava de acordo com as leis da Eletrostática, uma vez que cargas elétricas de sinais opostos se atraem. Uma explicação natural para alguns cientistas era propor que o movimento dos elétrons deveria ser análogo ao movimento dos planetas em órbitas ao redor do Sol. Ora, mas com base nas leis do Eletromagnetismo, já conhecidas na época, elétrons em movimento irradiam energia continuamente. Com isso, o raio da órbita diminuiria, o que também levaria os elétrons a colidirem com o núcleo. Cálculos matemáticos indicam que isso ocorreria quase instantaneamente. Ou seja, as leis da Física Clássica (como é o caso das usadas na Eletrostática e no Eletromagnetismo) que são válidas para descrever o movimento e as interações elétricas e magnéticas de objetos "do mundo macroscópico”– é o caso dos raios que aparecem durante tempestades ou do funcionamento de um motor – não permitem explicar as interações entre as partículas subatômicas que constituem um átomo. Nesta etapa do curso de Química, vamos nos limitar a uma ideia simplificada dessas explicações, porque os modelos atômicos propostos após o de Rutherford só podem ser explicados com base na Mecânica Quântica. Um dos físicos responsáveis pelos estudos da Mecânica Quântica foi o dinamarquês Niels Bohr (1885-1962); ele complementou o modelo de Rutherford quanto ao movimento dos elétrons ao redor do núcleo. Para elaborar uma explicação relativa aos elétrons, esse cientista realizou experimentos sobre as várias radiações luminosas emitidas por um elemento químico; essa emissão acontece quando uma amostra contendo esse elemento recebe energia, seja por aquecimento, seja quando é submetido a descarga elétrica. Como os experimentos que realizou não podiam ser explicados pela Física Clássica, Bohr elaborou uma série de postulados válidos para o elétron do átomo de hidrogênio; entre os pontos que ele admitiu como verdadeiros para justificar o que ocorria com os elétrons de um átomo, podemos citar: ▸▸ um elétron gira ao redor do núcleo em órbita circular; ▸▸ um átomo possui um número limitado de órbitas que se diferem umas das outras pelo raio; ▸▸ enquanto um elétron permanece em movimento em uma órbita, não emite nem absorve energia; ▸▸ cada uma dessas órbitas é caracterizada por determinada energia. A estabilidade do átomo foi justificada, portanto, por um modelo em que os elétrons giram ao redor do núcleo em camadas eletrônicas ou níveis de energia. O conjunto do trabalho dos dois cientistas, um que introduziu o modelo nuclear do átomo e outro que explicou a configuração dos elétrons, deu origem ao modelo de Rutherford-Bohr.

Eletrostática: parte da Eletricidade, é o campo da Física que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso, ou o equilíbrio de corpos que possuem carga elétrica, ou que são eletrizados. Eletromagnetismo: campo da Física que estuda a relação entre a eletricidade e o magnetismo. Mecânica Quântica: parte da Física iniciada com os estudos de Max Planck (1858-1947) em 1900, que tem por base o fato de os constituintes atômicos ora se comportarem como partículas, com massa e dimensões definidas, ora se manifestarem como ondas, semelhantes às que constituem a luz. Postulado: proposição que, apesar de não provada ou demonstrada, é tomada como ponto de partida para desenvolver um raciocínio matemático ou uma teoria científica. Com base nesses postulados, Bohr conseguiu explicar os resultados experimentais que obtivera.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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A questão não respondida por Rutherford e o modelo de Rutherford-Bohr

Cores fantasia, sem escala.

Fonte: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5b/Atome_de_ Rutherford.png>. Acesso em: 31 jan. 2016.

Modelo de Rutherford-Bohr. Capítulo 4  Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Outras partículas presentes no núcleo No núcleo do átomo existem diversas partículas. Do ponto de vista químico, são importantes: ▸▸ os prótons – cuja existência foi provada em 1920, por Rutherford; ▸▸ os nêutrons – previstos por Rutherford, mas descobertos por James Chadwick (1891-1974) em 1932. A carga elétrica do próton tem sinal contrário ao da carga elétrica do elétron. Assim, a carga do próton é 11,06 ? 10219 C e a do elétron é 21,06 ? 10219 C, em que C vem de coulomb – a unidade de medida de carga elétrica. Nesta fase inicial do curso de Química, é interessante considerar a relação entre as cargas dessas duas partículas, ou seja, a carga do próton dividida pela carga do elétron é igual a 1, embora essas cargas tenham sinal contrário. Quer dizer, se considerarmos que a carga do próton é 11, a do elétron será 21. Próton e nêutron têm massas praticamente iguais, porém quase 2 mil vezes maior que a do elétron: as massas do próton e do nêutron são iguais a 1,67 ? 10227 kg, já a massa do elétron é igual a 9,11 ? 10231 kg. Se atribuirmos ao próton a massa 1, o elétron terá massa aproximada de 1/1 840. As relações entre características de algumas partículas presentes no átomo estão resumidas na tabela a seguir.

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Características das partículas fundamentais do átomo Partículas

Massa relativa (assumindo como referência a massa do próton)

Carga elétrica relativa

próton (p )

1,67 ? 10

227

1

11

nêutron (no)

1,67 ? 10227

1

0

elétron (e2)

9,11 ? 10231

1/1 840

21

1

Massa (kg)

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis. 2009. p. 1-1. Disponível em: <http://www.fptl.ru/biblioteka/spravo4niki/handbook-of-Chemistry-and-Physics.pdf>. Acesso em: 4 nov. 2015.

O que é mesmo um modelo? Até aqui falamos de alguns modelos que tratam de algo distante de nossa percepção visual. Talvez você tenha ficado com a impressão de que alguns deles deveriam ser abandonados, já que se mostram incompletos considerando descobertas mais recentes. Vale esclarecer um pouco mais essa questão. Os modelos adotados no estudo da Física e da Química servem para entendermos fenômenos e, por isso, são bem diferentes, por exemplo, da maquete de um barco ou de uma casa, que representam algo visível e estático. No estudo da Química, os modelos devem ajudar a compreender como um sistema se comporta. Ao estudar átomos, moléculas – que são conjuntos de átomos – e outras unidades que estruturam a matéria, temos que, de alguma forma, “ver o que é invisível”. Para facilitar a compreensão e a explicação do maior número possível de propriedades de um sistema é que os cientistas recorrem a analogias.

92

As analogias valem-se do que há em comum entre objetos totalmente diferentes; elas não podem ser confundidas com cópias aumentadas do sistema em estudo, isto é, o modelo não tem caráter fotográfico. Na verdade, valemo-nos de um sistema conhecido que tem comportamentos semelhantes àquele que queremos estudar. Um modelo será tanto melhor quanto maior for o número de semelhanças que possamos apontar. Por exemplo, para explicar o comportamento de um gás podemos fazer uma analogia entre o que ocorre com suas unidades invisíveis e as esferas que colocamos dentro de um globo para fazer um sorteio. Que tipo de comparação pode ser feita? Com esse modelo, poderemos ter uma ideia mais clara de que, quanto mais gás é colocado num recipiente, maior será o número de choques possíveis entre suas partículas e as paredes do recipiente, ou seja, maior será a pressão exercida pelo gás, o que é semelhante ao que ocorre com as esferas dentro do globo.

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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É isso que faz com que um modelo seja provisório e temporário, sujeito a alterações. Não perca de vista, porém, que ele é sempre uma representação da realidade e não a realidade – não é uma cópia do sistema em estudo. GLOWIMAGES/MONALYN GRACIA/CORBIS

Da mesma forma, quando giramos a manivela do globo com mais intensidade, ocorre algo que se assemelha às moléculas do gás quando aumentamos sua temperatura. Essa analogia, como qualquer outra, tem muitas limitações. Por exemplo, os choques entre as unidades que constituem um gás “não reduzem” a velocidade dessas partículas; o mesmo não ocorre com esferas que se chocam. Um modelo pode ser chamado de teoria quando reúne uma série de hipóteses mais gerais ou uma série de equações matemáticas, permitindo a melhor compreensão de um fenômeno. Como a ciência se transforma, o modelo utilizado para descrever determinado comportamento de um sistema pode ser substituído por outro. Isso ocorre quando o modelo primitivo não serve para explicar novas propriedades que foram percebidas em novos estudos sobre o fenômeno.

O comportamento das esferas durante o giro do globo pode ser uma analogia ao que acontece com moléculas de gás em um recipiente. Não escreva neste livro.

Atividades 1. Compare o modelo atômico de Dalton com o de Thomson. 2. Qual é a grande inovação do modelo de Rutherford? 3. Observações experimentais levaram Rutherford a propor um modelo que intrigou os cientistas da época. Por quê?

Questão comentada 11. Suponha 103 átomos com 20 prótons, 20 elétrons, 20 nêutrons. Calcule: a) a relação entre a massa do núcleo e a massa da eletrosfera em um átomo. b) a relação entre a massa total dos núcleos e a massa total das eletrosferas do conjunto dos 103 átomos.

4. Em que medida as observações experimentais de Rutherford permitiram concluir que se necessitava de uma “nova” Física? 5. Que modelos atômicos (Dalton, Thomson ou Rutherford) podem explicar a existência de íons?

Sugestão de resolução

6. Para adquirir carga elétrica, um átomo deve ganhar ou perder partículas que o constituem. Quais são essas partículas? Que carga elétrica têm?

eletrosfera:

a) núcleo: 20x 1 20x 5 40x

7. Quantos elétrons são necessários para equivaler à massa de 1 próton? 8. Quantos elétrons são necessários para “neutralizar” a carga de 1 próton? 9. Se um átomo tiver 36 prótons, quantos elétrons ele terá? Lembre-se de que o átomo não tem carga elétrica, ou seja, tem carga elétrica nula. 10. Se um átomo com 19 prótons, 19 elétrons e 20 nêutrons perde 1 elétron, o que ocorre com sua carga total? E com sua massa?

20x 2x 5 1 840 1 84

40x 5 20 ? 184 5 3 680 (em um átomo) 2x 1 84

b)  Em 103 átomos: 5

103 ? 40x 5 3 680 2x 3 10 ? 1 84

12. Como um átomo com 12 prótons pode se transformar em íon positivo de carga elétrica 12?

Capítulo 4  Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Número atômico (Z) O número atômico de um elemento químico é característico dele; é por isso que esse número serve para diferenciá-lo de outro elemento. Os números atômicos dos elementos foram determinados em 1913 por Henry Moseley (1887-1915), cientista da equipe de Rutherford. Número atômico é o número de prótons existentes no núcleo de um átomo. Costuma ser representado por Z. Assim: Z 5 número atômico 5 número de prótons, ou Z 5 np1 Se, por exemplo, o Z de um átomo é 10, isso significa que seu núcleo contém 10 prótons. Se o átomo for neutro, a eletrosfera será formada por 10 elétrons.

Elemento químico e símbolo

Elemento químico     Número atômico (Z) ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Suponha a seguinte situação: um recipiente contém 106 átomos, todos com 17 prótons. Temos, portanto, um só tipo de átomo, caracterizado pelo número de prótons presentes em seu núcleo. Dizemos que no recipiente há um elemento químico. Chamamos de elemento químico ao conjunto de átomos de mesmo número atômico.

Elemento químico hidrogênio

Elemento químico hélio

está representando átomo de Z = 1, ou seja, com 1 próton no núcleo.

está representando átomo de Z = 2, ou seja, com 2 prótons no núcleo.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Elemento químico oxigênio

está representando átomo de Z = 8, ou seja, com 8 prótons no núcleo.

Essa conceituação de elemento químico só foi possível após a determinação, por Moseley, da carga nuclear (dada pelo total das cargas dos prótons) e a consequente definição de número atômico. Esse conceito atual de elemento químico é distinto do que era usado pelos alquimistas e pelos estudiosos dos séculos XVIII e XIX. Era prática comum, desde a época da Alquimia, a representação de elementos químicos por símbolos. Esses símbolos foram se modificando ao longo do tempo, até que, em 1818, Jöns Jakobs Berzelius (1779-1848) introduziu a notação que utiliza uma ou duas letras para representar cada um dos elementos químicos e que é usada até hoje com pequenas alterações. Na tabela a seguir, é possível observar como os símbolos de alguns elementos foram se alterando com o tempo.

Atenção! Sejam 7, 16, 1 000, 100 mil átomos – não importa o número –, todos com o mesmo número atômico, tem-se apenas um elemento químico.

Símbolos de alguns elementos químicos utilizados em diferentes épocas 1600

1700

1783

1808

1818

Ouro

Au

Mercúrio

Hg

Chumbo

Pb

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

1500

Fonte: CHEMICAL Heritage Foundation. Disponível em: <http://www.chemheritage.org/discover/collections/search. aspx?q=alchemical%20symbols&collectiontype=Fine%20Art&page=0>. Acesso em: 4 nov. 2015.

94

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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Na representação de Berzelius, quando há dois ou mais elementos cujos nomes se iniciam com a mesma letra, recorre-se a uma segunda letra, minúscula. Os símbolos são internacionais e geralmente derivam do nome latino ou grego do elemento. Por isso, nem sempre o símbolo tem a inicial do nome do elemento em português. Observe alguns exemplos na tabela a seguir. Elemento químico, seu símbolo e seu número atômico Símbolo

Número atômico

Símbolo

Número atômico

Hidrogênio (Hydrogenium)

H

1

Fósforo (Phosphorus)

P

15

Hélio (Helium)

He

2

Enxofre (Sulphur)

S

16

Carbono (Carbonium)

C

6

Potássio (Kalium)

K

19

Oxigênio (Oxygenium)

O

8

Cromo (Chromium)

Cr

24

Flúor (Fluorum)

F

9

Prata (Argentum)

Ag

47

Sódio (Natrium)

Na

11

Ouro (Aurum)

Au

79

Magnésio (Magnesium)

Mg

12

Mercúrio (Hydragyrum)

Hg

80

Elemento

Elemento

Como vimos neste capítulo, as partículas que contribuem de maneira significativa para a massa de um átomo são os prótons e os nêutrons, constituintes do núcleo. Em razão disso, define-se número de massa como a soma do número de prótons e do número de nêutrons de um átomo. O número de massa é representado por A. A 5 número de massa = número de prótons 1 número de nêutrons A 5 np1 1 nn0 Como np1 5 Z (número atômico), então A 5 Z 1 nn0 Costuma-se representar um elemento qualquer por um símbolo (abaixo usamos a letra E) associado a seus valores de número atômico (Z) e número de massa (A). Assim, genericamente, temos: A 16 8 18 8

Z

'

DIVULGAÇÃO PNLD

Número de massa (A)

O indica átomos de oxigênio que possuem 8 prótons e 8 nêutrons, então A 5 8 1 8 5 16. O indica A 5 18. Sendo o oxigênio, Z = 8 … 18 5 8 1 nn0 … nn0 5 10. Lembre-se de que para átomos neutros: Mp1 5 Me2 35 Assim, 17Cℓ indica Z 5 17, isto é, 17 prótons e 17 elétrons, então: A 5 Z 1 nn0 … 35 5 17 1 nn0 … nn0 5 18

Isótopos Diferentemente do número atômico, o número de massa (A) não é característico de um elemento químico e, por isso, não serve para identificá-lo. Por exemplo, o gás oxigênio que respiramos é constituído por moléculas contendo átomos do mesmo elemento, O, com números de massa diferentes, embora todos tenham número atômico 8. Na natureza há três tipos de átomos de oxigênio: 168O, 178O e 188O. Agora reflita: O que eles têm em comum? Qual é a diferença entre eles? Eles diferem no número de nêutrons: 16O tem 8 nêutrons; 17O tem 9 nêutrons; 18O tem 10 nêutrons, e, por isso, diferem no número de massa. Isótopos são átomos do mesmo elemento químico que diferem quanto ao número de nêutrons. Capítulo 4  Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Dizemos que o oxigênio tem três formas isotópicas naturais. Veja outros isótopos naturais na tabela abaixo. Abundância na natureza (em %) de alguns isótopos Elemento Hidrogênio 1H Oxigênio 8

O

Isótopo 1 H

Abundância 99,98

H O

0,02 99,76

O

0,04

O Cℓ

0,20 75,77

Cℓ

24,23

Na

100

2

16 17

18

Cloro

35

Cℓ Sódio

37

17

11

Na

23

Fonte: BERGLUND, Michael; WIESER, Michael E. Isotopic Compositions of the Elements 2009. IUPAC. 14 jan. 2011. Disponível em: <http://pac.iupac.org/publications/pac/pdf/2011/pdf/8302x0397.pdf>. Acesso em: 14 jan. 2016.

Observação: Os três isótopos de hidrogênio são indicados pelo símbolo H, uma vez que todos eles são do mesmo elemento químico. No entanto, o 2H é, muitas vezes, representado por D, por ser chamado de deutério; a forma 3 H é chamada de trítio.

Atividades 1. A tabela acima indica que os átomos de um dos isótopos do H não tem nêutron. Identifique-o.

DIVULGAÇÃO PNLD

2. Qual dos isótopos do hidrogênio é chamado hidrogênio leve?

3. Se, em uma amostra qualquer, houver 10 000 átomos de hidrogênio, quantos provavelmente são de cada um dos isótopos? Não escreva neste livro.

Os diferentes isótopos de um elemento comportam-se quimicamente do mesmo jeito, pois todos eles são formas diferentes do mesmo elemento. A principal diferença entre eles está na massa de seus átomos. A água pesada, usada em reatores nucleares, é mais densa que a água comum por ser formada exclusivamente por hidrogênio 21H, o que explica a representação D2O.

Isóbaros Você sabe o que significa a palavra isóbaro? O termo deriva do grego e corresponde à junção de iso, que significa “igual”, com baros, correspondente a “peso”. No caso, o termo isóbaro refere-se a átomos que têm núcleos com massas (pesos) K, um dos iguais, mas que não são do mesmo elemento químico. É o caso dos átomos 40 19 isótopos do potássio, e 40 20Ca, isótopo do cálcio. Ou seja, isóbaros são átomos que têm o mesmo número de massa (A) e diferentes números atômicos (Z). 40 Os átomos 40 19 K e 20Ca são isóbaros, tendo número de prótons (K: 19 e Ca: 20) e de nêutrons (K: 21 e Ca: 20) diferentes.

Não escreva neste livro.

Atividades Se necessário, consulte a tabela com os nomes, símbolos e números atômicos dos elementos químicos na p. 106.

4. Considere que 35 X e 37 Y representem genericamen17 17

1. Qual é o número atômico e o símbolo do alumínio, usado em panelas?

a) Quantos prótons e nêutrons tem X? E Y?

2. Quantos elétrons tem um átomo de Fe? 3. Imagine que seja possível isolar uma amostra com 100 000 átomos de mesmo número atômico. Quantos elementos ela teria?

96

te dois átomos. Sobre eles, responda: b) Os átomos são de elementos diferentes? c) Se você souber que X corresponde a Cℓ, o que pode concluir a respeito do símbolo de Y? Por quê?

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ

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Distribuição dos elétrons no átomo Como vimos, Bohr complementou o modelo atômico de Rutherford propondo que os elétrons giram ao redor do núcleo, em camadas eletrônicas ou níveis de energia, e que isso é possível sem que eles percam energia. Nos átomos de qualquer elemento, os elétrons se distribuem em até sete camadas (K, L, M, N, O, P e Q), cada uma delas comportando um número máximo de elétrons. Quanto maior for a distância entre o Distribuição eletrônica dos elementos elétron e o núcleo, maior será sua energia. Camadas ou níveis de energia Elemento Assim, um elétron da camada L é mais enerK (n 5 1) L (n 5 2) M (n 5 3) N (n 5 4) gético do que um da camada K. He 2 2 Ao lado, são fornecidas as distribuições Be 2 2 2 eletrônicas de alguns elementos. Observe-as, Na 2 8 1 11 analisando de que modo os elétrons ocupam Ge 2 8 18 4 32 os níveis na ordem crescente de energia. Repare que, no caso da distribuição eletrônica dos elementos a seguir, não basta levar em conta o número máximo de elétrons de cada nível.

O (n 5 5)

Distribuição eletrônica dos elementos Camadas ou níveis de energia

DIVULGAÇÃO PNLD

Elemento 20

K (n 5 1)

L (n 5 2)

Ca

2

8

Sr

2

8

38

M (n 5 3) 10

N (n 5 4)

8 18

O (n 5 5)

2 10

8

2

O que é possível notar? Apesar de as camadas M e N comportarem 18 elétrons, não são encontrados na natureza átomos com mais de 8 elétrons em sua camada externa.

Uma orientação inicial sobre distribuição eletrônica Para fazer a distribuição eletrônica de uma parte dos elementos químicos, os chamados representativos (dessa categoria estão excluídos os elementos de números atômicos de 21 a 28; 39 a 46; 57 a 78 e maiores do que 89): ▸▸ siga a sequência de preenchimento das camadas a partir do núcleo (K, L, M, ...), lembrando que cada camada comporta um número máximo de elétrons (a camada K, 2 elétrons; a L, 8; a M, 18; a N, 32; a O, 32; a P, 18; e a Q, 8); não coloque mais que 8 elétrons na última camada. ▸▸ se você tiver uma camada que permita 18 ou 32 elétrons e que seja a última de sua distribuição: – se o número de elétrons (n) a ser colocado for tal que 18 . n . 8, basta subtrair 8, passando o que resta para a outra camada. Reveja o exemplo do estrôncio, Sr. – se você colocar um número de elétrons (n) tal que 32 . n . 18, subtraia de n 18 elétrons e passe o que resta para a camada seguinte. Veja o exemplo: 55

Cs:

K 2

55

Cs:

L 8

M

N

O

P

18

27 18

0 9

1

– 18

–8

9

1

K

L

M

N

O

P

2

8

18

18

8

1

Observação:

As regras que acabamos de ver são úteis apenas para que você aprenda alguns conceitos básicos da Química. No entanto, não valem para todos os elementos. Basta que, por ora, você trabalhe com os números máximos de elétrons das três primeiras camadas (K: 2, L: 8, M: 18).

Capítulo 4  Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Produtos usados na agricultura mencionam em sua embalagem os símbolos do nitrogênio (N), do potássio (K) e do fósforo (P). Faça a distribuição eletrônica das camadas (K, L, ...) para átomos desses elementos. a) 7N

b) 19K

c) 15P

2. Que característica comum existe entre as configurações eletrônicas dos elementos N e P, da questão anterior?

3. O carbono é o elemento-chave na constituição dos seres vivos. Estudando os vários tipos de substâncias dos quais ele participa, os cientistas desenvolveram uma série de materiais “inspirados” no carbono, à base de silício, como é o caso dos silicones. Faça a distribuição eletrônica do 6C e do 14Si e diga que semelhança há nas configurações desses dois elementos.

A formação de íons

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Vimos que os átomos são eletricamente neutros porque possuem número de prótons (de carga positiva) igual ao de elétrons (de carga negativa). No entanto, átomos de um elemento químico podem perder ou ganhar elétrons. Quando isso ocorre, o íon fica com sua eletrosfera alterada em relação ao átomo, mas seu núcleo é preservado. Vamos ver qual é a consequência disso com alguns exemplos. "O cálcio é um elemento fundamental na formação de nossos ossos." Quando ouvimos essa afirmação, talvez nos lembremos do leite, dos queijos e de outros alimentos ricos em cálcio. Ora, mas o cálcio é um metal e, como se sabe, nenhum de nós ingere esse elemento na forma metálica; ele é ingerido na forma de íons. Qual é a diferença na eletrosfera de um íon de cálcio e de um átomo desse elemento? ▸ O íon cálcio perdeu dois elétrons em relação ao átomo de cálcio.

Cores fantasia, sem escala.

20 prótons 20 elétrons 20 nêutrons

20 prótons 18 elétrons 20 nêutrons

22 e2 carga 0

(perda de 2 elétrons)

átomo neutro de Ca 40 Ca: 2, 8, 8, 2 20

carga 12

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

cátion: íon positivo

cátion Ca21 Ca21: 2, 8, 8

40 20

Nos capítulos anteriores, descrevemos algumas reações de combustão e vimos que nelas há sempre participação de gás oxigênio. Quando se queima o magnésio, por exemplo, cada átomo de magnésio proveniente do metal combina-se com um átomo de oxigênio proveniente do gás oxigênio, formando um composto. Nesse composto, o oxigênio está na forma de íon negativo, O22 (ânion). ▸ O íon de oxigênio ganhou 2 elétrons em relação ao átomo de oxigênio.

Cores fantasia, sem escala.

ânion: íon negativo

8 prótons 8 elétrons 8 nêutrons

12 e2 carga 0

(ganho de 2 elétrons)

átomo neutro de O 16 O: 2, 6 8

98

8 prótons 10 elétrons 8 nêutrons

carga 22

ânion O22 O2: 2, 8

16 8

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Um dos isótopos do elemento oxigênio disponíveis na natureza é o 17O. Suponha uma amostra de óxido de cálcio (composto constituinte da cal, usada na construção civil) na qual todo o íon O22 presente seja desse isótopo. Quantos prótons, elétrons e nêutrons existem em um íon 178O22? 2. Quando o ferro metálico enferruja, formam-se compostos contendo íons Fe21 e Fe31. Considere esses íons do isótopo 56 do ferro. Quantos prótons, elétrons e nêutrons tem cada uma dessas espécies? Dado: número atômico do ferro: 26. 3. Ao responder à questão de uma prova, um aluno escreveu: “Quando um átomo de 12Mg perde 2 elétrons, transforma-se em outro elemento de número atômico 10, representado por 10Ne21”. Reescreva a afirmação, corrigindo-a. 4. Uma revista de estética enaltece o uso de argila verde como cicatrizante e na remoção de células mortas da superfície da pele. Entre os íons constituintes da argila verde são citados os de alumínio (Aℓ31), magnésio (Mg21), cobre (Cu21), zinco (Zn21), cálcio (Ca21), potássio (K1), lítio (Li1) e sódio (Na1). Alguns desses íons associam-se ao oxigênio, na forma de óxido, O22.

São dados os números atômicos: Li: 3, O: 8, Na: 11, Mg: 12, K: 19, Ca: 20, Cu: 29. a) Explique a diferença do ponto de vista eletrônico entre a estrutura do átomo de 13Aℓ e do íon Aℓ31.

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b) Faça a distribuição dos elétrons em camadas do átomo de 20Ca e do íon Ca21. 5. Leia o texto a seguir e responda ao que se pede. Ministério trata como prioridade questão nuclear no país, diz presidente da INB O Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação está tratando como prioridade a questão nuclear no Brasil. [...]. “É uma área estratégica para o país, não só para a geração de energia, aplicar em áreas como a medicina ou a produção de radiofármacos [compostos utilizados em medicina nuclear]”, disse em entrevista à Agência Brasil. [...] O presidente da INB [Indústrias Nucleares do Brasil] também destacou que um projeto importante do país é o do reator produtor de radioisótopos para atender à demanda da medicina nuclear, estimada em torno de 2 milhões de procedimentos médicos para diagnóstico e tratamento de doenças. “O Brasil até hoje é dependente da importação do principal isótopo, o molibdênio, usado na produção desses radiofármacos”. Segundo ele, o Ministério pretende priorizar essa atividade estratégica. GANDRA, Alana. Ministério trata como prioridade questão nuclear no país, diz presidente da INB. EBC (Agência Brasil), 21 jun. 2015. Disponível em: <http://agenciabrasil.ebc.com.br/geral/noticia/2015-06/ministerio-trata-como-prioridade-questao-nuclear-nopais-diz-presidente-da-inb>. Acesso em: 14 jan. 2016.

a) O texto menciona uma importante aplicação para o isótopo de molibdênio. Identifique-a. b) Pesquise em livros e sites o significado de medicina nuclear, expressão utilizada no texto. Em seguida, produza um texto que explique seu significado no formato de verbete. Verbete é um gênero textual comum em dicionários e enciclopédias que tem como objetivo explicar uma palavra ou expressão de forma sucinta e clara. A seguir, está um exemplo de verbete tirado do Dicionário Houaiss eletrônico (São Paulo: Objetiva, 2009): radiofármaco preparado químico ou farmacêutico radioativo, usado como agente diagnóstico ou terapêutico. c) Consultando a Tabela Periódica dos elementos da página 106, represente o isótopo de molibdênio e indique a quantidade de elétrons, prótons e nêutrons. Considere para isso que o número de massa do isótopo é 99. Não se esqueça de indicar, no símbolo do elemento, o número atômico e o número de massa. Capítulo 4  Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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5 capítulo

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GLOWIMAGES/ALAMY/JON BOWER UK

Classificação periódica dos elementos químicos

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • a classificação periódica; • propriedades periódicas; • a ligação metálica. 100

Para situá-lo Você já colecionou algum tipo de objeto? Se não, talvez conheça alguém que faça alguma coleção, como de camisas de times de futebol, miniaturas de automóveis, ingressos de shows, discos de vinil, CDs, etc. Agora imagine que um colecionador de selos (filatelista) tenha uma coleção de cerca de 2 mil selos e queira mostrar a uma pessoa alguns de seus exemplares raros. Se a coleção dele estiver bem organizada, conseguirá achá-los rapidamente, mas, se ela estiver desorganizada, não será nada fácil localizar um deles em especial. Mesmo alguém que não tenha o hábito de fazer coleções, se contar com uma biblioteca particular numerosa, sentirá dificuldade de localizar determinado livro caso não tenha estabelecido alguma maneira organizada de guardá-los. Para que o armazenamento de selos ou de livros seja organizado, é necessário estabelecer critérios de classificação.

©CORREIOS BRASIL/REPRODUÇÃO

Observe o que está estampado no ônibus da imagem acima. Esse ônibus e também alguns táxis com a mesma estampa fazem parte de uma campanha de divulgação do Parque de Ciência e Tecnologia de Oxford, na Inglaterra. Você sabe o que representam essas estampas?

Esse é um dos selos conhecidos por “barba branca” – nome dado aos selos emitidos entre 1877 e 1888, com a imagem de dom Pedro II. Imagine como seria difícil encontrá-lo em uma coleção de 2 mil selos caso ela não fosse organizada.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Mas o que é classificar? Para começar a pensar sobre esse assunto, leia o texto a seguir, retirado de um ensaio do escritor argentino Jorge Luis Borges (1899-1986). Segundo esse autor, uma antiga enciclopédia chinesa classificava os animais de acordo com os seguintes critérios: [...] a) pertencentes ao imperador; b) embalsamados; c) domesticados; d) leitões; e) sereias; f) fabulosos; g) cães em liberdade; h) incluídos na presente classificação; i) que se agitam como loucos; j) inumeráveis; k) desenhados com um pincel muito fino de pelo de camelo; l) et cetera; m) que acabam de quebrar a bilha; n) que de longe parecem moscas. [...] BORGES, Jorge Luis. Otras inquisiciones. Madrid: Alianza Editorial, 1976. (Tradução dos autores.)

1. Observe os critérios a e c. Há algo de estranho neles? Aponte outro par de critérios que se enquadram no mesmo caso. 2. Tente listar quantos critérios diferentes são usados para classificar os animais. 3. Você acha que esses critérios dão conta da classificação a que se pretendem? 4. Do mesmo modo que uma pessoa organiza um conjunto de livros ou CDs para facilitar seu manuseio, os cientistas também se valem de classificações para tornar mais racional o estudo de determinado campo do conhecimento. Para isso, adotam critérios de classificação, alguns dos quais você já deve ter visto − como é o caso dos adotados no estudo dos seres vivos, dos tipos de solos ou de climas. Também é o caso da classificação de substâncias em simples ou compostas, conforme o número de elementos químicos que participam delas. De acordo com esse critério, qual é a diferença entre substância simples e composta? 5. Ao estudar o capítulo anterior, você pode ter notado semelhanças entre alguns elementos químicos. Faça a distribuição eletrônica dos seguintes átomos: 11Na, 12Mg, 19K, 20Ca, Rb, 38Sr. De acordo com a configuração eletrônica, de quantas formas e como você po37 deria classificá-los?

Neste capítulo, vamos estudar desde as primeiras tentativas de classificar os elementos químicos até a elaboração da chamada Tabela Periódica, no século XIX. Veremos também que ela continua sendo material de consulta bastante útil no estudo da Química. Um lembrete: para ter bons conhecimentos sobre a Tabela Periódica dos elementos químicos, não é necessário memorizar a disposição dos símbolos desses elementos na tabela. O principal objetivo dessa classificação é facilitar o estudo e a compreensão de uma série de regularidades relativas ao comportamento dos elementos químicos que constituem todos os materiais. Capítulo 5  Classificação periódica dos elementos químicos

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Classificar: uma necessidade das ciências

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Para que você tenha ideia do contexto em que foram propostas as primeiras classificações dos elementos químicos, vale lembrar que, quando elas surgiram, no século XIX, na Europa, já haviam sido publicadas algumas obras importantes que sistematizavam conhecimentos de algumas áreas das ciências. Além do Traité élémentaire de Chimie (Tratado elementar da Química), de Lavoisier, do final do século XVIII, e do New System of Chemical Philosophy (Novo sistema de filosofia química), de Dalton, do início do século XIX, ainda podemos destacar: ▸▸ na Física, o Principia Mathematica (Princípios matemáticos), importante livro com as bases da Mecânica Clássica, lançadas por Isaac Newton (1642-1727) no final do século XVII; ▸▸ a publicação, no século XVIII, de diversos trabalhos do naturalista sueco Carl Lineu (1707-1778), nos quais foram estabelecidos os critérios de classificação e as bases da nomenclatura dos seres vivos, sendo os principais o Systema Naturae (Sistema Natural) – que dividiu a natureza em três reinos: animal, vegetal e mineral – e o Species Plantarum (Espécies de plantas) – que contém a classificação e os critérios de identificação de vegetais. Por volta de 1830, pouco mais de 50 elementos químicos já haviam sido identificados, o que demandava dos pesquisadores alguma forma de organizá-los. Várias tentativas de classificação surgiram nessa época, mas, de 1869 em diante, adotou-se, com algumas pequenas variações, a classificação proposta pelo russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907), a mais abrangente e, por isso, a de maior importância. Como foi elaborada essa classificação periódica, da qual surgiu a que usamos hoje? Partindo de dados coletados experimentalmente sobre as substâncias constituídas pelos elementos químicos conhecidos na época, Mendeleev dispôs os elementos em ordem crescente de massa atômica, agrupando aqueles com propriedades semelhantes.

H=1

Li = 7

102

Be = 9,4 B = 11 C = 12 N = 14 O = 16 F = 19 Na = 23

Mg = 24 Aℓ = 27,4 Si = 28 P = 31 S = 32 Cℓ = 35,5 K = 39 Ca = 40 ? = 45 ?Er = 56 ?Yt = 60 ?In = 75,6

Ti = 50 V = 51 Cr = 52 Mn = 55 Fe = 56 Ni = Co = 59 Cu = 63,4 Zn = 65,2 ? = 68 ? = 70 As = 75 Se = 79,4 Br = 80 Rb = 85,4 Cr = 87,6 Ce = 92 La = 94 Di = 95 Th = 118

Zr = 90 Nb = 94 Mo = 96 Rh = 104,4 Ru = 104,4 Pd = 106,6 Ag = 108 Cd = 112 Ur = 116 Sn = 118 Sb = 122 Te = 128? J = 127 Cs = 133 Ba = 137

Massa atômica e Tabela Periódica Dalton propôs que os átomos dos diversos elementos diferiam uns dos outros em massa (ele usou o termo "peso"). Foi ele quem introduziu, em seu livro New System of Chemical Philosophy, de 1808, o conceito de peso atômico, atualmente massa atômica, expressão que será utilizada daqui em diante. Além de Dalton, outros cientistas determinaram experimentalmente as massas atômicas relativas dos elementos, isto é, a massa atômica de um elemento em relação à de outro. Esses valores tiveram uma importância fundamental para a organização dos elementos químicos, conforme será abordado no boxe Viagem no tempo.

? = 180 Ta = 182 W = 186 Pt = 197,4 Ir = 198 Os = 199 Hg = 200 Au = 197? Bi = 210?

Tℓ = 204 Pb = 207

Ao longo dos anos, Mendeleev publicava novas formas da Tabela Periódica. A imagem ao lado mostra o primeiro esboço da Tabela Periódica proposto pelo cientista em 1869. Nela, os elementos com propriedades semelhantes estão organizados na mesma linha. Fonte: TOLENTINO, M.; ROCHA-FILHO, R. C.; CHAGAS, A. P. Alguns aspectos históricos da classificação periódica dos elementos químicos. Química Nova. São Paulo, v. 20, n. 1, fev. 1997. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo. php?pid=S0100-40421997000100014&script=sci_ arttext>. Acesso em: 16 jan. 2016.

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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Viagem no tempo A Tabela Periódica: um trabalho de muitos cientistas Entre as inúmeras tentativas de organização dos elementos químicos que antecederam a atual, podemos destacar: • As tríades de Döbereiner: quando o químico alemão Johann Wolfgang Note que a massa atômica do Döbereiner (1780-1849) fazia suas pesquisas, eram conhecidos persódio (23) é a média aritmética to de 50 elementos. Agrupando elementos que tinham propriedades das massas do lítio (7) e do químicas semelhantes, Döbereiner acabou por perceber que a massa potássio (39). Fato semelhante ocorre quando somamos as atômica de um correspondia, aproximadamente, à média aritmética massas atômicas do iodo (127) de outros dois. Assim, propôs a formação de tríades (grupos de três com a do cloro (35,5) e dividimos elementos), tais como: Cℓ 35,5 Br 80 I 127

• O parafuso telúrico de Chancourtois: em 1862, o geólogo e mineralogista francês Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois (1820-1886) propôs uma organização dos elementos em ordem crescente de suas massas atômicas, dispostas em uma estrutura tridimensional, conforme mostra o esquema ao lado. Os elementos com propriedades semelhantes eram posicionados na mesma linha vertical. • A lei das oitavas de Newlands: assim como seus antecessores, o químico inglês John Alexander Reina Newlands (1837-1898) estudou a periodicidade das propriedades dos elementos químicos e em 1864 propôs uma organização dos elementos químicos, em ordem crescente das massas atômicas, sugerindo que as semelhanças se repetiam de modo análogo às notas musicais (em oitavas).

Li

Na

K

Be

Mg

BC

Aℓ Si

Ca

Embora as propostas descritas tenham contribuído para se chegar à tabela atual, elas foram abandonadas por suas inúmeras limitações.

Esboço de parte do parafuso telúrico de Chancourtois.

O congresso para reorganização

Fonte: <http:// culturesciences.chimie.ens. fr/content/la-classificationperiodique-de-lavoisier-amendeleiev-1229>. Acesso em: 4 fev. 2016.

O final do século XVIII e a primeira metade do século XIX foram marcados pela evolução da Química como ciência. Nesse período, além das várias propostas para organizar os elementos, ampliou-se o número de elementos conhecidos. Apesar disso, chegou-se à segunda metade do século XIX sem um consenso entre os estudiosos da época. Muitos deles não concordavam com a introdução do conceito de massa atômica porque não aceitavam a teoria atômica e, portanto, não raciocinavam em termos de átomos/elementos; havia diversidade quanto às fórmulas propostas para uma mesma substância, o que dificultava a comunicação entre os cientistas. Era esse o panorama da Química quando ocorreu o 1º Congresso Internacional de Química, em Karlsruhe, Alemanha, em 1860. Organizado por dois importantes cientistas, o alemão August Kekulé von Stradonitz (1829-1896) e o francês Charles Adolphe Wurtz (1817-1884), o encontro reuniu 140 químicos de 12 países e tinha como objetivo eliminar divergências. O congresso durou três dias, mas terminou sem consenso. Ainda assim, dois cientistas – o alemão Julius Lothar Meyer (1830-1895) e o russo Dmitri Ivanovich Mendeleev – foram fortemente estimulados pelo químico italiano Stanislao Cannizzaro (1826-1910) a organizar propostas de classificação periódica dos elementos. Eles se valeram das massas atômicas (pesos) que Cannizzaro havia apresentado no congresso.

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

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Li 7 Na 23 K 39

por 2: obtemos um valor próximo de 80, massa atômica do bromo.

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LATINSTOCK/ALAMY/WORLDPHOTOS

Meyer procurou analisar as propriedades físicas (densidade e temperatura de fusão, por exemplo) de substâncias simples constituídas por elementos químicos conhecidos, relacionando-as com as massas atômicas desses elementos. Apesar de o trabalho elaborado por Meyer indicar a tendência de repetição periódica de algumas propriedades dos elementos em relação às suas massas atômicas, o de Mendeleev foi mais completo, entre outras razões, por aprofundar o estudo com propriedades químicas e por prever as propriedades de elementos ainda não descobertos. Em sua tabela, Mendeleev colocou os pouco mais de 60 elementos conhecidos na época em ordem crescente de massas atômicas. Mas o que parece mais incrível nesse trabalho é que ele deixou espaços vazios na tabela para que elementos então desconhecidos pudessem ser inseridos. Em relação a três desses elementos (gálio, germânio e escândio), Mendeleev chegou a fazer a descrição de muitas de suas propriedades, que se mostraram semelhantes às verificadas posteriormente, quando foram descobertos. Enfim, o trabalho de Mendeleev representa um divisor de águas na história da Química por sua capacidade de pesquisar as informações acumuladas, reuni-las e sintetizá-las. Lembre-se de que na época ele não contava com determinados conhecimentos químicos que poderiam ter facilitado seu trabalho de elaboração da classificação periódica. Entre eles, podemos citar: • muitos elementos químicos naturais, entre os quais os gases nobres, que se destacam pela falta de reatividade, eram desconhecidos;

Dmitri Ivanovich Mendeleev, químico russo, é considerado o principal criador da primeira Tabela Periódica semelhante à que conhecemos hoje. Foto feita por volta de 1900.

• não eram conhecidos os números atômicos (número de prótons), usados para sequenciar os elementos na Tabela Periódica atual. Apesar disso, Mendeleev inverteu a posição de alguns elementos, com base nas massas atômicas (pesos atômicos) – ordem que ele adotara –, de modo a colocar elementos de comportamento químico semelhante nas mesmas verticais. Foi o caso do iodo (I), de massa atômica 127, e do telúrio (Te), de massa atômica 128. Entretanto, a conclusão de que os elementos na classificação periódica estão na mesma ordem crescente que a de seus números atômicos só foi possível em 1913, quase 20 anos após a morte de Mendeleev. Atualmente é fácil entender a relação entre a classificação periódica e as configurações eletrônicas dos elementos. No entanto, é importante destacar que “[...] a Tabela Periódica pertence à química do século XIX”. BENSAUDE-VINCENT, B.; STENGERS, I. História da Química. Lisboa: Piaget, 1992. p. 202.

1. Por que a necessidade de classificar os elementos químicos surgiu somente no século XIX?

Não escreva neste livro.

2. Qual é a ordem dos elementos na classificação de Mendeleev? E na atual? 3. Liste em seu caderno algumas dificuldades enfrentadas por Mendeleev para executar seu trabalho. 4. Que conhecimentos posteriores à morte de Mendeleev foram esclarecedores para a compreensão da organização dos elementos que ele propôs? 5. Havia pontos comuns entre o trabalho de Meyer e o de Mendeleev. Cite dois exemplos que mostrem por que o trabalho de Mendeleev acabou por ofuscar o trabalho de Meyer. 104

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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A classificação atual dos elementos químicos Observe a imagem da página 106. Ela representa a classificação atual dos elementos químicos. Vamos começar a conhecer como é a estrutura atual da Tabela Periódica, outra maneira de chamar essa classificação. Observe os números que aparecem acima e à esquerda de cada símbolo dos elementos químicos. Eles representam seu número atômico. Esses números só foram determinados em 1913, após a proposição do modelo do átomo nuclear; por isso, não constavam da tabela proposta por Mendeleev, que morreu em 1907. Na Tabela Periódica atual, o número 1 indica o número atômico do hidrogênio (H); o número 2 corresponde ao número atômico do hélio (He), e assim por diante. A disposição dos elementos na tabela, da esquerda para a direita, segue a ordem crescente de números atômicos.

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Grupos e períodos Agora observe os números em preto (de 1 a 18) em cada uma das linhas verticais (colunas) da tabela; esses números indicam grupos. Cada coluna da tabela reúne os elementos de um mesmo grupo (18 no total). Antigamente, essas colunas eram conhecidas por família e recebiam um número e uma letra, indicados em vermelho na Tabela. As letras indicavam a divisão dos elementos químicos em dois grandes grupos: os elementos representativos – representados pela letra A (1A, 2A, 3A, etc.) – e os elementos de transição – representados pela letra B (1B, 2B, 3B, etc.). Qual é a característica comum aos elementos que pertencem a um mesmo grupo da Tabela Periódica? Vamos ver um exemplo. Observe a distribuição eletrônica dos elementos que pertencem ao grupo 14 (carbono, silício, germânio, estanho e chumbo): C: 2 - 4 Sn: 2 - 8 - 18 - 18 - 4 6 50 Si: 2 - 8 - 4 Pb: 2 - 8 - 18 - 32 - 18 - 4 14 82 Ge: 2 8 18 4 32 Como você pode perceber, todos os elementos desse grupo têm 4 elétrons no último nível de energia ou camada eletrônica. Ter o mesmo número de elétrons no último nível de energia é uma característica eletrônica comum aos elementos de um mesmo grupo, considerando os elementos representativos. Assim, se observássemos a distribuição eletrônica dos elementos químicos do grupo 1, notaríamos que todos apresentam 1 elétron na última camada eletrônica; os do grupo 2, 2 elétrons; os do grupo 13, 3 elétrons; os do grupo 15, 5 elétrons; os do grupo 16, 6 elétrons; os do grupo 17, 7 elétrons; e os do grupo 18, 8 elétrons. A única exceção é o hélio (He), presente na coluna 18 e que apresenta uma única camada com 2 elétrons. O comportamento químico de uma substância depende do número de elétrons existentes no último nível energético de seus átomos. Por isso, elementos de um mesmo grupo têm comportamento químico semelhante. Os grupos dos elementos representativos também são conhecidos com nomes especiais, como mostra o quadro abaixo. Grupo

Nome do grupo

1

Metais alcalinos

2

Metais alcalinoterrosos

13

Grupo do boro

14

Grupo do carbono

15

Grupo do nitrogênio

16

Calcogênios

17

Halogênios

18

Gases nobres

Elementos presentes no grupo Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra B, Al, Ga, In, Tℓ C, Si, Ge, Sn, Pb, Fℓ N, P, As, Sb, Bi O, S, Se, Te, Po, Lv F, Cℓ, Br, I, At He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

Como você viu no capítulo anterior, a determinação do número atômico foi feita por Henry Moseley a partir da coleta de dados experimentais, nos quais elétrons altamente acelerados (os raios catódicos, formados em ampolas nas quais se faz a descarga elétrica em gases rarefeitos) foram lançados sobre anteparos de metais variados, produzindo radiações semelhantes à luz, porém mais energéticas, os raios X (usados em radiografias). A frequência (número de ondas por segundo) dos raios X emitidos varia com o número atômico do elemento usado no anteparo.

Observe no quadro ao lado que o hidrogênio não consta em nenhum grupo. Isso porque o hidrogênio é um caso especial. Ele apresenta uma configuração eletrônica semelhante aos metais alcalinos – ou seja, um elétron na última camada –, mas não possui propriedades de uma substância simples metálica. Por isso, embora seja colocado na mesma coluna dos metais alcalinos, o hidrogênio não é um metal alcalino!

Capítulo 5  Classificação periódica dos elementos químicos

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Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ

14/05/16 14:09

7

6

5

4

3

2

1

H

K

sódio 23,0

Na

lítio 6,9

Li

87

55

37

frâncio

Fr

césio 132,9

Cs

rubídio 85,5

Rb

potássio 39,1

19

11

3

hidrogênio 1,0

1

1

1A

Mg

berílio 9,0

Be

2A

Sr

cálcio 40,1

Ca

88

56

rádio

Ra

bário 137,3

Ba

estrôncio 87,6

38

20

magnésio 24,3

12

4

2

Sc

3B

Ac-Lr

89-103

La-Lu

ítrio 88,9

Y

57-71

39

escândio 45,0

21

3

Zr

titânio 47,9

Ti

4B

V

5B

Ta

nióbio 92,9

Nb

Db

dúbnio

105

tantálio 180,9

73

41

vanádio 50,9

23

5

La

58

cério 140,1

Ce

actínio

Ac

90

tório 232,0

Th

Mo

cromo 52,0

Cr

6B

W

Sg

Pr

Pa

protactínio 231,0

91

praseodímio 140,9

59

seabórgio

106

tungstênio 183,8

74

molibdênio 96,0

42

24

6

Mn

7B

Tc

Nd

92

urânio 238,0

U

neodímio 144,2

60

bóhrio

Bh

Re

rênio 186,2 107

75

tecnécio

43

manganês 54,9

25

7

não metais

metais

Pm

Np

netúnio

93

promécio

61

hássio

Hs

ósmio 190,2

Os

Ru

ferro 55,8

Fe

8B

rutênio 101,1

108

76

44

26

8

Sm

Pu

Eu

Am

amerício

95

európio 152,0

63

darmstádtio

Ds

platina 195,1

Pt

paládio 106,4

Pd

Ni

8B

níquel 58,7

110

78

46

28

10

Gd

96

cúrio

Cm

gadolínio 157,3

64

roentgênio

Rg

ouro 197,0

Au

prata 107,9

Ag

Cu

1B

cobre 63,6

111

79

47

29

11

Hg

cádmio 112,4

Cd

zinco 65,4

Zn

2B

Cn

Bk

térbio 158,9

Tb

berquélio

97

65

copernício

112

mercúrio 200,6

80

48

30

12

Dy

Cf

califórnio

98

disprósio 162,5

66

unúntrio

Uut

tálio 204,4

Tℓ

índio 114,8

In

Ga

gálio 69,7

113

81

49

31

alumínio 27,0

Aℓ

boro 10,8

B

3A

Ge

Sn

Pb

Es

hólmio 164,9

Ho

einstênio

99

67

Fℓ

fleróvio

114

chumbo 207,2

82

estanho 118,7

50

germânio 72,6

32

silício 28,1

Si

C

4A

carbono 12,0 14

6

14

N

5A

Sb

arsênio 74,9

As

fósforo 31,0

P

Bi

férmio

Fm

Er

érbio 167,3 100

68

ununpêntio

Uup

115

bismuto 209,0

83

antimônio 121,8

51

33

15

nitrogênio 14,0

7

15

Po

telúrio 127,6

Te

selênio 79,0

Se

Lv

mendelévio

Md

túlio 168,9

Tm

101

69

livermório

116

polônio

84

52

34

enxofre 32,1

S

O

6A

oxigênio 16,0 16

8

16

nobélio

No

Yb

itérbio 173,0 102

70

ununséptio

Uus

astato

At

iodo 126,9

l

bromo 79,9

Br

Cℓ

flúor 19,0

F

7A

cloro 35,5

117

85

53

35

17

9

17

Ar

Ne

neônio 20,2

Kr

Xe

Rn

Uuo

laurêncio

Lr

Lu

lutécio 175,0 103

71

ununóctio

118

radônio

86

xenônio 131,3

54

criptônio 83,8

36

argônio 40,0

18

10

He

hélio 4,0

8A

Fonte: IUPAC. Versão da Tabela Periódica dos Elementos publicada em 8 jan. 2016. Disponível em: <http://iupac.org/fileadmin/user_upload/news/IUPAC_Periodic_Table-8Jan16.pdf>. Acesso em: 7 abr. 2016.

plutônio

94

samário 150,4

62

meitnério

Mt

irídio 192,2

Ir

ródio 102,9

Rh

Co

8B cobalto 58,9

109

77

45

27

9

13

5

13

2

18

Notas: De acordo com a União Internacional da Química Pura e Aplicada (cuja sigla em inglês é IUPAC), não são expressos os valores de massa atômica para elementos cujos isótopos não são encontrados em amostras naturais terrestres. Na fonte original, são indicados intervalos de massa atômica para os elementos H, Li, Mg, B, C, N, O, Si, S, Cℓ, Br e Tℓ. Os elementos químicos de número atômico 113, 115, 117 e 118 foram reconhecidos pela IUPAC no final de 2015. Até abril de 2016, não foram atribuídos nomes e símbolos a esses elementos.

89

Série dos actinídeos

lantânio 138,9

57

Série dos lantanídeos

rutherfórdio

Rf

Hf

háfnio 178,5

104

72

zircônio 91,2

40

22

4

Símbolo

P número e atômico r í o d nome do elemento o massa atômica

Grupo Família

Tabela Periódica dos Elementos

DIVULGAÇÃO PNLD EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA


1

18

1A

1

H

2

2

Li

Be

P e r í o d o

2A

3

Na

8A

Grupo Família

Mg

13

14

15

16

17

He

B

C

N

O

F

Ne

12

Aℓ

Si

P

S

Cℓ

Ar

3A

Símbolo

metais não metais

3

4

3B

4B

4

K

Ca

Sc

Ti

5

Rb

Sr

Y

Zr

6

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

7

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

5

5B

6

7

8

8B

9

4A

5A

6A

7A

10

11

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

l

Xe

Pt

Au

Hg

Tℓ

Pb

Bi

Po

At

Rn

Ds

Rg

Cn

Uut

Fℓ

Uup

Lv

Uus

Uuo

6B

7B

8B

V

Cr

Mn

Fe

Nb

Mo

Tc

Ru

Ta

W

Re

Os

Ir

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

8B

1B

2B

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Agora observe as linhas horizontais da Tabela Periódica da página ao lado. Chamamos de período ou série cada linha horizontal da Tabela Periódica. Mas qual é a característica eletrônica de elementos de um mesmo período? Observe: 1º período: H: 1 ..................... He: 2 3º período: Aℓ: 2 – 8 – 3 ........... Cℓ: 2 – 8 – 7 2º período: Li: 2 – 1 ............. N: 2 – 5 4º período: Ca: 2 – 8 – 8 – 2 ..... Se: 2 – 8 – 18 – 6 Como você pode notar, o número do período coincide com o número de níveis eletrônicos apresentado pelos elementos que o compõem. Assim, o elemento arsênio (As), de Z 5 33 (2 – 8 – 18 – 5), localiza-se no 4º período e tem elétrons em 4 níveis eletrônicos. Os elementos do 5º período têm os elétrons distribuídos em 5 níveis energéticos, e assim por diante. O 6º período é o mais longo da Tabela Periódica. Na coluna 3 desse período estão localizados os elementos que têm números atômicos de 57 a 71. Eles pertencem à chamada série dos lantanídeos, por ser iniciada pelo lantânio (La), de Z 5 57. Eles fazem parte de um grupo de elementos de grande relevância no mundo atual: as terras-raras; isso porque são muito empregados em equipamentos de alta tecnologia (leia a seção Conexões: Química e Economia, mais adiante). O 7º período apresenta lacunas, isto é, não é completo: à medida que novos elementos têm sido obtidos pelos físicos nucleares, juntam-se aos já conhecidos, nesse mesmo período. Na coluna 3, os números de 89-103 constituem a série dos actinídeos, cujo primeiro elemento é o actínio (Ac), de Z 5 89. Os lantanídeos e actinídeos são chamados de elementos de transição interna. Essas duas séries usualmente estão dispostas abaixo da tabela. Os elementos localizados depois do urânio (U), de Z = 92, são artificiais, isto é, só podem ser obtidos em laboratório. Esses elementos são chamados de transurânicos. A representação da Tabela Periódica estendida – como se abríssemos o quadrinho em que se encontram os lantanídeos e os actinídeos – pode tornar mais claro o que foi dito anteriormente.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Faça a distribuição eletrônica dos elementos abaixo indicando o grupo e o período a que pertence cada um deles.

de valência e está localizado no 3o nível eletrônico. Consulte a Tabela Periódica e indique o seu símbolo.

c) 34Se (importante no combate ao envelhecimento)

3. A que grupo da classificação periódica pertencem os elementos cujos números atômicos apresentam duas unidades a menos que os gases nobres do mesmo período?

d) 3Li (usado nas baterias de celulares e computadores)

4. Qual é o número atômico de um elemento pertencente ao:

a) 10Ne (usado em anúncios luminosos) b) 20Ca (constituinte dos ossos)

e) 6C (principal constituinte dos seres vivos)

a) grupo 1, 4o período?

2. Um átomo de halogênio tem 7 elétrons na camada

b) grupo 17, 2o período?

c) grupo 18, 4o período?

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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Conexões

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De acordo com o que foi estabelecido pela IUPAC, a expressão terras-raras – ou elementos de terras-raras – corresponde a um grupo de 17 elementos químicos: os lantanídeos (números atômicos entre 57 e 71) mais o escândio (21Sc) e o ítrio (39Y), todos eles pertencentes à coluna 3 (grupo 3). O nome atribuído a esses elementos tem relação com o aspecto dos minérios dos quais foram retirados os primeiros metais desse tipo (que lembravam terra) e com o fato de, na época, ter-se a ideia de que eles Na foto, em sentido horário a partir da parte central superior, estão óxidos dos seguintes elementos de terras-raras: praseodímio (Pr), cério (Ce), fossem muito raros. Com a evolução lantânio (La), neodímio (Nd), samário (Sm) e gadolínio (Gd). tecnológica, ficou mais viável a exploração de terras-raras. Mesmo assim, o fato de ocorrerem em concentrações muito pequenas, bastante misturados a outras substâncias, torna difícil o processo de separação. O que associa esses elementos à economia contemporânea? É que eles estão presentes em muitos produtos eletrônicos de última geração ligados ao nosso cotidiano, como telefones celulares, painéis solares, smartphones, tablets, lasers, superímãs, telas de tevês, entre outros. Leia o trecho a seguir, de uma reportagem sobre terras-raras em Minas Gerais.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/PEGGY GREB

Química e Economia – Terras-raras: importância na economia atual

Terras-raras fazem Araxá ser cobiçada pelas mineradoras Com menos de 100 mil habitantes, cidade atrai as gigantes do setor com produto essencial à informática. [...]

CASTILHO, Araripe. Folha de S.Paulo, 19 ago. 2012. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/fsp/ mercado/61566-terras-raras-fazem-araxa-ser-cobicadapelas-mineradoras.shtml>. Acesso em: 10 fev. 2016.

108

PULSAR IMAGENS/THOMAZ VITA NETO

O município de Araxá (MG) [...] virou o queridinho de gigantes do setor de mineração do Brasil, [...] que começaram a ver possibilidades de novos lucros na cidade. O motivo vem da China, que concentra 97% da produção de terras-raras do mundo e, em 2010, passou a restringir suas vendas. Terras-raras são elementos químicos essenciais na fabricação de eletrônicos de alta tecnologia, como tablets, smartphones e telas de LCD. [...] Jazida de terras-raras em Tapira, cidade da região de Araxá (MG). Foto de 2014.

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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50° O RR

AP

Equador

AM

PA

CE

MA PI

AC

RN PE

TO

PB

SE

RO

ALLMAPS/ARQUIVO DA EDITORA

Localização das reservas brasileiras de terras-raras

AL

OCEANO ATLÂNTICO

BA MT DF

OCEANO PACÍFICO

GO

MG ES

MS SP

Trópico de Capricórnio

RJ

PR SC

DIVULGAÇÃO PNLD

Limite internacional Limite estadual

RS

0

510

1 020 km

Fonte: Reservas brasileiras e posição na Tabela Periódica. In: FRANÇA, Martha San Juan. Terras que valem ouro. Revista Unesp Ciência, abr. 2012. Disponível em: <http://www.unesp.br/aci_ses/revista_unespciencia/acervo/29/terrarara>. Acesso em: 10 fev. 2016.

Não escreva neste livro.

1. Por que a denominação terras-raras não é uma “boa escolha” para esse grupo de 17 metais de transição? 2. A seu ver, quais são as razões do interesse mundial nas descobertas de reservas de terras-raras no Brasil? 3. O Brasil tem descoberto reservas exploráveis de terras-raras, embora seja a China o país que detém a maior riqueza desses recursos. Além da China, outro país que possui reservas importantes, descobertas há relativamente pouco tempo, é o Afeganistão. Em grupos, façam uma pesquisa, em sites confiáveis da internet e em revistas científicas. Considerem os seguintes pontos: • Por que se diz que esses minerais são estratégicos? Qual o significado dessa expressão? • Considere o Brasil, a China e o Afeganistão. Quais são as principais questões envolvidas na exploração, importação e exportação desses minérios? Pondere sobre os aspectos que envolvem a história recente desses países, a existência ou não de conflitos internos e de estabilidade política, os interesses econômicos diversos dos países envolvidos, a existência ou não de quadros profissionais tecnicamente preparados para viabilizar a exploração e a comercialização dos recursos naturais, entre outras que possa julgar relevantes. 4. A exploração da jazida que aparece na foto da página ao lado mostra alguns danos que a mineração pode causar ao ambiente. Pesquise, em livros e sites, os impactos ambientais e sociais relacionados à exploração de minérios.

FRANÇA, Martha San Juan. Terras que valem ouro. Revista Unespciência, abr. 2012. Disponível em: <http:// www.unesp.br/aci_ses/ revista_unespciencia/ acervo/29/terrarara>. Acesso em: 21 dez. 2015. SIMPSON, Sarah. As riquezas enterradas do Afeganistão. Scientific American Brasil. Ano 10, n. 114, nov. 2011. SIMÕES, Janaína. Brasil tem uma das maiores reservas de terras-raras do planeta. Inovação Tecnológica, 24 maio 2011. Disponível em: <http://www. inovacaotecnologica. com.br/noticias/ noticia.php?artigo= reservas-terras-rarasbrasil#.VjyPM9KrTIU>. Acesso em: 21 dez. 2015.

Capítulo 5  Classificação periódica dos elementos químicos

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Conceito de propriedade periódica

DIVULGAÇÃO PNLD

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Na classificação ou Tabela Periódica, os grupos reúnem elementos com semelhanças no comportamento químico. Quanto às propriedades físicas, há uma tendência a que variem de forma gradativa. Vamos ver duas propriedades dos elementos químicos que são periódicas: o raio atômico e a energia de ionização. Observe o quadro a seguir. Nele estão representados, em escala, os raios atômicos dos elementos de alguns grupos da tabela. Nos grupos (verticais), o valor do raio atômico aumenta de cima para baixo e, nos períodos (horizontais), grosso modo, ele diminui da esquerda para a direita. Variação nos raios atômicos, em picômetros, dos elementos representativos 1

2

13

14

15

16

17

18

H

He

(37)

(31)

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

(152)

(112)

(82)

(77)

(70)

(73)

(72)

(71)

Na

Mg

Aℓ

Si

P

S

Cℓ

Ar

(186)

(160)

(143)

(118)

(110)

(103)

(100)

(98)

K

Ca

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

(227)

(197)

(135)

(122)

(120)

(119)

(114)

(112)

Rb

Sr

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

(248)

(215)

(167)

(140)

(140)

(142)

(133)

(131)

Cs

Ba

Tℓ

Pb

Bi

Po

At

Rn

(265)

(222)

(170)

(146)

(150)

(168)

(140)

(141)

Cores fantasia, sem escala (a representação é apenas um modelo e as partículas representadas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos). Picômetro é uma unidade de medida de comprimento que equivale a 10-12 m.

Fonte: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & chemical reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 377.

Como é calculado o raio atômico?

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Quando se pensa no raio de um átomo, pode-se imaginar que essa medida corresponda à distância entre seu núcleo, diminuto em relação ao átomo como um todo, e o elétron mais externo. Na verdade, isso é impossível. O que os estudiosos da estrutura da matéria conseguem determinar, então? A distância entre dois núcleos vizinhos. Desse modo, o conceito de raio atômico está relacionado com o nível de interação entre átomos de uma substância simples. Há casos r r em que as eletrosferas se interpenetram, devido a fortes interações entre os átomos (como a interação do hidrogênio com o cloro, por exemplo). Nesses casos, o raio se refere a determinada ligação química. Se considerarmos uma molécula composta de dois átomos idênticos, o Cores fantasia, sem escala. raio atômico (r) será igual à metade do valor da distância entre os núcleos.

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Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Atividades 1. Com base nos valores de raio atômico indicados no quadro da página anterior e na Tabela Periódica da página 106, faça um gráfico de raio atômico em função do número atômico para os elementos com Z de 1 a 20. Utilize papel quadriculado ou um computador. a) O que você nota sobre a forma do gráfico? b) A que grupo pertencem os elementos de maior raio atômico? E os de menor raio atômico? 2. Considere a informação: chamamos de energia de ionização (Ei) a energia necessária para retirar o elétron mais externo do átomo de um elemento no estado gasoso. A unidade de medida utilizada na energia de ionização é o elétron-volt, cujo símbolo é representado por eV.

DIVULGAÇÃO PNLD

Energia de ionização em função do número atômico Z

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ei (eV)

13,6

24,6

5,4

9,3

8,3

11,3

14,5

13,6

7,4

21,6

Z

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Ei (eV)

5,1

7,6

6,0

8,1

10,5

10,4

13,0

15,8

4,3

6,1

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 10-203. Nota: Os valores foram arredondados para facilitar a elaboração do gráfico.

a) Construa um gráfico de primeira energia de ionização em função do número atômico, com base nos valores fornecidos. Utilize papel quadriculado ou um computador. b) O que você nota sobre a forma do gráfico? c) A que grupo pertencem os elementos de maior energia de ionização? E os de menor energia de ionização?

Observação: Os valores que aparecem no quadro usado na questão 2 referem-se apenas à primeira energia de ionização, isto é, à energia necessária para retirar um único elétron por átomo. Trata-se do elétron que é mais facilmente removido do átomo.

Primeira energia de ionização (kJ mol–1)

Você teve a oportunidade de analisar exemplos e de construir gráficos que relacionam uma propriedade periódica com o número atômico. O que é um fenômeno periódico? Reflita sobre a frequência com que se repetem certos fatos: a data de seu aniversário, as esPrimeira energia de ionização em função do número atômico tações do ano, o dia e a noite, o pingar de uma torneira, a publicação de uma revista ou de um pontos máximos gases nobres (18) 2 500 He jornal. São episódios que se repetem com certa Ne pontos mínimos alcalinos (1) 2 000 regularidade, isto é, são periódicos. Ar Apesar de as propriedades periódicas dos eleKr 1 500 Xe mentos não variarem de modo perfeito ao longo H Rn 000 1 da Tabela Periódica, com base nessas variações é possível fazer previsões sobre o comportamento 500 Li Na químico e os valores aproximados de algumas Rb Cs K 0 propriedades físicas dos elementos, de acordo 10 20 30 40 50 60 70 80 90 com a posição que ocupam na tabela. Número atômico (Z) Compare o gráfico que você construiu com Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 336. o que está ao lado: Capítulo 5  Classificação periódica dos elementos químicos

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3. Você analisou duas propriedades periódicas – raio atômico e energia de ionização. Procure explicar, com suas palavras, o que é uma propriedade periódica.

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DIVULGAÇÃO PNLD

Quando um átomo se transforma em íon, seu raio é alterado. Assim, o cátion Ca 21 é menor que o átomo neutro Ca. Por quê? Observe ao lado. Analisando as configurações eletrônicas do átoCa: 2 — 8 — 8 — 2 Ca21: 2 — 8 — 8 20 20 mo e do íon de cálcio, nota-se que o Ca21 tem uma camada eletrônica 22 e2 a menos que o Ca. Por isso, genericamente podemos dizer que um cátion é sempre menor que o átomo correspondente. E no caso de ânions? Com o aumento do número de elétrons na última camada, ocorre uma repulsão maior entre eles, o que resulta Cℓ: 2 — 8 — 7 Cℓ2: 2 — 8 — 8 17 17 em um raio maior. Por isso, um ânion é maior do que o átomo corres11 e2 pondente (veja ao lado a representação do átomo e do íon de cloro). Espécies químicas de elementos distintos que possuem o mesmo número de elétrons (isoeletrônicas) têm raios diferentes porque a força de atração que o núcleo de um átomo – de carga positiva − exerce sobre cada elétron é tanto maior quanto maior for a carga nuclear. Ou seja, quanto mais Ilustrações produzidas este conteúdo. Cores prótons houver no núcleo de um átomo, mais seus elétrons se aproximam dele, fazendo para fantasia, sem escala. com que o raio da espécie se torne menor. Observe as espécies representadas abaixo.

Número de p1

Número de e2

Aℓ 31

Mg 21

Na1

Ne

F2

13

12

11

10

9

10

10

10

10

10

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ ARQUIVO DA EDITORA

Comparando raios de átomos aos de íons

Repare que as espécies representadas acima são isoeletrônicas. Elas têm, portanto, a mesma configuração eletrônica: 2 — 8 (10 elétrons); entretanto, têm tamanhos diferentes devido à maior atração pelo núcleo. Quanto maior a carga nuclear, maior a atração dos elétrons pelo núcleo, o que resulta em um raio menor. Não escreva neste livro.

Atividades Para fazer estas atividades, consulte a Tabela Periódica da página 106. 1. Para responder às questões dos itens a e b, considere o seguinte: O potássio (K) é um elemento que exerce importante papel em nosso organismo, regulando, por exemplo, os batimentos cardíacos. a) Qual é o número de prótons e de elétrons de um átomo de K? b) Em nosso organismo, o potássio se encontra na forma de íons potássio de carga 11. Qual é o número de prótons e de elétrons do K1? 2. O argônio (Ar) é um gás que, por não ser reativo, é usado quando se necessita de uma atmosfera que elimine o risco de incêndios. É o caso de seu

112

emprego em soldagens de metais a altas temperaturas quando há risco de explosão. Qual é o número de prótons e de elétrons do Ar? 3. O cloro (Cℓ) é um elemento que está presente em fluidos de nosso organismo na forma de íons cloreto (Cℓ2), atuando, por exemplo, na transmissão de impulsos nervosos. Qual é o número de prótons e de elétrons do Cℓ2? 4. Considere as espécies K e K1. Qual tem maior raio? Por quê? 5. Considere as espécies K1, Ar e Cℓ2. Qual tem maior raio? Por quê? 6. “Espécies isoeletrônicas têm mesmo raio.” Você concorda com a afirmação? Por quê?

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Dois grandes grupos: metais e não metais De acordo com um conjunto de propriedades (condutibilidade elétrica, condutibilidade térmica, por exemplo), os elementos podem ser classificados em metais e não metais. Observe a posição desses grupos na Tabela Periódica: 1

H

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Posição de metais e não metais na Tabela Periódica 18

2

13

14

15

16

17

B 3

5

4

6

7

8

9

10

11

12

Si Ge

NÃO METAIS As Sb

METAIS

Te

DIVULGAÇÃO PNLD

Po

Os elementos simbolizados por B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po eram, até pouco tempo, chamados de semimetais. Oficialmente, hoje, B, Si, As e Te são considerados não metais, e Ge, Sb e Po, metais.

Metais O enorme uso que as substâncias metálicas têm em nosso cotidiano é explicado por algumas propriedades que as caracterizam: ▸▸ são boas condutoras de eletricidade; por isso são empregadas em fios elétricos – geralmente de cobre − cobertos de plásticos, que são maus condutores elétricos (isolantes elétricos); ▸▸ apresentam brilho e cor; têm brilho típico e cor cinzenta (exceção feita ao cobre e ao ouro); ▸▸ são boas condutoras de calor; por esse motivo, são empregadas em panelas, assadeiras, ferros elétricos e outros aparelhos (por isso, seguramos uma panela quente ou um ferro elétrico pelo cabo, feito de material mau condutor de calor − classificado como isolante térmico); ▸▸ apresentam baixa energia de ionização; graças a essa propriedade, metais perdem elétrons com relativa facilidade, transformando-se em cátions (isso explica a presença de íons metálicos em muitos compostos, como será possível constatar ao longo do estudo de Química). Observe, agora, os valores de temperaturas de fusão e de ebulição de alguns metais: Temperaturas de fusão e ebulição de alguns metais a 1 atm Metal Fórmula da substância simples Temperatura de fusão (°C) Temperatura de ebulição (°C)

lítio

rubídio

césio

ouro

magnésio

mercúrio

tungstênio

Li

Rb

Cs

Au

Mg

Hg

W

180,5

39,3

28,5

1 064,2

650,0

238,8

3 422,0

1 342,0

688,0

671,0

2 856,0

1 090,0

356,6

5 555,0

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-57, 4-65, 4-71, 4-73, 4-75, 4-85, 4-96.

Capítulo 5  Classificação periódica dos elementos químicos

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MATRIZ NOVA

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Com base na tabela da página anterior, procure refletir sobre o estado físico desses metais a 25 °C. Quais são sólidos? Quais são líquidos? Você conhece metais que, nas condições ambientes, estejam no estado gasoso? Alguns metais têm temperatura de fusão próxima da temperatura ambiente padronizada (25 °C); no que isso influi? Você deve ter concluído que, a 25 °C e 1 atm (nível do mar), os metais na forma de substâncias simples são sólidos, com exceção do mercúrio, que é líquido. A maioria das substâncias metálicas tem temperatura de fusão elevada. Entretanto, analisando os dados da tabela anterior, é possível notar que há metais com temperaturas de fusão relativamente mais baixas, como o rubídio (39,3 °C), o césio (28,5 °C) e o mercúrio (238,8 °C).

Ligação metálica

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Como se explica a alta condutividade elétrica dos metais? Um material é bom condutor de eletricidade quando possui cargas elétricas móveis, isto é, cargas que podem se movimentar nesse material. Uma das propriedades dos metais é o baixo número de elétrons nos níveis energéticos mais externos e os valores relativamente baixos das energias de ionização envolvidas na retirada dos elétrons mais afastados do núcleo. Tendo em vista a baixa atração do núcleo pelos elétrons mais externos, o modelo usado para explicar as propriedades dos metais supõe que esses elétrons possam se mover com liberdade entre os vários cátions metálicos. Lembre-se de que esses cátions nada mais são do que os núcleos dos átomos, de carga positiva, mais os elétrons que não fazem parte dessa nuvem de elétrons móveis; portanto, íons cujo saldo de carga é positivo. Esses cátions, geometricamente dispostos, ficam, portanto, imersos em uma “nuvem” ou “mar” de elétrons fracamente atraídos pelos seus núcleos. Esses elétrons móveis que constituem o chamado gás eletrônico funcionam como uma verdadeira cola que une os cátions e explicam a alta condutividade elétrica e térmica dos metais. O termo gás provém da analogia entre as partículas móveis de um gás e os elétrons livres do metal. Na forma de substância simples, um metal consiste em um agregado organizado com número (n) muito grande de átomos. Por isso, poderíamos representá-los por Fen, Aun, etc., indicando que o número de átomos necessários para formar uma unidade básica da substância simples é variável. No entanto, por simplificação, representa-se um metal apenas por seu símbolo. A geometria determinada pelos cátions que formam o retículo cristalino – a menor unidade que se repete na estrutura e que mantém as características da organização dos átomos no sólido cristalino – varia de acordo com o metal.

Observação: O modelo do gás eletrônico não é capaz de explicar certas propriedades dos metais. Por isso, foram elaborados modelos mais complexos, que fogem aos objetivos deste curso.

Modelo representativo do cristal de ferro Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Na ampliação (representada à esquerda), podemos ver um esquema do retículo cristalino (representado à direita), unidade que se repete na estrutura do cristal. 114

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Não metais Os elementos não metálicos, na forma de substâncias simples, em geral são maus condutores de calor e de eletricidade, não têm brilho e podem apresentar coloração variável. Assim, à temperatura ambiente e pressão de 1 atm, o enxofre é um sólido amarelo, o cloro, um gás amarelo-esverdeado e o bromo, um líquido avermelhado. Observe na tabela abaixo os valores de temperaturas de fusão e de ebulição de algumas substâncias simples não metálicas. Temperaturas de fusão e ebulição a 1 atm de algumas substâncias simples não metálicas Não metal

flúor

cloro

bromo

iodo

oxigênio

enxofre

nitrogênio

S8

Fórmula da substância simples

F2

Cℓ 2

Br2

I2

O2

Temperatura de fusão (°C)

2219,7

2101,5

27,2

113,7

2218,8

115,2

2210,0

Temperatura de ebulição (°C)

2188,1

234,0

58,8

184,4

2182,9

444,6

2195,8

N2

(rômbico)

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-53, 4-58, 4-64, 4-67, 4-78, 4-79 e 4-92.

Nota: O enxofre possui duas formas alotrópicas. A 95,3 °C, a forma rômbica (mais estável) se transforma na forma monoclínica, que se funde a 115,2 °C. Estados físicos das substâncias simples constituídas pelos elementos (a 25 °C, 1 atm) 1

18 8A

1A 1

1

Grupo Família

H

2

P e r í o d o

2A 3

2 11

3

Li Na

4

Be

19

37

5 55

6 87

7

K Rb Cs Fr

13

número atômico

Símbolo

sólido

gasoso

líquido

artificial

5

20

38

56

88

Ca Sr

B

13

Mg

3

4

21

Sc

39

Y

4B 22

40

Ti Zr

57-71

72

89-103

104

Ba La-Lu Ra Ac-Lr

5

Hf Rf

6

5B 23

41

73

V Nb Ta

105

Db

7

6B 24

Cr

42

Mo

74

W

106

Sg

8

7B 25

Mn

43

75

Tc Re

9

8B 26

44

76

Fe Ru Os

10

8B 27

45

77

Co Rh Ir

14

3A

12

3B

4

2

11

8B

28

Ni

46

Pd

78

Pt

12

1B

29

Cu

47

79

Ag Au

Aℓ

15

4A

6

C

14

Si

16

5A

7

N

15

P

8

O

16

S

He

17

6A

7A

9

F

17

Cℓ

10

18

Ne Ar

2B

30

48

Zn Cd

80

Hg

31

49

81

Ga In Tℓ

32

50

82

Ge Sn Pb

33

51

83

As Sb Bi

34

52

Se Te

84

Po

35

53

85

Br l At

36

54

86

Kr Xe Rn

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

96

97

101

102

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Considerando uma temperatura de 25 °C e 1 atm, ao analisar os dados da tabela, você pode concluir que o bromo é líquido; várias outras substâncias, como cloro, flúor, oxigênio e nitrogênio, são gasosas e outras, como iodo e enxofre, são sólidas.

Cn

Uut

Fℓ

Uup

Lv

Uus

Uuo

Série dos lantanídeos 57

La

58

Ce

59

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Série dos actinídeos 89

Ac

90

Th

91

Pa

92

U

93

Np

94

Pu

95

Am

Cm

Bk

98

Cf

99

Es

100

Fm

Md

No

103

Lr

Fonte: DAYAH, Michael. Dynamic Periodic Table, 2013. Disponível em: <http://www.ptable.com>. Acesso em: 10 fev. 2016.

Observação: As propriedades atribuídas aos elementos são, em geral, propriedades das substâncias simples que eles formam. Assim, ao dizermos que o iodo é sólido, ou que tem temperatura de fusão 114 °C, ou ainda que é mau condutor de eletricidade, estamos nos referindo à substância simples iodo, representada por I2 e formada por 2 átomos de iodo ligados entre si. Capítulo 5  Classificação periódica dos elementos químicos

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Atividades Para resolver os exercícios de 1 a 5, consulte a Tabela Periódica da página 106 e considere os elementos sódio, magnésio, carbono, hélio, fósforo, flúor e rubídio.

Não escreva neste livro.

1. A que grupo e período pertence cada um deles? 2. Qual deve ter o maior raio atômico? 3. Quais são os gasosos a 25 °C, ao nível do mar? E quais são os sólidos nessas condições? 4. Quais são metais? 5. Pelo posicionamento na Tabela Periódica, você estima que o fósforo sólido seja um bom condutor de eletricidade? Por quê? 6. Qual é a cor de um objeto feito de cobre? Uma substância composta que contém íons de cobre deve ter necessariamente a mesma cor? 7. Leia o texto a seguir e responda ao que se pede.

DIVULGAÇÃO PNLD

O chumbo e a saúde humana As propriedades tóxicas do chumbo e de seus compostos, apesar de conhecidas há muito tempo, continuam causando problemas para a saúde das pessoas e danos ao meio ambiente. Hoje não são mais utilizados encanamentos de chumbo e taças ou garrafas de bebidas fabricadas com este metal, como foi na Roma antiga. Tampouco são usadas tintas à base de óxido de chumbo, PbO, que podem intoxicar as pessoas e os animais. A diminuição do uso de gasolina contendo chumbo, implementada há mais de duas décadas, reduziu significativamente a concentração desse metal no meio ambiente. Particularmente no Brasil, o chumbo adicionado à gasolina como agente antidetonante foi totalmente substituído pelo etanol, que também atua como antidetonante, impedindo ou retardando a detonação nos motores à explosão. Apesar de todos os cuidados, ainda são observados casos de intoxicações agudas e crônicas por chumbo, cada vez mais difíceis de serem diagnosticadas. No Brasil, este tipo de intoxicação não tem uma classificação adequada quanto à sua ocorrência, principalmente pela falta de um número maior de registros estatísticos sobre o assunto. [...] Atualmente, o chumbo ainda é um poluente presente nas nuvens de poeira que se formam nas demolições de prédios e residências pintados há muitos anos. As paredes de casas antigas contêm elevada quantidade de chumbo, uma vez que um dos pigmentos utilizados nas tintas era o óxido de chumbo, PbO. Quando as casas antigas são demolidas, este óxido de chumbo pode ser inalado pelos trabalhadores em elevada quantidade, causando distúrbios respiratórios. A exposição prolongada pode acarretar problemas mais sérios aos trabalhadores, com destaque àqueles de origem neurológica. [...] [...] Além do chumbo, outros metais pesados como o mercúrio e o cádmio são altamente nocivos ao organismo humano. [...] MASSABNI, Antonio Carlos; CORBI, Pedro Paulo; CAVICCHIOLI, Maurício. Agentes para desintoxicação. Química viva (CRQ-IV), mar. 2011. Disponível em: <http://www.crq4.org.br/o_chumbo_e_a_saude_humana_ agentes_para_desintoxica>. Acesso em: 17 jan. 2016.

116

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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a) De acordo com o texto, quais eram as principais fontes de exposição de chumbo no passado? E as atuais? b) O texto menciona, além do chumbo, outros elementos prejudiciais à saúde humana. Indique quais são e em qual período da Tabela Periódica eles se encontram.

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DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

8. Em um jogo adaptado de batalha-naval utilizando a Tabela Periódica como tabuleiro, os alunos tentavam descobrir em que posição se encontravam os objetos de seu colega que foram dispostos na Tabela Periódica, como pode ser observado na fotografia abaixo. Para isso, cada aluno informava uma coordenada, por exemplo, G1 P1 – onde G1 indica o grupo 1 e P1, o 1o período da Tabela Periódica. Caso o aluno acertasse a posição do objeto, poderia informar novas coordenadas até acertar completamente a posição de todos os objetos.

Adaptação do jogo batalha-naval utilizando a Tabela Periódica.

Consulte a Tabela Periódica da página 106 para responder aos itens abaixo e considere que os objetos não poderiam ocupar a região correspondente aos metais de transição interna – séries dos lantanídeos e dos actinídeos. a) Um dos alunos acertou a posição do objeto de seu colega com as coordenadas: G13 P3 e G13 P4. Quantos elementos foram indicados pelo aluno? Quais foram? b) Se um dos alunos tivesse colocado um objeto nos espaços correspondentes aos elementos molibdênio, tecnécio e rutênio, quais coordenadas teriam de ser ditas para descobrir a localização desse objeto? c) O professor colocou na Tabela Periódica um objeto que ocupava um quadrado e deu as seguintes dicas para que os alunos descobrissem: • é um elemento representativo; • a última camada eletrônica do elemento apresenta 6 elétrons; • o elemento apresenta elétrons nas camadas eletrônicas K, L, M e N. De acordo com essas informações, em que parte da Tabela Periódica se localizava o objeto colocado pelo professor?

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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6

Ligações químicas: uma primeira abordagem

LATINSTOCK/CORBIS/WOLFGANG KAEHLER

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capítulo

Mina de cloreto de sódio do século XIII transformada em atração turística na Polônia. Foto de 2008.

Para situá-lo

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Em capítulos anteriores, você teve oportunidade de estudar teorias e modelos elaborados por estudiosos da ciência. Foi convidado a conhecer mais sobre a linguagem e os símbolos utilizados em Química, bem como os constituintes das substâncias. Observe a imagem a seguir:

D

1 Cores fantasia, sem escala.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • ligações iônicas e covalentes; • eletronegatividade e polaridade das ligações; • fórmulas estruturais e de Lewis; • propriedades de substâncias iônicas e covalentes.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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©SHUTTERSTOCK/ROBERT KYLLO

A representação que você viu na página ao lado é um dos recursos de linguagem utilizados em Química. Você sabe o que ela significa? Outra forma de representação são as fórmulas, símbolos utilizados para representar as substâncias. Você já teve contato com algumas dessas fórmulas, como a da água, que é bastante conhecida, e a do cloreto de sódio, NaCℓ. As fórmulas estão associadas às unidades representativas de uma substância, constituída de aglomerados de partículas (átomos ou íons) ligadas. No caso da água, as unidades que a constituem, as moléculas, são formadas por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, o que está explicitado em sua fórmula molecular, H2O. Nas condições em que se encontram, esses aglomerados existem naturalmente, o que nos permite deduzir que, quando os átomos dos elementos constituintes estão ligados, devem apresentar maior estabilidade do que se estivessem isolados. Uma molécula H2O, por exemplo, deve ser mais estável do que seus constituintes, ou seja, os átomos de hidrogênio e oxigênio isolados. Assim como se associa à água a fórmula H2O, o cloreto de sódio é representado por NaCℓ. Já para representar o gás hélio, utilizado para encher balões de festa, é utilizado apenas seu símbolo, He. Qual a razão dessa diferença?

Balão preenchido com o gás hélio. Esse gás é representado apenas por seu símbolo, assim como os demais gases formados pelos elementos do grupo 18 da Tabela Periódica.

Neste capítulo, vamos estudar algumas explicações sobre como os átomos se unem para formar substâncias. Vamos analisar também as fórmulas e os modelos associados a essas explicações, relacionando-os às propriedades dos diferentes tipos de substâncias. Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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Até a década de 1960, os cientistas não conheciam nenhum composto formado por gases nobres. Por isso, esses elementos eram chamados de inertes, isto é, não se ligavam quimicamente a outros átomos. Na natureza, os gases nobres são encontrados como átomos isolados. Se era verdade que os átomos desses elementos não se ligavam quimicamente, nem mesmo a átomos de elementos muito reativos, podia-se concluir que tinham grande estabilidade. Foi por essa razão que as primeiras teorias relevantes que buscavam explicar as ligações químicas tomaram como referência os gases nobres. É importante destacar que essas teorias, embora muito úteis até os dias de hoje, não explicam todas as possibilidades de ligação entre os átomos dos vários elementos. Duas dessas teorias, que veremos mais adiante, foram levadas a público, em 1916, de forma independente: uma era a do cientista alemão Walther Kossel (1888-1956), que tratava da ligação iônica, e a outra, a do estadunidense Gilbert Newton Lewis (1875-1946), cujo enfoque era a ligação covalente, complementada em 1919 por Irving Langmuir (1881-1957). É importante lembrar que, nessa época, havia apenas três anos que Bohr propusera a explicação sobre a estrutura atômica, usada como base dessas teorias. Como você já viu, os gases nobres têm 8 elétrons no último nível de energia, chamado de camada de valência, exceção feita ao hélio, que tem apenas uma camada com 2 elétrons. Concluiu-se que essa configuração eletrônica conferia estabilidade ao átomo ou ao íon formado a partir dele. Foi com base nesse raciocínio que se elaborou a teoria eletrônica das ligações ou teoria do octeto, ou seja, a tendência de os elementos representativos apresentarem a última camada Gilbert Newton Lewis, físico-químico estadunidense, propôs em 1916 completa quando formam substâncias. um modelo para explicar as ligações químicas. Foto de 1937.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY

Os gases nobres e a teoria eletrônica das ligações

Ligação iônica Ligação iônica é um tipo de ligação química que se dá por meio da atração entre íons de cargas opostas. Os íons se formam graças à transferência de elétrons de um átomo para outro. Em geral, há um átomo que tende a ceder elétrons (metal), constituindo o cátion, e outro que tende a recebê-los (não metal) e que participa do ânion. Para que você entenda o que é uma ligação iônica, vamos ver como ela acontece no caso do cloreto de sódio (NaCℓ) e do cloreto de magnésio (MgCℓ 2).

Cloreto de sódio Você viu no capítulo anterior que os metais conduzem corrente elétrica em razão da mobilidade de seus elétrons. Para que haja corrente elétrica, é necessário que partículas com carga elétrica estejam presentes e que possuam mobilidade. O cloreto de sódio no estado líquido é bom condutor elétrico por causa da mobilidade de seus íons. No estado sólido, porém, o cloreto de sódio é mau condutor de eletricidade porque os íons não estão livres para se movimentar. 120

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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O modelo proposto por Kossel para explicar a ligação iônica no cloreto de sódio é coerente com a condutibilidade elétrica dessa substância no estado líquido. Veja por quê. Sejam as configurações eletrônicas: ▸ Na: 2 2 8 2 1 11 ▸ Cℓ: 2 2 8 2 7 17 Para que o sódio (Na) atinja a configuração eletrônica de um gás nobre, ou seja, tenha 8 elétrons na última camada, é necessário que perca seu último elétron; com isso, sua configuração fica idêntica à do neônio (10Ne), o gás nobre mais próximo dele na Tabela Periódica. Para que o mesmo aconteça com o cloro (Cℓ), é preciso que ele aumente em um seu número de elétrons, isto é, que ganhe um elétron e fique com a configuração do argônio (18Ar). Quando isso acontece, formam-se íons, pois o número de elétrons desses elementos fica diferente do número de prótons. Observe: Na (átomo)

Cℓ (átomo)

11 p1

17 p1

11 e2

10 e2

17 e2

18 e2

np1 5 ne2

np1 . ne2

np1 5 ne2

np1 , ne2

11 p1

2 1 e2

1 1 e2

17 p1

Na ligação iônica, temos sempre uma transferência de elétrons. Vamos representar o exemplo da formação de NaCℓ de outro modo:

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

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Cℓ2 (ânion)

Na1 (cátion)

Na 11 elétrons 2–8–1

Na1 10 elétrons 2–8

Cℓ 17 elétrons 2–8–7

Cℓ2 18 elétrons 2–8–8

Representação da transferência de elétrons entre os átomos de Na e Cℓ, formando íons de cargas opostas, Na1 e Cℓ2. Lembre-se de que, na natureza, não são encontrados átomos de sódio ou de cloro isolados.

Podemos indicar o processo que origina a ligação iônica usando a notação de Lewis. De acordo com ela, representamos os elétrons do nível mais externo, chamado de camada de valência, de um átomo por pontos:

Na 1 Cℓ

Na

1

1 Cℓ

2

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para o cloreto de sódio.

O cloreto de sódio pode também ser representado por sua fórmula iônica: Na1Cℓ2. Após a ligação, continuamos tendo os mesmos elementos químicos e, portanto, os mesmos símbolos, já que não houve alteração dos núcleos atômicos. Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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Cores fantasia, sem escala. EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Como os íons Na1 e Cℓ2 têm cargas de sinais opostos, eles se atraem; e, como a quantidade de carga é a mesma, eles formam um retículo cristalino na proporção 1 : 1. Tal retículo caracteriza-se pela distribuição geométrica dos íons no espaço. Observe a ilustração ao lado: Dois modelos do retículo cristalino do NaCℓ. À esquerda, os íons foram representados mais afastados apenas para facilitar a visualização da estrutura cúbica, o que é menos evidente na representação à direita, na qual os núcleos estão mais próximos. Observe que os íons Na1 são menores que os íons Cℓ2. O raio iônico do Na1 é menor que o do Cℓ2, o que explica essa diferença.

Cℓ2

Na1

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A ligação iônica origina um retículo cristalino iônico graças à interação entre os inúmeros íons que o constituem. A maioria dos compostos constituídos por íons encontra-se no estado sólido nas condições ambientes (25 °C, 1 atm). Já dissemos que os átomos se ligam de modo que o conjunto formado tenha maior estabilidade do que o conjunto dos átomos isolados. Estudos posteriores permitem que essa ideia de maior estabilidade seja traduzida em termos de menor energia potencial, isto é, EAB , EA 1 EB, onde: ▸ E representa a energia potencial; ▸ A e B representam átomos antes da ligação; ▸ AB representa o composto resultante da ligação. Considere a analogia: um corpo que é largado a certa Forma cúbica do cristal de cloreto de sódio, NaCℓ, altura (onde tem certa energia potencial) cai até o solo, por visível a olho nu. Observe que ela é semelhante à forma do retículo cristalino, que não é visível nem com exemplo, ficando em uma situação mais estável. Desse instrumentos ópticos sofisticados. modo, sua energia potencial passa a ser menor que antes. No exemplo usado, a energia potencial em jogo é mecânica, enquanto a envolvida no caso das ligações químicas é de natureza elétrica. No capítulo anterior, vimos que a retirada de elétron de um átomo no estado gasoso corresponde a um consumo de energia, chamada de energia de ionização. Isso nos leva à questão: considerada a ligação presente no NaCℓ, de que forma um átomo como o de sódio ficaria mais estável perdendo um elétron se, para isso, se deve fornecer energia? Na verdade, há vários processos em jogo: a energia de ionização para formar o cátion, a energia envolvida na chegada do elétron ao átomo de cloro e a resultante das interações elétricas entre os íons Na1 e Cℓ 2, que originam o sólido cloreto de sódio. Esta última contribui para a união entre os íons, originando o conjunto que é representado por NaCℓ.

©SHUTTERSTOCK/RUNI

Fonte: CHANG, R. Chemistry. 5th ed. Highstown: McGraw-Hill, 1994. p. 55.

Não escreva neste livro.

Atividade O fluoreto de cálcio é encontrado na natureza no minério chamado de fluorita. Trata-se do principal recurso usado para a obtenção do gás flúor. Levando em conta que o fluoreto de cálcio é um composto iônico, formado por 20Ca e F, responda: 9 a) Qual é a carga do cátion no fluoreto de cálcio?

122

b) E a carga do ânion? c) Para que o conjunto que se forma seja eletricamente neutro, qual deve ser a proporção do número de cátions para o de ânions? d) Faça uma representação da ligação usando a fórmula de Lewis. Não se esqueça de indicar as cargas.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Cloreto de magnésio O cloreto de magnésio (MgCℓ 2) é uma substância usada para diversos fins. Pode ser encontrado em suplementos alimentares, pois é fonte de magnésio para o organismo pela facilidade de liberar íons Mg21. Também é usado como coagulante, por exemplo, na preparação de tofu a partir do leite de soja. Como se dá a ligação química entre 12Mg e 17Cℓ? Veja: ▸ Mg: 2 2 8 2 2 grupo 2 precisa perder 2 e2 para completar o octeto, ou seja, 12 ter oito elétrons na última camada. ▸ Cℓ: 2 2 8 2 7 grupo 7 precisa receber 1 e2 para completar o octeto. 17 São necessários 2 átomos de Cℓ para 1 de Mg. De acordo com a representação de Lewis, temos:

Mg 1

Cℓ

Mg

Cℓ

21

1

Cℓ

Cℓ

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para o cloreto de magnésio.

Esquema simplificado da transferência de elétrons na ligação entre Mg e Cℓ

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Mg Antes da ligação

Depois da ligação

12 p

1

Cℓ 17 p

Cℓ 17 p

1

1

12 e2

17 e2

17 e2

12 p1      22 e2

17 p1      11 e2

17 p1      11 e2

10 e2

18 e2

18 e2

A fórmula do cloreto de magnésio é MgCℓ 2. Essa fórmula indica a proporção de 1 átomo de Mg para 2 de Cℓ. Ou melhor: essa proporção é de 1 cátion de carga 12, Mg21, para 2 ânions de carga 21, Cℓ2. Assim, cada conjunto de 3 íons terá carga total zero.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Tanto o ferro sólido como o cloreto de sódio (sal de cozinha) fundido conduzem corrente elétrica. O que há no ferro e no sal fundido que possa explicar tal comportamento? 2. Utilizando a notação de Lewis, represente a transferência de elétrons que dá origem aos compostos abaixo mencionados: a) Cloreto de potássio, formado por 19K e 17Cℓ. Trata-se de um composto usado tanto na preparação de fertilizantes para a agricultura como no sal diet, usado na dieta de pessoas hipertensas. b) Óxido de cálcio, composto formado por 20Ca e O, substância usada na construção civil, no 8 preparo da argamassa. c) Hidreto de lítio, formado por 3Li e 1H, uma subs-

tância bastante usada como gerador de gás hidrogênio – por simples adição de água, esse sólido libera H2. 3. Quando o hidrogênio, H, recebe um elétron e se transforma em ânion, podemos dizer que esse elemento químico passa a ser hélio? Por quê? 4. Quantos prótons e quantos elétrons tem o íon de cálcio? (Veja no item b da questão 2.) 5. Por que o íon de oxigênio pode ser representado por O2−? 6. Dê a fórmula de Lewis dos compostos binários formados pelos elementos: a) 3Li e 8O

c) 13Aℓ e 8O

b) 13Aℓ e 9F

Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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7. Considere o trecho da letra da canção “Quanta”, de Gilberto Gil:

b) Eles são metais ou não metais? c) Eles tendem a formar cátions ou ânions? d) Qual é o valor da carga de cada um dos íons desses elementos?

Mel de urânio, sal de rádio Qualquer coisa quase ideal

e) Qual é a relação entre o valor da carga e a posição do elemento na classificação periódica?

GIL, Gilberto. Quanta. Intérprete: Gilberto Gil In: Gilberto Gil. Quanta. Warner Music, 1998.

Suponha que o sal mencionado na letra seja o brometo de rádio. Localize o rádio (Ra) e o bromo (Br) na classificação periódica e escreva a fórmula desse composto. Indique também a carga do cátion e do ânion.

8. O césio 137 é usado em radioterapia. Que número de massa ele tem quando está na forma de cátion? Justifique.

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9. Copie a tabela abaixo em seu caderno, preenchendo-a com os números corretos. Z

A

n p1

ne 2

nn 0

Íon Cℓ2

17

37

/////////

/////////

/////////

Íon Ba21

/////////

/////////

/////////

54

81

10. Localize Mg, Aℓ, Ca, Li e K na classificação periódica. Em seguida, responda: a) Em que grupos eles se encontram?

11. Localize F, Cℓ, O, S na classificação periódica e responda: a) Em que grupos eles se encontram? b) Eles são metais ou não metais? c) Eles tendem a formar cátions ou ânions? d) Qual é o valor da carga de cada um dos íons? 12. Dê as fórmulas dos compostos binários dos pares de elementos abaixo. Indique, em cada caso, a carga dos íons formados. a) Ba e F b) Ca e Cℓ c) K e O d) Rb e H 13. Quantos cátions e ânions são necessários para formar um conjunto estável nos compostos da atividade anterior?

Algumas generalizações Íons dos metais É possível o átomo de um metal perder 1, 2 ou 3 elétrons para se transformar em íon de carga 11, 12 e 13, respectivamente. Cátions grupo 1 grupo 2

E (E: Li, Na, K, Rb, Cs)

A Z

E (E: Mg, Ca, Sr, Ba)

A Z

2 1 e2 22e

E11

A Z

2

E21

A Z

Íons dos não metais Átomos dos grupos 17 e 16 e alguns do grupo 15 tendem a receber 1, 2 ou 3 elétrons, adquirindo, respectivamente, cargas 21, 22 e 23. Ânions grupo 16 grupo 17

E (E: 0, S, Se, Te)

A Z

E (E: F, Cℓ, Br, l)

A Z

1 2 e2 11e

E22

A Z

2

E12

A Z

O H, que tem um elétron na primeira camada, pode estabilizar-se recebendo mais um, já que esse nível comporta apenas dois elétrons. 124

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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Ligação covalente ou molecular Assim como Kossel explicou a ligação iônica a partir da teoria do octeto, Lewis fez o mesmo em relação à ligação covalente. Ligação covalente ou molecular é a que se dá por compartilhamento de par de elétrons; os elétrons da ligação passam a pertencer aos dois átomos ligados. Chamamos molécula ao conjunto formado pelos átomos unidos por ligações covalentes. Como se dá essa ligação? Veja os exemplos a seguir.

Cloro O gás cloro é uma substância simples formada pelo elemento cloro, do grupo 17: Elemento

Distribuição eletrônica

Cℓ

2

17

8

Para atingir o octeto

7

falta 1 elétron

Na ligação entre dois átomos de cloro, Cℓ, ambos precisam de um elétron para se estabilizar. Nesse caso, forma-se um par eletrônico para o qual cada um dos átomos de cloro fornece um elétron, que passa a ser compartilhado pelos dois átomos.

Cℓ

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para a molécula de cloro.

Esse tipo de ligação é chamada de covalente. Ela é formada pelo compartilhamento de par(es) de elétrons. Após a ligação, o par de elétrons (assinalado) passa a pertencer aos dois átomos que, então, passam a ter 8 elétrons cada um, no último nível. O conjunto formado constitui a molécula de cloro e é eletricamente neutro, isto é, não há predomínio de cargas positivas ou negativas. Como não houve transferência de elétrons, não há íon. Além da fórmula de Lewis, usamos a fórmula estrutural, em que cada par eletrônico comum é representado por um traço (—), e a fórmula molecular, na qual o símbolo é acompanhado do número de átomos que participa da molécula – no caso, 2; por isso, Cℓ 2.

Cℓ

Cℓ

Fórmula eletrônica ou de Lewis

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ALM

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Cℓ

O cloro é um gás esverdeado, que tem propriedades bactericidas. É utilizado em estações de tratamento de água e em piscinas; em indústrias, é usado para o branqueamento de celulose e a fabricação de PVC, entre outros fins.

Cℓ — Cℓ

Cℓ2

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

Metano O metano, principal componente do gás natural, é uma alternativa de combustível menos poluente que a gasolina ou o carvão; isso porque sua queima dificilmente dá origem a fuligem ou monóxido de carbono, gás bastante tóxico. Recentemente foram localizadas grandes reservas desse gás no Brasil. O metano é um gás produzido em pântanos, plantações de arroz e no sistema digestório de animais, especialmente dos ruminantes (gado, por exemplo). Entretanto, quando liberado na atmosfera, esse gás tem efeito mais intenso do que o do gás carbônico no agravamento do efeito estufa.

Gás natural: combustível fóssil geralmente presente em poços de petróleo e matéria-prima para o GNV (gás natural veicular).

Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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A substância metano é formada por átomos de dois elementos químicos: carbono e hidrogênio. Trata-se, portanto, de um composto binário. Elemento C

2

H

1

6 1

Distribuição eletrônica

Para atingir o octeto

4

faltam 4 elétrons falta 1 elétron

Cada ligação covalente representa mais um elétron para cada átomo que nela está envolvido. Desse modo, para cada átomo de carbono são necessários 4 átomos de hidrogênio. O conjunto formado é a molécula de metano, representada por CH4.

H | H—C—H | H

CH4

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

H H

C

H

H Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

Não escreva neste livro.

Atividades DIVULGAÇÃO PNLD

1. A água é uma substância líquida nas condições ambientes. Se seu comportamento é justificado por ligações covalentes, você considera que ela deve ser um bom condutor de eletricidade? Explique. 2. Nos itens a, b e c, abaixo, são fornecidas as fórmulas moleculares de algumas substâncias. Represente-as pela fórmula de Lewis. a) H2O b) NH3 (amônia, gás usado como refrigerante) c) H2 (o combustível limpo) 3. Escreva as fórmulas estruturais de: a) HCℓ b) CHCℓ3 (clorofórmio) 4. Para responder às questões dos itens de a a e, utilize as substâncias seguintes: • nitrogênio (N2), o gás predominante no ar; • zinco (Zn), um dos componentes do bronze; • fluoreto de cálcio (CaF2), substância que se forma na superfície dos dentes após a aplicação local de compostos de flúor pelos dentistas; • ozônio (O3), gás que pode ser usado como bactericida; • níquel (Ni), presente em alguns aços; • cloreto de magnésio (MgCℓ2), que pode ser empregado como anticoagulante; • água (H2O); • iodo (I2), usado como desinfetante para fins medicinais. a) Quais são substâncias compostas? b) Quais são compostos iônicos? c) Quais são metais (formados por ligação metálica)? d) Quais conduzem bem a corrente elétrica no estado sólido? e) Quais são substâncias simples?

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Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Dióxido de carbono O dióxido de carbono é um dos gases que expelimos na respiração. Ele se forma também na combustão de matérias orgânicas, como gás natural, petróleo, madeira, álcool. O excesso desse gás no ar é o principal responsável pela intensificação do efeito estufa, associado ao provável aumento da temperatura terrestre e ao risco de desequilíbrios climáticos. A substância dióxido de carbono (ou gás carbônico) é um composto binário formado por 6C e 8O. Cada átomo de carbono compartilha 4 pares de elétrons e cada átomo de oxigênio, 2 pares: Elemento

Para atingir o octeto

C

2

4

faltam 4 elétrons

O

2

6

faltam 2 elétrons

6 8

Distribuição eletrônica

O

C

O— —C— —O

CO2

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

O

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

Nesse caso, existe dupla-ligação, isto é, 2 pares de elétrons entre o átomo de carbono e cada um dos átomos de oxigênio.

DIVULGAÇÃO PNLD

Nitrogênio O gás nitrogênio (N2) é uma substância simples formada pelo elemento nitrogênio (7N) do grupo 15. Os átomos de nitrogênio têm de compartilhar 3 pares eletrônicos para atingir uma situação mais estável por meio de ligação covalente. As fórmulas abaixo são usadas para representar a substância nitrogênio:

N

N— — —N

N2

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

N

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

O nitrogênio é usado na indústria alimentícia para evitar o contato do alimento com o oxigênio atmosférico – substância responsável pela deterioração dos alimentos. É matéria-prima para obtenção de substâncias como a amônia, com a qual se produzem fertilizantes, por exemplo. Nesse caso, existe tripla-ligação entre os átomos de nitrogênio, isto é, 3 pares eletrônicos são compartilhados entre os dois átomos.

Dióxido de enxofre O dióxido de enxofre (SO2) é um gás poluente que irrita o aparelho respiratório. A concentração desse gás é monitorada no ar das grandes metrópoles, como São Paulo. A maior parte dele provém da queima de combustíveis contaminados com substâncias que contêm enxofre. Observe a distribuição eletrônica para o S e o O e quantos elétrons são necessários para que a última camada eletrônica fique completa. Elemento

Distribuição eletrônica

Para atingir o octeto

S

2

8

O 8

2

6

faltam 2 elétrons

O

2

6

faltam 2 elétrons

16

8

6

faltam 2 elétrons

Se nesse gás houvesse somente 1 S para 1 O, teríamos a configuração a seguir: dupla-ligação (covalente comum)

S

O Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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Como fica resolvida a estabilidade do outro O, que também necessita de 2 elétrons? Ele usa um dos pares eletrônicos do S não utilizado em outra ligação. Essa ligação é chamada de covalente coordenada (antigamente chamada de covalente dativa). A representação mais antiga dessa ligação em uma fórmula estrutural é feita por uma seta que aponta para o átomo que "se vale" do par de elétrons de outro para completar a camada de valência. Observe:

O S

O

O

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

S— —O

SO2

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

Observações: A ligação indicada com retângulo na fórmula eletrônica do SO2 é covalente porque se dá por compartilhamento de par de elétrons, apesar de esses elétrons terem origem no átomo de enxofre. Modernamente, essa ligação é indicada por dois traços, como se fosse uma dupla-ligação covalente comum. Desse modo, o SO2 pode ser representado por:

O— —S— —O

Para haver esse tipo de ligação, é necessário que haja um átomo que disponha de pares eletrônicos não utilizados em outra ligação. Veja, por exemplo, a fórmula da substância abaixo:

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H

O

Como o átomo de cloro no ácido hipocloroso tem 6 elétrons (3 pares eletrônicos) não compartilhados, pode ainda efetivar mais 3 ligações com outros 3 átomos de oxigênio. Observe, ao lado, a fórmula dos compostos resultantes desses compartilhamentos.

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para o ácido hipocloroso (HCℓO), formado quando o gás cloro é dissolvido em água.

Cℓ

O O H — O — Cℓ

H — O — Cℓ

O H — O — Cℓ

O

O O

HCℓO2

HCℓO3

HCℓO4

ácido cloroso

ácido clórico

ácido perclórico Não escreva neste livro.

Atividade Represente a fórmula eletrônica e a estrutural das substâncias seguintes, cujas fórmulas moleculares são fornecidas. Observação: Nas moléculas das substâncias dos itens b a d, os carbonos (C) estão ligados entre si. a) CH2O – metanal ou formaldeído: é componente da solução de formol, usada para preservar cadáveres e tecidos de organismos vivos, nas indústrias de madeira, papel e celulose, na preparação de resinas; também é usada em abrasivos, plásticos, esmaltes sintéticos, tintas e vernizes. Trata-se de uma solução tóxica se inalada ou ingerida. b) C2H6 – etano: é um subproduto do refino do petróleo, presente no gás natural, muito utilizado para a produção de eteno.

128

c) C2H4 – eteno: também chamado de etileno, é o hormônio responsável pelo amadurecimento das frutas. Possui também grande aplicação industrial na fabricação de polímeros. d) C2H2 – etino: também chamado de acetileno, é usado em maçaricos, empregados em soldagens metálicas, porque neles é possível atingir temperaturas muito elevadas com a combustão. e) H2SO4 – ácido sulfúrico: um dos compostos de maior importância industrial (é matéria-prima para a fabricação de muitos materiais); na estrutura das moléculas dessa substância, os dois átomos de H ligam-se a átomos de O.

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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Algumas generalizações sobre ligações químicas Os elementos dos grupos 14, 15, 16 e 17, além do hidrogênio, participam geralmente de ligações covalentes quando ligados a elementos desses mesmos grupos. Os elementos dos grupos 16 e 17 também podem participar de ligações iônicas quando são ligados a elementos dos grupos 1 e 2. Veja no quadro a seguir o resumo dessas possibilidades. Ligação covalente

Exemplo

—E

E E Grupo 17 (átomos precisam de 1 e2 para atingir o octeto)

H — O — Cℓ

—E

O

O E

—E

E E

DIVULGAÇÃO PNLD

H — Cℓ

—E—

H — O — Cℓ O

O

H — O — Cℓ

O

Ligação iônica

E

O F , Cℓ , Br2, I2

E

—E—

H—S—H

2

2

2

O Grupo 16 (átomos precisam de 2 e2 para atingir o octeto)

E

E

E Grupo 14 (átomos precisam de 4 e2 para atingir o octeto)

E

H—O—S—O—H O

E

—E—

Ligação iônica

E22 — E2

Ligação iônica e covalente

Grupo 15 (átomos precisam de 3 e2 para atingir o octeto)

—E—

E

E

E

—E— |

H—O—S—O—H O O22 H — O2 H—N—H | H O

—E— |

H—O—P—O—H | O—H

| —E— |

H | H—C—H | H

Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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MATRIZ NOVA

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Natureza das ligações e comportamento das substâncias À medida que estudamos os modelos usados para explicar as ligações entre átomos, corremos o risco de esquecer que eles foram formulados para explicar o comportamento das substâncias. Mas, a partir dos modelos, podemos prever também algumas propriedades relacionadas à natureza das ligações dessas substâncias.

Substâncias iônicas Têm, em geral, temperatura de fusão elevada, pois a fusão implica uma desorganização das unidades constituintes do sólido, o que requer que se forneça muita energia para vencer a forte atração entre íons de cargas opostas. Por isso, em geral, são sólidos nas condições ambientes.

▸▸

Acima da temperatura de fusão, isto é, quando estão no estado líquido, conduzem bem a corrente elétrica graças à mobilidade dos íons.

▸▸

Substâncias iônicas que se dissolvem em água formam soluções condutoras de corrente elétrica. Isso porque a dissolução quebra a ligação entre os íons no retículo cristalino e esses íons possuem liberdade de movimento na solução. Temperatura de fusão e estado físico de algumas substâncias iônicas (25 oC, 1 atm)

Substância

CuSO4 ? 5 H2O* sulfato de cobre pentaidratado

NaCℓ cloreto de sódio

PbO óxido de chumbo(II)

Temperatura de fusão (°C)

560,0

800,7

887,0

Estado físico

sólido

sólido

sólido

Temperatura de fusão e estado físico de algumas substâncias iônicas (25 oC, 1 atm)

Substância

CuO óxido de cobre(II)

Fe2O3 óxido de ferro(III)

Cr2O3 óxido de cromo(III)

MgO óxido de magnésio

Temperatura de fusão (°C)

1 227,0

1 539,0

2 320,0

2 825,0

Estado físico

sólido

sólido

sólido

sólido

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

▸▸

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

Se, em uma substância, há ao menos uma ligação iônica, então estão presentes cátions e ânions e, portanto, ela é iônica. Vamos destacar algumas propriedades das substâncias iônicas:

LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-59, 4-62, 4-69, 4-70, 4-74, 4-89. * O sulfato de cobre anidro, CuSO4 (não hidratado), é um sólido branco, enquanto o hidratado é azul e, por isso, representamos a quantidade de moléculas de água presente em sua fórmula.

130

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Substâncias moleculares

Cores fantasia, sem escala.

Estado físico, cor, temperaturas de fusão e de ebulição de algumas substâncias simples

.

Substância simples

H2 hidrogênio

Cℓ 2 cloro

Br2 bromo

I2 iodo

Temperatura de fusão (°C)

2259,2

2101,5

27,2

113,7

Temperatura de ebulição (°C)

2252,8

234,0

58,8

184,4

Estado físico e cor

gás incolor

gás esverdeado

líquido marrom-avermelhado

sólido cinzento

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Nas tabelas a seguir estão reunidas propriedades de algumas substâncias moleculares. Repare que na primeira são mostrados apenas exemplos de substâncias simples e, na segunda, de substâncias compostas.

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-53, 4-58, 4-66, 4-67.

DIVULGAÇÃO PNLD

Estado físico, cor, temperaturas de fusão e de ebulição de algumas substâncias compostas

Cores fantasia, sem escala.

Substância composta

H2 O água

HCℓ cloreto de hidrogênio

NH3 amônia

C10H8 naftaleno

Temperatura de fusão (°C)

0,0

2114,2

277,7

80,3

Temperatura de ebulição (°C)

100,0

285,0

233,3

217,9

Estado físico e cor

líquido incolor

gás incolor

gás incolor

sólido branco

Analisando os valores das temperaturas de mudança de estado das substâncias simples que constam da tabela, é possível perceber que o intervalo em que eles variam é relativamente amplo. Assim, entre as substâncias simples exemplificadas, encontramos desde valores muito baixos, como o da temperatura de fusão do hidrogênio (H2), igual a 259,2 °C negativos (2259,2 °C ), até 113,7 °C para o iodo (I2). Algo semelhante ocorre com os compostos. Entre os exemplos da tabela, a temperatura de ebulição da água é 100 °C e a do cloreto de hidrogênio (HCℓ) é 285,0 °C, portanto, bem abaixo da temperatura ambiente, em torno de 25 °C, o que explica o fato de essa substância ser um gás nas condições ambientes.

Glicerina, ácido bórico, ureia e glicose também são compostos moleculares.

C 3 H8 O3 glicerina

C6H12O6 glicose

H3BO3 ácido bórico

CO(NH2)2 ureia

Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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MATRIZ

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds and Physical Constants of Organic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-46, 4-67, 4-98, 3-382.

131

19/05/16 17:06


Podemos, de modo simplificado, fazer algumas generalizações sobre as substâncias moleculares: ▸▸ Podem ser encontradas nos três estados físicos nas condições ambientes. ▸▸ Em geral têm temperatura de fusão bem mais baixa do que a das substâncias iônicas. Note que mesmo o iodo, que possui a temperatura de fusão mais alta entre os exemplos (113,7 °C), tem valor bem inferior ao do NaCℓ (800,7 °C), um dos compostos iônicos listados na tabela da página 130. ▸▸ Elas não são boas condutoras de corrente elétrica no estado líquido, ao contrário das substâncias iônicas.

▸▸

Moleculares: são as constituídas pelos não metais. É o caso, por exemplo, do hidrogênio (H2), flúor (F2), bromo (Br2), iodo (I2) e nitrogênio (N2).

Como alguns elementos químicos podem formar mais do que uma substância simples – fenômeno da alotropia que vimos no capítulo 3 –, destacamos, abaixo, os casos mais importantes, com as respectivas fórmulas. Elementos e suas formas alotrópicas

Qual é a fórmula de uma substância simples?

DIVULGAÇÃO PNLD

Como alguém que está iniciando os estudos de Química pode representar cada um dos diferentes tipos de substâncias simples? Com base no que foi estudado até aqui, é possível dizer que há dois tipos de substâncias simples: ▸▸ Metálicas: são aquelas em que o elemento constituinte é um metal (é o caso da maior parte dos elementos químicos). De acordo com o que vimos no capítulo anterior, nelas os átomos se unem por ligação metálica, constituindo grandes agregados formados por um número enorme e indeterminado de átomos. De modo simplificado, todas podem ser representadas apenas pelo símbolo do metal correspondente. Exemplos: zinco (Zn), cobre (Cu), chumbo (Pb), ouro (Au), ferro (Fe), magnésio (Mg).

diamante, C (diam): Cn

C

grafita, C (graf): Cn

ozônio: O3

O

oxigênio: O2

rômbico, S (romb): S8

S

monoclínico, S (mono): S8

fósforo branco: P4

P

fósforo vermelho: Pn ou (P4)n

Na Tabela Periódica representada a seguir estão resumidas as fórmulas de algumas substâncias simples. Nela estão incluídos os gases nobres, cujas unidades são monoatômicas.

1

H2

18

2

13

* Elementos que constituem mais de uma substância simples. 3

4

5

6

7

8

9

10

METAIS

11

12

14

15

17

He

C*

N2 O2, O3 F2

Ne

P*

Cℓ2

Ar

Br2

Kr

I2

Xe

16

S8*

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Fórmulas de algumas substâncias simples

Rn

132

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Eletronegatividade, ligações polares e apolares Em uma ligação química, cada átomo atrai os elétrons da sua camada de valência com força diferente. Vamos examinar os modelos de ligação em duas moléculas que você conhece:

DIVULGAÇÃO PNLD

cloro (substância simples)

H

Cℓ

cloreto de hidrogênio (substância composta binária de H e Cℓ)

Linus Carl Pauling (1901-1994), químico estadunidense, ganhador do Nobel de Química, em 1954, por suas pesquisas sobre a natureza das ligações químicas e a elucidação de estruturas complexas; e do Nobel da Paz, em 1962, por suas ações a favor do fim dos testes nucleares. Foto de 1958.

Tanto na substância cloro quanto no cloreto de hidrogênio, as ligações que unem os átomos são covalentes; no entanto, o par de elétrons que os liga não é compartilhado do mesmo modo nessas moléculas. Na molécula de cloro (Cℓ 2), o par de elétrons é atraído com a mesma intensidade pelos dois átomos, uma vez que eles são do mesmo elemento. Dizemos que a ligação é covalente apolar. Na molécula de cloreto de hidrogênio (HCℓ), o Cℓ atrai mais fortemente os elétrons que o H e, por isso, o par fica deslocado para o Cℓ, isto é, os elétrons da ligação não são igualmente compartilhados pelo H e pelo Cℓ. Assim, a região ao redor do Cℓ fica com maior concentração de cargas negativas e aquela ao redor do H, com maior concentração de cargas positivas. A ligação no HCℓ é, portanto, polar. Trata-se de uma situação intermediária entre a ligação covalente apolar (em que o par de elétrons é atraído com a mesma intensidade pelos dois átomos) e a ligação iônica (em que o elétron pertence a um dos átomos, o que fica com carga negativa, e o outro que perdeu o elétron passa a ter carga positiva). A ligação apolar ocorre quando há ligação entre átomos do mesmo elemento. No caso de átomos de elementos diferentes, em geral há polarização, que poderá ser maior ou menor, dependendo da diferença de eletronegatividade dos elementos que participam dela. A eletronegatividade está relacionada à capacidade de, em uma molécula, um átomo atrair o(s) elétron(s) envolvidos na ligação química. O gráfico abaixo indica os valores de eletronegatividade dos elementos segundo Linus Carl Pauling (1901-1994), o primeiro cientista a propor, em 1939, uma escala relativa de eletronegatividade. Para estabelecer Eletronegatividade segundo a escala de Pauling tais valores, ele fixou arbitrariamente o valor 4,0 para o flúor (F), que, segune ad vid do sua escala, é o mais eletronegativo i t ele ga tro ne ne dos elementos, determinando os demais o ga tr tiv ele ida por comparação. Os gases nobres foram de excluídos porque, na época, não se conheciam ligações entre átomos desses elementos.

GETTY IMAGES/THE LIFE PICTURE COLLECTION

Cℓ

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Cℓ

Excluídos os gases nobres, as setas indicam a tendência de crescimento da eletronegatividade. Os elementos mais eletronegativos de um grupo são, de modo geral, os de menor número atômico, localizados na parte superior. Em um período, a tendência de crescimento da eletronegatividade se dá no sentido do aumento do número atômico. Fonte: UNIVERSIDAD de Valladolid. Escuela de Ingenierías Industriales. Dpto. Química Orgánica. Curso de introducción en Química General. Disponível em: <http://www.eis.uva.es/~qgintro/sisper/tutorial-05. html>. Acesso em: 22 jan. 2016.

Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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MATRIZ NOVA

133

5/2/16 17:19


DIVULGAÇÃO PNLD

Elemento

Eletronegatividade

Na

0,9

17

F

4,0

9

11

9

Na1 1 F

Na 1 F

Elemento

Eletronegatividade

Cℓ

3,0

F

4,0

Cℓ

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

A eletronegatividade dos elementos é uma propriedade periódica que, em linhas gerais, tende a variar da seguinte forma: F 9 ▸ Quanto mais à direita estiver um elemento num período, maior será sua eletronegatividade (nos períodos cresce da esquerda para a direita). Assim, quanto mais próximo d 2 de atingir a configuração eletrônica de gás 7 nobre, maior será sua tendência de atrair elétrons. ▸ Quanto mais para baixo estiver um elemento em um grupo, menor será sua eletronegatividade (nos grupos ela cresce de baixo para cima). Vamos analisar dois halogênios (grupo 17), F (4,0) e Cℓ (3,0), ambos com 7 elétrons no último nível. A diferença entre eles está na distância que esses elétrons têm do núcleo. A atração entre cargas opostas é tanto maior quanto menor é a distância entre elas. Portanto, quanto menor a distância entre os elétrons ( 2 ) e o núcleo ( 1 ), maior a atração entre eles. Um elemento de baixa eletronegatividade é bastante eletropositivo: é o caso dos metais, que perdem elétrons com mais facilidade que os outros elementos. A ligação iônica entre dois átomos ocorre quando há diferença significativa de eletronegatividade entre ambos. Caso essa diferença não seja suficientemente grande para a transferência de elétrons, ocorrerá ligação covalente polar. Quando os átomos tiverem a mesma eletronegatividade, a ligação será apolar. Observe estes exemplos:

Cℓ

17

d’ 2

8

7

Acima, esquema da distribuição eletrônica para o átomo de flúor e para o átomo de cloro. Note que a distância do núcleo até a camada de valência no átomo de flúor é menor do que no átomo de cloro, ou seja, seu raio atômico é menor.

Elemento

Eletronegatividade

9

F

4,0

9

F

4,0

F

F

F

Na1F2

Cℓ — F

F—F

Ligação iônica

Ligação covalente polar

Ligação covalente apolar

Hidrogênio (H2), oxigênio (O2), nitrogênio (N2), bromo (Br2), iodo (I2), etc. são substâncias formadas por moléculas apolares. Cloreto de hidrogênio (HCℓ) e água (H2O) são substâncias formadas por moléculas que apresentam ligações polares. Não escreva neste livro.

Atividades 1. Por que o elemento de Z 5 8 é mais eletronegativo que o de Z 5 16?

b) Coloque as ligações dadas em ordem crescente de polaridade.

2. Considere as ligações H — F; H — Br; H — P; H — C; H — O; H — H, consulte os valores de eletronegatividade e faça o que se pede:

3. Considere os elementos Mg e O, cujas eletronegatividades são, respectivamente, 1,2 e 3,5.

a) Qual é a ligação mais polar?

134

a) Eles devem formar composto iônico ou molecular? Por quê?

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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b) Qual seu estado físico nas condições ambientes? c) No estado sólido, eles conduzem corrente elétrica? E no estado líquido? Justifique suas respostas.

DIVULGAÇÃO PNLD

4. Leia o texto a seguir e responda às questões. Todo mundo aprende na escola que átomos podem se ligar de dois modos: cedendo (e recebendo) ou compartilhando elétrons. Agora, um grupo de cientistas faz uma descoberta que obriga a uma revisão dos livros didáticos, ao demonstrar a existência de um terceiro método. Detalhe: isso só acontece em ambientes submetidos a campos magnéticos extremos. Nada que possa se dar na Terra, ou mesmo no Sol, mas só em objetos muito densos, que produzem copiosa intensidade de magnetismo. É o caso das anãs brancas e das estrelas de nêutrons. Ambas são cadáveres estelares, por assim dizer – objetos que um dia foram estrelas convencionais, mas esgotaram seu combustível e tiveram seu núcleo esmagado pela gravidade, compactando sua matéria ao extremo. Simulando em computador o que aconteceria com átomos nas vizinhanças desses objetos, compondo sua atmosfera, o quarteto liderado pelo norueguês Trygve Helgaker, da Universidade de Oslo, constatou que eles podem se ligar em moléculas. Mas o elo descoberto não se forma nem por ligações covalentes (em que átomos compartilham elétrons) nem por ligações

iônicas (em que um átomo doa elétrons a outro). [...] [...] A reação, chamada de ligação paramagnética, é uma novidade no mundo da química e pode produzir moléculas improváveis, como hélio molecular (He2). [...] “Claramente essa ligação magnética não tem papel na química do cotidiano”, disse Helgaker à Folha. “Mas ainda assim é interessante saber que uma ligação pode ser criada por forças magnéticas, embora ela só possa ter um papel sob condições astrofísicas extremas.” Até agora, as simulações de computador do grupo de Helgaker trabalharam só com átomos de hidrogênio e hélio – os menores e mais simples. [...] Por ora, contudo, todos os resultados estão restritos à teoria. Não existem métodos capazes de produzir na Terra, nem por um instante, campos magnéticos tão intensos. [...] Fonte: NOGUEIRA, Salvador. Estudo sugere um novo tipo de ligação química em estrela. Folha de S.Paulo, 20 jul. 2012. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/ fsp/cienciasaude/55449-estudo-sugere-um-novo-tipo-deligacao-quimica-em-estrela.shtml>. Acesso em: 17 jan. 2016.

a) De acordo com o texto, qual era o objetivo do grupo de cientistas? b) O texto menciona que a ligação química descoberta “é uma novidade no mundo da química e pode produzir moléculas improváveis, como o hélio molecular”. Explique por que o autor do texto considerou essa molécula improvável.

Resgatando o que foi visto As mudanças de concepção a respeito da constituição da matéria e da organização do conhecimento químico foram marcantes no período que vai do final do século XVIII ao início do século XIX. Aspectos importantes que uniram estudos de físicos e químicos, muitos deles na época considerados filósofos naturais, foram destacados nesta unidade. Que importância há em conhecer esses aspectos históricos? Por que levou tanto tempo para que a ideia da existência de átomos fosse aceita pela comunidade científica? Por que se dá tanta importância ao trabalho de Dalton, Thomson, Mendeleev? Avalie as respostas que você dá agora a essas questões e compare com o que você pensava no início deste estudo. Faça o mesmo em relação às perguntas que abriram esta unidade.

ESTOURO Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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135

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Testando seus conhecimentos

Não escreva neste livro.

0

0

0

0

0

12

70

11

0

10

80

0

Número de nêutrons (N)

90

90 80

40 50 30

c) na eletrosfera, região que concentra toda a massa do átomo, encontram-se os elétrons.

40

30 20 20

0

d) o número de massa ou número de Moseley é a soma do número de prótons com o número de elétrons.

10

10

10

20

30

40 50 60 70 80 Número de prótons (Z)

90

100 110

e) o elemento químico corresponde a um conjunto de átomos de mesma carga nuclear.

KAPLAN, I. Física Nuclear. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1978 (adaptado).

O antimônio é um elemento químico que possui 50 prótons e possui vários isótopos – átomos que só se diferem pelo número de nêutrons. De acordo com o gráfico, os isótopos estáveis do antimônio possuem: a) entre 12 e 24 nêutrons a menos que o número de prótons.

4. Uespi-PI (2012) Os radioisótopos são hoje largamente utilizados na medicina para diagnóstico, estudo e tratamento de doenças. Por exemplo, o cobalto 60 é usado para destruir e impedir o crescimento de células cancerosas. Os números de prótons, de nêutrons e de elétrons no nuclídeo 60 Co31 são, respectivamente: 27

b) exatamente o mesmo número de prótons e nêutrons. c) entre 0 e 12 nêutrons a mais que o número de prótons. d) entre 12 e 24 nêutrons a mais que o número de prótons.

a) 33, 27 e 24

d) 27, 33 e 27

b) 27, 60 e 24

e) 27, 33 e 24

c) 60, 33 e 27 5. FGV-SP (2012) A tabela seguinte apresenta dados referentes às espécies K, K1, Ca21 e S22.

e) entre 0 e 12 nêutrons a menos que o número de prótons. 2. UEPG-PR (2013) Na natureza podem-se encontrar três variedades isotópicas do elemento químico urânio, 136

(01) O urânio-234 possui 92 prótons e 92 elétrons. (02) O urânio-235 possui 92 prótons e 143 nêutrons. (04) Os três átomos possuem o mesmo número de massa. (08) O urânio-238 possui 92 elétrons e 146 nêutrons. Dê como resposta a soma dos números associados às afirmações corretas.

b) os átomos de um mesmo elemento químico obrigatoriamente devem apresentar o mesmo número de nêutrons.

Z = N para os núcleos sobre esta linha

60

50

234 235 238 U92 U92 U92

a) a caracterização de um elemento químico ocorre pela determinação do seu número de massa.

60 70

DIVULGAÇÃO PNLD

0

16

0

14

0

13

100

0

0 19

0 0

15

110

representadas abaixo. Com relação a esses isótopos, no estado fundamental, assinale o que for correto.

3. IFCE (2012) Ao longo da história da química, muitos modelos surgiram, para tentar explicar a complexidade do átomo, desde a crença de que ele seria uma minúscula esfera até a construção de um modelo matemático probabilístico. Com relação às características do átomo e ao conceito de elemento químico, é correto afirmar-se que:

17

120

21

20 0

18

130

26

0 0

núcleos estáveis

140

23

22

150

25

24

160

ENEM/REPRODUÇÃO

1. Enem (2009) Os núcleos dos átomos são constituídos de prótons e nêutrons, sendo ambos os principais responsáveis pela sua massa. Nota-se que, na maioria dos núcleos, essas partículas não estão presentes na mesma proporção. O gráfico mostra a quantidade de nêutrons (N) em função da quantidade de prótons (Z) para os núcleos estáveis conhecidos.

Espécie

Z

Nêutrons

K

19

22

K

19

22

Ca21

20

22

S22

16

18

1

Unidade 2  Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ

14/05/16 13:44


Em relação a essas espécies, são feitas as seguintes afirmações: I. K1 e Ca21 são isótonos. II. K e Ca21 são isóbaros. III. K1 tem mais prótons que K. IV. K1 e S22 têm o mesmo número de elétrons.

Raios atômicos e iônicos de alguns metais Ca

Na

Cd

Aℓ

Zn

197 pm

191 pm

152 pm

143 pm

137 pm

Ca11

Na11

Cd21

Aℓ 31

Zn21

100 pm

102 pm

103 pm

53 pm

83 pm

É correto apenas o que se afirma em: a) I e II.

c) I e IV.

b) I e III.

d) II e III.

e) II e IV.

DIVULGAÇÃO PNLD

6. UFPB (2012) As pilhas e baterias estão incorporadas ao cotidiano da vida moderna. Esses materiais geralmente contêm metais tóxicos, por exemplo, cádmio, cujo descarte de forma incorreta pode contaminar o meio ambiente. Utilizando a tabela periódica e sabendo que o número de massa do cádmio é 112, é correto afirmar que esse elemento possui:

a) b) c) d) e)

Número de prótons

Número de nêutrons

Número de elétrons

20 64 20 48 48

20 48 32 64 112

20 64 20 48 64

7. Cefet-MG (2012) O filme Homem de Ferro 2 retrata a jornada de Tony Stark para substituir o metal paládio, que faz parte do reator de seu peito, por um metal atóxico. Após interpretar informações deixadas por seu pai, Tony projeta um holograma do potencial substituto, cuja imagem se assemelha à figura ao lado. Essa imagem é uma representação do modelo de a) Rutherford.

c) Dalton.

b) Thomson.

d) Bohr.

8. Enem (2010) O cádmio, presente nas baterias, pode chegar ao solo quando esses materiais são descartados de maneira irregular no meio ambiente ou quando são incinerados. Diferentemente da forma metálica, os íons Cd21 são extremamente perigosos para o organismo, pois eles podem substituir íons Ca21, ocasionando uma doença degenerativa nos ossos, tornando-os muito porosos e causando dores intensas nas articulações. Podem ainda inibir enzimas ativadas pelo cátion Zn21, que são extremamente importantes para o funcionamento dos rins. A figura a seguir mostra a variação do raio de alguns metais e seus respectivos cátions.

ATKINS, P. ; JONES, L. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2001 (adaptado).

Com base no texto, a toxicidade do cádmio em sua forma iônica é consequência de esse elemento: a) apresentar baixa energia de ionização, o que favorece a formação do íon e facilita sua ligação a outros compostos. b) possuir tendência de atuar em processos biológicos mediados por cátions metálicos com cargas que variam de 11 a 13. c) possuir raio e carga relativamente próximos aos de íons metálicos que atuam nos processos biológicos, causando interferência nesses processos. d) apresentar raio iônico grande, permitindo que ele cause interferência nos processos biológicos em que, normalmente, íons menores participam. e) apresentar carga 12, o que permite que ele cause interferência nos processos biológicos em que, normalmente, íons com cargas menores participam. 9. Fuvest-SP (2012) Na obra O poço do Visconde, de Monteiro Lobato, há o seguinte diálogo entre o Visconde de Sabugosa e a boneca Emília: – Senhora Emília, explique-me o que é hidrocarboneto. A atrapalhadeira não se atrapalhou e respondeu: – São misturinhas de uma coisa chamada hidrogênio com outra coisa chamada carbono. Os carocinhos de um se ligam aos carocinhos de outro. Nesse trecho, a personagem Emília usa o vocabulário informal que a caracteriza. Buscando-se uma terminologia mais adequada ao vocabulário utilizado em Química, devem-se substituir as expressões “misturinhas”, “coisa” e “carocinhos”, respectivamente, por: a) compostos, elemento, átomos. b) misturas, substância, moléculas. c) substâncias compostas, molécula, íons. d) misturas, substância, átomos. e) compostos, íon, moléculas. Capítulo 6  Ligações químicas: uma primeira abordagem

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3 unidade

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Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

Em capítulos anteriores, você aprendeu algumas maneiras de classificar substâncias utilizando alguns critérios. É o caso das substâncias simples e compostas, iônicas, moleculares ou metálicas, por exemplo. Nesta unidade você vai conhecer mais alguns grupos de substâncias: ácidos, bases, sais e óxidos. Isso facilitará a aprendizagem de diversos tipos de reações químicas, que envolvem essas e outras substâncias. ▸ O solo brasileiro precisa ter sua acidez reduzida para que muitas plantações sejam produtivas. Como isso pode ser feito? 138

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ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Tomate, laranja, limão, vinagre têm uma característica química comum. Qual é ela? Você sabe qual é a diferença entre o sal comum e o light?

Nesta unidade Capítulo 7. Ácidos, bases e sais Capítulo 8. Reações químicas: estudo qualitativo Capítulo 9. Cálculos químicos: uma iniciação Capítulo 10. Reações de oxirredução Capítulo 11. Óxidos

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7 capítulo

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ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Ácidos, bases e sais

Muitos alimentos e produtos presentes em nosso dia a dia contêm ácidos. O ácido cítrico, por exemplo, está presente no tomate, no limão e na laranja; o ácido acético é encontrado no vinagre; o ácido bórico é um dos componentes da água boricada e do polvilho antisséptico; o ácido acetilsalicílico está presente em alguns medicamentos; e o ácido sórbico é um dos componentes de alguns cremes esfoliantes.

Para situá-lo Leia o trecho de uma reportagem e o título de uma matéria publicada em um site. Para evitar a azia, especialistas recomendam não consumir alimentos gordurosos e frutas ácidas como limão e abacaxi [...] Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • ácidos, bases e sais segundo o conceito de Arrhenius; • nomenclatura e formulação de ácidos, bases e sais; • indicadores ácido-base e pH.

140

KRIEGER, Jessica. Azia: conheça as causas e saiba quais alimentos evitar. Disponível em: <http://arevistadamulher.com.br/nutricao/content/2004905-azia-conheca-ascausas-e-saiba-quais-alimentos-evitar>. Acesso em: 14 dez. 2015.

Artista brasileiro cria quadrinhos ácidos para fazer reflexões sobre a sociedade Disponível em: <http://www.hypeness.com.br/2014/09/quadrinhos-pra-la-de-acidos-fazemreflexoes-sobre-a-sociedade>. Acesso em: 14 dez. 2015.

Agora, pense sobre o significado do adjetivo ácido em cada um dos contextos.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Por se tratar de uma palavra comum na linguagem cotidiana, é provável que você tenha uma ideia do significado desse termo e de seus derivados (acidez, por exemplo). Na primeira frase, ácidas se refere ao sabor (acre, azedo) característico de certas frutas, enquanto ácidos, na segunda, quer dizer “mordazes, agressivos” e exprime o tipo de crítica que o artista faz à sociedade. Se você examinar matérias publicadas em jornais e revistas impressos ou na internet, verá que não é difícil encontrar as palavras ácido, acidez e acidificação, usadas com certa variação de significado, conforme o contexto. Leia mais estes trechos de notícias. Galeria parisiense expõe obras do artista capixaba Sami Hilal [...] O artista utiliza a técnica do circuito impresso, trabalhando a imagem sobre uma placa de cobre. A imagem é trabalhada com uma tinta que não reage ao ácido. “É semelhante à técnica da gravura em metal: você faz o desenho, coloca no ácido, o ácido grava, e você tem ali o desenho gravado na chapa. Meu desenho fica registrado, mas o ácido vaza, criando uma renda. Trabalho muito com a ausência, a perda da pátria, da língua”, explica.

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Disponível em: <http://www.brasil.rfi.fr/cultura/ 20140107-galeria-parisiense-expoe-obras-do-artista-capixaba-sami-hilal>. Acesso em: 15 dez. 2015.

Expedição científica vai rastrear acidificação no oceano Ártico Cientistas do Serviço Geológico dos Estados Unidos vão [...] monitorar as tendências de acidificação no oceano Ártico relacionadas com emissões de carbono, informou a instituição. [...] A acidificação oceânica é um processo pelo qual as águas absorvem dióxido de carbono da atmosfera, provocando alterações químicas no [...] nível de pH, o que deixa o oceano mais ácido. Como os oceanos atualmente absorvem mais de um quarto dos gases do efeito estufa presentes na atmosfera, aumenta cada vez mais a preocupação com a acidificação e seus efeitos na vida marinha, explicou [a oceanógrafa Lisa] Robbins. [...] “Pode haver redução da formação do casco em alguns organismos. A acidificação poderia obstruir o crescimento de várias formas de vida marinha, do plâncton para cima”, disse ela. “Afetaria toda a cadeia alimentar.” EXPEDIÇÃO científica vai rastrear acidificação no oceano Ártico. O Estado de S. Paulo, 11 ago. 2011. Disponível em: <http://saude.estadao.com.br/noticias/geral,expedicao-cientifica-vai-rastrear-acidificacao-no-oceano-artico,757307>. Acesso em: 15 dez. 2015.

1. A respeito dos dois textos acima, responda: a) Em qual dos trechos de notícia a acidez de um meio é associada a algo útil e positivo? Explique. b) Identifique, no texto dessas notícias, um trecho que menciona a medida usada para indicar o nível de acidez ou alcalinidade de um meio. c) A segunda notícia se refere ao monitoramento da

acidez da água do oceano Ártico. Por que esse procedimento é importante? 2. Apesar de haver formas mais eficazes de tratar problemas de acidez estomacal, algumas pessoas costumam combater esse desconforto usando produtos como o leite de magnésia. Levante uma hipótese: que características desse material o tornam capaz de combater a acidez?

Neste capítulo, veremos os conceitos de ácido e base em solução aquosa segundo a teoria de Arrhenius. Serão abordadas também as principais propriedades dos ácidos, bases e sais. Capítulo 7  Ácidos, bases e sais

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Ácidos e bases Antes de apresentar qualquer ideia que possa ser nova para você, faça o seguinte experimento.

Química: prática e reflexão Nas páginas anteriores, você viu que a palavra ácido pode ter diferentes significados de acordo com o contexto. No entanto, quando se fala em manipulação de ácidos, as pessoas tendem a se preocupar com o perigo. Por quê? Nesta atividade você irá analisar o efeito de algumas soluções sobre corantes encontrados no chá-mate ou chá-preto. Você sabe que, se pingarmos vinagre ou sumo de limão sobre bicarbonato de sódio, observaremos o mesmo fenômeno: a formação de bolhas de gás (efervescência). A adição de sumo de limão ao chá produzirá o mesmo resultado que a adição de vinagre ao chá? Material necessário

• 7 copos incolores comuns ou béqueres de 250 mL

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• 7 etiquetas para identificação

• papel de filtro (ou coador de café de papel)

• 1 colher (de café)

• 1 xícara de chá-mate ou preto

• cerca de 1 g de cal virgem, que pode ser adquirida em lojas de materiais de construção

• meio limão • 20 mL de vinagre

• água

• 3 conta-gotas

• funil ou suporte para coador de café

Cuidado!  se óculos U de segurança e avental de mangas compridas. Use luvas de látex.

Procedimento

1. Etiquetem os 7 copos, numerando-os de 1 a 7. 2. Escrevam na etiqueta do copo 2 a expressão água de cal. 3. Preparem a mistura de água de cal colocando, no copo 1, água até a metade e meia colher (de café) de cal; agitem. Após a agitação, coloquem mais meia colher de cal na água, agitem a mistura e filtrem-na, passando o conteúdo do copo 1 através do funil com papel de filtro (ou suporte para coador com coador de café de papel) para o copo 2. 4. Coloquem volumes iguais de chá em cada um dos copos numerados de 3 a 6. 5. No copo 4, adicionem ao chá 5 gotas do sumo do limão. 6. Repitam o procedimento anterior no copo 5, substituindo o sumo de limão por vinagre. 7. No copo 6, adicionem ao chá uma colher (de café) da mistura do copo 2. 8. No copo 7, acrescentem ao chá 5 gotas do sumo do limão. Em seguida, adicionem, gota a gota, a mistura do copo 2 até observar alguma mudança no sistema. 9. Anotem no caderno os resultados observados.

Atenção! • A dissolução da cal na água libera calor. Ela deve ser feita pela adição de pequenas quantidades de cal à água, seguida de agitação. Nunca coloquem água na cal! • O limão, em contato com a pele e as mucosas, pode causar queimaduras graves se houver posterior exposição a raios solares.

Descarte dos resíduos: as misturas dos copos 3 a 7 podem ser descartadas diretamente no ralo de uma pia; a mistura de água de cal pode ser etiquetada e armazenada em frascos de vidro para futuros experimentos; o papel de filtro (ou coador) e o filtrado podem ser descartados em lixo comum. Analisem suas observações

1. Que mudança(s) ocorreu(ram) com o chá ao se adicionar sumo de limão e vinagre a ele? 2. Considerando o texto introdutório e os resultados experimentais, o que o vinagre e o sumo de limão têm em comum para produzir o mesmo tipo de resultado? 3. Que resultados vocês observaram na oitava etapa do procedimento? Como vocês classificariam a água de cal? 142

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Viagem no tempo

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Um pouco da história dos conceitos de ácido e base Antigas civilizações já conheciam substâncias de caráter ácido e de caráter básico (ou alcalino). O ácido acético (substância presente no vinagre), por exemplo, já era conhecido pelos egípcios, que o obtinham pela transformação do etanol (C 2H5OH), álcool presente no vinho. É a presença do etanol, aliás, que explica por que, com o tempo e dependendo da forma como é armazenado, o vinho adquire sabor azedo. O gás amoníaco (NH3), substância com propriedades básicas, também era conhecido pelos egípcios, que registraram em papiro a forma de obtê-lo. Embora tentativas de classificar as substâncias quanto à acidez e à basicidade tenham sido feitas anteriormente, uma das primeiras propostas consideradas relevantes foi a do irlandês Robert Boyle (1627-1691). Após vários experimentos, Boyle observou que todas as substâncias que apresentavam caráter ácido – e não apenas algumas delas – provocavam o efeito da mudança de cor no xarope de violetas (nessa época, já se conhecia um teste de mudança de cor, feito com xarope de violetas, que ficava vermelho em meio ácido e verde em meio alcalino). Ele realizou ampla pesquisa, usando vários extratos vegetais, entre os quais alguns empregados no tingimento de tecidos, como o de pau-brasil, cuja coloração varia de vermelho intenso, em meio ácido, a amarelado, em meio básico. O uso de corantes por artesãos, na tinturaria, e por artistas, em pinturas, levou à constatação de que, com o tempo, ou na presença de certas substâncias, esses pigmentos tinham a coloração alterada. Graças a observações desse tipo, que permitem diferenciar um meio ácido de um básico mediante a mudança de cor, é que se passou a usar os chamados indicadores ácido-base, de grande valia até os dias de hoje. Em suas pesquisas, Boyle constatou que certos materiais não alteravam a coloração desses corantes e classificou-os como neutros. Apoiando-se em experimentos, Boyle foi um dos primeiros a estabelecer formalmente que é ácida “qualquer substância que torne vermelhos os extratos de plantas”. Observações posteriores, porém, levaram à conclusão de que nem todos os indicadores, diante de um meio ácido ou básico, respondiam com as mesmas mudanças de cor. Lavoisier propôs, no final do século XVIII, identificar ácidos e bases considerando sua composição, e seus estudos sobre a combustão do carvão, do enxofre e do

fósforo o levaram à obtenção Caráter básico ou dos ácidos carbônico, sulfúrialcalino: considere, neste momento, co e fosfórico, respectivamenque o caráter básico te. Ele procurava relacionar a ou alcalino é uma composição do material à acicaracterística de substâncias que têm dez, em um raciocínio fundaa capacidade de mentado no fato de que, para neutralizar ácidos. obter os óxidos (de carbono, enxofre e fósforo) – que em água dão origem a ácidos –, é preciso realizar reações de combustão e, para que elas ocorram, o oxigênio do ar é essencial. Os ácidos, portanto, seriam compostos oxigenados; ou seja, para Lavoisier, a presença de oxigênio (o nome oxigênio, de origem grega, significa “formador de ácidos”) estava ligada à acidez. Pesquisadores posteriores verificaram que o responsável pelo caráter ácido de uma substância é o hidrogênio, e não o oxigênio, ao constatar que existem ácidos, como o clorídrico (HCℓ), por exemplo, que não possuem oxigênio em sua composição. A respeito desses conceitos químicos, vale destacar a publicação do brasileiro Vicente Coelho de Seabra Silva Telles (c. 1764-1804), graduado em Medicina e Filosofia pela Universidade de Coimbra, em Portugal. Adepto das ideias de Lavoisier, em 1788 estabeleceu uma classificação das substâncias em dois grandes grupos: combustíveis (as que podem ser queimadas) e incombustíveis (as que não pegam fogo). No grupo das incombustíveis, estão os materiais de caráter básico (ou alcalino) e ácido, cujas propriedades podemos destacar; por exemplo, a capacidade de ácidos e bases de mudar a cor de extratos vegetais (ácidos avermelham extratos azulados e bases tornam verde o xarope de violetas). Essa mudança de cor provocada por um ácido pode ser restituída por uma base, assim como a mudança de cor provocada por uma base pode ser restituída por um ácido. Fonte: COSTA, António Amorim da. Vicente Coelho de Seabra Silva Telles. Disponível em: <http://www.spq.pt/files/docs/ Biografias/Vicente%20Coelho%20de%20Seabra%20%20port.pdf>. Acesso em: 12 nov. 2015.

1. Com base no que vimos até aqui, aponte algumas propriedades de ácidos e de bases. 2. Que diferença você pode apontar entre o objetivo das pesquisas de Lavoisier e as de seus antecessores, no que se refere à compreensão do conceito de ácido? Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Função química Ao estudar um pouco da história dos conceitos de ácido e base, você deve ter notado a tentativa de agrupar as substâncias, de acordo com suas propriedades, a fim de facilitar seu estudo. Neste volume da coleção, estão sendo abordados conceitos químicos que valem para o conjunto das substâncias e, por isso, dizem respeito à Química Geral; apesar disso, muitos dos exemplos usados fazem parte da Química Inorgânica, isto é, do campo de estudo das substâncias obtidas dos minerais existentes na natureza. Ácidos, bases e sais representam grupos de substâncias que têm certas características comuns, o que permite estudá-las em conjunto; esses grupos constituem as principais funções da Química Inorgânica. À medida que outros conceitos forem estudados, o significado de função química será esclarecido.

Propriedades funcionais

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Da mesma forma que, na Tabela Periódica, agrupamos os elementos químicos em famílias ou grupos, podemos agrupar as substâncias de acordo com algumas semelhanças entre suas propriedades, decorrentes de Algumas propriedades funcionais dos ácidos características estruturais comuns Condutibilidade elétrica Bons condutores (solução aquosa). a tais substâncias. Reagem com a maioria dos metais (como Fe, Zn, Ni, Aℓ) Os ácidos servem de exemplo de liberando gás hidrogênio. função química com a qual temos Mudam a cor de certos corantes de origem vegetal. Reatividade contato em nosso cotidiano. Veja Reagem com carbonatos e bicarbonatos liberando gás. no quadro ao lado as principais Neutralizam substâncias e soluções básicas. propriedades dessas substâncias.

ℓ – líquida A capacidade de conduzir corrente elétrica varia de uma substância para outra. Com s – sólida base em testes de condutibilidade elétrica, podemos classificar as substâncias em bons aq – solução aquosa e maus condutores. fios de cobre Exemplos de maus condutores: ▸ não metais: iodo, I (s), enxofre, S(s), fósforo, P (s); tampa de 2 4 lâmpada proteção ▸ substância molecular: água, H O(ℓ), cloreto de hidrogênio, HCℓ(ℓ); 2 ▸ substância iônica sólida: hidróxido de sódio, NaOH(s), cloreto de polo sódio, NaCℓ(s). polo + Ilustrações produzidas para este conteúdo. –

Cores fantasia, sem escala.

Representação de um teste de condutibilidade elétrica da água destilada. Observe que a lâmpada não acendeu, o que significa que essa substância não conduz eletricidade.

▸ ▸

Exemplos de bons condutores: metais: cobre, Cu(s), zinco, Zn(s), prata, Ag(s), ouro, Au(s); substância iônica em solução: soluções aquosas de hidróxido de sódio, NaOH(aq), cloreto de sódio, NaCℓ(aq), sulfato de potássio, K2SO4(aq).

Representação de um teste de condutibilidade elétrica de uma solução aquosa de hidróxido de sódio. Observe que a lâmpada acendeu, indicando que a solução conduz corrente elétrica. 144

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Condutibilidade elétrica

bateria

fios de cobre tampa de proteção lâmpada polo +

polo – bateria

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Dissociação iônica O quadro abaixo sintetiza um teste de condutibilidade elétrica feito para sistemas que contêm somente água, H2O(ℓ), cloreto de sódio, NaCℓ(s), e cloreto de sódio em água, NaCℓ(aq). Analise-o tendo em mente as explicações teóricas para as diferenças apontadas; lembre-se de que a condução de corrente elétrica depende de partículas com cargas elétricas que apresentam mobilidade. Teste de condutibilidade elétrica de NaCℓ(s), H2O(ℓ) e NaCℓ(aq) Sistema

Lâmpada do sistema

Condutibilidade elétrica

H2O(ℓ)

Não acende

Moléculas neutras

NaCℓ(s)

Não acende

Íons quase fixos

Acende

Boa

Íons com grande liberdade de movimento

No NaCℓ(s), as cargas elétricas (íons) quase não têm mobilidade: os íons estão “presos” no retículo cristalino. No caso da água, apesar da mobilidade das partículas de H2O(ℓ), elas são neutras. Como você terá oportunidade de estudar durante seu curso de Química, apesar de a água ser um composto molecular, uma parte das moléculas de água que se encontram em um recipiente está na forma iônica (H1 e OH2). Entretanto, o número de íons em relação ao de moléculas é tão pequeno que, em geral, os equipamentos utilizados não conseguem acusar a condutibilidade elétrica do meio.

Como a água dissolve o cloreto de sódio? A água (substância molecular) dissolve o NaCℓ (sólido iônico), gerando uma solução. Nesse processo, a água libera os íons Na1 e Cℓ2, que estavam ligados quimicamente, formando um retículo cristalino de cloreto de sódio. Nas ligações covalentes da água, os átomos de oxigênio assumem caráter negativo – por serem mais eletronegativos que os de hidrogênio e atraírem mais o par eletrônico da ligação –, por isso os cátions sódio, Na1, são atraídos por esses átomos. Algo semelhante ocorre entre os ânions cloreto, Cℓ 2, e os átomos de hidrogênio da água (que assumem caráter positivo por serem menos eletronegativos que os de cloro). Veja na representação a seguir: δ2

δ1

O

δ1

H

Cℓ

2

δ1

O

– –

1

H

H

δ1

Na

δ2

H

Nas moléculas, o símbolo δ (sigma) é usado para representar átomos que assumem caráter positivo ou negativo em uma dada ligação covalente. É graças a essas interações que a água dissolve o NaCℓ sólido, separando os íons Na1 e Cℓ2, que ficam cercados por moléculas de H2O. A mobilidade dos íons explica a condutibilidade elétrica da solução formada. Esse processo pode ser representado por uma equação química:

Na1Cℓ2(s) cloreto de sódio

H2O(ℓ)

Na1(aq) 1 íons sódio

Cℓ2(aq)

Na1

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

Representação esquemática da dissolução de uma molécula do cloreto de sódio em água.

Cℓ2

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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NaCℓ(aq)

Como explicar?

íons cloreto

A água provoca a separação dos íons que já existem na estrutura do Na1Cℓ2 sólido. Tal fenômeno é denominado dissociação iônica ou, simplesmente, dissociação. Capítulo 7  Ácidos, bases e sais

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Ionização Como você sabe, quando a água está isenta de impurezas, ela é má condutora de eletricidade. O mesmo ocorre com o H2SO4. No entanto, a mistura desses dois maus condutores origina uma solução ácida que é boa condutora de eletricidade. Nesse processo, as substâncias moleculares H2SO4 e H2O interagem, originando íons. Esse processo é denominado ionização. antes

H2SO4(ℓ)

H2O(ℓ)

1

(substância molecular)

depois

ionização

(substância molecular)

H2SO4(aq)

solução aquosa de ácido sulfúrico (íons móveis)

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Que modelo justifica a ionização? Vamos analisar o processo de ionização verificando o que acontece com o cloreto de hidrogênio ou gás clorídrico, HCℓ(g), ao ser colocado em água. A ionização ocorre devido à interação entre as moléculas da água e do cloreto de hidrogênio. Nas ligações entre hidrogênio e oxigênio na água, o par de elétrons da ligação fica mais próximo ao oxigênio (elemento mais eletronegativo), assumindo caráter negativo. Os átomos de hidrogênio (menos eletronegativos) assumem caráter positivo. Na ligação entre cloro e hidrogênio, no cloreto de hidrogênio, HCℓ(g), o cloro, por ser mais eletronegativo, atrai mais fortemente o par de elétrons da ligação do que o hidrogênio, dando origem a uma carga parcial negativa (d2). A carga parcial positiva (d1) está no hidrogênio. δ1

δ2

H

Cℓ

δ2

1

H

O

Cℓ

H

2

1 H

H O

1

H

O que ocorre nessa interação? Nessa interação, há atração entre a parte positiva da molécula de HCℓ e a parte negativa da molécula de H2O. Isso provoca a quebra da ligação H — Cℓ: o átomo de H fica sem seu elétron, que passa a se unir ao Cℓ. Dessa forma, o H fica com carga 11, e o cloro fica com carga 21. O hidrogênio, H, que, antes dessa quebra, possuía 1 próton e 1 elétron, perde esse elétron e, para se estabilizar, utiliza o par disponível do oxigênio da água, ficando com 2 e2 na sua camada de valência. Como o H tinha carga positiva, quando se associa com a molécula de H2O (neutra), forma um íon positivo, o H3O1. Composição de prótons e elétrons dos átomos antes e depois da ionização Antes da ionização

Depois da ionização Carga elétrica

Íons

Constituintes

Partículas

Carga elétrica

0

Cℓ2 ânion cloreto

Cℓ

17 p1 18 e2

21

H

1 p1

11

Moléculas

Constituintes

Partículas

HCℓ gás clorídrico

Cℓ

17 p 17 e

H

1 p1 1 e2

0 0

H2 O água

1

2

H

1

1p 1e

2

H

1p 1e

2

O

8p 8e

1

1

2

0 0

H 3 O1 cátion hidroxônio

H

1

1p 1e

2

0

H

1p 1e

2

0

O

8p 8e

1 1

2

0

Esse processo é chamado de ionização porque, de moléculas neutras, HCℓ e H2O, formam-se íons, Cℓ2 e H3O1. 146

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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A teoria de Arrhenius A formulação da teoria de Arrhenius representa um marco para a Química. Ela permitiu explicar fatos experimentais e serviu de fundamento para estabelecer avanços em relação aos conceitos ácido-base propostos por seus antecessores. Leia o boxe a seguir.

Viagem no tempo ©WIKIMEDIA COMMONS/PHOTOGRAVURE MEISENBACH RIFFARTH & CO. LEIPZIG

Um jovem que abalou uma crença Em 1884, o sueco Svante August Arrhenius (1859-1927), então um jovem estudante de Química, elaborou uma teoria – que ficou conhecida como teoria de Arrhenius – capaz de explicar de modo coerente um fato que desafiava os cientistas da época.

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Um fato experimental Naquele período, já se havia verificado que, quando se dissolve um sólido, como a sacarose (açúcar comum), em água, a temperatura de solidificação da água diminui, ficando abaixo de 0 oC; quanto maior é a quantidade de sacarose, em relação ao volume da solução, mais acentuada é a redução da temperatura de solidificação da água. Havia, porém, um fato que intrigava Arrhenius: quando se preparam duas soluções, uma de sacarose e outra de cloreto de sódio, ambas com a mesma quantidade de unidades “moleculares” de soluto no mesmo volume de solvente, verifica-se que a de cloreto de sódio tem temperatura de solidificação inferior à da solução de sacarose. Como explicar essa diferença? A explicação de Arrhenius

x moléculas de sacarose por litro de água

x “unidades” de NaCℓ por litro de água

banho de gelo-seco

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

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Svante August Arrhenius, químico e físico sueco. Seu trabalho, no final do século XIX, foi fundamental para superar a concepção de indivisibilidade do átomo. Foto tirada em 1909.

A imagem acima representa o resfriamento de duas soluções aquosas: uma de sacarose (açúcar) e outra de cloreto de sódio.

Arrhenius propôs que cada partícula de NaCℓ poderia se dividir em duas partículas com cargas elétricas opostas: os íons (o termo íon havia sido introduzido em 1821, por Michael Faraday, 1791-1867). Assim, em 1884, Arrhenius apresentou a teoria da dissociação iônica à comunidade acadêmica, que lhe outorgou o título de Ph.D. (equivalente ao título de doutor). Essa conquista deveu-se muito mais ao caráter lógico de seu trabalho do que à aceitação de sua teoria. Ela não foi bem recebida porque punha em xeque a crença no átomo indivisível, considerada indiscutível pelos cientistas da época. As descobertas de Thomson no final do século XIX e início do XX – das quais tratamos no capítulo 4 – contribuíram para que a teoria de Arrhenius obtivesse credibilidade, e o cientista acabou recebendo o Prêmio Nobel de Química duas décadas depois, em 1903. Foi graças a Arrhenius que se associou a presença de íons livres a soluções aquosas de ácido clorídrico, HCℓ(aq), e cloreto de sódio, NaCℓ(aq). Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Ácidos HCℓ, HNO3 e H2SO4 são exemplos de substâncias que, segundo o conceito de Arrhenius, proposto em 1884, liberam íons com mobilidade na presença de água, ou seja, são eletrólitos. Podemos definir eletrólitos como substâncias que, ao se dissolverem em água, produzem uma solução condutora de corrente elétrica. As substâncias iônicas solúveis em água, como brometo de potássio, KBr(aq), cloreto de cálcio, CaCℓ2(aq), e hidróxido de sódio, NaOH(aq), são eletrólitos porque sofrem dissociação iônica, ou seja, as soluções aquosas dessas substâncias apresentam íons com mobilidade. Algumas substâncias moleculares, como ácido clorídrico, HCℓ(aq), ácido sulfúrico, H2SO4(aq), e ácido nítrico, HNO3(aq), quando dissolvidas em água, sofrem ionização, ou seja, originam íons livres em solução e, por isso, também são eletrólitos. Sabe-se hoje que, em água, os ácidos liberam íons hidroxônio, H3O1(aq). Vamos ver um exemplo. O vinagre é uma solução aquosa formada por, aproximadamente, 6% em massa de ácido acético (isso significa que, de cada 100 g de vinagre, 6 g correspondem ao ácido acético). O ácido acético (puro) não é bom condutor de corrente elétrica, porém, na presença de água, torna-se bom condutor.

H

DIVULGAÇÃO PNLD

H—C—C H

O δ2

O

O

δ2 δ1

O

1 H

H

ácido acético

CH3COOH(ℓ)

1

Observação: Enquanto a passagem de corrente elétrica por um metal não ocasiona alteração química, a que ocorre em uma solução eletrolítica ocasiona uma reação química: a eletrólise.

1 H3C — C

H3O1

H água

íons hidroxônio

H2O(ℓ)

H3O1(aq)

O2

íons acetato

1 CH3COO2(aq)

A equação acima explica por que isso acontece. Na ausência de água, não há íons livres. Já na presença de água, ocorre ionização.

Conceito de ácido de Arrhenius Considerando a teoria da dissociação iônica de Arrhenius, podemos afirmar que ácidos são compostos que, em solução aquosa, fornecem um único tipo de cátion: o hidroxônio, H3O1. Podemos representar a ionização de um ácido qualquer HA por:

HA(ℓ)

1

H2O(ℓ)

H3O1(aq)

1

A2(aq)

Ou seja: todos os ácidos produzem H3O1(aq) em meio aquoso. Podemos, por simplificação, equacionar:

HA(ℓ)

água

H1(aq)

1

HNO3(ℓ)

água

H1(aq)

1 NO23 (aq)

A2(aq)

Exemplificando:

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Atividades 1. “Não se deve lidar com eletricidade com as mãos molhadas.” Essa é uma recomendação de segurança bastante conhecida. Por que isso seria perigoso, se a água destilada é má condutora de corrente elétrica? 2. Considere os seguintes compostos: • fluoreto de potássio, KF(s), usado em indústrias de cerâmica e vidrarias; • ácido perclórico, HCℓO4(ℓ), usado como herbicida. a) Qual deles é iônico e, dissolvido em água, pode dissociar-se? Indique o processo por meio de equação. b) Qual deles é molecular e, em água, libera íons? Equacione o processo.

Ionização de poliácidos Muitos ácidos têm mais de um átomo de H ionizável. É o caso do H2SO4, um diácido (tem dois átomos de hidrogênio ionizáveis): δ1

δ2

H

δ2

δ1

DIVULGAÇÃO PNLD

1 H2O

S

O

H

2

O

O

1 etapa a

H3O1

1

δ2

δ1

íons hidroxônio

S O

O

H

O

O

O

íons hidrogenossulfato

(HOSO3)2 O

O

2

S H

O

1

H2O

2a etapa

H3O1

SO422

1

O

íons hidrogenossulfato (HOSO3)2

íons hidroxônio

íons sulfato

Note que, em cada uma das etapas, apenas um dos átomos de hidrogênio de cada molécula de H2SO4 origina o íon hidroxônio. Se somarmos as duas etapas de ionização, teremos: H2SO4(ℓ)

1

2 H2O(ℓ)

ionização global

2 H3O1(aq)

1

íons hidroxônio

SO422(aq) íons sulfato

Observação: Só uma parte das moléculas que sofreram a primeira etapa de ionização sofrerá a segunda etapa.

Com base nesse raciocínio, a ionização total do H3PO4 pode ser equacionada por: H3PO4(ℓ)

1

3 H2O(ℓ)

ionização global

3 H3O1(aq) íons hidroxônio

1

PO432(aq) íons fosfato

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Força de um ácido Se a solução de um ácido A conduz a corrente elétrica melhor que a de um ácido B, é porque a solução de A contém, em um mesmo volume, uma quantidade de íons maior que a de B. Constata-se experimentalmente que, em idênticas condições (mesma quantidade de moléculas de ácido e de água, temperatura, etc.), o ácido clorídrico conduz melhor a corrente elétrica que o ácido acético, portanto sua ionização produz um número de íons maior que a ionização do ácido acético, isto é, o HCℓ tem grau de ionização maior. Dizemos, então, que o ácido clorídrico é mais forte que o ácido acético. A força de um ácido está relacionada com sua condutibilidade elétrica, a qual é decorrente da porcentagem de moléculas do ácido que ioniza.

Grau de ionização (α) A equação de ionização total de um ácido indica quantos íons se formam para cada molécula de ácido. No entanto, não são todas as moléculas de ácido que, dissolvidas em água, fornecem íons. Ou seja, o fato de a solução aquosa de ácido clorídrico apresentar condutibilidade maior do que a de ácido acético (presente no vinagre), sob mesmas condições, indica que o ácido clorídrico está mais ionizado, isto é, tem maior porcentagem de ionização. Supondo que 100 moléculas de um ácido – genericamente representado por HA – sejam colocadas em água e somente 80 liberem íons, teríamos então: H2O

H3O1

excesso

80

1

(80)

(ionizam-se)

A2

1

80

(íons formados)

Das 100 moléculas, 80 sofreriam ionização, originando 80 íons H3O1 e 80 íons A2. Ficariam sem se ionizar 20 moléculas, que continuariam na forma HA. Dizemos que, nesse caso, o grau de ionização – representado pelo símbolo α – foi de 80%: α5

no de moléculas que se ionizam 80 ⇒ α 5 0,8 ou α 5 80% ⇒ α 5 o n de moléculas inicialmente dissolvidas em água 100

O grau de ionização pode ser expresso em número decimal ou em porcentagem. Um ácido será tanto mais forte quanto Força de ácidos e condutibilidade maior for seu grau de ionização. ▸

150

Simplificadamente, podemos dizer que: são ácidos fortes aqueles com α 5 50%. Exemplos: ácido perclórico (HCℓO 4), ácido nítrico (HNO3), ácido sulfúrico (H2SO4), ácido iodídrico (HI), ácido bromídrico (HBr), ácido clorídrico (HCℓ); são ácidos fracos aqueles com α , 5%. Exemplos: ácido carbônico (H 2 CO3), ácido cianídrico (HCN), ácido acético (CH3COOH), ácido bórico (H3BO3); são ácidos moderados (ou médios) aqueles com grau de ionização intermediário, entre o dos ácidos fortes e o dos fracos, ou seja, 5% , α , 50%. Exemplos: ácido fosfórico (H3PO4), ácido oxálico (H2C2O4), ácido sulfuroso (H2SO3); ácido fluorídrico (HF).

luminosidade forte polo +

polo –

bateria

HCℓ(aq) ácido clorídrico

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

luminosidade fraca polo +

polo –

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

HA

Observação: O grau de ionização α de um ácido depende da temperatura e da quantidade da substância dissolvida na solução, aspecto que será aprofundado mais adiante em seu estudo de Química.

bateria

CH3COOH(aq) ácido acético

Duas soluções nas quais foi colocado o mesmo número de moléculas de HA por litro de solução conduzem corrente elétrica tanto melhor quanto maior for o grau de ionização. O ácido clorídrico é um ácido mais forte do que o ácido acético, sendo, portanto, melhor condutor de corrente elétrica.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Força de um ácido e periculosidade Nem sempre a força de um ácido é indicativa de sua periculosidade. O ácido cianídrico (HCN), por exemplo, é uma substância extremamente tóxica, embora seja um ácido fraco (α 5 0,08). Ele foi utilizado por algum tempo, nos Estados Unidos, nas câmaras de gás para executar criminosos condenados à pena de morte. Em 2013, no incêndio de uma boate na cidade de Santa Maria (RS), o gás cianídrico foi o principal responsável pela morte de mais de 230 pessoas. A queima da espuma que recobria o teto do estabelecimento liberou esse gás, que intoxicou a maior parte das vítimas.

Alguns ácidos de importância comercial Excluída a água, o ácido sulfúrico é a substância mais empregada na indústria química. A quantidade desse ácido produzida pela indústria química de um país serve de indicador de seu índice de desenvolvimento econômico. Isso porque ele é matéria-prima para a fabricação de muitos materiais. Entre seus usos, podemos citar: ▸▸ a obtenção do ácido fosfórico, que, por sua vez, é empregado no preparo de detergentes e fertilizantes; ▸▸ o emprego na indústria de petróleo; ▸▸ a obtenção do sulfato de alumínio, Aℓ (SO ) , substância utilizada na indústria de papel 2 4 3 e no tratamento de água; ▸▸ a fabricação de baterias chumbo-ácido, usadas em veículos automotivos. Em solução concentrada, o ácido sulfúrico é um excelente desidratante, isto é, retira água do meio em que se encontra (por essa característica, dizemos que ele é higroscópico). Quando se acrescenta água ao ácido sulfúrico, há grande liberação de calor (processo exotérmico). O ácido sulfúrico concentrado, em contato com a pele, provoca sérias queimaduras. Isso explica por que se devem tomar cuidados especiais ao preparar uma solução aquosa mais diluída a partir dele: ▸▸ usar equipamento de proteção individual adequado (avental de mangas compridas, luvas de látex e óculos de proteção); ▸▸ nunca adicionar água ao ácido, e sim adicionar o ácido à água, lentamente e com agitação constante – a quantidade de calor liberada é proporcional à quantidade de ácido. A água ajuda a dispersá-lo. Por isso, é necessário garantir que, o tempo todo, a água esteja presente em maior quantidade.

Ácido nítrico: HNO3(aq)

©SHUTTERSTOCK/SARKA

DIVULGAÇÃO PNLD

Ácido sulfúrico: H2SO4(aq)

O HNO3 é usado para fabricar fertilizantes, explosivos, corantes, derivados plásticos, nitrocelulose (substância usada em plásticos, revestimentos, filmes fotográficos, tintas, adesivos, etc.). Trata-se de uma substância volátil, tóxica e oxidante. Agricultor aplica mistura de fertilizante em plantação. A manipulação desse tipo de composto requer o uso de equipamentos de proteção individual (EPI), como óculos de proteção, luvas (como na foto ao lado), máscara, botas, etc., para evitar possíveis danos à saúde. Capítulo 7  Ácidos, bases e sais

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Ácido clorídrico: HCℓ(aq)

© 2016 KING FEATURES SYNDICATE/IPRESS.

DIVULGAÇÃO PNLD

As soluções aquosas concentradas de ácido clorídrico, HCℓ(aq), são extremamente corrosivas e, por isso, devem ser manuseadas com cuidado. O cloreto de hidrogênio, HCℓ(g), é um gás corrosivo que irrita o sistema respiratório e, por essa razão, deve ser manuseado com equipamentos de proteção individual. Se inalado em grandes quantidades, pode causar o estreitamento dos bronquíolos, levando ao acúmulo de líquido nos pulmões e, eventualmente, à morte. O ácido clorídrico contendo impurezas é vendido no comércio com o nome de ácido muriático. É usado na limpeza de pedras e pisos, especialmente para remover resíduos de cimento ao término de obras de construção. Esse ácido também está presente no suco gástrico e tem papel importante no processo digestório. Quando em excesso no estômago, provoca a sensação de azia e queimação (hiperacidez estomacal). Porém, a carência de ácido clorídrico no suco gástrico, aliada a outros fatores, pode tornar a digestão mais lenta.

O excesso de acidez no estômago causa azia e queimação. O humor da tira se cria por uma troca: se uma cotação de quatro estrelas demonstraria a excelência da comida do quartel, a cotação de quatro tabletes de antiácido não deixa dúvidas sobre a falta de qualidade do lugar!

Atividades

Não escreva neste livro.

1. Se colocarmos 5 ? 105 moléculas de H3PO4 em água, constataremos que somente por volta de 1,35 ? 105 sofrem ionização. a) Qual é o grau de ionização do H3PO4? b) Como se pode classificar esse ácido quanto à força? 2. Após a ionização completa da molécula de um ácido HxA, obtêm-se ânions Ax2. O que se pode concluir sobre o número de hidrogênios ionizáveis do ácido? 3. A solução aquosa de ácido perclórico, HCℓO4(aq), é boa condutora de corrente elétrica. Como se comporta o HCℓO4(ℓ) em relação à condutibilidade elétrica? Justifique. 4. Como poderemos diferenciar um ácido forte de um fraco, experimentalmente? 5. Praticamente não há moléculas de cloreto de hidrogênio (HCℓ) em certa solução de ácido clorídrico diluída. Justifique esse fato.

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Bases ou hidróxidos O principal constituinte da soda cáustica, material vendido no comércio para desentupir encanamentos obstruídos por gordura, é o hidróxido de sódio, NaOH. Essa substância pertence à função base ou hidróxido. São outros exemplos de base: ▸▸

hidróxido de potássio, KOH, comercialmente chamado de potassa;

▸▸

hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, conhecido como cal extinta ou cal hidratada – é obtido por adição de água à cal e empregado em construções;

▸▸

hidróxido de alumínio, Aℓ(OH)3, e hidróxido de magnésio, Mg(OH)2, usados como antiácidos.

Preste atenção nas fórmulas desses compostos. Com o que estudamos até aqui, você pode deduzir algumas das propriedades das bases. Que generalizações podem ser feitas sobre as bases ou hidróxidos, segundo o conceito de Arrhenius? Observe a tabela abaixo.

DIVULGAÇÃO PNLD

Características de algumas bases Nome

Fórmula

Natureza

Estado físico (a 25 oC, 1 atm)

hidróxido de sódio

NaOH

iônico

sólido

hidróxido de potássio

KOH

iônico

sólido

hidróxido de cálcio

Ca(OH)2

iônico

sólido

hidróxido de alumínio

Aℓ(OH)3

iônico

sólido

Entre as bases da tabela acima: ▸▸

todas são sólidas, o que é compatível com o fato de serem iônicas nas condições ambientes;

▸▸

todas têm o ânion OH2 (hidróxido).

Conceito de base de Arrhenius Considerando a teoria da dissociação iônica de Arrhenius, podemos afirmar que bases são compostos que, em solução aquosa, fornecem um único tipo de ânion: o OH2, chamado de hidróxido ou hidroxila. O processo de dissociação iônica é o que ocorre com as bases ao serem colocadas em água; o meio formado como resultado dessa dissolução (total ou parcial) é, portanto, eletrolítico. A dissociação iônica do hidróxido de sódio, uma base bastante solúvel em água, é representada por:

Na1OH2(s) hidróxido de sódio

H2O

Na1(aq)

1

íons sódio

OH2(aq) íons hidróxido

Pelo fato de se dissolver bem em água, a solução de hidróxido de sódio é boa condutora de corrente elétrica. As bases dos demais metais alcalinos (grupo 1), todas bastante solúveis em água, e as de alguns metais alcalinoterrosos (grupo 2), embora menos solúveis que as dos metais alcalinos – como o Ba(OH)2 e o Ca(OH)2 –, são outros exemplos de bases que conduzem bem a corrente elétrica em solução aquosa. Capítulo 7  Ácidos, bases e sais

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Algumas bases de importância comercial Hidróxido de amônio: NH4OH

Ao contrário das demais bases – sólidos iônicos que sofrem dissociação em água liberando OH2 –, a solução conhecida comercialmente com o nome de amoníaco é obtida pela dissolução de NH3(g), amônia ou gás amoníaco, em água. A amônia é um gás extremamente irritante e corrosivo, podendo causar sérios danos às vias respiratórias se for inalado. δ1

H

δ1

δ2 δ1

H H N H H

δ2

N

1

H O H

NH3(g)

1

H2O(ℓ)

NH14 (aq)

água

íons amônio

δ1

H

δ1

H amônia

1

1

1

O H

2

OH2(aq) íons hidróxido

DIVULGAÇÃO PNLD

) que aparecem na equação química indicam que as reações são As duas setas ( reversíveis, isto é, alguns dos íons formados voltam a reagir, tornando a formar NH3(g) e água. O hidróxido de amônio, uma base, é muito usado: ▸▸ na preparação de fertilizantes agrícolas; ▸▸ como matéria-prima na obtenção de ácido nítrico; ▸▸ no preparo de produtos de limpeza; ▸▸ como gás refrigerante, atualmente empregado apenas em grandes indústrias.

Hidróxido de sódio: NaOH Esta é uma das bases mais empregadas; comercialmente, é vendida com o nome de soda cáustica. Sua manipulação requer cuidados especiais e equipamentos de proteção individual porque se trata de uma substância corrosiva e desidratante, ou seja, higroscópica, que atrai as moléculas de água. É usada na indústria téxtil, de papel e na preparação de sabões e detergentes, por exemplo. SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Atenção! O NaOH é corrosivo.

O hidróxido de sódio ataca a pele, o vidro e alguns metais.

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Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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DIVULGAÇÃO PNLD

Força das bases O hidróxido de amônio é impropriamente representado por NH4OH, pois, na verdade, não há como isolar uma substância que apresente essa composição. Em solução aquosa de gás amoníaco, NH3(aq), a porcentagem de moléculas que reagem com a água e formam íons NH14 (aq) e OH2(aq) é pequena. Por isso, o hidróxido de amônio é considerado uma base fraca, isto é, tem grau de ionização baixo. Por simplificação, costuma-se representar o hidróxido de amônio por NH3(aq) ou NH4OH(aq). Fique atento, porém, ao fato de não existir NH4OH(puro), isto é, sem a presença de água. Com exceção do hidróxido de amônio, NH4OH, que é uma base fraca e bastante solúvel em água, as demais bases têm sua força vinculada à solubilidade em água, ou seja, as bases bastante solúveis são fortes e as pouco solúveis são fracas. ▸ Bases fortes Bases de metais do grupo 1: hidróxido de lítio, LiOH; hidróxido de sódio, NaOH; hidróxido de potássio, KOH; hidróxido de rubídio, RbOH; hidróxido de césio, CsOH. As bases do grupo 1 são as mais fortes por serem bastante solúveis em água. Bases de metais do grupo 2: hidróxido de cálcio, Ca(OH)2; hidróxido de estrôncio, Sr(OH)2; hidróxido de bário, Ba(OH)2. ▸ Bases fracas A maioria das bases é fraca; excetuam-se os hidróxidos dos metais dos grupos 1 e 2. Exemplos de bases fracas: hidróxido de chumbo(II), Pb(OH)2; hidróxido de zinco, Zn(OH)2; hidróxido de ferro(III), Fe(OH)3; hidróxido de cádmio, Cd(OH)2; hidróxido de níquel(II), Ni(OH)2; hidróxido de amônio, NH4OH (fraca devido ao baixo grau de ionização do NH3). Observações: • Todas as bases são sólidas nas condições ambientes (têm alta temperatura de fusão), com exceção do hidróxido de amônio. • É frequente usarmos a expressão solução alcalina para fazer referência a uma solução básica. Ou seja, os termos base, hidróxido e álcali são sinônimos.

Atividades As questões de 1 a 3 referem-se ao hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, e ao hidróxido de amônio, NH4OH. 1. Ambos são considerados bases. Por quê? 2. Quando testamos a condutibilidade elétrica de soluções produzidas com a mesma quantidade de hidróxido de cálcio e de hidróxido de amônio, notamos uma diferença na intensidade de luz emitida pela lâmpada do equipamento. Explique a razão dessa diferença. 3. Represente em seu caderno, na forma de equação, a dissociação da base forte em água. Considere as fórmulas dos compostos a seguir para resolver os exercícios de 4 a 6.

H3C — O — H (1)

Aℓ(OH)3 (2)

4. De acordo com Arrhenius, qual deles representa uma base? 5. Explique como você concluiu que um dos compostos não pode ser base, ainda de acordo com Arrhenius. 6. Um dos compostos é líquido nas condições ambientes. Qual é? Explique como chegou a essa conclusão.

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Quando pensamos em representantes dessa função, com frequência nos vem à mente o sal de cozinha, formado, principalmente, por cloreto de sódio, NaCℓ. Mas existem muitos outros sais, como o carbonato de cálcio, CaCO3, presente no mármore; o sulfato de bário, BaSO 4, sal praticamente insolúvel em água e usualmente ingerido para agir como contraste em radiografias do sistema digestório; o sulfato de cálcio, CaSO4, substância presente no giz; o nitrato de potássio, KNO3, usado como fertilizante; o fosfato de cálcio, Ca 3(PO 4)2, também usado como fertilizante; além de outros, como os sais presentes na foto ao lado.

CoCℓ2 ? H2O CuSO4 ? 5 H2O

Ni(NO2)2 ? 6 H2O

CrCℓ 3 ? 6 H2O

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/MARTYN F. CHILLMAID

Sais

FeCℓ 3 ? 6 H2O

DIVULGAÇÃO PNLD

Conceito de sal Considerando a teoria da dissociação iônica de Arrhenius, podemos afirmar que sais são compostos iônicos que têm pelo menos um cátion proveniente de uma base e um ânion proveniente de um ácido. No sulfato de bário, BaSO4, por exemplo, pode-se considerar que o bário é proveniente do hidróxido de bário, Ba(OH)2, e o sulfato é proveniente do ácido sulfúrico, H2SO4.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ALAIN POL, ISM

Você pode observar que os sais são substâncias sólidas nas condições ambientes e podem ter colorações diferentes. Alguns apresentam moléculas de água em sua estrutura, sendo chamados de sais hidratados, como os da imagem acima.

Radiografia do sistema digestório: o sulfato de bário foi usado como contraste. A cor laranja se deve à interação do organismo com a substância sulfato de bário.

Sais utilizados na alimentação Sal refinado, sal light e salgante são alguns dos sais utilizados como ingredientes na culinária. Você sabe qual é a diferença entre eles? O sal refinado, também conhecido como sal de cozinha, pode ser obtido pela evaporação da água do mar, seguida de um processo de refinamento que elimina impurezas, adicionando-se, então, substâncias que deixam os grãos mais “soltos”. Enquanto a composição do sal de cozinha é, principalmente, cloreto de sódio (NaCℓ), o sal light apresenta 50% de cloreto de sódio e 50% de cloreto de potássio (KCℓ); seu sabor é mais suave que o do sal refinado, e ele é utilizado por algumas pessoas para diminuir o consumo de sódio, associado à hipertensão e a doenças cardiovasculares, entre outras. O salgante não possui cloreto de sódio; sua composição é principalmente cloreto de potássio. Esse sal deixa um sabor residual amargo na boca e não é recomendado para pessoas com problemas renais ou que consumam medicamentos que retêm potássio.

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Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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O que é neutralização? Para aumentar a confiança do consumidor em um produto, um dos recursos das propagandas é usar termos da área das ciências ou da medicina. Assim, é possível que você já tenha visto propagandas – principalmente de certos medicamentos e de xampus – em que se emprega a expressão neutralizar a acidez. Essa expressão se refere, nesses contextos, a uma propriedade das bases: a de reagir com ácidos formando água. Se a água do sistema for totalmente evaporada, obteremos um sal como resíduo. Assim, podemos dizer que sais são compostos que podem ser obtidos pela reação de neutralização entre um ácido e uma base seguida da evaporação da água do sistema. Observe atentamente algumas equações químicas que representam reações de neutralização:

DIVULGAÇÃO PNLD

NaOH(aq)

HCℓ(aq)

NaCℓ(aq)

hidróxido de sódio cátion: Na1

ácido clorídrico ânion: Cℓ2

cloreto de sódio Na1Cℓ2

água

(base)

(ácido)

(sal)

(água)

1

1

H2O(ℓ)

A água produzida na reação resulta da união dos íons H1, provenientes do ácido, com os íons OH2, fornecidos pela base. Observe agora a equação a seguir, em que se obtêm 2 moléculas de H2O para cada conjunto iônico do sal formado:

2 HNO3(aq)

Ba(NO3)2(aq)

hidróxido de bário

ácido nítrico

nitrato de bário

água

(base)

(ácido)

(sal)

(água)

dissociação iônica

ionização

dissociação iônica

BaOH2(aq)

1

Ba21 1 2 OH2

1

2 H1 1 2 NO23

Ba21 1 2 NO23

2 OH2

1

2 H1

2 H2O

1 2 H2O(ℓ)

1

2 H2O

A proporção 2 : 2 equivale à proporção 1 : 1, o que quer dizer que para cada ânion OH2 há necessidade de um cátion H1. Assim, a equação iônica que melhor representa a neutralização de um ácido por uma base é:

OH2(aq)

1

H1 (aq)

H2O(ℓ)

A neutralização, o pH e os indicadores Em propagandas de produtos de higiene e beleza, também é comum o emprego do termo pH com a intenção de dar credibilidade ao que se diz sobre o produto. Mas o que é pH? Podemos dizer, de modo simplificado, que pH é uma “medida” da acidez ou basicidade (alcalinidade) de um meio. Cada valor de pH está associado a certa concentração de íons H1(aq), ou seja, à quantidade desses íons por unidade de volume de solução. Nas condições ambientes (25 °C e 1 atm), o pH 5 7 indica que o meio é neutro; valores abaixo de 7 indicam que o meio é ácido (quanto mais baixo é o valor do pH, mais ácido é o meio), e valores acima de 7 indicam que o meio é alcalino (quanto maior é o valor de pH, mais básico é o meio). Capítulo 7  Ácidos, bases e sais

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O pH pode ser medido por meio de um aparelho (peagâmetro) ou pela análise das cores de tiras de papel poroso contendo um pigmento sensível à concentração de íons hidrogênio (os já mencionados indicadores ácido-base). Cada tom de cor do papel corresponde a determinado pH. ...

1

2

3

4

5

6

meio ácido

7

8

9

neutro

10

11

12

13

...

meio básico

© SHUTTERSTOCK/MILANB

© SHUTTERSTOCK/COPRID

Escala de pH indicando as faixas correspondentes ao meio ácido e ao meio básico e o valor correspondente ao meio neutro.

DIVULGAÇÃO PNLD

Fita indicadora universal com o padrão de cores correspondente aos valores de pH desse indicador. Qual valor você observa ao testar o pH do pedaço de laranja?

Teste de pH de um pedaço de laranja utilizando a fita indicadora universal. Note que o resultado indica que o meio é ácido.

Em pH 5 7,0, a concentração de íons H1(aq) é igual à concentração de íons OH2(aq). Se um meio é ácido (pH , 7,0), isso quer dizer que a concentração de íons H1(aq) é maior que a de OH2(aq). Quanto maior é essa diferença, mais ácido é o meio e menor o valor de pH. Quando é acrescentada uma base – que fornece íons OH2(aq) – a uma solução ácida, os íons H1 são total ou parcialmente neutralizados, o que faz o valor do pH aumentar:

H1(aq) 1 OH2(aq)

H2O(ℓ)

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Observe a seguir a ilustração de um experimento realizado com uma solução aquosa de hidróxido de sódio, usando fenolftaleína como indicador, à qual se acrescentam gradativamente gotas de ácido clorídrico. A reação de neutralização que ocorre provoca uma repentina mudança na coloração do líquido, que passa de rosa a incolor, quando o pH chega a 8 (meio básico). Essa mudança visual é chamada de viragem do indicador.

Cores fantasia, sem escala.

gotas de HCℓ(aq) NaOH(aq) 1 fenolftaleína coloração rósea

158

incolor NaCℓ(aq) 1 fenolftaleína

A presença de fenolftaleína na solução aquosa de hidróxido de sódio faz o líquido adquirir coloração rósea. A adição de solução aquosa de ácido clorídrico altera o pH do meio, fazendo com que o líquido passe a ser incolor.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões Química e saúde – A reação de neutralização e o tabagismo Ao longo do tempo, a indústria tabagista tem usado alguns recursos para que as pessoas se tornem mais rapidamente dependentes do cigarro. Vamos refletir sobre alguns deles, com base na leitura de dois fragmentos de matérias veiculadas pela imprensa. Cigarro é mais viciante que cocaína e heroína, diz relatório BRASÍLIA – Relatório preparado pela organização de controle do tabagismo Campanha Crianças Livres do Tabaco (CTFK) lançado nesta terça-feira, 2 [de setembro de 2014], no Brasil, mostra que cigarros r

estão mais viciantes e perigosos. Feito a partir da análise de pesquisas científicas e de documentos fornecidos pela indústria do tabaco, o trabalho afirma ser mais fácil tornar-se dependente de cigarro do que de cocaína e de heroína. A mudança, afirma o documento, é resultado de estratégia adotada pelas companhias. Ao longo dos últimos 50 anos, assegura o relatório, os produtos passaram a apresentar um teor maior de nicotina, tiveram a inclusão em sua fórmula de amônia e açúcares, que aumentam seu efeito e tornam a fumaça mais fácil de ser inalada. [...]

DIVULGAÇÃO PNLD

Documentos reunidos no relatório mostram que os teores de nicotina dos cigarros aumentaram 14,5% entre 1999 e 2011. [...] Pesquisadores afirmam no trabalho que a amônia acrescentada ao tabaco aumenta a velocidade com que a nicotina chega ao cérebro e a sua absorção, o que torna a sensação de prazer mais rápida e mais intensa. A amônia também torna a fumaça do cigarro mais suave, o que facilita a sua inalação pelos pulmões.

[...] De acordo com o trabalho, apesar de fumarem menos, tanto homens quanto mulheres têm um risco muito maior de desenvolver câncer de pulmão e doença pulmonar obstrutiva crônica do que em 1964, quando foi divulgado o primeiro relatório produzido pelo governo americano sobre o impacto do tabagismo na saúde. [Um dos autores do relatório, o professor David Burns] criticou a suspensão no Brasil da resolução da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) que proibia a adição de produtos que conferissem sabor para os cigarros. “Companhias usam os aditivos para aumentar o número de vendas, para atrair jovens e evitar que pessoas abandonem o tabagismo”, disse. FORMENTI, Lígia. O Estado de S. Paulo, 2 set. 2014. Disponível em: <http://saude.estadao.com.br/noticias/geral,cigarro-e-mais-viciante-quecocaina-e-heroina-diz-relatorio,1553676>. Acesso em: 16 dez. 2015.

Açúcar e amônia podem sair da composição do cigarro [...] A 4ª Conferência das Partes (COP4) da Convenção para Controle do Tabaco, organizada pela Organização Mundial da Saúde [...] traz como um dos destaques de sua agenda uma discussão que vem tirando o sono – e ameaçando o bolso – de produtores de tabaco e cigarreiras: a retirada de aditivos, principalmente o açúcar e a amônia, da lista de componentes do cigarro [...]. Maior exportador de tabaco do mundo, o Brasil envia para o exterior cerca de 675 toneladas de fumo por ano [...]. Desse montante, 15% são de tabaco tipo burley, uma qualidade do fumo mais amarga que precisa da adição de até 10% de açúcar para se tornar palatável ao consumidor. “Isso é feito com os olhos voltados ao público jovem, que começa a fumar cada vez mais cedo [...]. [...] O segundo aditivo na mira da Convenção, a amônia, pode potencializar em até cem vezes os efeitos viciantes da nicotina no organismo. “Esse produto é usado com o único objetivo de deixar o consumidor viciado o mais cedo possível”, diz o pneumologista Sérgio Ricardo Santos. Com a eventual retirada desses componentes da formulação do cigarro, espera-se que o produto se torne menos atrativo ao jovem e que haja uma diminuição nos danos causados à saúde do fumante. YARAK, Aretha. Veja, São Paulo, 16 nov. 2010. Disponível em: <http://veja.abril.com.br/noticia/saude/ acucar-e-amonia-podem-sair-da-composicao-do-cigarro/>. Acesso em: 17 dez. 2015.

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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1. Qual é a fórmula da amônia? Que caráter tem a solução dessa substância em água? 2. Ambos os textos afirmam que a adição de amônia ao tabaco tem relação com o processo pelo qual o fumante se torna dependente do cigarro. Levando em conta que, no Brasil, o solo é, em geral, ácido, explique por que essa adição tem colaborado para aumentar o número de dependentes do cigarro. 3. Por que os jovens estão no centro das discussões do encontro internacional organizado pela Organização Mundial da Saúde? 4. De acordo com o primeiro texto, os cigarros estão mais viciantes e perigosos como resultado de “estratégia adotada pelas companhias”. Um assunto como esse, sério e que tem impacto em nossa vida, exige que as pessoas se posicionem e, para isso, é preciso ter informações. Então pesquise em fontes confiáveis e registre os dados mais importantes: a) Que riscos à saúde o cigarro representa, independentemente da adição de açúcar e amônia? b) Quem pode fumar no Brasil e em que locais? c) Quais são as restrições em relação à propaganda desse produto? 5. Agora dê sua opinião: levando em conta a responsabilidade social das empresas, o que você pensa sobre a estratégia comercial de tornar o cigarro mais viciante? Justifique seu ponto de vista com argumentos.

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6. No Brasil, vem ocorrendo o endurecimento das leis contra o uso e a publicidade de cigarros. Por exemplo, as embalagens de cigarro devem conter advertências sobre os males que esse produto pode causar à saúde. Veja o que diz sobre isso um especialista em propaganda e marketing: “Esse tipo de aviso nas embalagens é feito para o não fumante e reforça algo que todos sabem, inclusive o fumante. Quem fuma não o faz por desconhecer os riscos à saúde ou porque tem expectativa de que o cigarro irá fazer bem, mas porque é um vício. [...]”, explica o professor Marcelo Pontes [...] da Escola Superior de Propaganda e Marketing (ESPM). BÜLL, Patrícia. Indústria tabagista segue em alta, apesar de mais restrições. Disponível em: <http://brasileconomico.ig.com.br/brasil/economia/2015-04-14/ industria-tabagista-segue-em-alta-apesar-de-mais-restricoes.html>. Acesso em: 18 dez. 2015.

Comente a opinião de Marcelo Pontes, relacionando-a com a presença de açúcar e amônia nos cigarros. 7. Muitas famílias de pequenos proprietários rurais e de trabalhadores rurais sobrevivem da plantação do tabaco. Proponha alternativas que o governo e a sociedade podem adotar para que essas pessoas sobrevivam dignamente, caso a produção de tabaco seja reduzida.

A reação de neutralização e os tipos de sal Considere as duas possibilidades de neutralização do ácido sulfúrico, H2SO4(aq) – que é um diácido, isto é, um ácido constituído por 2 átomos de hidrogênio ionizáveis –, por hidróxido de potássio, KOH(aq):

H2SO4(aq)

KOH(aq)

ácido sulfúrico

hidróxido de potássio

HHSO4(aq)

KOH(aq)

H2SO4(aq)

160

1

1

2 KOH(aq)

ácido sulfúrico

hidróxido de potássio

HHSO4(aq)

KOH(aq) 1 KOH(aq)

neutralização parcial

KHSO4(aq)

1

hidrogenossulfato de potássio (hidrogenossal) neutralização total

K2SO4(aq) sulfato de potássio (sal normal)

H2O(ℓ) água

1

2 H2O(ℓ) água

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Se ácido sulfúrico e hidróxido de potássio reagirem na proporção de 1 : 1, apenas um dos hidrogênios ionizáveis do ácido será neutralizado. Genericamente, o tipo de sal formado é chamado de hidrogenossal, por ainda conter hidrogênio ionizável. Quando ocorre a neutralização total, como acontece na segunda possibilidade, há a formação de um sal que pode ser classificado como sal normal. De modo semelhante, vamos analisar o que ocorre quando uma dibase, isto é, uma base que apresenta duas hidroxilas, como o hidróxido de cálcio, Ca(OH)2(aq), reage com um ácido como o ácido clorídrico, HCℓ(aq). Se essas substâncias reagirem na proporção de 1 : 1, teremos um sal com o íon hidroxila.

Ca(OH)2(s)

1

hidróxido de cálcio

HCℓ(aq) ácido clorídrico

neutralização total

Ca(OH)Cℓ(aq) 1 hidroxicloreto de cálcio (hidroxissal)

H2O(ℓ) água

Ca(OH)(OH)

DIVULGAÇÃO PNLD

Isso porque somente um dos grupos hidróxido foi neutralizado. Quando o sal apresenta íon(s) hidroxila(s) em sua composição, ele é classificado como hidroxissal. De forma análoga ao que ocorre com o ácido sulfúrico, pode acontecer a neutralização total dos íons hidroxila:

Ca(OH)2(s) hidróxido de cálcio

1

2 HCℓ(aq)

CaCℓ 2(aq)

ácido clorídrico

cloreto de cálcio (sal normal)

1 2 H2O(ℓ) água

Ca(OH)(OH) Com base nas diversas possibilidades de neutralização, vamos classificar os principais tipos de sal. ▸▸

Sais normais são aqueles que podem ser obtidos pela neutralização total de um ácido por uma base. Eles não contêm grupo OH2 ou H1. Exemplos: sulfato de potássio, K2SO4; fosfato de bário, Ba3(PO4)2; carbonato de cálcio, CaCO3.

▸▸

Hidrogenossais são aqueles que têm um só tipo de cátion e cujo ânion contém um ou mais hidrogênios ionizáveis. Os hidrogenossais formam-se quando apenas parte dos H ionizáveis de um poliácido é neutralizada por uma base. Exemplos: hidrogenossulfato de potássio, KHSO4; monoidrogenofosfato de bário, BaHPO4; hidrogenocarbonato de sódio, NaHCO3. Antigamente, os hidrogenossais também eram chamados de sais ácidos, expressão que pode sugerir que suas soluções são ácidas, o que não é verdadeiro. Por isso, essa nomenclatura deve ser evitada. O NaHCO3, hidrogenocarbonato de sódio, às vezes é chamado de carbonato ácido de sódio, no entanto sua solução tem caráter básico (ainda utilizado por muitos como antiácido estomacal). O NaHCO3 é comercializado também com o nome de bicarbonato de sódio.

Capítulo 7  Ácidos, bases e sais

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Hidroxissais são aqueles que têm um só tipo de cátion e cujo ânion contém uma ou mais hidroxilas. Exemplos: hidroxicloreto de cálcio, Ca(OH)Cℓ; di-hidroxinitrato de alumínio, Aℓ(OH)2NO3; hidroxissulfato de ferro(III), Fe(OH)SO4. FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

▸▸

O monoidrogenocarbonato de sódio ou bicarbonato de sódio (NaHCO3) é um sal muito utilizado na culinária, na confecção de pães e bolos. O fato de o NaHCO3 ter caráter básico explica por que ainda hoje algumas pessoas o utilizam para combater a azia. Repare que no rótulo de uma embalagem de sal, à direita, é mencionado o combate à acidez. (Vale lembrar que quem tem episódios frequentes de azia ou dor de estômago deve consultar um médico, e não se automedicar.) ▸▸

Sais duplos são aqueles em que os cátions correspondem aos de duas bases ou em que os ânions correspondem aos de dois ácidos. – Sais duplos quanto ao cátion:

DIVULGAÇÃO PNLD

⎧ bases: NaOH e KOH

NaKSO4

NaKSO4 ⎨

sulfato duplo de sódio e potássio

⎩ ácido: H2SO4

– Sais duplos quanto ao ânion:

⎧ base: Ca(OH)2

CaCℓBr

CaBrCℓ ⎨

cloreto brometo de cálcio

⎩ ácidos: HBr e HCℓ

Em qualquer um dos casos estudados, o total de cargas correspondente à fórmula do sal é zero, como podemos ver no quadro abaixo. Cargas presentes nos diversos tipos de sal Sal

Total de cargas positivas

Total de cargas negativas

Soma das cargas

31

14 1 (24) 5 0

normal Ca2P2O7

Ca21

32

14

P2O42 7

Ca21

31

12

H2P2O22 7

Fe

31

24

pirofosfato de cálcio

hidrogenossal CaH2P2O7

31

22

12 1 (22) 5 0

di-hidrogenopirofosfato de cálcio

hidroxissal Fe(OH)SO4

31

KMgF3 fluoreto de magnésio e potássio

162

31

K1

31

SO422

31

23

Mg

31

13 1 (23) 5 0

22

11 13

21

21

13

hidroxissulfato de ferro(III)

sal duplo

OH2

F2

33

23

13 1 (23) 5 0

12

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Nomenclatura de ácidos, bases e sais Agora que você já estudou ácidos, bases e sais, vamos começar a dar os nomes de alguns deles. Para nomear os ácidos, utilizamos a seguinte estrutura: (nome do ânion com a terminação alterada)

ácido

Terminação

Exemplos

Ânion

Ácido

Ânion

Ácido

-eto

-ídrico

S (sulfeto)

H2S (ácido sulfídrico)

-ato

-ico

BO32 (borato) 3

H3BO3 (ácido bórico)

-ito

-oso

NO22 (nitrito)

HNO2 (ácido nitroso)

22

Hidrácidos

não contém oxigênio em sua composição

nome: ácido ... ídrico

Oxiácidos

contém oxigênio em sua composição

nome: ácido ... ico ou oso

A nomenclatura de oxiácidos de fósforo e enxofre apresenta uma pequena variação em relação à dos outros oxiácidos. Observe a tabela.

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

Ácidos

Exemplos Ânion

Ácido

SO (sulfato)

H2SO4 (ácido sulfúrico)

22 4

SO (sulfito)

H2SO3 (ácido sulfuroso)

PO432 (fosfato)

H3PO4 (ácido fosforoso)

PO (hipofosfito)

H3PO2 (ácido hipofosforoso)

22 3

32 2

Para nomear as bases, utilizamos a seguinte estrutura: hidróxido de

(nome do cátion)

Se o cátion for de um elemento que pode apresentar várias cargas, indica-se a carga (ou valência) do cátion em algarismos romanos. Por exemplo: Elemento Ferro

Cátion

Fórmula (base)

Nome (base)

Fe

21

Fe(OH)2

hidróxido de ferro(II)

Fe

31

Fe(OH)3

hidróxido de ferro(III)

Para nomear os sais, utilizamos a seguinte estrutura: (nome do ânion)

O H2SO4 praticamente puro é um líquido viscoso (observe o conteúdo do béquer), bem diferente do sal Na2SO4 anidro, que é derivado desse ácido, um sólido cujos cristais são brancos, como se pode observar à esquerda na foto acima.

(nome do cátion)

de

Suponha que se queira saber qual é o nome do composto K3PO4. Consultando a tabela de cátions e ânions, temos:

⎧ ⎨ ⎩

K3PO4 ânion: PO432 (orto)fosfato  potássio (orto)fosfato de potássio cátion: K1 No caso de o cátion poder apresentar várias cargas (valências), usam-se algarismos romanos para indicá-las. Observe os exemplos: Metal Cobre

Cátion 1

Cu Cu

21

Ânion

Sal

Nome

SO

22 4

Cu2SO4

sulfato de cobre(I)

SO

22 4

CuSO4

sulfato de cobre(II) Capítulo 7  Ácidos, bases e sais

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Atividades Consulte a tabela de cátions e ânions do final do livro para resolver as questões. Sempre que julgar necessário, examine também a Tabela Periódica.

b) O sulfato de amônio é muito utilizado como fertilizante, pois, além de ser fonte de nitrogênio, corrige o pH do solo.

1. Entre os ácidos de importância industrial, podemos mencionar:

c) O sulfato de alumínio é um sal presente na composição de alguns papéis; esse sal é o responsável pelo amarelamento do papel.

I. o ácido clorídrico: o principal componente da mistura vendida sob o nome comercial de ácido muriático; II. o ácido nítrico: sua solução é bastante corrosiva; quando misturado ao ácido clorídrico, é capaz de reagir com o ouro, metal pouco reativo; III. o ácido fosfórico: usado como conservante de refrigerantes do tipo cola;

DIVULGAÇÃO PNLD

IV. o ácido sulfúrico: substância que se dissolve em água com liberação de calor – por isso as soluções aquosas dessa substância precisam ser preparadas com uma série de precauções. Para os quatro ácidos acima mencionados: a) escreva a fórmula molecular; b) dê o nome e a carga dos ânions obtidos pela ionização total desses ácidos. 2. Considere as bases mencionadas abaixo e escreva a fórmula de cada uma delas. a) Hidróxido de sódio: importante em processos industriais, como a fabricação de papel; b) Hidróxido de cobre(II): pode ser usado na agricultura como fungicida; c) Hidróxido de ferro(II): usado em medicamentos veterinários para o tratamento da anemia provocada por deficiência de ferro.

d) O alquimista alemão Johann Rudolf Glauber (1604-1670) foi o responsável por obter, no século XVII, alguns sais muito empregados ainda hoje. É o caso do permanganato de potássio – muito usado em laboratório e em desinfecção de água e de vegetais – e do sulfato de sódio – muito empregado em vários processos industriais, inclusive no chamado processo Kraft (fabricação de papel a partir da polpa da madeira), em medicamentos, etc. 5. A acidez do solo é prejudicial ao cultivo de plantas devido à diminuição da disponibilidade de nutrientes e ao surgimento de íons tóxicos às plantas, como o cátion alumínio (Aℓ31). A calagem – adição de cal – ou o uso de outros corretivos de acidez do solo são fundamentais para aumentar a produtividade e a eficiência de adubos. Considerando que um técnico analisou o pH de três amostras de solo distintas e obteve os resultados indicados a seguir, responda: em qual(is) amostra(s) será necessário o emprego de corretivos de acidez de solo? amostra 1 amostra 2 amostra 3

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

3. Dê o nome das bases: a) Aℓ(OH)3: componente principal da gibbsita, uma das formas sob a qual o alumínio pode ser encontrado na natureza; b) Ni(OH)2: usada em baterias recarregáveis de níquel-cádmio; c) Ba(OH)2: pode ser usada para eliminar a acidez provocada por derramamentos de ácido. 4. Represente os cátions e os ânions que constituem os sais mencionados nos itens abaixo, procedendo como no item a. a) O acetato de alumínio é um sal que, em solução aquosa, é usado como antisséptico (desinfetante).

164

1

2

3 4

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Escala de pH do indicador universal.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Não escreva neste livro.

6. Leia o texto a seguir e responda às questões.

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Excesso de sal pode causar doenças cardiovasculares Apesar de ter papel importante no organismo e contribuir para um bom funcionamento do corpo, o consumo abusivo do sal de cozinha pode trazer problemas à saúde. O excesso de sódio, principal componente do sal de cozinha, está associado ao desenvolvimento da hipertensão arterial, de doenças cardiovasculares, renais e outras, que estão entre as primeiras causas de internações e óbitos no Brasil e no mundo. O sódio é responsável pela regulação da quantidade de líquidos que ficam dentro e fora das células. Quando há excesso do nutriente no sangue, ocorre uma alteração no equilíbrio entre esses líquidos. O organismo retém mais água, que aumenta o volume de líquido, sobrecarregando o coração e os rins, situação que pode levar à hipertensão. A pressão alta prejudica a flexibilidade das artérias e ataca os vasos, coração, rins e cérebro. Dados [...] do Ministério da Saúde revelam que 22,7% dos brasileiros já receberam diagnóstico de hipertensão. Por dentro, os vasos são cobertos por uma fina camada, que é lesionada quando o sangue circula com pressão elevada. Com isso, eles se endurecem e ficam estreitos, podendo entupir ou romper com o passar dos anos. O entupimento de um vaso no coração pode levar a um infarto [...]. No cérebro, o entupimento ou rompimento levam ao Acidente Vascular Cerebral (AVC), conhecido como derrame [...]. Nos rins, podem ocorrer alterações na filtração do sangue e até a paralisação dos órgãos. Portanto, evitar a ingestão excessiva de sal é uma medida simples que pode prevenir vários problemas graves de saúde. A recomendação de consumo máximo diário de sal pela Organização Mundial de Saúde (OMS) é de menos de cinco gramas por pessoa. O Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) revela, no entanto, que o consumo do brasileiro está em 12 gramas diários, valor que ultrapassa o dobro do recomendado. [...] Opção saudável Uma das maneiras mais práticas de diminuir o consumo de sódio é observar as informações nutricionais no verso das embalagens ao comprar alimentos industrializados. Se a quantidade for superior a 400 mg em 100 g do alimento, é considerado um alimento rico no nutriente, sendo prejudicial à saúde. É recomendável sempre escolher aquele que apresentar menos sódio. [...] Para contribuir com a diminuição do consumo de sódio, o Ministério da Saúde firmou um acordo com a indústria alimentícia pela redução gradual do teor de sódio em alimentos processados. Desde 2011, o Governo Federal fechou três termos de compromisso para que várias categorias de alimentos sejam produzidas com menos sódio. [...] Somados os três convênios, a previsão é de que até 2020, estejam fora das prateleiras mais de 20 mil toneladas de sódio. [...]. PORTAL BRASIL. Excesso de sal pode causar doenças cardiovasculares. Disponível em: <http://www.brasil.gov.br/saude/2012/11/excesso-de-sal-pode-causar-doencas-cardiovasculares>. Acesso em: 20 jan. 2016.

a) O trecho destacado no primeiro parágrafo do texto apresenta uma imprecisão do ponto de vista da Química. Reescreva o trecho, adequando-o. b) O texto menciona uma maneira de diminuir o consumo de sódio: observar a quantidade desse nutriente nas informações nutricionais que aparecem no rótulo de alimentos. Pesquise essa informação em diferentes alimentos presentes em sua casa e construa uma tabela com esses dados, identificando os alimentos ricos em sódio segundo o padrão adotado no texto. c) Em grupo de três ou quatro colegas, construa um painel, a ser apresentado na escola, sobre o consumo de sal e a saúde. Pesquisem em fontes confiáveis a importância do sal na alimentação (quando consumido moderadamente) e os prejuízos causados pelo consumo excessivo desse nutriente. Utilizem as informações coletadas por vocês e por seus colegas para responder ao item b. O painel deve ter textos curtos e claros, imagens com legendas explicativas e as fontes de pesquisa utilizadas.

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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8 capítulo

Reações químicas: estudo qualitativo

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FOTOARENA/DUDA BAIRROS

Cerca de 280 mil toneladas de alimentos são comercializadas mensalmente na Companhia de Entrepostos e Armazéns Gerais de São Paulo (Ceagesp), em São Paulo (SP). Foto de 2015.

Para situá-lo Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • o que é equação química; • coeficientes de acerto das equações químicas; • método das tentativas de balanceamento das equações; • reações de síntese e decomposição; • condições para que reações envolvendo eletrólitos ocorram; • algumas reações químicas importantes em nossa vida.

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Há mais de dois séculos, o economista inglês Thomas Robert Malthus (1766-1824) analisou dados de produção e preço dos produtos e concluiu que, enquanto a disponibilidade de alimentos aumentava anualmente em progressão aritmética, a população mundial crescia, no mesmo período, em progressão geométrica. Se Malthus estivesse certo, de 1960 a 1970, por exemplo, a população teria pulado de cerca de 3 bilhões para 3 072 bilhões de pessoas! No entanto, em 1970, ela não chegava a 4 bilhões de indivíduos (<http://www.census.gov/population/international/ data/worldpop/graph_population.php>, acesso em: 29 fev. 2016). Isso porque, para esse economista, os meios de subsistência aumentariam numa progressão de 1 : 2 (em um ano), de 2 : 3 (no ano seguinte), de 3 : 4 (no ano seguinte), e assim por diante; enquanto isso, o número de habitantes da Terra aumentaria na proporção de 1 : 2 (em um ano), de 2 : 4 (no ano seguinte), de 4 : 8 (no ano seguinte), e assim por diante. Além de errar na projeção do crescimento populacional, Malthus não levou em conta a capacidade que a humanidade tem de gerar novas tecnologias para a produção de alimentos. Graças a essas novas tecnologias, que incluem o uso de fertilizantes e o desenvolvimento de sementes mais produtivas, a taxa de crescimento da produção de alimentos no mundo superou as previsões de Malthus.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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[...] O Brasil está pronto para se tornar o principal fornecedor de produtos agrícolas capaz de atender a crescente demanda mundial, originada principalmente na Ásia. [...] As exportações agrícolas do Brasil desempenham um papel importante nos mercados internacionais. O Brasil é o segundo maior exportador agrícola mundial e o maior Plantação de café no município de Manhuaçu (MG). fornecedor de açúcar, suco de Foto de 2015. laranja e café. [...] Nos últimos vinte anos, o setor agrícola brasileiro cresceu rapidamente com base na produtividade, bem como na expansão e consolidação da fronteira agrícola nas regiões Centro-Oeste e Norte. Apesar de o mercado interno absorver a maior parte da produção agrícola, esse crescimento foi impulsionado principalmente pela expansão da produção de produtos destinados à exportação, especialmente soja, açúcar e aves. [...]

PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

Porém, isso não significa que toda a população mundial esteja bem alimentada. Segundo a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura – FAO (dados de 2015), cerca de 800 milhões de pessoas passam fome no mundo. Para resolver a questão, é preciso não apenas que as pessoas tenham dinheiro para comprar alimentos, mas que os alimentos sejam produzidos em quantidade suficiente e adequadamente distribuídos entre os países. O Brasil é um dos grandes fornecedores mundiais de produtos agrícolas, conforme podemos ler no texto a seguir.

Progressão aritmética: sucessão em que se obtém cada termo somando um número constante ao precedente, como em 1, 2, 3, 4... Nesse exemplo, o número constante adicionado (razão) é 1 (1 1 1 5 2; 2 1 1 5 3; 3 1 1 5 4). Já a sequência 3, 6, 9, 12... constitui uma progressão aritmética de razão 3. Progressão geométrica: sucessão em que se obtém cada termo multiplicando um número constante ao precedente, como em 1, 2, 4, 8... Nesse exemplo, a sequência dos termos é obtida multiplicando-se cada um deles por 2. Já em 3, 9, 27..., a razão da progressão geométrica é 3, pois se multiplica cada número por 3 para obter o próximo.

OCDE-FAO. Perspectivas agrícolas no Brasil: desafios da agricultura brasileira 2015-2024. Disponível em: <https://www.fao.org.br/download/PA20142015CB.pdf>. Acesso em: 14 jan. 2016.

1. Que fatores socioculturais e econômicos podem ter contribuído para a queda da taxa de crescimento populacional? 2. Que avanços no conhecimento químico devem ter contribuído para que a produtividade agrícola venha se ampliando? 3. O Brasil é um grande produtor de grãos, no entanto seu solo é predominantemente ácido, o que comprometeria boa parte da produção agrícola. Que caráter (ácido, básico ou neutro) devem ter as substâncias usadas para tratá-lo? 4. Entre as substâncias hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, e ácido fosfórico, H3PO4, qual é a adequada para tratar solos ácidos? Explique.

Neste capítulo, dedicado ao estudo das reações químicas, vamos analisar processos que permitiram melhorar a qualidade de vida das pessoas, como os que possibilitam o aumento da produção agrícola pelo controle da acidez dos solos. Também veremos reações químicas que envolvem eletrólitos e muitas outras; é o caso das que são empregadas na obtenção de energia, cujos impactos ambientais é preciso considerar para apontar algumas maneiras de minimizá-los. Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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e2 e2

H2

polo —

polo +

O: H:

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água H2O

oxigênio O2

H1

NO23

OH2

1

H

H1

OH2

NO23

H1

H1

NO23

OH2

bateria

eletrólise

hidrogênio H2

Observando essa representação, é possível deduzir que, para cada 4 moléculas de água (H2O), formam-se 2 moléculas de oxigênio (O2) e 4 moléculas de hidrogênio (H2). Os números 4, 2 e 4 indicam que nessa reação há uma proporção. Dessa proporção, subentende-se que, para cada duas moléculas de água (H2O), formam-se 1 molécula de oxigênio (O2) e 2 moléculas de hidrogênio (H2). Lembre-se: símbolos

representam

O2

H1

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Para relembrar o conceito de reação, vamos representar a eletrólise da água. A palavra eletrólise tem origem grega (eletro-, “eletricidade” 1 -lise, “quebra”) e indica a decomposição de uma substância por ação da corrente elétrica. Mas, como vimos, a água não é um bom condutor de eletricidade. Para que a corrente elétrica possa circular através dela, é preciso que ela contenha íons com mobilidade; para isso, a água pode ser levemente acidulada, mediante o acréscimo de algumas gotas de ácido sulfúrico ou ácido nítrico, por exemplo. Observe a imagem ao lado. Essa transformação pode ser representada assim:

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Representando as reações

Representação esquemática da eletrólise da água. Os fios indicam a chegada e a saída de elétrons ao sistema em reação, o que é feito pela ligação desses fios a uma fonte de corrente contínua (a uma bateria, por exemplo).

elementos químicos

fórmulas

substâncias

equações químicas

reações químicas

Assim, a reação química de eletrólise da água pode ser representada pela equação: reagente (1o membro)

2 H2O(ℓ) (água)

eletrólise

produtos (2o membro)

2 H2(g) 1 O2(g)

(hidrogênio)   (oxigênio)

Essa representação indica a proporção entre o número de moléculas (ou conjuntos iônicos) de cada substância que reage e o número de moléculas de cada substância formada. Na decomposição da água, cada duas moléculas de H2O formam duas moléculas de H2 e uma de O2. Assim, em uma equação química, temos sempre estes componentes: ▸▸ fórmulas das substâncias participantes, isto é, dos reagentes e dos produtos; ▸▸ coeficientes de acerto, que indicam a proporção numérica entre as moléculas (ou conjuntos iônicos, no caso de compostos iônicos) de cada substância participante da reação. No caso da eletrólise da água, os coeficientes são, respectivamente, 2, 2 e 1. É importante ressaltar que o coeficiente 1 não precisa, necessariamente, ser escrito. 168

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões Um dos gases produzidos na combustão da gasolina nos veículos automotores é o monóxido de carbono (CO). Uma das formas de reduzir a emissão de CO pelos veículos é a colocação de catalisadores nos canos de escapamento. Os catalisadores aceleram a reação do monóxido de carbono com o oxigênio do ar transformando-o em dióxido de carbono, gás cuja toxicidade é bem menor que a do monóxido de carbono. Nesse processo, assim como em qualquer outro que utilize catalisadores, estes não são consumidos, ainda que algumas vezes seja preciso trocá-los por terem se tornado menos eficientes. Embora todos os automóveis produzidos no Brasil desde a década de 1990 disponham de catalisadores, até o final de 2008 as motocicletas continuavam a ser fabricadas sem esse dispositivo. Essa é uma das razões pelas quais, nessa época, uma motocicleta, mesmo a de baixa cilindrada, chegava a emitir até seis vezes mais gases tóxicos do que um carro novo. Também contribuiu para a redução de emissão de poluentes ao longo do tempo, tanto em carros quanto em motos, a substituição dos antigos carburadores pelo sistema de injeção eletrônica de combustível. Diante da exigência do Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares (Promot), que, por etapas, obrigou que esses veículos reduzissem seus limites de emissão de poluentes, desde 2009 os catalisadores passaram a ser usados também em motos. As limitações referem-se a três tipos de poluente: monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. No caso da emissão de monóxido de carbono por motocicletas, o limite passou de 13 g/km rodado, em 2003, para 5,5 g/km, em 2005, e para 2 g/km, em 2009 (BRASIL. Ministério do Meio

1. Represente por meio de fórmulas moleculares os reagentes e os produtos da reação do monóxido de carbono (CO) com o oxigênio do ar. 2. Utilizando o modelo atômico de Dalton, represente o número mínimo de moléculas necessário para formar o produto da combustão do CO. 3. De acordo com o Ministério do Meio Ambiente, o estabelecimento de normas para controlar a emissão de poluentes das motocicletas se deu por conta do “vertiginoso crescimento do segmento das motocicletas e veículos similares nos últimos anos no país e seu perfil de utilização, notadamente no segmento econômico de prestação de serviços de entregas em regiões urbanas” (BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares (PROMOT). Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_ arquivos/promot_163.pdf>. Acesso em: 21 dez. 2015).

a) A que trabalhadores se refere o trecho em que se fala do “segmento econômico de prestação de serviços de entregas em regiões urbanas”? b) Por que você acha que esse segmento cresceu tanto nos últimos anos? c) Faça uma pesquisa sobre os motivos que levam as pessoas a entrarem nessa profissão, suas condições de trabalho e os riscos envolvidos nesse tipo de atividade. Se você conhece alguém que exerça essa atividade, faça uma entrevista com ele sobre essas questões. Anote as respostas e apresente-as aos colegas. PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

DIVULGAÇÃO PNLD

Química, cotidiano e meio ambiente

Ambiente. Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares (PROMOT). Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_arquivos/promot_163.pdf>. Acesso em: 21 dez. 2015).

Na combustão da gasolina forma-se CO. Apesar de essa substância ser combustível, não é suficientemente transformada em dióxido de carbono (CO2) sem o catalisador. Graças a ele, quase todo o CO que seria emitido pelo veículo reage com o oxigênio do ar (O2), originando CO2.

Em 2009, os catalisadores tornaram-se obrigatórios também para as motos. Na foto, motos no trânsito de Brasília (DF), em 2015.

Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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Determinando coeficientes de acerto Considere a combustão do metano (CH4), principal componente do gás natural, originando gás carbônico (CO2) e água. A representação dessa combustão, usando o modelo atômico de Dalton, é: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

C:

1

1

O: H:

metano

oxigênio

dióxido de carbono

Representação esquemática da combustão do metano.

água

A equação química da combustão do CH4 é:

1 CH4(g) 1 2 O2(g) metano

oxigênio

CH4(g)

1 2 O2(g)

metano

oxigênio

1 CO2(g)

1 2 H2O(g)

dióxido de carbono

água

CO2(g)

1 2 H2O(g)

dióxido de carbono

água

Como vimos, os coeficientes de acerto 1, 2, 1, 2 indicam a proporção entre os números de moléculas das substâncias participantes. Assim, se tivermos 10 moléculas de CH4, serão consumidas 20 de O2 para formar 10 moléculas de CO2 e 20 de H2O. No acerto dos coeficientes de uma equação, procura-se usar os menores números inteiros, embora, em algumas equações, possam também ser encontrados coeficientes fracionários. Assim, a combustão do CO pode ser representada por:

2 CO(g) 1 O2(g) monóxido de carbono

oxigênio

2 CO2(g) ou dióxido de carbono

CO(g) 1 monóxido de carbono

Observe que a proporção 2 : 1 : 2 equivale a 1 :

1 O (g) 2 2

oxigênio

1 : 1. 2

É preciso ter método no balanceamento por tentativas A maior parte das equações que serão objeto de nosso estudo pode ser balanceada pelo método das tentativas. Para as equações que não podem ter seus coeficientes acertados dessa forma, outro método será analisado no capítulo 10. Para entender como balancear equações químicas, vamos equacionar a reação do propano (C 3H8) – um dos combustíveis usados para acender as tochas olímpicas – com o oxigênio. Para isso, vamos supor que esse combustível, em contato com o oxigênio do ar, em condições adequadas, origine somente gás carbônico e água. Vale lembrar que essa reação também ocorre quando acendemos a chama de um fogão abastecido com GLP (gás liquefeito do petróleo, vendido em botijões), pois ele contém propano, que, ao chegar aos queimadores, se encontra no estado gasoso. Por ora, vamos explorar a combustão do propano. 170

CO2(g) dióxido de carbono

Tocha olímpica dos jogos realizados em 2016, no Rio de Janeiro, que passou por mais de trezentas cidades brasileiras durante cerca de noventa dias. O que mantém a tocha acesa? A combustão de duas substâncias, o gás propano (C3H8) e o butano (C4H10), contidos em um pequeno cilindro no interior da tocha. LATINSTOCK/REUTERS/PAULO WHITAKER

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ou

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Como devemos proceder para fazer o balanceamento da equação de combustão desse gás? 1. Primeiro, escrevemos as fórmulas das substâncias participantes, que, no caso da combustão do propano, são estas:

C3H8(g)

1

propano

1

O2(g) oxigênio

CO2(g)

dióxido de carbono

reagentes

1

H2O(g)

1

água

produtos

2. Escolhemos, então, como ponto de partida o elemento químico que aparece em apenas um reagente e um produto. No exemplo, não seria uma boa escolha iniciar o balanceamento pelo O, uma vez que ele aparece em duas substâncias no lado dos produtos. Já o H e o C podem ser utilizados como ponto de partida, sendo mais fácil começar pelo H, que tem os índices mais altos: 8 átomos por molécula de C3H8 e 2 átomos no caso de H2O. 3. Fixamos um número na frente de cada fórmula que contém o elemento escolhido, de modo que o número de átomos desse elemento no primeiro membro da equação seja igual ao número de átomos desse elemento no segundo membro. Esse procedimento está de acordo com a lei de Lavoisier: a massa e, consequentemente, o número de átomos de cada elemento permanecem inalterados em uma reação.

1 C3H8(g) 1

O2(g)

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1 ? 8 5 8 átomos de hidrogênio

CO2(g)

1 4 H2O(g)

4 ? 2 5 8 átomos de hidrogênio

4. Continuamos o balanceamento, sem perder de vista que, ao colocarmos um coeficiente de acerto diante de uma fórmula, outros coeficientes, em geral, podem ser determinados: o 1 na frente do C3H8 determina que há 3 C no lado dos produtos; por isso, temos de colocar 3 à frente do CO2:

1 C3H8(g) 1

O2(g)

1 ? 3 5 3 átomos de carbono

3 CO2(g)

1 4 H2O(g)

3 ? 1 5 3 átomos de carbono

5. Para saber que número deve ser colocado à frente do O2, único coeficiente que falta ser completado, devemos nos perguntar: Qual é o número que, multiplicado por 2, dá 10 (há 6 átomos de O em CO2 e 4 em H2O)?

1 C3H8(g) 1 ▸▸

▸▸

5 O2(g)

3 CO2(g)

1

4 H2O(g)

Algumas dicas importantes Durante o balanceamento da equação, é útil que você escreva o número 1 na frente das substâncias cujo coeficiente de acerto já tenha sido definido como unitário. Desse modo, você fica sabendo que essas substâncias já foram balanceadas e não corre o risco de errar, trocando um coeficiente de acerto que já havia sido definido. Ao final, os coeficientes unitários podem ser dispensados. É possível chegar a coeficientes fracionários. Observe a equação parcialmente balanceada:

1 C3H6(g) 1 propeno

O2(g) oxigênio

3 CO2(g)

1

dióxido de carbono

3 H2O(g) água

Se no segundo membro há 9 átomos de oxigênio (6 no CO2 e 3 no H2O), precisamos ter 9 átomos de oxigênio no primeiro membro. Qual é o número que multiplicado por 2 (índice do oxigênio no O2) resulta em 9? É 4,5 ou 9. 2 9 1 C3H6(g) 1 O (g) 3 CO2(g) 1 3 H2O(g) 2 2 Isso quer dizer que, para cada molécula do combustível, são gastas 4,5 de oxigênio. Ou:

2 C3H6(g) 1

9 O2(g)

6 CO2(g

1 6 H2O(g)

Atenção! Nunca altere a fórmula das substâncias no momento de acertar os coeficientes. Escrever 3 C 2H2 é bem diferente de escrever C6H6. O índice que aparece na fórmula de uma substância indica o número de átomos de um elemento que participa da constituição de uma molécula dessa substância. Por exemplo: 3 H2 3 moléculas constituídas por 2 átomos de H. Isso é bem diferente de: 1 molécula formada por 6 átomos de hidrogênio (essa molécula não existe).

Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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Não escreva neste livro.

©ISTOCKPHOTO.COM/TRAMINO

Atividades 1. O hidrogênio (H2) já é usado como combustível de veículos, sendo considerado uma opção ambientalmente sustentável para os veículos movidos a gasolina ou álcool, uma vez que sua combustão é limpa. a) Equacione a reação que representa essa combustão. b) Faça a “leitura” da equação, explicitanto seu significado. c) Por que é costume dizer que a combustão do hidrogênio é “limpa”? 2. Quimicamente, escrever O2 é o mesmo que escrever 2 O? Explique. 3. Nos itens abaixo, faça o balanceamento das equações.

O hidrogênio, combustível de uso nos programas espaciais, tem sido usado também em automóveis. O motor a hidrogênio não emite poluentes: o resultado de sua operação é apenas água.

a) O etileno (C2H4) é uma substância gasosa que pode ser obtida do petróleo e é matéria-prima para a fabricação do polietileno, plástico largamente empregado em nosso cotidiano. Trata-se de um gás combustível, cuja reação com o oxigênio do ar pode ser representada por:

C2H4(g) 1 O2(g) etileno

oxigênio

CO2(g)

dióxido de carbono

1 H2O(ℓ) água

b) A equação da combustão do butano (C4H10), um dos componentes do gás de cozinha, é:

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C4H10(g) 1 O2(g) butano

oxigênio

CO2(g)

dióxido de carbono

1 H2O(ℓ) água

c) O fósforo (P), quando entra em combustão, origina pentóxido de difósforo, segundo a equação:

P(s) fósforo

1 O2(g)

oxigênio

P2O5(g)

pentóxido de difósforo

d) O potássio metálico reage violentamente com a água. Nesse processo, uma pequena porção do metal movimenta-se rapidamente na superfície da água, sendo acompanhada por uma chama de cor arroxeada. Trata-se de uma reação que requer muito cuidado por parte de quem a executa, já que pode provocar sérias queimaduras.

K(s) potássio

1 O2(g) água

KOH(aq) 1 hidróxido de potássio

H2(g)

hidrogênio

e) Combustão do sódio:

Na(s) 1 O2(g) sódio

oxigênio

Na2O(s) óxido de sódio

4. Se o óxido de sódio produzido na combustão do sódio reagir com solução de ácido fosfórico, H3PO4(aq), dará origem a fosfato de sódio, Na3PO4, e água. Represente esse processo por meio de equação química. 5. Baseie-se nas equações dos itens a e b do exercício 3 e responda: a) Na reação de combustão do etileno, o número de moléculas dos reagentes é diferente do número de moléculas formadas nos produtos? E na reação do butano? b) O que não mudou em nenhuma das duas reações? 6. Cascas secas de laranja e limão costumam ser usadas para iniciar a combustão de madeira ou carvão. Os óleos essenciais contidos nessas cascas contêm 90% de limoneno, que é bastante inflamável. A fórmula dessa substância é C10H16. a) Explique por que as cascas têm de estar secas para serem usadas para esse fim. b) Escreva a equação de combustão completa do limoneno, originando CO2 e H2O. 172

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Reações de decomposição ou análise Nas reações de decomposição ou análise, de uma substância reagente obtemos mais de um produto. É o que ocorre, por exemplo, na fermentação usada para produzir pães e bolos com fermento químico (hidrogenocarbonato de sódio).

2 NaHCO3(s)

D

hidrogenocarbonato de sódio

Na2CO3(s) 1 carbonato de sódio

CO2(g)

1 H2O(g)

dióxido de carbono

água

Lembre-se: D indica aquecimento.

A seguir, veremos alguns tipos de reação de decomposição.

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Decomposição do azoteto de sódio

2 NaN3(s) azoteto de sódio

2 Na(s) 1 sódio

©SHUTTERSTOCK/SONY HO

Em janeiro de 2014, todos os carros novos comercializados no Brasil passaram a ter obrigatoriamente dois equipamentos que melhoram a segurança de seus usuários: freios ABS, que evitam o travamento das rodas em frenagens bruscas, e airbags frontais, isto é, para o motorista e o passageiro dos bancos da frente. Airbag é um equipamento que protege motorista e passageiro, em caso de colisão violenta do veículo. Trata-se de uma bolsa feita de material resistente que infla rapidamente graças a reações que produzem um gás – o nitrogênio – que preenche todo o espaço interno da bolsa em frações de segundo. Normalmente, para esse fim, utiliza-se a decomposição do azoteto de sódio (NaN3), substância sólida branca, também chamada de azida de sódio, extremamente tóxica. Veja abaixo a equação dessa decomposição:

3 N2(g) nitrogênio

Quando o veículo reduz abruptamente a velocidade, sensores são acionados e provocam o conjunto de reações que produz o gás. Como ele se forma em velocidade muito alta, o airbag infla quase simultaneamente ao impacto sofrido pelo veículo, evitando que a cabeça do motorista ou do ocupante do banco ao lado se choque contra o volante, o painel ou o para-brisa. Mas por que falamos anteriormente em “conjunto de reações”? Porque, além do azoteto de sódio (NaN3), cuja decomposição é responsável pela produção do nitrogênio, há outros componentes no interior dessa bolsa. Um deles é o nitrato de potássio (KNO3). Ele participa de uma reação secundária, cuja função é eliminar o risco representado pelo sódio – metal muito reativo que reagiria com a umidade do ar e atacaria a pele – formado na decomposição do NaN3.

10 Na(s) 1 2 KNO3(s) sódio

nitrato de potássio

K2O(s)

1 5 Na2O(s) 1

N2(g)

óxido de potássio

óxido de sódio

nitrogênio

Airbags são equipamentos de segurança que protegem motoristas e passageiros do impacto de colisões; a redução abrupta da velocidade do veículo provoca reações que liberam nitrogênio gasoso, inflando o airbag.

Como o óxido de sódio (Na 2O) e o óxido de potássio (K 2O) também devem ser eliminados, há ainda o dióxido de silício (SiO2), componente da areia, que, ao reagir com essas substâncias, produz substâncias inofensivas às pessoas e ao ambiente. Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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Decomposição térmica do calcário Decomposição térmica é o mesmo que pirólise (piro-, “fogo” 1 -lise, “quebra”). O carbonato de cálcio (CaCO3), encontrado nas rochas calcárias, origina, por aquecimento, óxido de cálcio (CaO), que é a cal usada na construção civil, na metalurgia, na agricultura e na indústria, e gás carbônico (CO2), o gás presente nas bebidas gasosas, como refrigerantes, por exemplo.

D

CaCO3(s) carbonato de cálcio

CaO(s)

CO2(g)

1

óxido de cálcio

dióxido de carbono

A reação de decomposição do fermento químico, cuja equação você viu na página 173, também é um exemplo de decomposição térmica.

Decomposição por ação da luz e da eletricidade

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O cloreto de prata (AgCℓ), exposto à luz por algumas horas, transforma-se em prata (Ag) e cloro gasoso (Cℓ 2). Esse sal, inicialmente branco, vai adquirindo uma tonalidade escura devido à formação de prata metálica.

AgCℓ(aq)

luz

cloreto de prata

Ag0(s) 1 prata

1 2

Cℓ 2(g)

A

B

C

cloro

A eletricidade também pode provocar reações químicas em substâncias que contêm íons móveis; por exemplo, ocorrem reações em todos os casos de condutibilidade elétrica vistos no capítulo 7. Essas reações são chamadas de eletrólise.

Reações de síntese ou adição Há reações em que, de várias substâncias, chega-se a um único produto. Elas são chamadas de reações de síntese ou adição. Vamos analisar alguns exemplos a seguir.

Obtenção industrial do ácido clorídrico Como vimos no capítulo anterior, o ácido clorídrico, HCℓ(aq) – solução aquosa de cloreto de hidrogênio, HCℓ(g) –, é bastante usado em indústrias e laboratórios. Para obter HCℓ(aq), inicialmente se produz HCℓ(g), que será recolhido em água. O método industrial para obter o cloreto de hidrogênio consiste na reação do gás hidrogênio com o gás cloro. Observe:

H2(g) hidrogênio (substância simples)

1 Cℓ 2(g) cloro (substância simples)

2 HCℓ(g)

HCℓ(g)

cloreto de hidrogênio (substância composta)

cloreto de hidrogênio

H2O

HCℓ(aq) ácido clorídrico

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Quando uma decomposição ocorre por ação da luz, ela é chamada de fotólise (foto-, “luz” 1 -lise, “quebra”). É o que ocorre, por exemplo, com os sais de prata utilizados nos filmes das máquinas fotográficas tradicionais.

Na foto A, são mostrados dois tubos contendo cloreto de prata pouco solúvel em água. Na foto B, vemos que o tubo à esquerda foi parcialmente recoberto com material opaco à luz. Na foto C, percebe-se que o cloreto de prata do tubo à direita, exposto à luz, escureceu, pois se decompôs formando prata metálica, em pó, de cor cinza-escuro, e gás cloro; o tubo que havia sido coberto não teve alteração na cor.

Nesse caso, de duas substâncias, hidrogênio (H2) e cloro (Cℓ 2), em condições apropriadas, obtém-se um único produto, o cloreto de hidrogênio (HCℓ), ou seja, ocorre a síntese desse gás. O ácido clorídrico é a solução aquosa do gás obtido. 174

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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A combustão do hidrogênio A combustão do hidrogênio também é um exemplo de reação de síntese. Em certas condições especiais, o gás hidrogênio (H2) e o gás oxigênio (O2) reagem e formam água. Para ser iniciada, essa reação requer pequena quantidade de energia, obtida por meio da chama de um palito de fósforo ou de uma faísca, por exemplo.

2 H2(g)

1

hidrogênio

O2(g)

2 H2O(ℓ)

oxigênio

água

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GETTY IMAGES/CHIP SOMODEVILLA

Como, por combustão, o hidrogênio libera grande quantidade de energia, e o produto dessa combustão é a água, ele é considerado uma fonte potencial de energia limpa. Avanços tecnológicos vêm viabilizando o uso do hidrogênio como combustível para veículos; na forma líquida, ele é empregado como combustível de foguetes.

De 1981 a 2011, os Estados Unidos lançaram ônibus espaciais, usados pela Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (NASA) para colocar satélites em órbita ou enviar ao espaço missões tripuladas, como as responsáveis por reparar equipamentos em órbita. Na foto, o lançamento do ônibus espacial Atlantis em 8 de julho de 2011, no Centro Espacial John F. Kennedy, na Flórida (Estados Unidos). O lançamento dessas espaçonaves ocorre graças à energia liberada na combustão do H2(g).

Outros exemplos de reação de síntese ▸

Observe as equações de outros exemplos de reação de síntese. Síntese do cloreto de amônio:

NH3(g) 1 amônia ▸

HCℓ(g)

NH4Cℓ(s)

cloreto de hidrogênio

cloreto de amônio

Síntese do dióxido de carbono ou combustão do monóxido de carbono:

2 CO(g) monóxido de carbono

1

O2(g)

2 CO2(s)

oxigênio

dióxido de carbono

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Quando se queima carvão para fazer churrasco, procura-se criar condições para que a combustão seja completa, com a formação de dióxido de carbono. No entanto, é difícil evitar a formação de monóxido de carbono (CO), um gás muito prejudicial ao nosso organismo. a) Equacione os dois processos mencionados, considerando que o carvão seja formado principalmente por carbono. b) Qual desses processos requer mais oxigênio? 2. O gás amoníaco, NH3(g), é matéria-prima importante na obtenção de fertilizantes usados na agricultura. Industrialmente, ele é obtido por reação de síntese, a partir de substâncias simples. Equacione essa reação de síntese. 3. O monóxido de carbono (CO) é um gás que foi bastante usado como combustível (gás de rua). Ele fazia parte da mistura obtida a partir da hulha, um tipo de carvão mineral. Equacione a reação de combustão desse gás, originando gás carbônico. Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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4. A queima do magnésio metálico origina o óxido de magnésio (composto binário de Mg e O). Equacione o processo. 5. Na obtenção industrial do ácido sulfúrico, podem ser usadas três reações de síntese, que você deve equacionar de acordo com as descrições a seguir: a) combustão de enxofre sólido (S), originando SO2 gasoso (reação rápida); b) síntese do SO3, por reação de SO2 com oxigênio; por tratar-se de reação lenta, utilizam-se catalisadores – substâncias que, sem alterar os produtos da reação, a tornam mais rápida; c) transformação do trióxido de enxofre em ácido sulfúrico a partir da reação com água. 6. O metanol, substância irritante cujos vapores atacam a visão, tem importância na indústria, sendo usado principalmente como solvente. É possível obter o metanol (CH3OH) de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) em determinadas condições. Equacione o processo.

Condições para que reações envolvendo eletrólitos ocorram Agora vamos analisar algumas reações que ocorrem espontaneamente, envolvendo ácidos, bases e sais.

DIVULGAÇÃO PNLD

Reações de neutralização Como já vimos, ácidos e bases reagem entre si, em um processo que origina sempre um sal e água. As reações entre ácidos e bases podem ser chamadas de reações de neutralização. Observe a equação de uma reação de neutralização:

2 Aℓ(OH)3(s) 1 hidróxido de alumínio 6 OH2

3 H2SO4(aq)

Aℓ 2(SO4)(aq)

ácido sulfúrico 6 H1

sulfato de alumínio (sal normal)

1

6 H2O(ℓ) água 6 H20

Note que, nessa reação, assim como em qualquer neutralização total, o número de íons hidróxido (OH2) consumidos é igual ao número de íons hidrogênio (H1) consumidos e ao número de moléculas de H2O formadas: x OH2 5 x H1 5 x H2O

Reações de precipitação Ao analisar suas observações relativas ao experimento a seguir, no qual estão envolvidos compostos iônicos em solução aquosa, você perceberá outra possibilidade de ocorrência de reação entre dois eletrólitos em solução aquosa.

Química: prática e reflexão A mistura de soluções contendo íons pode produzir sólidos pouco solúveis (ou praticamente insolúveis) que são denominados precipitados. Você acha que é possível prever esse tipo de reação? A mudança na ordem em que as soluções reagentes são colocadas em contato altera o resultado? 176

Cuidado! Use óculos de segurança, luvas de látex e avental de mangas compridas.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Material necessário

• 2 estantes com 6 tubos de ensaio de 15 mm 3 150 mm • 4 conta-gotas • 4 béqueres ou copos de vidro • caneta marcadora de vidro

• soluções aquosas de: • sulfato de cobre(II), CuSO4 (encontrado em lojas de produtos para aquários); • carbonato de sódio, Na2CO3 (encontrado em lojas de produtos para cerâmica); • cloreto de sódio, NaCℓ (pode ser utilizado o sal de cozinha); • cloreto de potássio, KCℓ (encontrado em farmácias ou no sal light).

Procedimento

1. Numerem os tubos de ensaio de 1 a 12. 2. Copiem no caderno a tabela abaixo.

DIVULGAÇÃO PNLD

Mistura de soluções aquosas cloreto de sódio

cloreto de potássio

sulfato de cobre(II)

carbonato de sódio

Fórmula química

/////////////////////////

/////////////////////////////

////////////////////////////

///////////////////////////////

carbonato de sódio

///////////////

/////////////////////////

/////////////////////////////

////////////////////////////

———————————

sulfato de cobre(II)

///////////////

/////////////////////////

/////////////////////////////

———————————

cloreto de potássio

///////////////

/////////////////////////

———————————

cloreto de sódio

///////////////

——————————

3. Coloquem cerca de 2 mL de solução aquosa de cloreto de sódio (NaCℓ) – cerca de 40 gotas – no tubo de ensaio 1. Com outro conta-gotas, acrescentem o mesmo volume de solução aquosa de carbonato de sódio (Na 2CO3) nesse tubo de ensaio. 4. Observem o que ocorre e anotem na tabela o que veem: houve mudança? Qual? 5. Repitam os procedimentos acima para as misturas de soluções indicadas na tabela. Utilizem para isso os tubos de ensaio 2 a 6. Cuidado para não usar o mesmo conta-gotas em soluções diferentes. 6. Para os tubos de ensaio 7 a 12, repitam cada uma das adições feitas nos tubos anteriores, invertendo a ordem usada. Por exemplo, no tubo de ensaio 7, introduzam primeiro a solução de carbonato de sódio e depois a de cloreto de sódio. 7. Anotem na tabela o que observaram. Descarte dos resíduos: As misturas contendo somente íons sódio e/ou potássio podem ser descartadas na pia; as misturas contendo íons cobre(II) podem ser misturadas e transferidas para um frasco com rótulo para eventual uso em outro experimento. Analisem suas observações

1. De acordo com o que vocês observaram na atividade, a ordem em que os reagentes são postos em contato altera o resultado da reação? 2. Em qual mistura ocorreu uma reação química? Representem a equação química da reação indicando o precipitado formado. 3. A mistura de soluções aquosas de sulfato de sódio e carbonato de potássio reage formando um precipitado? Expliquem seu raciocínio. 4. Alguns íons metálicos são tóxicos e, por isso, misturas que os contenham não devem ser descartadas em rios, mares ou lagoas. As misturas contendo íons cobre utilizadas no experimento, por exemplo, não podem ser despejadas na pia. O sal sólido de cobre, no entanto, pode ser retirado da mistura por um método de separação. Descreva como vocês realizariam esse processo com os resíduos do experimento, explicando que método de separação poderia ser utilizado. Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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Ocorrência de reações e formação de precipitado Como você estudou no capítulo 1, a formação de precipitado é um dos indícios da ocorrência de reação química. Se colocarmos uma solução contendo certos íons em contato com outra contendo íons diferentes dos iniciais, ocorrerá reação sempre que houver a possibilidade de se formar uma base ou sal menos solúvel, ou seja, um eletrólito mais fraco. Lembre-se de que nas soluções aquosas de sais temos, na verdade, íons liberados por dissociação. Nas soluções mostradas nas fotos a seguir, existem os íons chumbo(II) (Pb21), nitrato (NO32), potássio (K1) e iodeto (I2). Os íons Pb21 associados a I2 formam PbI2, pouco solúvel em água e visível na forma de um precipitado amarelo. A indicação da formação de um composto pouco solúvel em água (precipitado) é feita com o símbolo (s), de sólido. Acompanhe a análise da reação entre as soluções aquosas de nitrato de chumbo(II) e iodeto de potássio.

Pb(NO3)2(aq)

2 KI(aq)

1

nitrato de chumbo(II) (sal solúvel)

PbI2(s)

iodeto de potássio (sal solúvel)

iodeto de chumbo (sal precipitado)

Pb21(aq) 1 2 NO23 (aq) 1 2 K1(aq) 1 2 I2(aq) Pb21(aq)

PbI2(s)

2 I2(aq)

nitrato de potássio (sal solúvel)

2 K1(aq) 1 2 NO23 (aq)

1

PbI2(s)

DIVULGAÇÃO PNLD

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

1

2 KNO3(aq)

1

A solução incolor de iodeto de potássio (KI) contém os íons K1 e I2; a de nitrato de chumbo(II), Pb(NO3)2, contém íons Pb21 e NO23 .

Cuidado! O nitrato de chumbo(II) é tóxico. Não tente efetuar esta reação.

O precipitado amarelo de iodeto de chumbo(II) (PbI2) é o produto da reação entre os íons Pb21(aq) e I2(aq). Aos poucos, ele vai decantando e se deposita no fundo do tubo.

É possível prever se uma reação de precipitação ocorre sem realizar o experimento? Sim: se um dos possíveis produtos for uma substância pouco solúvel em água, isso significa que a reação é possível. Para conferir a solubilidade das substâncias, consulte uma tabela de solubilidade como a apresentada abaixo, o recurso mais adequado para fazer essa previsão. Essa consulta ajuda a prever a ocorrência ou não de reação entre, por exemplo, soluções aquosas de cloreto de bário, BaCℓ 2, e de sulfato de amônio, (NH4)2SO4. Tabela resumida da solubilidade de sais em água (a 25 oC) Compostos solúveis

Exceções

Quase todos os sais de Na1, K1, NH14 Haletos: sais de Cℓ2, Br2 e I2

Haletos de Ag1, Hg21 e Pb21 2

Fluoretos

Fluoretos de Mg 21, Ca21, Sr21, Ba21, Pb21 2

Nitratos: NO3 Sulfatos

Sulfatos de Sr21, Ba21, Pb21, Ca21

Ácido inorgânicos

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Tabela resumida da solubilidade de sais em água (a 25 oC) Compostos insolúveis

Exceções

Sais de CO22 , PO32 , C2O22 e CrO22 4 3 4 4

Sais de NH14 e de cátions de metais alcalinos

Sulfetos

Sais de NH14 , Ca21, Sr21 e de cátions de metais alcalinos

Hidróxidos e óxidos metálicos

Hidróxidos e óxidos de Ca21, Sr21, Ba21 e dos cátions de metais alcalinos

Fonte: MOREIRA, C. I. F. Recursos digitais para o ensino sobre solubilidade. 2006. 131f. Dissertação de Mestrado. Universidade do Porto, Porto, 2006. Tabela 1, p. 19. Disponível em: <http://nautilus.fis.uc.pt/cec/teses/carina/docs/tesecompleta.pdf>. Acesso em: 21 dez. 2015.

Os termos solúvel e insolúvel usados nas tabelas são pouco precisos. Por exemplo, classificamos o nitrato de prata (AgNO3) e o carbonato de sódio (Na 2CO3) como sais solúveis em água, mas isso não significa que não haja um limite para essa solubilidade ou que eles sejam igualmente solúveis em água. Veja como podemos usar as informações da tabela de solubilidade para analisar o que ocorre quando soluções de cloreto de bário e de sulfato de amônio são colocadas em contato.

BaCℓ 2(aq) 1 (NH4)2SO4(aq)

BaSO4(s) 1 2 NH4Cℓ(aq)

DIVULGAÇÃO PNLD

Produtos possíveis

Consultando a tabela

NH4Cℓ, cloreto de amônio

cloretos → solúveis, e o de NH41 não é exceção; ou seja, íons NH41 ficam em solução.

BaSO4, sulfato de bário

sulfatos → solúveis, e o de Ba21 é exceção. Daí BaSO4 depositar-se.

Pode-se concluir que a reação ocorre porque um dos possíveis produtos dessa reação é o sulfato de bário (BaSO4), substância pouco solúvel em água. Na verdade, nessa reação, há a união de parte dos íons provenientes da dissociação do BaCℓ2(aq) com íons originados da dissociação do (NH4)2SO4(aq). O contato dos íons Ba21(aq) com SO422(aq) provoca a precipitação do BaSO4, que é pouco solúvel em água; os íons NH41(aq) e Cℓ2(aq) permanecem em solução:

Ba21(aq) 1 SO422(aq) íons bário

BaSO4(s)

íons sulfato

sulfato de bário

A equação em que são indicados apenas os íons que participam da reação (e não as fórmulas das substâncias das quais esses íons fazem parte) é chamada de equação na forma iônica.

Solubilidade: uma propriedade específica A solubilidade de uma substância é expressa por um valor numérico que varia com a temperatura e com o solvente utilizado. Por exemplo: a solubilidade do nitrato de prata (AgNO3), em água, é igual a 219 g/100 cm3 de água, a 20 °C. Isso significa que, nessa temperatura, para cada 100 cm3 de água, é possível dissolver totalmente 219 g de AgNO3. Cada substância tem um valor próprio de solubilidade. Existem tabelas nas quais podemos consultar o

valor numérico da solubilidade em água – já determinado experimentalmente – de diversas substâncias. Nessas tabelas, encontramos, por exemplo, que a solubilidade do nitrato de potássio (KNO3) a 20 °C é igual a 30 g/100 cm3 de H2O. Analisando os valores de solubilidade do AgNO3 e do KNO3, você pode perceber que, no mesmo volume de água, a 20 °C, é possível dissolver uma massa de AgNO3 cerca de 7 vezes maior que a massa de KNO3 que pode ser dissolvida. Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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Conexões Química e defesa do consumidor

DIVULGAÇÃO PNLD

Brinquedos com chumbo trazem sério risco à saúde das crianças Brinquedos pintados com tintas à base de chumbo são um perigo para a saúde das crianças. Mas ainda assim esses brinquedos entram no Brasil ilegalmente. A Organização Mundial da Saúde (OMS) recomenda que esse tipo de produto seja proibido no mundo todo. [...] O chumbo é um produto tóxico que em altas doses causa problemas no cérebro e no sistema nervoso central. Todo ano, o chumbo mata 143 mil pessoas e provoca atraso mental em 600 mil crianças ao redor do mundo. A intoxicação acontece principalmente Brinquedos apreendidos por conter chumbo. pelo contato com tintas à base de chumbo, usadas na pintura de casas, móveis e brinquedos. “A tinta à base de chumbo é três vezes mais barata que a tinta comum. [...]”, diz o químico Olívio Galão. Esse tipo de tinta já deixou de ser fabricado em 30 países e a ideia é banir o produto em todo o mundo até 2020. No Brasil, uma lei de 2008 estabelece limites para o uso do chumbo. Mas o risco para as crianças ainda resiste no colorido dos brinquedos piratas. Em um dos depósitos do Instituto de Pesos e Medidas do Paraná, as prateleiras estão lotadas de brinquedos que foram apreendidos porque não tinham o selo no Inmetro. A maioria foi importada da China, onde o chumbo continua sendo usado em peças e tintas que colorem jogos, bolas e bonecas. [...]

©GLOBO COMUNICAÇÃO E PARTICIPAÇÕES S.A/REPRODUÇÃO

Nos últimos anos, muitas matérias têm sido veiculadas na mídia, chamando nossa atenção para a presença de chumbo em brinquedos infantis e em tintas usadas na pintura de imóveis. Leia os trechos dos artigos a seguir, que tratam dessa questão.

PORTAL do Consumidor, 18 out. 2013. Disponível em: <http://www.portaldoconsumidor.gov.br/noticia.asp?id=24979>. Acesso em: 15 nov. 2015.

Inmetro analisa concentração de chumbo em tintas imobiliárias O Programa de Análise de Produtos do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro), em parceria com o Ministério do Meio Ambiente (MMA) e com o Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior (MDIC), avaliou 17 marcas de tintas imobiliárias [...] visando avaliar a concentração de chumbo nos produtos, pelo perigo que a substância em níveis acima do permitido representa à saúde humana e ao meio ambiente. [...] “[...] A exposição ao chumbo pode causar uma série de doenças, principalmente para crianças pequenas. Como a tinta com chumbo se deteriora ao longo do tempo, as pessoas podem inalar ou ingerir, por meio da poeira doméstica, lascas de tinta ou solo contaminado”, destacou o assistente da Diretoria de Avaliação da Conformidade, Paulo Coscarelli. A Aliança Global para a Eliminação da Tinta com Chumbo (Gaelp), da Organização Mundial da Saúde (OMS) e do Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA), já desenvolve campanhas em diversos países, com o objetivo de conscientizar sobre os riscos de exposição de crianças a tintas contendo chumbo e minimizar a exposição de pintores e usuários a esse produto. INMETRO – Notícias e eventos, 5 out. 2015. Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/noticias/verNoticia.asp?seq_noticia=3735>. Acesso em: 15 nov. 2015.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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1. Em sua opinião, a maioria das pessoas sabe que tintas à base de chumbo são tóxicas? Sugira formas de fazer com que essa informação chegue ao conhecimento não só dos consumidores, mas também de trabalhadores que manipulam tintas (operários, pintores), para que evitem riscos à saúde. 2. Pirataria é crime, e os produtos piratas são baratos porque são produzidos sem preocupação com higiene, segurança e preservação ambiental. Além disso, os trabalhadores recrutados para sua fabricação não contam com garantias trabalhistas: não há salário mínimo, respeito à carga horária máxima de trabalho, segurança, etc. Converse com os colegas: o que leva as pessoas a comprar um produto pirata? Que medidas poderiam ser tomadas para resolver essa situação? 3. Com base no que leu, responda: que efeitos têm os íons de chumbo no organismo? 4. Segundo os textos, por que, apesar de sua toxicidade, a tinta à base de chumbo ainda é usada em diversos produtos? 5. “Para detectar a presença de chumbo [...] o brinquedo é banhado a 37 oC com água, depois imerso num recipiente com mistura aquosa com ácido clorídrico. Esse teste visa observar a reação do produto após possível ingestão.” (NOGUEIRA, Italo. Após novo recall, Inmetro fará teste de chumbo em brinquedo. Folha de S.Paulo, São Paulo, 7 set. 2007. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/folha/dinheiro/ult91u326522.shtml>. Acesso em: 22 dez. 2015.)

Descreva o procedimento usado para testar a toxicidade das tintas de brinquedos. Qual a finalidade do uso de ácido clorídrico na detecção de chumbo nessas tintas?

DIVULGAÇÃO PNLD

6. Equacione na forma iônica o processo usado na detecção de chumbo.

Atividades 1. Equacione as reações entre ácido e base que permitem obter, além da água, as substâncias abaixo. Indique-as também na forma iônica: a) sulfato de ferro(III)

Não escreva neste livro.

b) fosfato de sódio

2. Equacione as reações de precipitação possíveis, indicando com (aq) os participantes em solução aquosa e com (s) os precipitados. a) NaOH 1 CuSO4

b) HCℓ 1 AgNO3

c) Pb(NO3)2 1 H2S

d) Ca(OH)2 1 FeCℓ3

Questão comentada 3. (Unicamp-SP) Uma solução contém cátions bário, Ba21, chumbo, Pb21, e sódio, Na1. Os cátions bário e chumbo formam sais insolúveis com ânions sulfato, SO22 4 . Dentre esses cátions, apenas o chumbo forma sal insolúvel com o ânion iodeto, I2. a) Com base nessas informações, indique um procedimento para separar os três tipos de cátion presentes na solução. b) Escreva as equações das reações de precipitação envolvidas nessa separação. Sugestão de resolução a) Inicialmente, podemos adicionar um iodeto solúvel, que reagirá com íons Pb21 formando um composto insolúvel. A adição de I2 deve ser feita até que a quantidade de precipitado fique constante. Pb21(aq) 1 2 I2(aq) PbI2(s) O conjunto deverá ser filtrado de modo a reter no papel de filtro todos os íons Pb21 na forma de sal insolúvel. No filtrado, adiciona-se excesso de sulfato solúvel, precipitando os íons Ba21. Ba21(aq) 1 SO22 BaSO4(s) 4 (aq) Repetindo a filtração, os íons Ba21 ficarão retidos no papel de filtro sob a forma de BaSO4. No filtrado, estarão os íons Na1 com todos os ânions presentes. b) Pb21(aq) 1 2 I2(aq) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq)

PbI2(s) BaSO4(s)

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Reações com formação de eletrólitos mais fracos e/ou voláteis A seguir, você vai analisar reações em que o produto é um ácido mais fraco, ou uma base mais fraca, ou é mais volátil.

O produto é um ácido mais fraco ácido1

1

sal1

(forte)

ácido2

1

sal 2

1

2 NaCℓO4(aq)

(fraco)

Exemplo:

2 HCℓO4(aq)

1

ácido perclórico (ácido forte)

Na2S(aq)

H4S(aq)

sulfeto de sódio

ácido sulfídrico (ácido fraco)

perclorato de sódio

O produto é uma base mais fraca base1

1

sal1

(forte)

base2

1

sal 2

1

KCℓ(aq)

(fraca)

Exemplo:

KOH(aq)

1

DIVULGAÇÃO PNLD

hidróxido de potássio (eletrólito forte)

NH4Cℓ(aq)

NH4OH(aq)

cloreto de amônio

hidróxido de amônio (eletrólito fraco)

cloreto de potássio

Ou:

KOH(aq)

1

hidróxido de potássio (eletrólito forte)

NH4Cℓ(aq) cloreto de amônio

NH3(g) 1 H2O(ℓ) 1 amônia

água

KCℓ(aq) cloreto de potássio

O produto é mais volátil Você sabe o que significa a palavra volátil? De origem latina, ela quer dizer “que tem asas, que voa” e se aplica, na Química, a substâncias que vaporizam em pressão e temperatura ambientes. Por exemplo, se deixarmos aberto um frasco contendo álcool, com o tempo o volume do líquido diminui. Dizemos, então, que o álcool é um líquido volátil, o que é consequência de sua baixa temperatura de ebulição. Os ácidos voláteis também têm essa característica, o que faz com que apresentem alta taxa de evaporação a temperatura ambiente. Os ácidos podem ser voláteis ou fixos. ▸▸

Ácidos voláteis: são os ácidos que apresentam baixa temperatura de ebulição. O vinagre tem cheiro pronunciado devido à volatilidade do ácido acético, um de seus componentes. As moléculas desse ácido atingem nossos órgãos olfativos, produzindo a sensação (o cheiro) que associamos ao vinagre. O ácido nítrico (HNO3) e os ácidos que não apresentam oxigênio – como o ácido clorídrico (HCℓ), o ácido sulfídrico (H2S), o ácido cianídrico (HCN) – são voláteis; por isso, em ambientes onde são efetuadas reações que produzem esses ácidos, as pessoas devem estar munidas de máscaras, uma vez que eles são tóxicos.

▸▸

182

Ácidos fixos: são os ácidos que apresentam alta temperatura de ebulição. Alguns dos ácidos mais usados em laboratórios e indústrias são o ácido sulfúrico (H2SO4) e o ácido fosfórico (H3PO4), ambos ácidos fixos. Alguns ácidos fixos, como o oxálico (H2C2O4) e o fosforoso (H3PO3), são sólidos nas condições ambientes. Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Mas por que mencionamos a classificação dos ácidos em voláteis e fixos? Porque existe a possibilidade de ocorrer reação entre um ácido fixo (de alta temperatura de ebulição) e um sal, com a formação de um ácido volátil e outro sal. ácido1

1

sal1

D

ácido2

(fixo)

1

sal 2

(volátil)

Para esse tipo de reação envolvendo ácido fixo, parte-se de um sal no estado sólido (sem dissolvê-lo em água). O aquecimento do sistema favorece a reação, facilitando o desprendimento do ácido volátil. Por exemplo:

H3PO4(ℓ)

1

ácido fosfórico (ácido fixo)

3 NaCℓ(s)

D

cloreto de sódio

3 HCℓ(g)

1

cloreto de hidrogênio (ácido volátil)

Na3PO4(s) fosfato de sódio

Química: prática e reflexão

DIVULGAÇÃO PNLD

A casca de ovo contém carbonato de cálcio, a mesma substância que existe na concha dos moluscos, no calcário e no mármore. O que ocorre quando esses materiais são inseridos em um meio ácido? Material necessário

• casca de 1 ovo • 1 colher de café • 2 mL de vinagre (solução aquosa de ácido acético) • 1 recipiente pequeno de vidro transparente Procedimento

1. Coloquem um fragmento de casca de ovo no recipiente de vidro. Usando um cabo de colher, procurem quebrar a casca em pedacinhos menores. 2. Acrescentem vinagre até cobrir o fragmento de casca de ovo. 3. Observem e registrem o que acontece. Descarte do resíduo: O resíduo do experimento deve ser armazenado em frasco rotulado para ser usado em futuras atividades. Analisem suas observações

1. Descrevam o que observaram.

Não escreva neste livro.

2. O que se pode dizer da solubilidade do sal CaCO3 em água? 3. Tendo em vista que as bolhas que saem do frasco são de dióxido de carbono (CO2), tentem equacionar a reação. 4. O ácido clorídrico, HCℓ(aq), comercializado com o nome de ácido muriático, é usado para fazer limpeza em construções ou reformas. a) Por que essa técnica de limpeza exige cuidados especiais? Que medidas de segurança devem ser tomadas? b) O ácido clorídrico pode ser usado para limpar mármore (material que contém carbonato de cálcio, CaCO3)? Por quê?

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Tipos de reação que merecem destaque Carbonatos e hidrogenocarbonatos reagem com ácidos. O ácido carbônico formado (H2CO3) decompõe-se rapidamente em CO2(g) e H2O(ℓ). Por isso, ao equacionar esse tipo de reação, é comum omitir a formação desse ácido. ▸ Veja o exemplo da reação de um carbonato com HCℓ:

K2CO3(s)

1 2 HCℓ(aq)

carbonato de potássio

2 KCℓ(aq) 1 H2O(ℓ) 1

ácido clorídrico

cloreto de potássio

água

CO2(g)

dióxido de carbono

<H2CO3>(aq) ácido carbônico

Na forma iônica, temos:

2 K1(aq) 1 CO322(aq) 1 2 H1(aq) 1 2 Cℓ2(aq) 1 CO322(aq) 2 H1(aq) íons carbonato

íons hidrogênio

2 K1(aq) 1 2 Cℓ2(aq) 1H2O(ℓ) 1CO2(g) H2O(ℓ) 1 CO2(g) água

dióxido de carbono

DIVULGAÇÃO PNLD

Os compostos com o íon HCO32 (hidrogenocarbonato ou bicarbonato), como NaHCO3 (hidrogenocarbonato de sódio ou bicarbonato de sódio), por exemplo, ao reagirem com ácidos, também formam H2CO3, que libera CO2(g) e H2O(ℓ). É isso que explica a efervescência observada quando pingamos limão (material contendo um ácido orgânico – o ácido cítrico) sobre bicarbonato de sódio.

HCO32(aq)

íons hidrogenocarboneto ▸

H1(aq)

1

H2O(ℓ) 1

íons hidrogênio

água

CO2(g)

dióxido de carbono

Já vimos que o hidróxido de amônio, NH4OH(aq), é, na verdade, uma solução de amônia, NH3(g), em água, H2O(ℓ). Por isso, é melhor indicar NH3(g) e H2O(ℓ) como produtos da reação, em vez de NH4OH, especialmente se o processo for feito a temperatura elevada:

NaOH(aq) 1 hidróxido de sódio

NH4Cℓ(s)

Δ

cloreto de amônio

NaCℓ(aq) cloreto de sódio

1 NH3(g) 1 H2O(ℓ) amônia

água Não escreva neste livro.

Atividades 1. Complete em seu caderno as reações possíveis, indicando quais ácidos e bases são fortes e quais são fracos. a) HNO3(conc) 1 KCN(s) b) NaOH(s) 1 NH4Cℓ(s)

//////////// ////////////

2. Reproduza as equações no caderno, colocando as setas reação:

ou

, de acordo com o sentido da

a) (NH4)2SO4 1 Ca(OH)2 //////////// 2 NH4OH 1 CaSO4 b) H2S 1 2 KI //////////// K2S 1 2 HI c) NiCℓ2 1 2 NaOH //////////// Ni(OH)2 1 2 NaCℓ d) BaSO4 1 2 NH4OH //////////// (NH4)2SO4 1 Ba(OH)2 3. a) Os íons Ba21 são bastante tóxicos. No entanto, o sulfato de bário é usado como contraste por ser praticamente insolúvel em água. Consulte os dados necessários e diga se os compostos BaCℓ2, Ba(NO3)2 poderiam ser usados para a mesma finalidade. b) Tendo em vista que em nosso aparelho digestório há uma concentração elevada de íons H1, explique por que o BaCO3 não poderia ser usado para a mesma finalidade.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Resumindo: É necessário que uma das condições analisadas anteriormente se verifique para que uma reação envolvendo dois compostos – ácidos, bases ou sais – ocorra espontaneamente. Elas podem ser assim resumidas: ▸▸ se houver uma neutralização (reação entre ácido e base): ácido ▸▸

sal

base

1

1

água (sempre possível)

se ocorrer formação de eletrólito mais fraco:

ácido1

1

base1

1

forte fixo

sal2

ácido2

1

sal2

base2

1

solúvel solúvel

pouco solúvel solúvel fraca

solúvel

solúvel forte

fraco volátil

sal1

pouco solúvel

sal1 solúvel pouco solúvel

DIVULGAÇÃO PNLD

Portanto, para saber se uma reação entre dois compostos pode ou não ocorrer espontaneamente, basta completar a equação química que corresponderia a ela e verificar se ela satisfaz uma das duas condições acima. Observe, por exemplo, a equação de uma suposta reação indicada a seguir; como nenhuma dessas condições é satisfeita, sabemos que a reação não ocorre espontaneamente.

KNO3(aq)

1 H(CH3COO)(aq)

nitrato de potássio sal solúvel

KCH3COO(aq)

ácido acético ácido fraco volátil

HNO3(aq)

1

acetato de potássio sal solúvel

ácido nítrico ácido forte volátil

No sentido contrário, porém, essa reação pode ocorrer espontaneamente. Vamos indicar os íons provenientes da dissociação dos sais solúveis que participam da reação acima:

KNO3

1

HCH3COO

K(CH3COO)

sal

ácido fraco

ácido forte

1

HNO3 sal

As reações e a redução do número de íons livres Toda reação que envolve dois compostos pertencentes às funções ácido, base ou sal é espontânea no sentido em que há redução do número de íons livres no sistema. Retomemos os exemplos de equações iônicas (de neutralização, de precipitação e com formação de eletrólito mais fraco) para que isso fique mais claro. ▸▸ Reação de neutralização: ácido

1

base

água

H (aq)

1

OH (aq)

H2O(ℓ)

1

íon hidrogênio

2

íon hidróxido

(íons livres) ▸▸

água

(moléculas)

Reação de precipitação:

Ag1(aq)

1

íons prata (íons livres)

Cℓ2(aq)

AgCℓ(s)

íon cloreto

cloreto de prata (íons associados)

No caso da neutralização, para cada dois íons (um cátion H1 e um ânion OH2 ), forma-se uma molécula H2O, o que reduz a quantidade de íons livres do sistema. Lembre-se de que os íons correspondentes ao ânion do ácido e ao cátion da base permanecem em solução. Algo semelhante ocorre no caso das reações de precipitação. Nelas, 1 cátion se une a 1 ânion para formar uma substância pouco solúvel que se deposita no fundo da solução. Os íons que formam o precipitado abandonam a solução, reduzindo o número de íons livres. Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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▸▸

Reação com formação de eletrólito mais fraco:

H2SO4(aq)

2 KCH3COO(aq)

1

ácido sulfúrico forte

acetato de potássio

2 H1(aq) 1 SO22 (aq) 1 2 K1(aq) 1 2 (CH3COO)2(aq) 4 predomínio de íons livres

K2SO4(aq)

sulfato de potássio

1 2 H(CH3COO)(aq) ácido acético fraco

2 K1(aq) 1 SO22 (aq) 1 2 H(CH3COO)(aq) 4

íons livres

íons livres

predomínio de moléculas

No caso da formação de ácidos ou bases mais fracos, o que acontece é que o reagente é um ácido forte – como o H2SO4(aq) –, por isso praticamente a totalidade de suas moléculas foi transformada em íons livres. Já o produto é um eletrólito fraco – no exemplo acima, o ácido acético tem pequena parte de suas moléculas ionizada. Ou seja, com a reação também ocorre uma redução do número de íons livres em solução. Veja outro exemplo:

Na2CO3(aq)

1

carbonato de sódio

2 HCℓ(aq)

2 NaCℓ(aq)

ácido clorídrico

cloreto de sódio

2 Na1(aq) 1 CO22 (aq) 1 2 H1(aq) 1 Cℓ2(aq) 3

1 H2O(ℓ) 1

2 Na1(aq) 1 Cℓ2(aq) 1 H2O(ℓ) 1

CO2(g)

gás carbônico

CO2(g)

DIVULGAÇÃO PNLD

Lembre-se: Dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2) e amônia (NH3) são compostos moleculares gasosos nas condições ambientes, por isso, nas equações, devem ser representados dessa forma.

Atividades 1. Indique, por meio de equação iônica, os processos a seguir, considerando que ocorrem em solução aquosa:

Não escreva neste livro.

a) uma base adicionada a um sal de ferro(III), originando um precipitado gelatinoso cor de ferrugem; b) um sal de amônio em contato com uma base forte liberando gás amoníaco. 2. Leia os fragmentos extraídos, respectivamente, de uma matéria disponível na internet e de uma notícia de jornal.

LANTMANN, Áureo. Projeto Soja Brasil, 14 dez. 2014. Disponível em: <http://www.projetosojabrasil.com.br/artigo-calagem>. Acesso em: 18 nov. 2015.

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Calagem: adubação da terra com cal para corrigir a acidez do solo. Estiagem: falta de chuvas, seca. KINO.COM.BR/JACEK

Calagem para garantir um bom desenvolvimento da soja Tem sido comum nesta safra, em função de estiagens, o aparecimento de manchas nas lavouras de soja. As manchas são amareladas; em outras [lavouras] a soja não se desenvolveu bem, outras ainda apresentam alguns sintomas de deficiências nutricionais. Esse conjunto de observações pode estar ligado a problemas decorrentes de calagem, em excesso, em falta ou até aplicada de forma desuniforme. [...] O efeito mais marcante do calcário em solos ácidos talvez seja que, ao corrigir a acidez do solo, ele aumenta a eficiência das adubações. A não utilização de calcário ou a calagem malfeita são fatores mais fortes para a baixa eficiência das adubações, a baixa produtividade e/ou baixos lucros ou mesmo o prejuízo dos agricultores, em [...] um grande número de culturas no Brasil. [...]

Calcário aplicado em terreno preparado para plantação. Gonçalves (MG), 2012.

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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É hora de aplicar calcário no solo [...] “Solos ácidos, caracterizados por baixos valores de pH (menor que 5,5), teores insuficientes de cálcio e excesso de alumínio e/ou manganês, são predominantes na maior parte do Brasil e limitam fortemente a produtividade das culturas, pois impedem absorção plena dos nutrientes pelas plantas”, diz o pesquisador científico Cristiano Alberto de Andrade, do Instituto Agronômico (IAC-Apta), em Campinas (SP). [...] A aplicação de calcário agrícola corrige essa acidez, permitindo que a adubação seja plenamente aproveitada. [...] três meses antes do início do plantio de verão, é o momento de fazer a calagem, sempre baseada, porém, na análise química do solo, realizada em laboratórios especializados. [...] “A calagem deve ser feita três meses antes do plantio para que haja tempo suficiente para a reação do corretivo, com o início das chuvas.” [...] O pesquisador explica que os principais danos às plantas provocados por solos ácidos estão relacionados ao desenvolvimento das raízes, já que a acidez elevada e o teor excessivo de alumínio prejudicam o crescimento do sistema radicular, reduzindo a absorção de água e nutrientes pela planta. [...] “Entre os benefícios da calagem, os principais estão relacionados à elevação do pH a uma faixa adequada, normalmente entre 5,5 e 6,5, o que, além de reduzir ou eliminar a toxidez por excesso de alumínio ou manganês no solo, favorece a disponibilidade dos nutrientes e a atividade de micro-organismos no solo”. [...] YONEYA, Fernanda. O Estado de S. Paulo, 6 ago. 2008. Disponível em: <http://www.estadao.com.br/noticias/suplementos,e-hora-de-aplicar-calcario-no-solo,218382,0.htm>. Acesso em: 28 dez. 2015.

DIVULGAÇÃO PNLD

a) Os dois textos tratam de um procedimento básico na agricultura brasileira para que uma plantação tenha bons resultados. Qual é? b) O primeiro texto é de 2014. A que fatores seu autor atribui os maus resultados da safra de soja naquele ano? c) O que informa o pesquisador Cristiano Alberto de Andrade, mencionado no segundo texto, sobre as características dos solos brasileiros? d) Que consequências esse fato tem sobre as plantas? e) Anteriormente já tratamos do principal constituinte do calcário. Qual é ele? f) Por que ele é eficiente para reduzir a acidez do solo? g) Equacione a reação do carbonato de cálcio com íons H1 provenientes do solo. h) No segundo texto, diz-se que “a calagem deve ser feita três meses antes do plantio para que haja tempo suficiente para a reação do corretivo, com o início das chuvas”. Por que o autor destaca a ação das chuvas? 3. O Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro) é o órgão público responsável por fazer as avaliações de conformidade de produtos vendidos no Brasil. Segundo a definição do próprio Inmetro, esse procedimento “objetiva prover adequado grau de confiança em um determinado produto, mediante o atendimento de requisitos definidos em normas ou regulamentos técnicos”. Essa atividade fundamenta-se na Metrologia, ramo do conhecimento que sistematiza todos os aspectos teóricos e práticos relativos a medições. O Inmetro oferece um curso técnico de Metrologia. a) Faça uma pesquisa no site do Inmetro (<http://www.inmetro.gov.br/metcientifica/curso_metrologia/matriz.asp>, acesso em: 20 jan. 2016) e localize um produto que poderia ser estudado na disciplina de Metrologia Mecânica e na de Metrologia Elétrica. b) A avaliação de conformidade efetuada pelo Inmetro usa como referências as normas elaboradas pela ABNT. Leia o texto abaixo para conhecer o modo de funcionamento dessa associação. A ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – é o Fórum Nacional de Normalização. As Normas Brasileiras, cujo conteúdo é de responsabilidade dos Comitês Brasileiros (ABNT/ CB) e dos Organismos de Normalização Setorial (ABNT/ONS), são elaboradas por Comissões de Estudo (CE), formadas por representantes dos setores envolvidos, delas fazendo parte: produtores, consumidores e neutros (universidades, laboratórios e outros). Disponível em: <http://www.canal.ind.br/NBR13430.pdf>. Acesso em: 15 jan. 2016.

Na sua opinião, por que é importante para a sociedade que as normas técnicas sejam elaboradas por representantes de “produtores, consumidores e neutros”?

Capítulo 8  Reações químicas: estudo qualitativo

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9 capítulo

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PULSAR IMAGENS/GERSON GERLOFF

Cálculos químicos: uma iniciação

Aplicação de calcário para adequação do pH do solo em plantação de São Martinho da Serra (RS). Foto de 2015.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • mol e constante de Avogadro; • massa molar; • cálculos envolvendo reações químicas; • reagentes limitantes; • concentração (g/L e mol/L).

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Para situá-lo Vamos refletir sobre duas situações nas quais diferentes profissionais precisam tomar decisões sobre o uso de produtos. Vimos no capítulo anterior que uma das medidas necessárias para uma plantação ser produtiva e gerar alimentos com qualidade é a verificação do nível de acidez do solo. Para isso, ao preparar o terreno para o plantio, o agricultor deve retirar um pouco de terra do local em que vai plantar, misturá-la com água, agitando-a, para em seguida filtrá-la; esse filtrado deve ser submetido ao teste de acidez com indicadores ácido-base. Se obtiver como resultado, por exemplo, um pH mais baixo do que o adequado ao tipo de plantio que deseja fazer e consultar técnicos agrícolas para saber como solucionar o problema, é possível que receba como sugestões: acrescentar ao solo certa quantidade de calcário (carbonato de cálcio) ou adicionar a ele cal hidratada (hidróxido de cálcio). As duas substâncias são adequadas para proceder à calagem do solo, já que ambas consomem íons H1 e fornecem íons cálcio ao solo. É preciso saber então qual a vantagem econômica de cada substância. Como isso poderia ser feito?

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DIVULGAÇÃO PNLD

D.A PRESS/DN/ANA AMARAL

Outra situação muito comum é o vazamento de produtos químicos perigosos, um risco para os seres vivos e para o ambiente. Quando, por alguma razão, ocorre escoamento de cargas de caminhões e de outros meios de transporte, atingindo estradas e cursos de água, os órgãos responsáveis precisam saber que providências tomar para minimizar possíveis danos. Observe a foto ao lado e leia a legenda. Como seria posTombamento de caminhão causa derramamento de soda cáustica em rodovia no município de sível saber a quantidade Monte Alegre (RN), provocando a contaminação da Lagoa dos Cavalos. Foto de 2011. de ácido necessária para neutralizar a água da lagoa? Será que, se o ácido em questão for o sulfúrico ou o acético, haverá diferença na massa de ácido a ser usada? Você já parou para pensar como os químicos escolhem os reagentes mais adequados para resolver as questões propostas nessas duas situações? Como eles escolhem a substância a ser usada e calculam a quantidade necessária? Reflita um pouco sobre isso e, em seguida, resolva as questões. 1. Proponha equações para ambos os processos de calagem do solo descritos no texto.

Não escreva neste livro.

2. Considere que ambos os produtos que poderiam ser usados no tratamento do solo tenham o mesmo valor por quilograma. Você saberia dizer qual dos dois produtos seria economicamente mais vantajoso? Justifique. 3. De que forma alguém poderia calcular a quantidade de ácido sulfúrico que deveria ser usada para neutralizar certa quantidade de soda cáustica que vazou de um caminhão-tanque? Reflita e tente elaborar um caminho para resolver a questão, apontando eventuais dados necessários para chegar à resposta. Qual lei ponderal pode fundamentar esse cálculo? 4. Pense agora no seguinte: duas pessoas carregam balões contendo massas iguais de dois gases: um é o oxigênio (O2); o outro é o ozônio (O3). Em qual deles deve haver maior número de moléculas? É possível que você tenha concluído que, sem ter ideia da massa de cada molécula ou da massa de uma molécula em relação à massa de outra, é difícil responder a muitas das questões apresentadas. O conteúdo deste capítulo permitirá a você relacionar tudo o que aprendeu até aqui sobre processos químicos com as quantidades de substâncias necessárias para resolver os mais diversos desafios: desde alguns relativamente simples até os que envolvem as consequências de acidentes graves, muitas vezes causados por descuido. Aliás, as bases quantitativas do estudo da Química têm aqui seus fundamentos. Por tratar-se de algo tão importante, daqui em diante, durante todo o curso de Química, você fará cálculos baseados no conteúdo tratado neste capítulo. Capítulo 9  Cálculos químicos: uma iniciação

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Mol: unidade fundamental para a Química

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Os cálculos químicos apresentam algumas particularidades. Uma delas é o uso de uma unidade de medida característica, o mol. Como você já estudou, uma unidade de medida é uma quantidade fixada, usada como referência para comparar grandezas da mesma espécie. Existem diferentes unidades de medida, como o metro, o quilograma, o segundo, unidades do Sistema Internacional de Unidades. Mol é a unidade de medida básica do SI, bastante utilizada em cálculos químicos. Imagine que você tenha de contar o número de “grãos” existentes em uma porção de feijão, em uma de arroz e em uma de sal, como nas fotos abaixo. Qual porção seria mais fácil de contar?

Quantas unidades há na porção de feijão, na de arroz e na de sal? Seria possível contar os grãozinhos do sal?

100 g 5 000 g

1 000 grãos de arroz x

5

x 5 50 000 grãos ou 5 ? 104 grãos

Até agora, falamos em contar grãos, que, por menores que sejam, são perfeitamente visíveis. Agora pense: e se tivéssemos de "contar" o número de moléculas, átomos, íons ou elétrons presentes em determinada amostra de um material? Seria necessário adotar uma unidade de medida compatível com a dimensão dessas partículas. Imagine que fosse possível contar o número de moléculas e de átomos de cada elemento contido em uma amostra de etanol, cujas moléculas podem ser representadas pela fórmula molecul ar C 2 H 6 O. Considere a amostra de etanol representada ao lado. 190

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

Representação de 22 moléculas de etanol (C2H6O). EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Certamente, seria mais fácil contar os grãos de feijão, pois, quanto maior for a dimensão das unidades, mais simples será a contagem. De acordo com o tipo de material, certas unidades de medida são mais usadas. Assim, compramos arroz e feijão por quilograma (kg), areia por metro cúbico (m3), flores e frutas por dúzia. Se formos contar quantos grãos de arroz há em um saco de 5 kg, teremos de fazê-lo por cálculo aproximado, estimado a partir da contagem de uma amostra menor, por exemplo, 100 g. Assim, se em 100 g de arroz houver 1 000 grãos, em 5 kg (5 000 g) teremos:

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Como nessa amostra estão representadas 22 moléculas de etanol e cada uma delas contém 2 átomos de C, 6 átomos de H e 1 átomo de O, podemos calcular: 22 moléculas de etanol

44 átomos de C 132 átomos de H 22 átomos de O

DIVULGAÇÃO PNLD

198 átomos Apesar de conter um número de átomos que pode nos parecer grande (quase 200), a massa dessa amostra é muito pequena: 0,00000000000000000000169 g, ou 1,69 ? 10221 g. Trata-se, portanto, da representação de uma amostra bem menor do que uma gota de álcool, invisível mesmo que submetida a instrumentos ópticos. Agora, imagine o número de moléculas e de átomos em uma amostra de 800 g de etanol (aproximadamente o equivalente ao conteúdo de um frasco de 1 L dessa substância). É por isso que um profissional que tenha de fazer cálculos envolvendo processos químicos – seja ele farmacêutico, engenheiro, médico, técnico agrícola, entre outros – baseia seu raciocínio em conjuntos contendo um número extremamente grande de unidades do mundo submicroscópico (átomos, moléculas, aglomerados iônicos, entre outras), em vez de raciocinar em termos dessas unidades. De forma análoga, é o mesmo recurso que se adota ao comprar feijão por quilograma e não por grãos, ou ao contar a idade das pessoas em anos e não em segundos. Isso explica a adoção de uma unidade especial, o mol, que torna mais práticos os cálculos de número de átomos ou moléculas em amostras cujas massas podem ser medidas com instrumentos comuns, como uma balança. Mol é a unidade padronizada pela ciência para fazer referência à quantidade de matéria. Mas quantas unidades existem em 1 mol? Em 1 mol há 602 000 000 000 000 000 000 000 de unidades ou 6,02 ? 1023 unidades. Veja os exemplos: ▸▸ 1 mol de moléculas de água equivale a 6,02 ? 1023 moléculas de H O. 2 ▸▸ 1 mol de átomos de oxigênio equivale a 6,02 ? 1023 átomos de O. ▸▸ 1 mol de elétrons equivale a 6,02 ? 1023 elétrons. O número 6,02 ? 1023 é chamado de constante de Avogadro e pode ser representado pela sigla NA. Para facilitar os cálculos, usaremos o valor aproximado da constante de Avogadro: 6,0 ? 1023. Dá para aproximar esse número de “nosso mundo”? Suponha que uma pessoa viva 70 anos e tenha a capacidade de contar tudo o que está à sua volta, sem nenhum intervalo. Imagine que ela consiga a proeza de contar moléculas, uma por segundo. Quantas ela contaria até morrer? Para responder a essa pergunta, vamos calcular a quantos segundos equivalem 70 anos: 1 h 5 3 600 s 1 dia 5 24 ? 3 600 s 1 ano 5 365 ? 24 ? 3 600 s 1 ano 5 365 dias 70 anos 5 70 ? 365 ? 24 ? 3 600 s 5 2 207 520 000 s Setenta anos equivalem a 2 207 520 000 segundos; portanto, após esse período, a pessoa teria contado 2 207 520 000 moléculas. Então, quantas pessoas com a mesma capacidade seriam necessárias para completar a contagem de 1 mol de moléculas? Vamos fazer uma estimativa: 6,0 ? 1023

4 2,20752 ? 109 . 3 ? 1014

Ou seja: seriam necessárias quase 300 000 000 000 000 (300 trilhões) de pessoas. Trata-se, portanto, de uma tarefa impossível, ainda que essa contagem fosse viável, pois, no início de 2016, a Terra tinha cerca de 7,5 bilhões de habitantes. Se a população mundial conseguisse contar uma molécula por segundo, ao final de 70 anos teriam sido contadas aproximadamente 1,6 ? 1019 moléculas, o que representa cerca de 0,003% de 1 mol. Capítulo 9  Cálculos químicos: uma iniciação

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Reflita sobre estes outros exemplos: 1 mol de moléculas de oxigênio

6,0 ? 1023 moléculas de O2 32

Como 1 molécula de O2 tem 2 átomos de O

2 ? 6,0 ? 1023 átomos de O

1 mol de moléculas de dióxido de carbono

6,0 ? 1023 moléculas de CO2

2 mol de átomos de O

31

Como 1 molécula de CO2 tem 1 átomo de C e 2 átomos de O

32

6,0 ? 1023 átomos de C

2 ? 6,0 ? 1023 átomos de O

1 mol de átomos de C

2 mol de átomos de O

Podemos estender nosso raciocínio para uma substância genérica, de fórmula molecular A xBy: x átomos de A y átomos de B

x mol de átomos A y mol de átomos B

1 mol de moléculas de A xBy

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

1 molécula de A xBy

Um mol de várias substâncias. Essas amostras têm massas e volumes diferentes, no entanto, todas contêm 6 ? 1023 unidades constituintes da substância: átomos (mercúrio e ferro), moléculas (etanol e água), conjuntos iônicos (permanganato de potássio) e conjuntos iônicos hidratados (sulfato de cobre(II) pentaidratado, CuSO4 ? 5 H2O).

Observações: Em 1962, a IUPAC estabeleceu o mol como a unidade de quantidade de matéria (n), o que foi ratificado pela 14a Conferência Geral de Pesos e Medidas, em 1971. Eventualmente, em vez de quantidade de matéria (em mol), você ainda poderá encontrar a antiga expressão “número de mols”. Quando nos referimos a certa distância em metros, podemos dizer, por exemplo, 5 metros ou 5 m. Nesse caso, o símbolo m não é acrescido do s, indicativo de plural. No caso do mol, o símbolo dessa unidade coincide com o seu nome, por isso, podemos encontrar, por exemplo, 2 mols (unidade indicada por extenso) ou 2 mol (unidade indicada por seu símbolo). Podemos trabalhar com frações de mol (0,5 mol, 0,25 mol, etc.), mas não com fração de molécula. Observe o exemplo: equivale a 0,25 ? 6,0 ? 1023 moléculas ou 1,5 ? 1023 moléculas de C4H10 0,25 mol de C4H10 contém

(0,25 ? 4) mol de átomos de C 5 1 mol de C (0,25 ? 10) mol de átomos de H 5 2,5 mol de H

Isso significa que não faz sentido pensar em 0,25 molécula de C4H10; já em 0,25 mol de C4H10, há grande número de moléculas (1,5 ? 1023 moléculas de C4H10). 192

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Atividades 1. Alexandre disse a Fábio: “Depois da aula de Química de hoje cheguei à conclusão de que, em uma colher de sopa, podemos colocar cerca de 0,8 mol de água”. Fábio respondeu: “Você não entendeu o conceito de mol! Como é possível haver uma fração de mol?”. Explique a confusão de Fábio.

Não escreva neste livro.

2. Um professor de Química, ao corrigir a resposta de um aluno, apontou como erro a frase: “Em 9 g de água há meia molécula de H2O”. Apesar de não saber ainda qual é a massa de uma molécula de água, você pode apontar o erro da afirmação? Explique. 3. Com relação à questão anterior, o aluno confundiu um termo químico com outro. Em sua opinião, qual foi a confusão? 4. Leia o texto abaixo e responda às questões a seguir. Adote NA 5 6,0 ? 1023 mol21. O gás metano

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Os hidrocarbonetos, substâncias constituídas apenas por carbono e hidrogênio, têm largo emprego como combustíveis. O metano (CH4) é o mais simples desse grupo de compostos – met- é o prefixo usado na química orgânica para indicar 1 átomo de carbono. Ele é encontrado, por exemplo, com outras substâncias, no gás natural, combustível que tem sido usado em usinas termelétricas brasileiras. a) Quantas moléculas de metano há em 0,5 mol de CH4? b) Que quantidade de matéria (em mol) há numa amostra de 1,2 ? 1023 moléculas de metano (CH4)? c) Qual é o número de átomos de C e de H em 0,5 mol de CH4? d) Qual é a quantidade de matéria (em mol), expressa em átomos de cada elemento, presente em 0,5 mol de metano? 5. Leia o texto abaixo e responda às questões a seguir. Digestão de ruminantes e produção de metano A digestão dos ruminantes é uma das fontes de gás metano, o que merece nossa atenção, já que o Brasil possui o segundo maior rebanho bovino do mundo, inferior apenas ao da Índia. Em 2014, o número de cabeças de gado atingiu 212,3 milhões de cabeças. Segundo a Embrapa, a emissão do gás pelos animais pode cair pela metade quando eles são criados em sistemas com elevada disponibilidade e valor nutritivo de forragem. Fonte: REBANHO bovino brasileiro cresce e chega a 212,3 milhões de cabeças de gado. Disponível em: <http://www.brasil.gov.br/economia-e-emprego/2015/10/ rebanho-bovino-brasileiro-cresce-e-chega-a-212-3-milhoes-de-cabecas-de-gado>. Acesso em: 5 fev. 2015.

Estima-se que cada cabeça de certo tipo de gado produza por dia 1 500 mol de metano. a) Quantas moléculas de metano esse animal produz por dia? b) Quantos átomos de hidrogênio há nesse gás eliminado pelo sistema digestório do animal? Traduza esse valor em quantidade de matéria de átomos de hidrogênio. 6. As expressões “1 mol do elemento oxigênio” e “1 mol do gás oxigênio” têm o mesmo significado? Justifique. 7. O sulfato de ferro(III), Fe2(SO4)3, é muito usado para tratar resíduos industriais, antes de lançá-los no esgoto. Quantos cátions, ânions e íons há em 0,5 mol de sulfato de ferro(III)?

Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Massa atômica e massa molar de um elemento Vimos no capítulo 5 que Dalton introduziu o conceito de massa atômica (na época, peso atômico) tomando como padrão o hidrogênio, elemento ao qual atribuiu massa atômica 1. Mesmo com as alterações posteriores do padrão de massa atômica, o elemento hidrogênio continuou tendo valores de massa atômica praticamente iguais a 1. Na verdade, mesmo o valor 1,01 que aparece em algumas Tabelas Periódicas é aproximado, já que apenas para os cientistas é importante usar os vários algarismos significativos conhecidos após o zero. Mas qual é a relação entre a massa atômica e a massa molar de um elemento? A massa molar (M) de um elemenMassa atômica e massa molar de alguns elementos to corresponde à massa de 1 mol de átomos desse elemento. NumeriElemento Massa atômica (u) Massa molar (g/mol) camente, esse valor é igual à massa Hidrogênio: H 1 1 atômica. Entretanto, a massa molar é expressa em gramas/mol e a massa Carbono: C 12 12 atômica é expressa em unidades de Oxigênio: O 16 16 massa atômica, u.

Massa molar e seu uso em cálculos químicos DIVULGAÇÃO PNLD

Para saber a massa de 1 mol de uma substância, temos que nos basear nos valores de massa atômica (na Tabela Periódica) dos elementos químicos que a constituem e em sua fórmula molecular. Por exemplo, a massa molar da substância hidrogênio (H2) é igual a 2 ? 1 g/mol, ou seja, 2 g/mol; a massa molar ozônio (O3) é igual a 3 ? 16 g/mol, ou seja, 48 g/mol. Vamos calcular a massa molar de outras substâncias: C2H6O (etanol) 1 mol de moléculas

2 mol de átomos de C → (2 ? 12) g 5 24 g/mol 6 mol de átomos de H → (6 ? 1) g 5 6 g/mol 1 mol de átomos de O → (1 ? 16) g 5 16 g/mol

MC H O 5 (24 1 6 1 16) g/mol 5 46 g/mol 2 6

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Copie a tabela seguinte em seu caderno e complete-a. Preste atenção às informações dadas: I

II

III

IV

V

Quantidade de matéria da substância na amostra (mol)

Número de moléculas da substância na amostra

Número de átomos de cada elemento na amostra

Quantidade de matéria de cada elemento na amostra (mol)

Massa total da amostra (g)

A

1 mol de SO3

//////////////////////////////

S: ////////////

O: ////////////

S: ////////////

O: ////////////

//////////////////////

B

0,5 mol de SO3

//////////////////////////////

S: ////////////

O: ////////////

S: ////////////

O: ////////////

//////////////////////

C

1 mol de H3PO4

//////////////////////////////

H: /////

P: /////

O: /////

H: /////

P: /////

O: /////

//////////////////////

D

0, 25 mol de H3PO4

//////////////////////////////

H: /////

P: /////

O: /////

H: /////

P: /////

O: /////

//////////////////////

Usando qualquer uma das informações com que preencheu a linha A, você poderá montar proporções para preencher vazios da linha B na tabela que copiou em seu caderno. Isso porque, na linha A, todos os dados se referem a 1 mol de SO3 e, na linha B, referem-se a outra amostra da mesma substância SO3. A mesma relação acontece entre as linhas C e D.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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b) Qual a quantidade de matéria (em mol) de monóxido de carbono (CO) lançada ao ambiente para cada cigarro F queimado?

DIVULGAÇÃO PNLD

3. Os itens de a a f referem-se ao oxigênio, elemento que, como você sabe, está presente no ar, na forma de gás oxigênio. Esse gás, além de participar da respiração, é o comburente essencial para as combustões (queimas) que acontecem em nosso cotidiano. Em outra forma alotrópica, o oxigênio constitui o gás ozônio, O3, um dos poluentes atmosféricos dos grandes centros urbanos. Dada a massa molar do O: 16 g/mol:

16,1

D Marcas de cigarro

a) Quantas moléculas de monóxido de carbono (CO) são absorvidas por uma pessoa ao fumar um cigarro F? Massa molar do monóxido de carbono: 28 g/mol.

Da

16

H

15,7

M

15,3

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

2. Observe o gráfico ao lado. Depois, tente resolver as questões abaixo.

11,6

F 0

5 10 15 20 Média de monóxido de carbono por cigarro (em mg)

Fonte: PANKOW, James F. (Org.). Nicotine Availability in Tobacco Smoke Enhanced by Ammonia. American Society News Service, jul. 1997.

Observações: Os níveis referem-se apenas ao que é a) Qual é a massa de 1 mol de átomos de O? E de 0,5 mol de absorvido pelo fumante. Quantidades até 3,7 vezes átomos de O? maiores são lançadas no ambiente a cada queima de cigarro. Um cigarro lança 43 mg de monóxido de b) Qual é a massa de 3,0 ? 1023 átomos de O? carbono no ar. c) Qual é a massa de 1 mol de gás oxigênio? E a massa de 1 mol de ozônio, O3? d) Quantas moléculas de ozônio (O3) existem em uma amostra de 4,8 g de ozônio? e) Quantos átomos existem em 4,8 g de gás oxigênio? f) Compare o número de átomos de O em 4,8 g de ozônio e em 4,8 g de oxigênio. Explique o que você constata nessa comparação.

O mol e os cálculos por meio de reações Agora, você vai se valer de tudo o que foi visto ao estudar as leis de Lavoisier e de Proust, as equações químicas e o significado dos coeficientes de acerto, aplicando esses conceitos à determinação das quantidades das substâncias envolvidas numa transformação.

Não escreva neste livro.

Atividade Leia o trecho de notícia a seguir.

a) Que quantidade de ácido sulfúrico, H2SO4, em mol, teria vazado nas águas do rio? A solução de ácido é muito concentrada. Para facilitar, considere que toda a massa em questão é de H2SO4.

Um cargueiro transportando 2 400 toneladas de ácido sulfúrico virou-se [...] no rio Reno, ao passar pela Alemanha. Dois membros da tripulação estão dados como desaparecidos. [...]

b) Equacione a reação de neutralização do ácido sulfúrico com hidróxido de cálcio.

PÚBLICO, 13 jan. 2011. Ciência. Disponível em: <http://publico. pt/ciencia/noticia/cargueiro-com-2400-toneladas-de-acidosulfurico-virouse-no-rio-reno-1475034>. Acesso em: 30 nov. 2015.

Suponha que não foi possível conter o vazamento da carga do navio e que todo o volume de ácido tenha sido derramado no rio. Para neutralizar os efeitos decorrentes do aumento da acidez da água do rio, pode ser utilizada cal hidratada – hidróxido de cálcio, Ca(OH)2. Consulte as massas atômicas dos elementos na Tabela Periódica da página 106 e responda:

c) Interprete a equação química que você formulou com relação à proporção de moléculas (e/ ou conjuntos iônicos) e à proporção de mol. d) Expresse a proporção em mol da questão anterior em proporção em massa. e) Que quantidade de matéria (mol) de Ca(OH)2 foi consumida nessa neutralização? Determine a massa de hidróxido de cálcio gasta nesse processo.

Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Ao raciocinar para resolver as questões da página anterior, você deve ter se dado conta de que a interpretação de uma equação química devidamente balanceada e a utilização dos conceitos de mol e de massa molar são fundamentais para determinar as massas de reagentes e produtos de uma reação química. Vejamos um exemplo relativo a outro acidente. Caminhão carregado com ácido fluorídrico tomba em Garça Um caminhão carregado com 21 toneladas de ácido fluorídrico, um produto químico altamente tóxico, tombou [...] Caminhão carregado com ácido fluorídrico tomba em Garça. Globo.com, 28 set. 2015. Disponível em: <http://g1.globo.com/sp/bauru-marilia/noticia/2015/09/ caminhao-carregado-com-acido-fluoridrico-tomba-em-garca.html>. Acesso em: 20 nov. 2015.

Se, para neutralizar os efeitos do ácido fluorídrico (HF), for usada cal, isto é, óxido de cálcio (CaO), pergunta-se: qual a massa de CaO necessária? Qual a massa de fluoreto de cálcio formado? Para facilitar, vamos considerar que só haja HF no interior do caminhão. Como a informação dada (21 t de ácido) e as respostas pedidas referem-se a medidas de massa, vamos começar calculando as massas molares de reagentes e produtos da equação.

DIVULGAÇÃO PNLD

CaO(s)

2 HF(aq)

CaF2(s)

óxido de cálcio

ácido fluorídrico

fluoreto de cálcio

água

MCaO 5 (40 1 16) g/mol

MHF 5 2 ? (1 1 19) g/mol

MCaF 5 40 1 (19 ? 2) g/mol

MH O 5 (1 ? 2) 1 16 g/mol

MCaO 5 56 g/mol

MHF 5 40 g/mol

MCaF 5 78 g/mol

MH O 5 18 g/mol

1

H2O(ℓ)

1

2

2

2

2

Vamos também converter a unidade t em g: 21 t 5 21 000 kg 5 21 000 000 g 5 2,1 ? 107 g Mas lembre-se: do balanceamento da equação podemos deduzir a proporção dos reagentes e produtos em moléculas e conjuntos iônicos. Essa proporção também indica proporção em mol das substâncias: Observando a resolução da questão que foi usada acima, podemos notar que todos os cálculos são coerentes com as leis de Lavoisier e de Proust.

CaO(s)

1

2 HF(aq)

1 mol de CaO

reage com

2 mol de HF

ou

3 56 g/mol

originando

CaF2(s)

1

H2O(ℓ)

1 mol de CaF2

e

1 mol de H2O

3 20 g/mol

3 78 g/mol

56 g

40 g

78 g

x

2,1 ? 107 g

y

56 g x

5

40 g

40 g

2,1 ? 10

7

x 5 2,94 ? 10 g 7

2,1 ? 10

7

5

3 18 g/mol

18 g

78 g y

y 5 4,09 ? 10 g 7

Os cálculos envolvendo as quantidades das substâncias participantes de uma reação são chamados de cálculos estequiométricos. 196

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões Química e trabalho – O transporte de produtos perigosos Você leu na página anterior um fragmento de notícia a respeito do tombamento de um caminhão que carregava um produto químico perigoso. São considerados produtos perigosos quaisquer materiais que possam representar riscos à saúde das pessoas, à segurança pública ou ao ambiente; muitas substâncias químicas se enquadram nessa categoria. Leia no texto abaixo o modo como os profissionais com formação em química contribuem para o transporte seguro de produtos químicos e para a redução de danos em caso de acidentes.

MENDA, M. Transporte de produtos perigosos. Conselho Regional de Química – IV Região. Disponível em: <http://www.crq4.org.br/quimicaviva_produtos_perigosos>. Acesso em: 4 jan. 2016.

No Brasil, existe um conjunto de leis e normas que regulamenta o transporte de produtos perigosos por meio terrestre (rodovias e ferrovias), aéreo ou aquaviário. Entre as exigências dessa legislação estão um veículo adequado e em boas condições, documentos da carga, sua correta identificação no meio de transporte e até a qualificação dos profissionais envolvidos em certos cursos. Os condutores, por exemplo, precisam fazer o curso de Movimentação de Produtos Perigosos. Já aos operadores de terminais de cargas é recomendado o curso de Transporte Aéreo de Artigos Perigosos. Respeitar todas as exigências legais ajuda a prevenir inúmeros acidentes.

©ABNT

DIVULGAÇÃO PNLD

[...] Na área de transporte, por conhecer as propriedades e características dos produtos químicos, o profissional da química atua na orientação quanto à estocagem e quanto ao transporte propriamente dito, além de atuar na descontaminação dos tanques de carga e no tratamento de resíduos. Os profissionais da química também atuam em campo, no trabalho de atendimento a emergências ocorridas durante o transporte de produtos perigosos. Eles são responsáveis pela identificação, neutralização e remoção de produtos derramados em consequência de acidentes, definindo quais as ações a serem tomadas para evitar danos à saúde da população e ao meio ambiente. Em alguns casos, eles podem determinar a construção de diques, para evitar que poluentes atinjam cursos d’água e a canalização de água potável, evitando assim acidentes ambientais que poderiam adquirir grandes proporções.

Placas indicativas de transporte de produtos perigosos, segundo as normas estabelecidas pela lei.

1. Por que é importante que todos os profissionais envolvidos no transporte de produtos perigosos conheçam minimamente as características de diferentes substâncias químicas? 2. Em sua opinião, qual é a importância da correta identificação dos produtos perigosos presentes no veículo? 3. Faça uma pesquisa na internet sobre a porcentagem de acidentes envolvendo caminhões com cargas perigosas em seu estado. Com base nessa pesquisa, responda: quais podem ser as causas prováveis desses acidentes?

Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Atividades Sempre que for necessário, consulte os valores de massas atômicas na Tabela Periódica na página 106.

Não escreva neste livro.

1. Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), em 2010 o Brasil produziu 1,5 milhão de toneladas de amônia (NH3), matéria-prima importante para a obtenção de fertilizantes agrícolas. Suponha que toda essa amônia fosse transformada em nitrato de amônio (NH4NO3) por meio da reação com ácido nítrico (HNO3). Quantos quilogramas desse sal é possível obter? Equacione essa reação. 2. Observe a tabela a seguir, que contém algumas informações retiradas do relatório do Ministério do Meio Ambiente, relativas à emissão de monóxido de carbono (CO) por tipos de veículos no Brasil. Emissões de CO por tipo de veículo no Brasil (2011) Tipo de veículo

Combustível

Emissão de CO (103 t ao ano)

gasolina

331,9

etanol

automóveis flex motocicletas

gasolina

ônibus urbanos

diesel

104,5 gasolina

57,2

etanol

117,2

DIVULGAÇÃO PNLD

Total

425,1 37,5 1 073,4

Fonte: BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. 1o Inventário nacional de emissões atmosféricas por veículos automotores rodoviários: relatório final, 2011, p. 99-100. Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_publicacao/163_publicacao27072011055200.pdf>. Acesso em: 5 nov. 2015. Notas: Até o final de 2015, não havia relatório posterior ao de 2011. Os valores foram arredondados para facilitar a leitura. O etanol a que a tabela se refere é o etanol hidratado, e a gasolina, a que contém cerca de 22% (em volume) de etanol.

Com base nos dados da tabela, faça as atividades seguintes. a) Calcule a quantidade estimada, em mol, de CO emitido por automóveis em 2011. b) Considere a quantidade de CO calculada na questão anterior. Suponha que esse gás reaja com o O2 do ar, originando CO2 por ação de um catalisador. Equacione tal reação. c) Qual é a importância dessa reação para a qualidade do ar? d) Qual é a quantidade de O2, em mol, necessária para que tal transformação ocorra? 3. De cada 5 moléculas do ar, aproximadamente 1 é de oxigênio. Baseando-se nessa informação e em sua resposta ao item b da questão anterior, calcule a quantidade (em mol) de moléculas do ar envolvida na transformação do CO em CO2. 4. Suponha que, nas condições ambientes, em um dia de calor, o volume molar (volume ocupado por 1 mol de qualquer gás) ocupe aproximadamente 27 L. Com base em sua resposta à questão anterior, calcule que volume de ar seria utilizado na transformação de CO em CO2. 5. O documento que contém os dados reproduzidos na tabela da questão 2 faz a seguinte referência aos meios de transporte de cargas utilizados no Brasil: [a] frota de veículos pesados reflete assimetrias profundas de uma logística baseada prioritariamente no transporte por caminhões, relegando a planos de menor expressão modais meios como o ferroviário e o aquaviário (incluindo o de cabotagem), que deveriam ter grande importância na distribuição de mercadorias e bens em um país com as dimensões do Brasil. BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. 1o Inventário Nacional de Emissões Atmosféricas por Veículos Automotores Rodoviários: relatório final, 2011, p. 99-100. Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_publicacao/163_publicacao27072011055200.pdf>. Acesso em: 5 nov. 2015.

Segundo o texto, qual o meio de transporte de cargas mais utilizado no Brasil? Ele também predomina na região do país na qual você mora? 198

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Reagentes em solução Como vimos, muitas reações ocorrem em meio aquoso. Por isso, vamos começar a analisar cálculos que envolvem reagentes dissolvidos em água (solução). Para isso, é importante entender o conceito de concentração de uma solução.

Concentração de uma solução A atividade a seguir é bastante simples, mas vai ajudá-lo a entender o conceito de concentração.

Química: prática e reflexão É possível que você tenha ouvido falar que determinado suco estava muito “aguado” ou que uma bebida estava muito doce. Em ambas as situações está implícito o conceito de concentração de uma solução. Como você faria para diferenciar um suco aguado de um suco concentrado, sem utilizar o paladar? Material necessário

DIVULGAÇÃO PNLD

• 2 pacotes de suco em pó colorido do mesmo sabor (uva ou morango) para o preparo de 1 L de suco • 3 copos-medida, usados em culinária, contendo marcas de volume de 100 mL até 500 mL • Água • Sal de cozinha • 1 colher de sopa • 1 batata pequena Procedimento

1a parte • Coloquem cuidadosamente todo o conteúdo de um dos pacotes de suco em pó em um dos copos-medida e acrescentem água até a marca de 200 mL. Mexam com a colher para homogeneizar a mistura (mistura A). • Coloquem todo o conteúdo do outro pacote de suco em pó em outro copo-medida e acrescentem 500 mL de água. Agitem com a colher até homogeneizar a mistura (mistura B). • Comparem as duas misturas. 2a parte • No último copo-medida, dissolvam 1 colher rasa de sal de cozinha em 300 mL de água. Em seguida, introduzam a batata nesse copo. • Após cerca de 30 segundos, retirem cuidadosamente a batata da água com a colher. • Acrescentem mais duas colheres rasas de sal na mistura e agitem com a colher. • Introduzam novamente a batata nesse copo. • Observem o que ocorre e anotem no caderno. Descarte dos resíduos: Os resíduos líquidos podem ser descartados diretamente no ralo de uma pia. A batata pode ser armazenada e utilizada em outras atividades experimentais. Analisem suas observações

1. Qual mistura (A ou B) é a mais concentrada? Justifiquem a resposta. 2. Considerando as misturas A e B, quantos gramas de suco em pó estão dissolvidos por mL de solução? 3. O que vocês observaram na 2a parte do experimento? Como explicariam esse resultado? 4. Houve diferença na concentração das soluções aquosas de sal? Se houve, indique quantas vezes, aproximadamente, a concentração de uma é maior que a da outra. Note como em seu dia a dia você já entrou em contato com o conceito de concentração. Você conseguiria explicar com suas palavras o que é concentração de uma solução? Mais adiante vamos estudar as unidades que podem ser usadas para expressar a concentração de um soluto em uma solução. Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Agora vamos analisar um exemplo semelhante ao do experimento que você realizou. Se considerarmos uma jarra contendo um suco feito com 120 g de pó para o preparo (soluto) e 1 L de água (solvente) e colocarmos 200 mL desse suco em um copo, teremos a mesma concentração tanto na jarra como no copo, embora o copo contenha menor quantidade de suco, isto é, menor quantidade de soluto e de solvente. Em outras palavras, em um copo com 200 mL, teremos menos soluto, porém a relação massa de soluto por litro de solução é a mesma. 1 L de água (solvente) x 5 24 g 120 g de soluto 0,2 L ou 200 mL de água x No volume total de 1 L ou no volume de um copo (200 mL), a concentração é a mesma, 120 g/L. Veja: 120 g 24 g 1 L de solução 120 g de soluto 5 5 120 g/L 0,2 L de solução 24 g de soluto 1L 0,2 L

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

Quer dizer, a concentração de soluto independe do volume da solução. Podemos perceber isso visualmente, pois a intensidade da cor no copo e na jarra é a mesma. Considere que 120 g do pó para fazer suco são dissolvidos em água suficiente para se obter 1 L de solução. Supondo que esse pó seja constituído por apenas um soluto, podemos dizer que a concentração dessa solução é de 120 g /L. No copo, a concentração é exatamente a mesma que a da jarra.

Em décadas anteriores era comum expressar a concentração de uma solução por meio da molaridade ou concentração molar. Essas expressões, assim como a unidade de medida utilizada, molar (M), não são mais recomendadas pela IUPAC. Foram substituídas por concentração em quantidade de matéria, cuja unidade de medida é mol/L. No entanto, você ainda poderá encontrar em livros, sites e em exames de vestibulares as expressões antigas, bem como a unidade molar.

Suponha que se prepare uma solução de ácido sulfúrico concentrado, H2SO4(conc.), em que 196 g do ácido sejam usados para obter 2 L de solução. Agora, analise a proporção: 196 g de H2SO4 x 5 98 g de H2SO4 em 1 L de solução 2 L de solução x 1 L de solução Podemos dizer que a concentração dessa solução é 98 g/L. Como exprimir essa concentração em mol/L? 98 g de H2SO4 x 5 2 mol de H2SO4 1 mol de H2SO4 x 196 g de H2SO4 2 L de solução 2 mol de H2SO4 z 5 1 mol de H2SO4 1 L de solução z Assim: Em que: C: concentração em g/L C 5 98 g de H2SO4/L de solução c: concentração em mol/L c 5 1 mol de H2SO4/L de solução Cuidado! Não tente fazer este experimento sem a supervisão de seu professor.

200

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Concentração em quantidade de matéria por litro (mol/L)

A diluição do ácido sulfúrico concentrado, H2SO4(conc.), requer cuidados. Nunca se deve verter a água no ácido; ao contrário, o ácido deve escorrer vagarosamente pelas paredes de um recipiente que já contenha água.

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Reagente limitante Para que você entenda o conceito de reagente limitante, vamos primeiro refletir sobre uma situação de seu cotidiano fazendo uma analogia, isto é, uma comparação, com os ingredientes de um sanduíche.

Atividades

Não escreva neste livro.

Suponha os seguintes produtos disponíveis em uma lanchonete: • 8 pães do tipo baguete

• 1 pé de alface (. 20 folhas)

• 5 tomates (. 20 fatias)

• 1 kg de queijo

Imagine que os funcionários dessa lanchonete, ao montar sanduíches, devem seguir rigorosamente a proporção fixada pela direção do estabelecimento, de modo que em cada baguete haja: • 2 folhas de alface • 4 fatias de tomate

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©SHUTTERSTOCK/PAULISTA

• 100 g de queijo 1. Quantos sanduíches iguais poderão ser feitos com os ingredientes disponíveis? 2. Que ingredientes ficarão sobrando?

3. Apesar de 8 baguetes estarem disponíveis, não será possível montar 8 sanduíches. Por quê? 4. Para utilizar todos os ingredientes disponíveis, o que deve ser providenciado? Especifique a quantidade. 5. Nessa situação, poderíamos dizer que o tomate é um ingrediente limitante. Por analogia, explique o que, para uma reação química, deve ser um reagente limitante. Atenção! Nesta atividade recorremos a uma analogia. Ela é bem distante do que ocorre em uma transformação química.

Assim como na preparação de sanduíches a falta de um ou mais ingredientes pode nos impedir de montar todos os sanduíches de acordo com uma receita-padrão, também a falta de um reagente pode impedir que os demais participantes sejam totalmente consumidos em uma transformação química. Como você sabe, as reações químicas envolvem proporções muito bem definidas. Com isso, se “faltar” um reagente, o outro não poderá ser totalmente consumido. A substância “em falta” é chamada de reagente limitante. Considere a reação de precipitação do iodeto de chumbo(II), PbI2:

2 KI(aq) iodeto de potássio

1 Pb(NO3)2(aq) nitrato de chumbo

PbI2(s) iodeto de chumbo(II)

1

2 KNO3(aq) nitrato de potássio Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Imagine que volumes diferentes de uma solução aquosa de nitrato de chumbo, Pb(NO3)2, de concentração igual a 1,0 mol de Pb(NO3)2 por litro de solução, sejam adicionados a tubos de ensaio idênticos contendo 5 mL de solução aquosa de iodeto de potássio, KI, com concentração de 1,0 mol de KI por litro de solução e que se meça a altura do precipitado amarelo, PbI2(s), obtido após a decantação.

Representação esquemática das alturas do precipitado PbI2 formado pela adição de diferentes volumes de uma solução aquosa de Pb(NO3)2 (1 mol/L) a 5 mL de solução aquosa de KI (1 mol/L). Os valores das alturas do precipitado, obtidos experimentalmente, podem variar, por exemplo, com a temperatura. Na ilustração não foi representado o líquido sobrenadante.

Altura do precipitado (mm)

Altura do PbI2 precipitado em função do volume de Pb(NO3)2(aq) adicionado

15

I

II

0,5

1,0

III

IV

V

VI

VII

VIII

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia.

10 5 0

Fonte: HILL, G. C.; HOLMAN, J. S. Chemistry in context. 4th ed. Londres: Walton-on-Thames: Nelson, 1995. p. 11.

Volume adicionado de solução de Pb(NO3)2 (mL)

DIVULGAÇÃO PNLD

Repare que, após o acréscimo de 2,5 mL da solução aquosa de nitrato de chumbo, a altura do precipitado não se altera mais. Como podemos interpretar tal resultado? Vamos analisar o que acontece em cada tubo de ensaio:

▸▸ ▸▸ ▸▸ 202

2 KI(aq)

1

Pb(NO3)2(aq)

PbI2(s)

1

2 KNO3(aq)

Excesso

I

5,0 ? 1023 mol

reage com

0,5 ? 1023 mol

formando

0,5 ? 1023 mol

e

1,0 ? 1023 mol

4,0 ? 1023 mol de KI

II

5,0 ? 1023 mol

reage com

1,0 ? 1023 mol

formando

1,0 ? 1023 mol

e

2,0 ? 1023 mol

3,0 ? 1023 mol de KI

III

5,0 ? 1023 mol

reage com

1,5 ? 1023 mol

formando

1,5 ? 1023 mol

e

3,0 ? 1023 mol

2,0 ? 1023 mol de KI

IV

5,0 ? 1023 mol

reage com

2,0 ? 1023 mol

formando

2,0 ? 1023 mol

e

4,0 ? 1023 mol

1,0 ? 1023 mol de KI

V

5,0 ? 1023 mol

reage com

2,5 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

e

5,0 ? 1023 mol

Não há excesso.

VI

5,0 ? 1023 mol

reage com

3,0 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

e

5,0 ? 1023 mol

0,5 ? 1023 mol de Pb(NO3)2

VII

5,0 ? 1023 mol

reage com

3,5 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

e

5,0 ? 1023 mol

1,0 ? 1023 mol de Pb(NO3)2

VIII

5,0 ? 1023 mol

reage com

4,0 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

e

5,0 ? 1023 mol

1,5 ? 1023 mol de Pb(NO3)2

Dessa forma, podemos concluir que: nos tubos de I a IV o Pb(NO3)2 é o reagente limitante, havendo excesso de KI; no tubo V há Pb(NO3)2 suficiente para consumir todo o KI, sem excesso ou limitação de nenhum dos reagentes; nos tubos de VI a VIII há mais Pb(NO3)2 do que KI, havendo, portanto, excesso de Pb(NO3)2. Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Viagem no tempo Massa atômica: do hidrogênio ao carbono-12

– quase igual à do elemento mais leve, o hidrogênio –, adotou-se uma fração do 12C como a unidade de massa 1 atômica : do carbono-12. Assim, por que não manter como referência o elemento mais leve, o H? Por dois 12 motivos principais: após a verificação da existência de isótopos, ficou clara a necessidade de adotar como referência um isótopo particular de um elemento; além disso, em relação aos demais elementos utilizados para medidas de massas atômicas (hidrogênio e oxigênio), o carbono é mais fácil de ser armazenado, pois as substâncias simples que ele constitui são sólidas nas condições ambientais padronizadas. Para que tudo isso possa ser mais facilmente compreendido, imagine que fosse adotado como padrão de medida a massa de 1 gomo de laranja e representássemos essa unidade por ul (unidade de gomo de laranja). Poderíamos exprimir a massa de outras frutas em relação a ela, por exemplo. Cores fantasia, sem escala.

Massa de 1 banana: 4 ul

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Dalton adotou o hidrogênio como padrão de unidade de massa e obteve valores de massas atômicas bastante imprecisos. Posteriormente, Berzelius, que contava com poucos equipamentos de laboratório, elaborou uma tabela de massas atômicas dos elementos adotando como padrão o oxigênio, ao qual atribuiu massa atômica 100. Ao longo do tempo, outros pesquisadores determinaram massas atômicas mais confiáveis. Nesse processo, por várias razões, entre as quais a descoberta da existência de isótopos de um mesmo elemento, houve variações no padrão adotado como unidade de massa atômica. Na segunda metade do século XX, em 1961, o carbono-12 foi adotado como padrão e sua massa atômica foi fixada em 12. A partir daí, outras tabelas de massas atômicas dos elementos foram elaboradas. Foi mais de um século depois do surgimento da teoria atômica de Dalton que se descobriram os isótopos (átomos de um mesmo elemento químico com mesmo número de prótons, mas diferente número de nêutrons). Como a massa do nêutron é significativa para o átomo, as massas dos isótopos de um mesmo elemento são diferentes. O elemento carbono possui isótopos, sendo o carbono-12 o mais estável e a forma predominante. Por isso, ele foi escolhido para a determinação das massas atômicas relativas dos outros átomos. No entanto, como desde Dalton a unidade de referência era próxima à do que sabemos hoje ser a massa do próton e do nêutron

Massa de 1 maçã: 12 ul

Representação esquemática de uma unidade hipotética (unidade gomo de laranja, cujo símbolo é ul) para exprimir a massa de outras frutas. Note que a massa de uma banana equivale à massa de 4 ul (balança à esquerda) e que a massa de uma maçã equivale à massa de 12 ul (balança à direita).

Porém, como há muitos tipos de laranja, não bastaria adotar como padrão de medida o gomo de qualquer laranja, pois a massa dos gomos varia conforme o tipo de laranja – daí a necessidade de haver uma padronização na medida utilizada. O mesmo aconteceu com o átomo de carbono usado como padrão. Lembre-se de que o 126C, assim como qualquer átomo de C, tem número atômico igual a seis (Z 5 6), contudo possui número de massa igual a 12 (A 5 nn0 1 np1 5 12). Capítulo 9  Cálculos químicos: uma iniciação

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A unidade usada como padrão de comparação foi chamada de unidade de massa 1 da massa do 12C. atômica, com símbolo u e valor correspondente a 12 Dessa forma, quando dizemos que o sódio, 23Na, tem massa atômica igual a 23, afir1 da massa do 12C, ou que esse elemento 12 tem massa pouco menor que o dobro do átomo de 12C. mamos que seus átomos têm massa 23 vezes

1 u corresponde aproximadamente à massa de um próton (ou de um nêutron).

Mas qual é a massa de 1 átomo de 126C ? É 12 u. Massa atômica de um elemento químico que possui isótopos Vamos imaginar agora uma cesta contendo vários tipos de laranjas com massas variadas. Podemos calcular a massa média de um gomo de laranja; no entanto, é certo que essa massa provavelmente não corresponderá à massa de um gomo em particular. É claro que átomos e frutas são completamente diferentes; essa é apenas uma analogia do mundo macroscópico para facilitar a compreensão do mundo microscópico.

DIVULGAÇÃO PNLD

Com a evolução dos instrumentos de medida, acabou ficando claro que a massa atômica de um elemento poderia ser estimada a partir dos valores da massa atômica relativa de seus isótopos estáveis e respectivas abundâncias relativas. Dessa forma, a massa atômica dos elementos que apresentam mais de um isótopo passou a ser expressa como um valor médio ponderado. Veja um exemplo: Podemos considerar que existem dois isótopos do carbono, o 12C (6 p1 1 6 n0) e o 13 C (6 p1 1 7 n0), já que a porcentagem do 14C é insignificante em relação à dos outros dois. O mais abundante é o 12C, presente em 98,89%, enquanto o 13C aparece com 1,11%. Podemos deduzir que, de cada 10 000 átomos de C disponíveis na natureza, 9 889 são do 12C e 111 são do 13C. Ou seja, a massa de 10 000 átomos de C, expressa em u, corresponde a: 9 889 ? 12 1 111 ? 13 5 120 111. 120 111 = 12,0111. Portanto, a massa média de um átomo de C é: 10 000 Os valores de massa atômica dos elementos que você encontra nas tabelas periódicas correspondem à média ponderada das massas atômicas das diversas formas isotópicas de cada elemento. Podemos definir então a massa atômica de um elemento como a massa média de 1 do átomo de 12C. seus isótopos expressa em relação à massa de 12 A definição pela União Internacional de Química Aplicada (IUPAC) do 12C como padrão de massas atômicas levou o Sistema Internacional de Unidades (SI) a adotar o mol como unidade de quantidade de matéria. Portanto, definimos mol como a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 quilogramas de 12C.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Uma solução contém 10,6 g de carbonato de sódio (Na2CO3). A ela se acrescentam 22,2 g de cloreto de cálcio (CaCℓ 2) em solução.

204

a) Equacione a reação química indicada. b) Calcule a massa da substância em excesso. c) Qual é a massa de carbonato de cálcio precipitada na reação?

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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2. Segundo a Lei n. 12.760, de 20 de dezembro de 2012, é crime “Conduzir veículo automotor com capacidade psicomotora alterada em razão da influência de álcool [...]”; “Qualquer concentração Não escreva neste livro. de álcool por litro de sangue [...] sujeita o condutor às penalidades [da lei]”. Veja na tabela abaixo como o álcool afeta o motorista. Efeitos do álcool (etanol) sobre um indivíduo de 70 kg Quantidade de álcool no sangue (g/L)

Efeitos

0,2 a 0,3

As funções mentais começam a ficar comprometidas. A percepção da distância e da velocidade fica prejudicada.

0,3 a 0,5

O grau de vigilância diminui, assim como o campo visual. O controle cerebral relaxa, dando a sensação de calma e satisfação.

0,51 a 0,8

Reflexos retardados, dificuldades de adaptação da visão a diferenças de luminosidade, superestimação das possibilidades e minimização de riscos, tendência à agressividade.

0,81 a 1,5

Dificuldades de controlar automóveis, incapacidade de concentração e falhas de coordenação neuromuscular.

1,51 a 2,0

Embriaguez, torpor alcoólico, visão dupla.

2,1 a 5,0

Embriaguez profunda.

. 5,0

Coma alcoólico.

DIVULGAÇÃO PNLD

Fonte: UFRRJ. Alcoolismo. Disponível em: <http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/etanol2.htm>. Acesso em: 20 nov. 2015.

a) Sendo a fórmula molecular do etanol (álcool comum) C2H5OH, qual é sua massa molar? b) Até a publicação dessa lei de 2012, o limite máximo de álcool permitido no sangue do motorista era de 0,6 g/L. Explique com suas palavras o significado desse valor. c) Expresse a concentração 0,6 g de etanol/L em mol de etanol/L. d) Que efeitos o condutor do veículo poderia sofrer se esse limite fosse atingido? e) Você conhece alguém que tenha provocado ou sofrido algum acidente por dirigir alcoolizado? f) Discuta com seus colegas e o(a) professor(a) a relação consumo de álcool × direção responsável. Que medidas podem ser tomadas para reduzir cada vez mais o número de acidentes causados por essa associação? 3. Leia o fragmento de notícia abaixo. Caminhão carregado com toneladas de amônia tomba em Pindorama Um caminhão com cerca de nove mil quilos de nitrato de amônia em gel tombou na Rodovia Washington Luiz, próximo a Pindorama (SP) [...] Por conta do risco de explosão, a área teve que ser isolada. “Em contato com outros produtos, a amônia pode gerar uma explosão ou incêndio.” Disponível em: <http://g1.globo.com/sao-paulo/sao-jose-do-rio-preto-aracatuba/noticia/2013/11/ caminhao-carregado-com-toneladas-de-amonia-capota-em-pindorama.html>. Acesso em: 14 nov. 2015.

a) O fragmento extraído de um site de notícias apresenta erros quanto à nomenclatura química e à terminologia de unidades de medida. Quais são? Explique. b) Os nitratos, de modo geral, são bastante usados como fonte indireta de oxigênio e, por isso, facilitam processos explosivos quando em contato com combustíveis – é o que acontece no caso da pólvora. No caso particular do NH4NO3, dependendo da temperatura e de outras condições, ele se decompõe, originando diferentes produtos, muitas vezes de modo explosivo. O aquecimento cuidadoso até cerca de 200 °C origina óxido nitroso (N2O) e água. Com base nessas informações, reflita sobre o que informa o texto. O que você considera importante ressaltar a respeito? c) Equacione a reação de decomposição mencionada acima. d) Com base na informação contida na notícia, calcule a massa de óxido nitroso, N2O, obtida por decomposição de todo o nitrato apreendido. Suponha que a informação se refira apenas ao produto, sem a massa do gel que deve ser acrescido ao nitrato para evitar maiores riscos durante o transporte. Lembre-se: nitrato de amônio é um sal, um sólido em pó.

Capítulo 9  Cálculos químicos: uma iniciação

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10 capítulo

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PULSAR IMAGENS/EDSON SATO

Reações de oxirredução

Engrenagem de moenda antiga em que é possível notar inúmeros pontos de ferrugem. Município de Bonito (MS), 2013.

Ferropriva: diz-se do tipo de anemia causado por deficiência de ferro.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • oxidação e redução; • número de oxidação; • reações de oxirredução; • agente redutor e agente oxidante; • reatividade dos metais; • determinação dos coeficientes de acerto em equações de oxirredução. 206

Para situá-lo O ferro pode ser encontrado em diversas formas. Em uma barra de ferro, por exemplo, ele está presente na forma metálica; em medicamentos para combater a anemia (do tipo ferropriva), é encontrado como íon bivalente (Fe21); na ferrugem – como óxido de ferro(III) hidratado –, encontra-se na forma de íon trivalente (Fe31). Em cada uma dessas formas, ele tem propriedades características e, em alguns casos, é importante evitar que uma forma se transforme em outra. As barras empregadas como suporte de grandes construções, por exemplo, devem ser tratadas para evitar que o ferro metálico se transforme em ferrugem, como a que aparece na moenda da foto acima. Com o cobre acontece algo semelhante: usado para recobrir esculturas, em objetos de decoração, panelas, tachos, ele sofre transformação química quando exposto ao ambiente, o que pode trazer consequências danosas. As tradicionais panelas e tachos de cobre, por exemplo, embora façam parte da cultura popular brasileira – especialmente em Minas Gerais –, representam risco à saúde. O trecho a seguir vai ajudá-lo a entender o conflito entre alguns hábitos culturais e a prevenção de problemas de saúde.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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EVANS, Luciane. Estado de Minas. Belo Horizonte, 17 ago. 2010. Disponível em: <http://www.em.com.br/app/noticia/gerais/2010/08/17/ interna_gerais,174423/minas-proibe-uso-de-panelas-de-cobre.shtml>. Acesso em: 1º mar. 2016.

PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

Minas proíbe uso de panelas de cobre [...] O verde vivo do figo em calda, a liga cremosa do doce de leite, a goiabada na consistência perfeita e a rapa de tudo isso no fundo de um tacho de cobre correm o risco de se tornar meras lembranças em Minas Gerais, para desespero dos amantes dos famosos quitutes mineiros. A Vigilância Sanitária Estadual, com base em resolução de 2007 da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), proibiu o uso de utensílios de cobre na produção alimentícia, sob argumento de que a absorção excessiva do metal provoca desordens neurológicas e psiquiátricas, danos ao fígado, rins, nervos e ossos, além da perda de glóbulos vermelhos. [...] Preparo de doce de abóbora e figo em tachos de cobre.

DIVULGAÇÃO PNLD

1. Que informações o texto fornece sobre os danos ao organismo provocados pelo cobre? 2. A mesma notícia de jornal traz também o depoimento de uma doceira que é contrária à proibição das panelas e tachos de cobre: [...] “O que as autoridades têm que fazer é ensinar a usar direito o tacho, a limpá-lo bem para não deixar dar o azinhavre (substância esverdeada, resultado da oxidação do metal), que é perigoso e venenoso.” EVANS, Luciane. Estado de Minas. Belo Horizonte, 17 ago. 2010 Disponível em: <http://www.em.com.br/app/noticia/gerais/2010/08/17/interna_gerais,174423/minas-proibeuso-de-panelas-de-cobre.shtml>. Acesso em: 1º mar. 2016.

a) O que, segundo a entrevistada, é perigoso e deve ser removido dos tachos de cobre? A que é atribuída a formação desse produto? b) Considerando que, especialmente em Minas Gerais, muitas pessoas vivem da venda de doces feitos artesanalmente em tachos de cobre, o que você acha da proposta da doceira para resolver o problema? Dê um argumento para defender essa ideia e um argumento contrário a ela.

Palha de aço enferrujada. ©SHUTTERSTOCK/BUDIMIR JEVTIC

3. Depois de alguns dias exposta ao ar e à umidade, a palha de aço muda de aspecto. Que diferenças podem ser observadas na palha de aço antes e depois de enferrujar? Descreva-as. 4. Nesse processo, o ferro que está na palha de aço (Fe) transforma-se em íons de Fe(II) e Fe(III). O que ocorreu com os elétrons do ferro que possa explicar essa transformação?

Neste capítulo, vamos estudar processos químicos semelhantes aos que ocorrem quando o ferro enferruja ou quando objetos de cobre se alteram, na cozinha ou em outros ambientes. Tais processos têm muita relevância, tanto do ponto de vista de nossa saúde quanto econômico e ambiental. Capítulo 10  Reações de oxirredução

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Vamos aproveitar uma série de conhecimentos que você já tem e o que observa em seu cotidiano para identificar processos químicos que envolvem oxidação ou redução. A palavra oxidação era empregada originalmente para designar reações em que uma substância interage com o oxigênio (O2) e até hoje é usada para indicar o processo que leva um metal a perder o brilho e outras características metálicas. O significado químico do termo, porém, se ampliou, como veremos mais adiante.

©ISTOCKPHOTO.COM/MAC99

Conceitos importantes: oxidação e redução

A ferrugem, evidente na estrutura metálica, é consequência da formação de íons Fe31. Não escreva neste livro.

Atividades 1. Todo metal perde o brilho quando exposto ao ar? Dê um exemplo que justifique sua resposta. 2. Diversos objetos de uso doméstico e hospitalar são feitos de aço. Que palavra utilizamos para indicar o aço que mantém permanentemente a cor e o brilho, apesar do uso? Qual é o significado dessa palavra?

DIVULGAÇÃO PNLD

Um exemplo de reação de oxidação e redução

2 Mg(s) 1 O2(g) magnésio

GLOW IMAGES/PHOTOLIBRARY

Entre 1887 e 1949, aproximadamente, o flash das máquinas fotográficas era obtido por meio da oxidação do magnésio, devido à intensa luz gerada no processo. Essa transformação é representada pela equação química:

2 MgO(s)

oxigênio

óxido de magnésio

Para que o magnésio metálico, cuja carga elétrica é zero, se transforme em íon Mg21, presente no óxido de magnésio, é necessário que interaja com o O2, de modo que perca 2 elétrons por átomo. Para isso, as moléculas de O2 terão de receber elétrons. Vamos analisar esses dois processos separadamente:

Mg

Mg21 1 2 e2

O2 1 4 e2

O22 1 O22

Nessa reação, cada átomo de magnésio perde 2 elétrons, formando o íon Mg21. Já a molécula de oxigênio, cuja carga elétrica é nula, ganha 4 elétrons (2 elétrons para cada átomo de oxigênio) e origina dois íons O22. Podemos representar esse processo utilizando a fórmula de Lewis:

Mg

A queima de magnésio metálico, metal cinzento e brilhante, é uma reação perigosa que libera grande quantidade de energia na forma de luz.

Mg21 1 2 e2

O O 1 4 e2

O

22

1

O

22

E a reação global do processo pode ser representada por:

Mg 1 O O 1 Mg

2 Mg2 1 2 O

22

Cuidado! Esta reação libera muita energia; não tente reproduzi-la!

Note que, para que cada molécula de O2 receba 4 elétrons, é necessário que 2 átomos de magnésio cedam cada um 2 elétrons. Chamamos de reações de oxirredução as transformações em que há transferência de elétrons, como a que vimos acima. O termo oxirredução deriva de dois processos que ocorrem na transformação: a oxidação (que envolve a perda de elétrons) e a redução (que envolve o ganho de elétrons). Assim, na transformação que vimos acima, o Mg se oxida (cede elétrons) e o O2 se reduz (ganha elétrons). 208

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Número de oxidação O termo oxidação, que, como vimos, originalmente designava processos com participação do oxigênio do ar, acabou sendo aplicado também a outros processos que envolvem a transferência de elétrons, como o que veremos a seguir. É um exemplo de oxidação infelizmente bastante comum em grandes centros urbanos. Muitas estruturas de ferro estão expostas à acidez da chuva. A chamada chuva ácida é rica em íons H1(aq). Que ação esses íons têm sobre o ferro metálico? Analise a equação abaixo:

2 Fe(s)

1

DIVULGAÇÃO PNLD

ferro metálico

6 H1(aq) íons hidrogênio

2 Fe31(aq) 1 3 H2(g) íons ferro(III)

hidrogênio

A equação indica que o metal exposto à chuva ácida reage com os íons H1, resultando, no final do processo, na formação de íons Fe31. Ora, nesse caso, para que o ferro metálico – um sólido praticamente insolúvel em água – se transforme em íons ferro(III) aquoso, Fe31(aq), é necessário que ele perca elétrons. Mas para onde vão esses elétrons? Eles são transferidos para os íons H1(aq), presentes na água da chuva. Nesse processo não há participação do oxigênio, ao contrário do que ocorre na formação da ferrugem. Apesar disso, o ferro metálico perde elétrons e se transforma em Fe21(aq) e, posteriormente, em Fe31. Por extensão do conceito de oxidação, inicialmente usado apenas na perda de elétrons diante do oxigênio, dizemos que o ferro, Fe(s), oxidou-se a Fe31(aq) e, em consequência, o hidrogênio, na forma de íons H1(aq), reduziu-se a H2(g). Tanto nessa oxidação do ferro quanto na do magnésio – que você viu anteriormente –, houve o surgimento de íons (respectivamente, Fe31 e Mg21). A carga desses íons, 13 e 12, é chamada de número de oxidação (Nox). Note que, nessas reações, também aparecem substâncias simples, espécies sem carga elétrica. No caso das substâncias metálicas (como Mg e Fe), cujas unidades constituintes são átomos (portanto, de carga elétrica 0), o número de oxidação é zero. Nas substâncias simples moleculares (como O2, H2), os átomos que constituem as moléculas são do mesmo elemento e têm, portanto, idêntica eletronegatividade (não há formação de cargas elétricas, íons), o que explica atribuir-se a eles o Nox = 0. O mesmo raciocínio pode ser aplicado para as substâncias simples constituídas de metais, como Fe(s), Mg(s), Aℓ(s), Ni(s), Cu(s), que apresentam Nox = 0. Com o passar do tempo, não só a noção de oxidação se ampliou: também o conceito de número de oxidação ganhou novos contornos e, no caso de processos que envolvem apenas substâncias moleculares, afastou-se da ideia de carga elétrica.

Chuva ácida Devido à presença do dióxido de carbono na atmosfera, proveniente de diversas fontes – como a respiração de seres vivos, por exemplo –, a chuva é ligeiramente ácida, mesmo em locais onde o ar é isento de componentes lançados por ação humana. No entanto, a presença de poluentes atmosféricos, como o dióxido de enxofre (SO2), que pode ser emitido por veículos, indústrias ou por vulcões, torna a chuva ainda mais ácida, a chamada "chuva ácida".

Vamos agora analisar a equação da combustão do metano (CH4), gás combustível que pode ser obtido do lixo orgânico:

CH4(g) 1 2 O2(g) metano

oxigênio

CO2(g) 1 2 H2O(g) dióxido de carbono

água

Embora não haja íons participando dessa reação, toda reação de combustão é uma reação de oxirredução. Para as substâncias compostas moleculares, ou seja, constituídas por átomos de elementos químicos diferentes unidos por ligação covalente, o número de oxidação é teórico e calculado como a carga que o átomo iria adquirir se todas as ligações covalentes fossem “quebradas” e o(s) par(es) de elétrons compartilhado(s) ficasse(m) com o átomo mais eletronegativo. Retome a tabela de eletronegatividade da página 133 e veja a seguir como podemos encontrar o Nox dos elementos do CH4, do H2O e do CO2. Capítulo 10  Reações de oxirredução

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▸▸

Metano (CH4)

H

H

H C H

H C H

H

H

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

Eletronegatividade C.H

NoxH 5 11 NoxC 5 24

Vamos refletir como se todas as ligações covalentes entre os átomos de carbono e hidrogênio fossem “quebradas” e os pares de elétrons das ligações ficassem com o átomo mais eletronegativo – no caso do metano, o carbono –, seu Nox seria 24 , enquanto o do hidrogênio seria 11. Isso porque o átomo de carbono receberia 1 elétron de cada ligação C 2 H, e cada hidrogênio cederia 1. ▸▸

Água (H2O)

H O H

H O H

Eletronegatividade O.H

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

NoxH 5 11 NoxO 5 22

DIVULGAÇÃO PNLD

Analogamente à explicação anterior, podemos dizer que, sendo o O mais eletronegativo que o H, é como se ele atraísse os elétrons da ligação entre ambos; é como se cada átomo de H cedesse seu elétron ao O. Assim, na molécula de água, o Nox do H é 11 e o do O é 22. ▸▸

Dióxido de carbono (CO2)

O C O

O C O

Eletronegatividade O.C

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

NoxC 5 14 NoxO 5 22

Seguindo o mesmo raciocínio, como o O é mais eletronegativo do que o C, é como se ele ficasse com os elétrons da ligação. Assim, na molécula de dióxido de carbono, o Nox do C é 14 e o do O é 22. Retomando a combustão do metano (CH4), podemos representar, na forma de equação, os Nox de cada átomo: Nox: –4 +1

metano

oxigênio

+1 –2

+4 –2

0

CH4(g) 1 2 O2(g)

CO2(g) 1 2 H2O(g)

dióxido de carbono

água

Note que o átomo de carbono do metano se oxidou (de 24 a 14) e os átomos de oxigênio da molécula de O2 se reduziram (de zero para 22). A seguir, veja mais alguns exemplos de Nox de alguns átomos em outras substâncias. Cloreto de hidrogênio (HCℓ)

210

H Cℓ

H Cℓ

Eletronegatividade Cℓ . H

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

NoxH 5 11 NoxCℓ 5 21

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Ácido clórico (HCℓO3)

O H O Cℓ O

Eletronegatividade O . Cℓ . H

O H O Cℓ O

NoxH 5 11 NoxCℓ 5 15 NoxO 5 22

Fórmula eletrônica Ácido sulfúrico (H2SO4)

O O O O S H H H O S O H O O

Eletronegatividade O. S.H NoxH 5 11 NoxS 5 16 NoxO 5 22

Fórmula eletrônica

DIVULGAÇÃO PNLD

Número de oxidação médio Em alguns casos, em uma reação química, átomos de um mesmo elemento químico podem ter diferentes Nox. A equação a seguir representa uma reação muito comum, que ocorre quando uma bebida alcoólica é deixada exposta ao ambiente. Essa transformação é um exemplo de fermentação acética, processo pelo qual o etanol (C2H6O) é transformado em ácido acético (CH3COOH), constituinte do vinagre, e que é conhecido há milhares de anos.

H

H

H

H — C — C — O — H 1 O2 H

O

H—C—C

1 H2O O—H

H

H oxigênio

etanol

ácido acético

água

Para encontrar o Nox de cada átomo de carbono no etanol e no ácido acético, seguimos a mesma linha de raciocínio usada nos exemplos anteriores. Cada traço da fórmula representa o compartilhamento de um par de elétrons (ligação covalente). Se essas ligações fossem “rompidas”, o par de elétrons iria para o átomo mais eletronegativo. O átomo de carbono do etanol representado em vermelho, por exemplo, está ligado a três átomos de hidrogênio que são menos eletronegativos e, portanto, seu Nox seria igual a 23. O par de elétrons da ligação C 2 C não altera o valor do Nox do átomo de carbono, pois os dois são do mesmo elemento químico. Já o átomo de carbono do etanol representado em azul está ligado a um átomo mais eletronegativo (oxigênio) e dois átomos menos eletronegativos (hidrogênio); logo seu Nox será 21. Observe nas fórmulas do etanol e do ácido acético a seguir os números de oxidação de cada átomo. +1

+1

H H | –3 | –1 –2 +1 +1 H—C—C—O—H | | H H +1

+1

etanol

+1

H | –3 +3 +1 H—C—C | H

–2

O –2

+1

O—H

+1

ácido acético

Analisando as estruturas acima, podemos notar que um dos átomos de carbono – indicado pela cor vermelha – não apresentou alteração no Nox na transformação química, enquanto o outro átomo de carbono – destacado em azul – teve alteração do Nox de 21 para 13. Capítulo 10  Reações de oxirredução

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MATRIZ NOVA

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O Nox médio do carbono para cada substância corresponde à média aritmética dos Nox de todos os átomos de carbono. Assim, para os compostos envolvidos na reação, o Nox médio do carbono seria: (23) 1 (21)

no etanol:

no ácido acético:

5 22

2

(23) 1 (13) 2

50 Não escreva neste livro.

Atividades 1. O título da notícia abaixo e o texto que o segue mencionam um exemplo de oxidação. Leia-os.

Obras de reparo vão custar pelo menos R$ 500 mil para prefeitura baiana. Acidez de urina é responsável pela corrosão das ferragens dos pilares

DIVULGAÇÃO PNLD

ARAÚJO, Glauco. Disponível em: <http://g1.globo.com/Noticias/ Brasil/0,,MUL1084815-5598,00.html>. Acesso em: 10 dez. 2015.

AGÊNCIA ESTADO/WELTON ARAÚJO

Xixi põe em risco estruturas de viaduto e 5 passarelas em Salvador

Corrosão do cimento e oxidação da estrutura metálica de pilar do viaduto Luiz Cabral, em Salvador (BA), causadas pela acidez da urina. Foto de 2008.

a) Escreva a equação química balanceada que representa o efeito da acidez da urina na corrosão de um dos constituintes do cimento, o carbonato de cálcio. Considere que a fórmula do ácido é HX. b) A notícia relata um caso de degradação do patrimônio público decorrente de uma reação de oxirredução. Explique o processo. c) O problema relatado trouxe custos à prefeitura de Salvador. De que forma problemas como esse poderiam ser evitados nas cidades brasileiras? No município em que você mora há algum tipo de problema semelhante? 2. Dê o Nox dos elementos nos compostos a seguir. Se necessário, consulte a tabela de eletronegatividade no capítulo 6, p. 133. a) gás hidrogênio (H2), o combustível limpo; b) sulfeto de hidrogênio (H2S), o gás que tem um característico cheiro de ovo podre; c) amônia (NH3), gás usado em refrigeração; d) sulfato de sódio (Na2SO4), usado no processamento da polpa de madeira para fabricação de papel; e) ácido nítrico (HNO3), usado na produção de fertilizantes; f) ácido fórmico, usado como fixador de corantes em tecidos.

H H—O

C

O

3. Considerando o Nox de todos os átomos do sulfato de sódio, que você calculou no item d da questão anterior, qual é a soma dos Nox?

212

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Algumas generalizações sobre o cálculo do Nox

▸▸

Nox:  +1 –2

H2O

Nem sempre é indispensável analisar a fórmula estrutural de um composto para determinar o Nox médio dos átomos que o formam. Basta empregar alguns conhecimentos que você pode deduzir do que estudou até aqui: ▸▸ Em uma substância simples, metálica ou não metálica, o Nox dos átomos é sempre zero. Nox

0

0

H2

0

O2

hidrogênio oxigênio ▸▸

O3

0

ozônio

Soma: (11) ? 2 1 (22) 5 0 Nox:  +4 –2

CO2

dióxido de carbono

Soma: 14 1 2 ? (22) 5 0

Zn

ferro

zinco

▸▸

Nos compostos moleculares, o H se liga a átomos de elementos mais eletronegativos, e, nesse caso, seu Nox é 11: Nox:  +1 –1

Nox:  +1 –2

HCℓ

H2O

ácido clorídrico

DIVULGAÇÃO PNLD

água

0

Fe

água

–2

+1

Nox:  +1

Na2O

Nos peróxidos, compostos em que ocorre a ligação O — O (que serão estudados no próximo capítulo), o Nox do O é 21. Isso porque uma das ligações do O é com outro O, o que não altera o Nox total do oxigênio, já que se trata de ligação com um elemento com idêntica eletronegatividade: –1

–1

+1

H — O —O — H peróxido de hidrogênio (água oxigenada)

Nox:  +1

HNO3

–1

Na2O2

peróxido de sódio

+x –2

Na2SO4

sulfato de sódio

Soma: 2 ? (11) 1 x 1 4 ? (22) 5 0 +1 +6 –2

x 5 16 ▸▸

Na2SO4

Nos íons simples, isto é, cátions ou ânions constituídos por um só elemento, o Nox do elemento coincide com a carga do íon. Nox:  +2 –2

Nox:  +1

Na2SO4

CaS

sulfeto de cálcio

–2

óxido de sódio

óxido de cloro

+1 +5 –2

x 5 15 Nox:  +1

Com exceção do flúor, o oxigênio é o elemento mais eletronegativo. Isso explica o fato de que, em compostos que contenham esse elemento, os átomos de oxigênio completam seu octeto com dois elétrons, seja recebendo elétrons em uma ligação iônica, seja compartilhando elétrons com átomos de elemento(s) mais eletropositivo(s). Desse modo, seu Nox é quase sempre 22:

Nox:  +1

Soma: 11 1 x 1 3 ? (22) 5 0

hidreto de potássio

Cℓ — O — Cℓ

▸▸

ácido nítrico

KH

hidreto de cálcio

Nox:  +1

HNO3

Nox:  +1 –1

CaH2

▸▸

Há elementos que podem apresentar diferentes Nox, conforme as ligações que estabelecem. Para saber qual é o Nox que um átomo assume em determinada substância, deve-se levar em conta que a soma dos Nox de todos os átomos que a compõem é zero. Assim, conhecendo-se o Nox dos demais componentes da substância, determina-se o Nox desse átomo. Veja: Nox:  +1 x –2

Porém, quando o H se liga a metais, formando hidretos metálicos, seu Nox será 21. Isso porque essas substâncias são iônicas – cátion do metal e ânion hidreto – e, portanto, o Nox do hidrogênio é igual à carga do íon: Nox: +2 –1

A soma algébrica dos Nox de todos os átomos de uma substância é sempre zero:

sulfato de sódio

Exemplos de Nox em alguns íons simples (íons monoatômicos) Íons formados

Nox

Metais alcalinos (grupo 1)

Li1, Na1, K1, Rb1, Cs1

11

Metais alcalinoterrosos (grupo 2)

Be21,Mg21,Ca21,Sr21, Ba21, Ra21

12

Halogênios (grupo 17) nos haletos

F2, Cℓ2, Br 2, I2

21

Enxofre (grupo 16) nos sulfetos

S22

22

Capítulo 10  Reações de oxirredução

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213

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Nos íons compostos, isto é, cátions ou ânions formados por mais de um elemento, a carga do íon coincide com a soma dos Nox dos elementos que o constituem. Assim: Nox: x –2

SO422

Soma: x 1 4 ? (22) 5 22 (carga do SO422) x=16

íon sulfato

+6 –2

SO422

Lembre-se: a carga 22, indicada no grupo sulfato, pertence ao conjunto iônico sulfato (um átomo de enxofre e quatro de oxigênio), e não, como podem pensar alguns, apenas ao O. ▸

Em compostos orgânicos, nos quais há vários átomos de carbono interligados, é frequente chegarmos a valores de Nox médios fracionários, uma vez que o C pode apresentar diferentes valores de número de oxidação. Para determinar esse valor médio, basta levar em conta a fórmula molecular do composto e o fato de a soma dos Nox de todos os elementos em qualquer substância ser zero. Assim: Nox: x +1

–2

–2

O || +2 –2 +1 +1 –3 –2 +1 –3 +1 H3C — CH2 — C — CH2 — CH3

C5H10O

pentan-3-ona (dietilcetona)

pentan-3-ona (dietilcetona)

DIVULGAÇÃO PNLD

Soma: 5 ? (x) 1 10 ? (11) 1 (22) 5 0 8 x52 5 Nox médio do C: (23) 1 (22) 1 (12) 1 (22) 1 (23) 5 2 8 5 5

Atividade

Não escreva neste livro.

Nas reações equacionadas abaixo, o carbono aumenta seu número de oxidação. Na equação (1), está representada a oxidação do etanol (álcool presente nas bebidas alcoólicas) a etanal – substância que causa a ressaca que tantas pessoas sentem depois de beber. Na equação (2), está representada a oxidação do etanol a ácido acético, o que ocorre na obtenção do vinagre. (1)

H

H

H

1 H — C — C — O — H 1 O2 2 H H etanol

(2)

H

oxigênio

H

H

H

etanol

H

H etanal

água

O

H—C—C H

oxigênio

1 H2O

H—C—C

H

H — C — C — O — H 1 O2

O

1 H2O O—H

ácido acético

água

a) Para cada processo, indique a variação de Nox no átomo que sofreu oxidação. b) Para cada processo, identifique o elemento que reduziu seu Nox, especificando o valor inicial e final dos Nox que sofreram alteração.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Reações de oxirredução: agente oxidante e agente redutor

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Nas páginas anteriores, você viu alguns exemplos de reações de oxirredução. Para ampliar esse conceito, vamos utilizar como exemplo a reação entre uma placa de zinco metálico e uma solução aquosa de sulfato de cobre, representada nas fotos abaixo e pela equação que a segue:

0

+2

Zn(s) 1 zinco (barra)

0

+2

CuSO4(aq)

Cu(s)

sulfato de cobre (solução)

cobre (sólido em pó)

1

ZnSO4(aq) sulfato de zinco (solução)

Vamos analisar separadamente o processo de oxidação que envolve o zinco, Zn0, e o de redução que envolve o íon cobre(II), Cu21. Repare que o íon sulfato, SO422, não participa da transferência eletrônica, permanecendo inalterado ao final da reação. PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

O zinco da lâmina, Zn0(s), reage com o CuSO4(aq) fazendo a superfície da lâmina ficar escurecida pelo cobre, Cu0(s), que se deposita sobre ela (foto no centro). A foto à direita mostra duas placas: a obtida após a deposição de cobre em pó sobre a lâmina de zinco e, ao lado dela, uma placa de cobre polida, cuja cor é bastante característica. Repare que as partículas de cobre (em pó) que recobrem o zinco têm aspecto bem diferente do de uma placa polida de cobre metálico.

Zn21

Cu21

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

Zn0

Representação esquemática do processo que ocorre em nível atômico: o Zn0 se oxida (a barra do metal é corroída) a Zn21, e o Cu21 se reduz (na superfície do Zn) a Cu0.

Cu0

Nesse processo, os elétrons são transferidos do zinco metálico para os íons cobre(II): (I) Zn0(s)

oxidação

(II) Cu21(aq) 1 2 e2

Zn21(aq) 1 2 e2 (oxidação) redução

Cu0(s) (redução)

Como os elétrons cedidos pelos átomos de um metal (Zn0) são recebidos pelos íons do outro metal (Cu21), o número de elétrons perdidos na oxidação e o número de elétrons recebidos na redução têm de ser iguais: (I)

Zn0(s)

Zn21(aq) 1 2 e2 (semiequação de oxidação)

(II)

Cu21(aq) 1 2 e2

Cu0(s)

Equação iônica: Zn0(s) 1 Cu21(aq)

(semiequação de redução)

Zn21(aq) 1 Cu(s) (equação global) Capítulo 10  Reações de oxirredução

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Uma equação pode ser identificada como de oxirredução pela variação dos Nox de alguns átomos que fazem parte das substâncias envolvidas. No caso, o zinco se oxidou, ou seja, cedeu elétrons – o que corresponde ao aumento do Nox –, e o íon Cu21 se reduziu, ou seja, recebeu elétrons – o que corresponde à diminuição do Nox. Nessa reação, sem a presença de espécie que se oxide, no caso o Zn0, não haveria a redução do Cu21. Por isso, o zinco é chamado de agente redutor. Por outro lado, sem a presença de espécie que se reduza, no caso os íons Cu21, o zinco não teria como se oxidar. Por isso, o Cu21 é chamado de agente oxidante. Podemos então definir: ▸ Agente oxidante é a espécie reagente responsável pela oxidação de outra espécie. O agente oxidante reduz-se; para isso, ganha elétrons (promovendo a oxidação de outra espécie). ▸ Agente redutor é a espécie reagente responsável pela redução de outra espécie. O agente redutor oxida-se; para isso, perde elétrons (promovendo a redução de outra espécie).

Não escreva neste livro.

Atividades Leia as informações a seguir para responder às questões.

DIVULGAÇÃO PNLD

O monitoramento da qualidade da água de lagos e represas usados no abastecimento das cidades é indispensável para manter as boas condições de saúde das pessoas que a utilizam. Para fazer a avaliação da qualidade da água, os técnicos controlam a concentração de oxigênio (O2) nela dissolvido.

A concentração de oxigênio relaciona a quantidade de oxigênio, em massa ou mol, com o volume da solução aquosa em que ele se encontra.

1. A matéria orgânica despejada em lagos e represas, como restos de animais e plantas e o esgoto, com o tempo, é oxidada pelo oxigênio (O2) dissolvido na água. Lembre-se de que a matéria orgânica é formada por compostos que contêm átomos de carbono. Esses átomos podem apresentar grande variação nos seus números de oxidação. O que ocorre com o oxigênio que oxida a matéria orgânica, quanto: a) ao número de oxidação? b) à variação de elétrons? PULSAR IMAGENS/LUCIANA WHITAKER

2. Se em um rio, um lago, um açude ou uma represa forem lançados esgotos, a concentração de O2 dissolvido na água irá se alterar consideravelmente. a) A concentração de O2 vai aumentar ou diminuir? Por quê? b) O O2 tem papel de oxidante ou de redutor? c) Qual é a relação entre a água poluída por esgotos e a concentração de oxigênio nela dissolvido? Na foto, tirada em maio de 2015 em Curitiba (PR), o esgoto a céu aberto evidencia a gravidade do problema de saneamento básico no Brasil.

3. É comum que o ar, próximo a lugares poluídos por esgoto, apresente concentrações de substâncias como o metano (CH4), a amônia (NH3), o sulfeto de hidrogênio (H2S) e outros sulfetos, produtos da decomposição de matéria orgânica, que podem representar risco à saúde dos seres vivos. Considerando as substâncias citadas acima, determine o número de oxidação do C, do N e do S.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões

DIVULGAÇÃO PNLD

LATINSTOCK/SCIENCE SOURCE/GIPHOTOSTOCK O O2 do ar é um agente oxidante que participa de processos tão diversos quanto a formação da ferrugem, a combustão da gasolina, a putrefação dos alimentos, a respiração de nossas células. Ou seja: as reações de oxirredução participam direta ou indiretamente de inúmeros processos de grande importância em nossa vida. Como vimos, o termo oxidar é comumente empregado quando nos referimos a processos em que um metal reage com componentes do ar. É o caso do escurecimento de objetos de prata, por exemplo. Outro processo de oxidação frequente é o que ocorre, por ação do ar Em contato prolongado com o ar, e da água, na formação de ferrugem, hidróxido de ferro(III) hidratado, objetos de prata escurecem. em que o Nox do ferro passa de zero a 13. Impedir que essa transformação aconteça tem sido uma preocupação humana, já que inúmeros objetos se tornam inutilizáveis por causa dessa oxidação. Apesar de parcialmente substituído por compostos sintéticos, como os plásticos, em canalizações e parachoques, por exemplo, o ferro continua sendo largamente utilizado. Associado a outros metais e ao carbono, constitui plástico os diversos tipos de aço, dos quais são feitos desde talheres até peças de navios e imensas estruturas de sustentação de prédios e pontes. metal Para dificultar a formação da ferrugem, foram desenvolvidos, nas siderúrgicas, métodos de obtenção de aços especiais, que contêm cromo, níquel, molibdênio e cobre. Essas ligas, além de apresentarem maior As canalizações de ferro, com o tempo, resistência à corrosão, têm outras propriedades mais vantajosas que se deterioram devido a processos de oxirredução. Por isso, vêm sendo as do ferro, como maior resistência à tração, dureza e flexibilidade. substituídas pelas de plástico, material Existem reações de oxirredução cujos produtos são prejudiciais aos sintético bem menos reativo. seres vivos. É o caso do ozônio (O3), que, apesar de, nas camadas superiores da atmosfera, ser favorável à vida, absorvendo parte da radiação ultravioleta Oxidante emitida pelo Sol, pode ser nocivo nas camadas inferiores, representando um dos fotoquímico: problemas mais sérios de poluição de grandes centros urbanos, como a cidade de São substância formada a partir de reações Paulo (SP). O O3 e outros oxidantes fotoquímicos formam-se de outros poluentes. entre compostos Na câmara de combustão de motores de veículos automotivos, determinadas produzidos por quantidades de ar e combustível – a gasolina, por exemplo – são injetadas no cilindro, veículos e que polui o ambiente; para onde ocorre a explosão. Por causa da energia liberada na combustão, os gases N2 e que esse poluente O2, constituintes do ar, reagem, segundo as equações: secundário se forme,

N2

1

O2

NO

2 NO 1

O2

2 NO2

é fundamental a ação da luz, o que explica o uso do adjetivo fotoquímico (o radical grego foto quer dizer “luz”).

O NO2, por sua vez, reage com o O2 formando moléculas de O3:

O2

1 NO2

O3

1

ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Algumas reações de oxirredução presentes no cotidiano

NO

ozônio

As manchetes a seguir evidenciam esse problema: Paulista respirou “excesso de ozônio” por 43 dias em 2014 EXAME.com, 25 maio 2015. Disponível em:<http://exame.abril.com.br/brasil/noticias/por-ar-bom-sp-precisa-cortar-3-3-milhoesde-viagens-por-dia>. Acesso em: 5 jan. 2016.

Ozônio se tornou o principal contaminante do ar na China EXAME.com, 16 set. 2015. Disponível em: <http://exame.abril.com.br/mundo/noticias/ozonio-se-tornou-o-principal-contaminantedo-ar-na-china>. Acesso em: 5 jan. 2016.

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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• As combustões são reações de oxirredução que nos permitem obter energia para múltiplas finalidades. Por exemplo, a combustão do etanol é utilizada para movimentar automóveis a álcool, para acender a chama de uma espiriteira, para iniciar a combustão do carvão usado no churrasco; a combustão do gás butano, componente do GLP contido nos botijões de gás liquefeito de petróleo, permite que muitos brasileiros cozinhem e tenham água quente no banho. –2

0

–2

C2H6O

1

etanol

DIVULGAÇÃO PNLD

gás butano (componente do gás de botijão)

2 CO2

agente oxidante

–2,5

C4H10

+4–2

3 O2

reações de oxirredução

–2

1

3 H2O

reação exotérmica

0

1

–2

+4 –2

13 O 2 2

4 CO2

agente oxidante

Cores fantasia, sem escala.

1

5 H2O

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Há também, entretanto, reações orgânicas de grande valia para nossa vida que são exemplos de oxidação. É o caso das fermentações e combustões utilizadas, por exemplo, na produção do álcool a partir da cana-de-açúcar e de oxidações que ocorrem em nosso organismo, permitindo-nos obter energia para viver. Vamos examinar alguns casos.

A energia liberada nas combustões pode ser transformada em energia mecânica, como a que faz o carro se movimentar.

reação exotérmica

Observe que, nas reações de combustão, os combustíveis têm papel de redutor e o O2, de oxidante. • Os processos de fermentação empregados na obtenção de álcool e bebidas alcoólicas envolvem reações de oxirredução. No Brasil, esse tipo de processo de fermentação se inicia pela obtenção do melaço a partir da cana-de-açúcar. A sacarose presente no melaço, por ação de uma enzima, vai originar outros açúcares: glicose e frutose. A oxidação dessas substâncias, também propiciada por ação enzimática, é que origina o etanol (álcool comum): 0

I

C12H22O11

1 H2O

sacarose 0

glicose ou frutose

PULSAR IMAGENS/ROGÉRIO REIS

II

C6H22O6

218

1 H2O

enzima (invertase)

enzima (zimase)

0

0

C6H12O6

1

C6H12O6

glicose

frutose

–2

2 C2H6O etanol

+4

2 CO2

1

Sacarose: substância extraída da cana-de-açúcar e da beterraba, usada como adoçante. Enzima: cada uma das proteínas produzidas por seres vivos e capazes de desencadear reações químicas relacionadas com a vida, sem sofrer alterações em sua composição química.

gás carbônico

Aparelhos de fermentação em fábrica em Canela (RS). Foto de 2013. A fermentação da glicose, obtida da cana-de-açúcar, origina etanol e gás carbônico: trata-se de uma reação de oxirredução.

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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• Inúmeras reações de oxidação ocorrem em células de organismos vivos, muitas delas essenciais à manutenção da vida. Para exemplificar, podemos representar a equação correspondente à respiração celular, um processo complexo; vale destacar que essa “equação” representa uma simplificação, pois corresponde à soma de vários processos: 0

–2

C6H12O6 1 glicose (redutor)

0

6 O2

+4 –2

–2

6 CO2 1 6 H2O 1 energia

oxigênio (oxidante)

É graças a essa reação exotérmica que nosso organismo pode obter a energia necessária para realizar as funções vitais. • Há oxirreduções indesejáveis para nossa espécie, como as que provocam a putrefação dos alimentos. Tais processos podem ser minimizados de diversas formas. Uma delas, bastante comum, é o emprego de antioxidantes em alimentos industrializados, o que pode facilmente ser constatado pela análise de suas embalagens. No rótulo estão indicadas, na forma de siglas, as substâncias empregadas para retardar o processo de oxidação da matéria orgânica.

DIVULGAÇÃO PNLD

• Por fim, as pilhas e baterias, tão importantes em nosso cotidiano, são exemplos de fontes de energia elétrica obtida graças a reações de oxirredução. 1. Considere uma das etapas da produção de etanol: a hidrólise enzimática da sacarose (C12H22O11), originando dois compostos de mesma fórmula molecular, C6H12O6, a frutose e a glicose. Trata-se de uma oxirredução? Explique. 2. Respiramos uma das formas alotrópicas do elemento oxigênio, o gás oxigênio (O2). A outra forma alotrópica desse elemento é o gás ozônio, que pode ser usado como bactericida e que, ao mesmo tempo, representa um problema ambiental dos grandes centros urbanos. Considere os termos oxidar, reduzir, oxidação, redução, agente oxidante e agente redutor. Usando alguns desses termos, redija frases sobre: a) a formação do ozônio nos grandes centros urbanos; b) o papel do oxigênio em nosso metabolismo; c) o papel do ozônio quando age como poluente. 3. Neste boxe Conexões, você leu este título de notícia: “Ozônio se tornou o principal contaminante do ar na China”. Leia abaixo um fragmento dessa notícia: Sete das 10 cidades mais poluídas da China no oitavo mês do ano estão na província de Hebei, que rodeia Pequim. [...] No mês de agosto, Pequim, que é habitualmente uma das cidades mais poluídas do país, desfrutou de incomuns céus azuis e ar mais puro, graças em parte às medidas tomadas para o Mundial de Atletismo (22-30 de agosto) e o desfile militar na Praça da Paz Celestial (3 de setembro). Essas medidas incluíram restringir em 50% o número de veículos em circulação e o fechamento de fábricas poluentes [...] EXAME.com, 16 set. 2015. Disponível em: <http://exame.abril.com.br/mundo/noticias/ ozonio-se-tornou-o-principal-contaminante-do-ar-na-china>. Acesso em: 5 jan. 2016.

a) Nas suas aulas de Geografia, você já deve ter visto propostas para diminuir a poluição causada por veículos sem apelar para medidas emergenciais como a proibição de que eles circulem. Cite duas propostas de que você se lembre. b) Alguma dessas propostas está sendo colocada em prática na cidade ou região onde você mora?

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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Um tipo particular de oxirredução: substâncias simples com eletrólitos em solução Vamos ver agora reações nas quais uma substância simples reage com uma composta, que pode ser ácido, base ou sal, originando duas novas substâncias, uma simples e outra composta. Vamos analisar duas possibilidades: reação em que a substância simples é um não metal e reação em que a substância simples é um metal.

A substância simples é um não metal Observe as imagens de um experimento.

DIVULGAÇÃO PNLD

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

O elemento cloro tem maior tendência de formar o íon cloreto (Cℓ2) do que o iodo de constituir um ânion iodeto (I2). Por isso, na presença de Cℓ 2, o ânion iodeto transforma-se em I2, uma substância molecular. Resumindo:

À medida que o Cℓ2(aq), presente na água de cloro, reage com o KI(aq), surge uma coloração amarelada.

Cℓ 2(aq)

2 KI(aq)

1

cloro

2 KCℓ(aq)

iodeto de potássio

I2(aq) iodo

Antes

Depois

Cℓ 2

íon cloreto (Cℓ2)

(substância simples) íon iodeto (I2)

(KCℓ: substância composta) I2

(KI: substância composta)

(substância simples)

Cℓ I

1

cloreto de potássio

Cℓ 2(aq)

1

2 KI(aq)

2 KCℓ(aq)

Cℓ 2(aq)

1 2 K1(aq) 1 2 I2(aq)

1

I2(aq)

2 K1(aq) 1 2 Cℓ2(aq) 1

I2(aq)

redução

Cℓ 2(aq)

2 I2(aq)

1

Nox = 0

2 Cℓ2(aq) oxidação

Nox = 21

1

Nox = 21

I2(aq) Nox = 0

Nessa interação, o cloro reduz-se (recebe elétrons), enquanto o iodo se oxida (perde elétrons). Vamos representar ambos os processos separadamente, por meio de equações parciais (semiequação), utilizando a fórmula de Lewis:

Cℓ

 Cℓ

1 2 e2 2 I

Equação iônica:

Cℓ 2(aq)

1

2

redução

2 Cℓ

oxidação

2 e2 1 I

I

2 Cℓ2(aq)

1 I2(aq)

2 I2(aq)

2

(agente oxidante) (agente redutor) 220

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ

19/05/16 17:10


Simplificadamente, podemos generalizar, dizendo o seguinte: para que um não metal A de uma substância simples reaja com um não metal B do ânion de um composto, é necessário que A tenha mais tendência a ser ânion do que B, isto é, A deve ser mais eletronegativo do que B. Observe abaixo a ordem de reatividade de alguns não metais: Não metais F O

Cℓ

Br

I S C Se

Reatividade crescente das substâncias simples desses elementos

Tendência de formar ânions Não escreva neste livro.

Atividades Para resolver as questões de 1 a 5, baseie-se no texto abaixo.

Quando adicionamos solução aquosa de cloro, Cℓ2(aq) (água de cloro), ou borbulhamos gás cloro em uma solução aquosa de brometo de potássio, KBr(aq), observamos que ela passa de incolor a amarelada. Ao adicionarmos ao sistema obtido clorofórmio líquido, formam-se duas fases, sendo a aquosa a superior. Por agitação, a cor amarelada desaparece da fase aquosa ao mesmo tempo que a camada inferior se torna amarelo-alaranjada. A

B

Atenção! O clorofórmio é uma substância volátil e tóxica. Só deve ser manuseado com equipamentos de segurança adequados (luvas, máscara, óculos de proteção e avental de mangas compridas). FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

Água e clorofórmio são líquidos incolores e praticamente imiscíveis, sendo o clorofórmio o mais denso. O brometo de potássio é um sal branco muito solúvel em água.

C

Sequência de fotos que mostra a adição de duas soluções aquosas incolores (A) de brometo de hidrogênio, KBr(aq), e de cloro, Cℓ2(aq), que resulta em uma mistura de cor amarelada (B). Após a adição de clorofórmio a esse sistema e agitação, observa-se que a fase inferior formada muda de coloração para um amarelo-alaranjado (C).

1. Equacione a reação global de cloro com brometo de potássio em solução aquosa. 2. Suponha que, em vez de brometo de potássio (KBr), usássemos brometo de sódio (NaBr). Haveria diferença visual? Por quê? 3. Equacione na forma iônica a reação correspondente às questões 1 e 2, indicando a espécie que se oxidou e a que se reduziu. 4. Que substância é responsável pela cor amarelada da fase aquosa? 5. Procure explicar o papel do clorofórmio. Trata-se de reação química?

Capítulo 10  Reações de oxirredução

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221

04/05/16 17:40


A substância simples é um metal Para analisar esse tipo de reação de oxirredução, comece a refletir com base em suas próprias observações experimentais.

Química: prática e reflexão Conhecer a reatividade dos metais, ou seja, a tendência de eles se alterarem por meio de uma reação química de oxidação, é importante no exercício de diversas profissões, como as ligadas à engenharia civil, naval ou aeronaútica. Esse conhecimento também pode ser útil no dia a dia, já que metais e ligas metálicas estão presentes no cotidiano, em portões e janelas, panelas, talheres, moedas, chaves. Saber qual é a reatividade dos metais pode ajudar na tomada de algumas decisões. Por exemplo, uma pessoa que precisa comprar canos compara dois canos aparentemente idênticos, sendo, porém, um de ferro e o outro de cobre: em qual deles haverá tendência maior de ocorrer oxidação?

Cuidado! Nunca coloque os materiais do laboratório na boca ou em contato com outra parte do corpo; não os aspire. Material tóxico: não jogue os resíduos na pia ou na lixeira.

Material necessário

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

• 2 estantes com 6 tubos de ensaio de 15 mm 3 150 mm em cada uma • Caneta marcadora de vidro • 4 pedaços de fio de cobre (podem ser retirados de fios elétricos)

DIVULGAÇÃO PNLD

• 4 pregos de ferro • 4 pedaços de alumínio (ou de papel-alumínio) • 4 pedaços de magnésio (podem ser encontrados em lojas de material de solda ou em oficinas de conserto de rodas) • 16 pedaços de barbante • 5 béqueres ou copos de vidro contendo soluções aquosas de: sulfato de cobre(II), CuSO4 (pode ser adquirido em lojas de produtos para aquário);

Alguns dos materiais utilizados no experimento.

sulfato de alumínio, Aℓ 2(SO4)3 (pode ser adquirido em lojas de produtos para decantação de água de piscina); cloreto de magnésio, MgCℓ 2 (pode ser adquirido em farmácias e casas de suplementos alimentares); sulfato de ferro(II), FeSO4 (pode ser adquirido em farmácias); ácido clorídrico, HCℓ (pode ser adquirido em lojas de produtos para aquário). Procedimento

2. Amarrem a ponta de cada um dos sólidos (cobre, magnésio, alumínio e ferro) com um pedaço de barbante, de modo que o sólido fique no fundo do tubo de ensaio e seja possível retirá-lo com facilidade (veja a figura ao lado). 3. Copiem no caderno a tabela abaixo.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

1. Enumerem os tubos de ensaio de 1 a 12.

Soluções aquosas Fe Prego de ferro Fio de cobre Pedaço de magnésio Alumínio ou papel-alumínio

Cu21

Mg 21

Aℓ 31

//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

//////////////

//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

//////////////

//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

//////////////

//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

//////////////

21

4. Coloquem 2 mL – cerca de 40 gotas – de solução aquosa de sulfato de cobre(II) no tubo de ensaio 1. Em seguida, introduzam nesse tubo o prego de ferro. 222

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ NOVA

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5. Observem o que ocorre e anotem o resultado na tabela. 6. Repitam os procedimentos anteriores para todos os metais e soluções da tabela. Descarte dos resíduos: Os metais que não reagiram podem ser lavados e armazenados para outras atividades experimentais; os que reagiram podem ser lavados e lixados com palha de aço ou lixa comum e também guardados; os resíduos líquidos podem ser guardados em frascos com identificação ou diluídos para descarte na pia. Analisem suas observações

1. Qual dos metais analisados é o mais reativo? E qual é o menos reativo? Como vocês chegaram a essa conclusão? 2. Voltem ao início desta atividade experimental e, com base nos resultados obtidos no experimento, respondam à questão proposta (sobre a tendência à oxidação dos dois canos, um de cobre e outro de ferro). A hipótese que vocês haviam levantado estava certa?

Agora que você comparou a reatividade do ferro com a do cobre, vamos analisar outro exemplo. Se mergulharmos uma lâmina de zinco metálico, Zn0(s), em uma solução aquosa de nitrato de prata, AgNO3(aq), observaremos que o Zn0 vai sendo corroído e aparece um pó escuro no fundo do recipiente. O que ocorre? O Zn0 se oxida por ter maior tendência de perder elétrons que o Ag0. Nessa interação o zinco metálico, Zn0(s), oxida-se a Zn21(aq), enquanto o Ag1(aq) se reduz a prata metálica, Ag0(s).

Zn0(s) 1

2 AgNO3(aq)

Zn(NO3)2(aq) AgNO3(aq) Ag em pó estado inicial

Zn(NO3)2(aq)

Zn0(s) 1 2 Ag1(aq) 1 2 NO32(aq) Zn0(s)

Zn0

1 2 Ag0(s)

Zn21(aq) 1 2 NO32(aq) 1 2 Ag0(s) oxidação

2 Ag1(aq) 1 2 e2 redução Zn0(s) 1 2 Ag1(aq)

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

3. De acordo com o Ministério da Saúde, a água distribuída à população para consumo deve ser mantida na faixa de pH de 6,0 a 9,5. Considerando uma água levemente ácida, ou seja, com pH > 6,0 e pH , 7,0, o que seria esperado se ela percorresse encanamentos de ferro?

Zn21(aq) 1 2 e2 2 Ag0(s) Zn21(aq) 1 2 Ag0(s)

estado final

A placa de zinco metálico é corroída em contato com a solução de nitrato de prata, ou seja, o Zn0 é oxidado a Zn21, enquanto os íons Ag+ da solução se reduzem a Ag0, depositando-se próximo à placa. Cores fantasia, sem escala.

O zinco metálico, Zn0, se oxida por ter tendência de perder elétrons maior que a da prata, Ag0(s). Simplificadamente, podemos dizer que: para que um metal X se oxide em contato com uma solução que contém íons de outro metal Y (Yy1), é necessário que o elemento X tenha mais tendência a constituir um cátion do que o elemento Y. Ou seja, o elemento X da substância simples deve ser mais eletropositivo ou ter maior tendência a perder elétrons que o elemento Y do cátion do composto. A fila de reatividade dos metais é resultado de trabalho experimental e poderá ajudá-lo a equacionar reações de oxirredução de metal com uma solução eletrolítica. Metais Cs Rb K Na Li Ba Sr Ca Mg Aℓ Mn Zn Fe Co Ni Sn Pb H Bi Cu Hg Ag Pt Au Reatividade crescente das substâncias

Tendência de formar cátions

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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MATRIZ NOVA

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Observações: ▸

▸ ▸

Apesar de não ser metal, o hidrogênio é colocado na fila de reatividade dos metais, o que possibilita prever se um metal se oxida na presença de um ácido (que contém H1) liberando gás hidrogênio – H2(g). Os metais que estão depois do H nessa fila são chamados de metais nobres. Por sua baixa reatividade, muitos deles (como ouro, platina, prata e cobre) são usados em objetos de adorno. Os metais mais reativos são os alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs) e os alcalinoterrosos (Ca, Sr, Ba, Ra). Quase todos reagem com água, produzindo hidróxido do metal e gás hidrogênio. Por exemplo: oxidação 0

+1

Na(s) 1 HOH(aq)

1 2

A reação do sódio com a água é bastante perigosa e só pode ser realizada por quem tem clareza dos riscos, e em condições especiais de segurança. Não tente reproduzi-la!

NaOH(aq) 1 H2(g)

+1

0

redução

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

As fotos abaixo mostram o que ocorre quando se coloca sódio metálico em contato com água.

A reação de sódio com água é violenta, liberando grande quantidade de energia. Por isso, é comum que o fragmento desse metal se movimente rapidamente na superfície da água e se observe o surgimento de uma chama (foto da direita); o calor liberado provoca a queima do gás hidrogênio produzido na reação. ▸

O aspecto do ferro metálico (Fe0) é bem diferente do dos compostos de ferro(III), Fe31. Observe na foto ao lado, embaixo, o ferro metálico pulverizado, à esquerda, e um sal de ferro(III), à direita. O mesmo vale para as espécies mostradas na parte superior da foto: cobre metálico (Cu0) na forma de fios usados em eletricidade e íons Cu21, constituindo CuSO4 ? 5 H2O, um sólido azul. Não se esqueça de que, ao representar a equação dessas reações de oxirredução (de um metal com um eletrólito em solução), assim como a de qualquer outro tipo de reação, é indispensável respeitar a fórmula das substâncias envolvidas. Somente depois é que se pode realizar o balanceamento da equação. Assim, por exemplo: Reagentes: alumínio e ácido sulfúrico Aℓ(s)

H2SO4(aq)

CuSO4 ? 5H2O

Fe0

FeCℓ 3 ? 6H2O

Produtos: sulfato de alumínio e hidrogênio Aℓ 2(SO4)3(aq)

Equação não balanceada:

Equação balanceada:

Aℓ(s) 1 H2SO4(aq)

2 Aℓ(s) 1 3 H2SO4(aq)

Aℓ 2(SO4)3(aq) 1 H2(g)

Cu0

H2(g)

Aℓ 2(SO4)3(aq) 1 3 H2(g)

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Considere as espécies Pb0, Pb21, Ca0, Ca21, H2, H1 e responda: a) Diante de uma espécie oxidante, qual das espécies acima tem maior tendência de se oxidar? b) Qual delas é a melhor oxidante? 2. Formule a equação iônica correspondente ao processo em que o alumínio metálico reage com o níquel de uma solução de sal de níquel(II). 224

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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DIVULGAÇÃO PNLD

Balanceamento de uma reação de oxirredução As reações de oxirredução mais simples, como as que acabamos de analisar, podem ser balanceadas pelo método das tentativas. Para as mais complexas, podemos usar um método que envolve a análise do número de elétrons trocados entre o agente oxidante e o agente redutor: o método de oxirredução. A base desse processo de balanceamento consiste em determinar a proporção entre o número de unidades (átomos, íons, moléculas) que se oxidam e o número de unidades que se reduzem, igualando o número de elétrons cedidos pelas espécies que se oxidam com o número de elétrons recebidos pelas espécies que se reduzem. Ao balancear uma equação, procure sempre responder às perguntas a seguir, relativas à reação que essa equação representa: I. Átomos de que elemento perdem elétrons? II. Quantos elétrons são perdidos por átomo desse elemento? III. Átomos de que elemento ganham elétrons? IV. Quantos elétrons são ganhos por átomo desse elemento? V. Qual é o elemento que se oxida com a reação? VI. Qual é o elemento que se reduz com a reação? VII. Qual é a variação de Nox do elemento que se oxida, por molécula (ou íon)? VIII. Qual é a variação de Nox do elemento que se reduz, por molécula (ou íon)? As respostas às questões II, IV, VII e VIII permitem igualar as variações de Nox relativas ao redutor e ao oxidante, o que significa igualar o número de elétrons transferidos de uma espécie a outra. Vamos ver um exemplo de equação de oxirredução a ser balanceada:

Kl(aq) 1 KMnO4(aq) 1 H2O(ℓ)

I2(aq) 1 MnO2(aq) 1 KOH(aq)

oxidação +1 +7 –2

+1 –1

+1 –2

0

KI(aq) 1 KMnO4(aq) 1 H2O(ℓ)

+4 –2

+1 –2 +1

I2(aq) 1 MnO2(aq) 1 KOH(aq)

redução ▸▸

Verificam-se as variações de número de oxidação (DNox). Variação de Nox do Mn por conjunto KMnO4: DNoxMn

(KMnO 4)

5 (17) 2 (14)

DNoxMn

(KMnO 4)

53

Ou seja, nesse processo, cada átomo de Mn do conjunto KMnO4 ganha 3 elétrons. Variação de Nox do I por conjunto KI: DNoxI 5 0 2 (21) DNoxI 5 1 (KI)

(KI)

Ou seja, nesse processo, cada átomo de I da molécula do I2 perde 1 elétron. Observe que DNox é sempre positivo, pois é obtido pela diferença entre o Nox maior e o Nox menor do elemento envolvido na transferência de elétrons. ▸▸

Para que o número de elétrons cedidos por uma espécie seja igual ao número de elétrons que a outra espécie ganha, igualam-se as variações de Nox (dos processos de oxidação e redução). Para que as variações de Nox se igualem, temos que manter a proporção de: 3 KI para 1 KMnO4, pois 1 ? 3 5 3 ? 1 Capítulo 10  Reações de oxirredução

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MATRIZ NOVA

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A partir da determinação dos coeficientes de KI e de KMnO4, os dos demais participantes da reação são balanceados pelo método das tentativas, conforme a indicação abaixo:

3 KI(aq) 1 1 KMnO4(aq) 1 H2O(ℓ)

I2(aq) 1 MnO2(aq) 1 KOH(aq) 1 Mn

1 Mn 4O 1K

3I 3K

3 I (aq) 1 1 MnO2(aq) 1 4 KOH(aq) 2 2

3 Kl(aq) 1 1 KMnO4(aq) 1 2 H2O(ℓ) 1K

3K

4H

4K 3

Se quisermos utilizar coeficientes inteiros, podemos multiplicar todos os coeficientes por 2:

6 KI(aq) 1 2 KMnO4(aq) 1 4 H2O(ℓ)

3 I2(aq) 1 2 MnO2(aq) 1 8 KOH(aq)

Analise este outro exemplo de balanceamento mais complexo:

K2Cr2O7(aq) 1 H2SO4(aq) 1 FeSO4(aq) Fe2(SO4)3(aq) 1 Cr2(SO4)3(aq) 1 K 2SO4(aq) 1 H2O(ℓ)

DIVULGAÇÃO PNLD

▸▸

Determinam-se todos os Nox, verificando que elementos sofrem mudança:

Atenção! Em etapas intermediárias do balanceamento, é útil que você escreva todos os coeficientes de acerto já estabelecidos, inclusive os que são iguais a 1. Isso porque o coeficiente igual a 1 geralmente é omitido no balanceamento de uma equação, e há o risco de você alterar o valor 1 (em branco) do coeficiente já determinado, como se ele ainda não estivesse balanceado.

redução +1 +6 –2

+1 +6 –2

+2 +6 –2

K2Cr2O7 1 H2SO4 1 FeSO4

oxidação

▸▸

+3 +6 –2

+3 +6 –2

+1 +6 –2

+1 –2

Fe2(SO4)3 1 Cr2(SO4)3 1 K 2SO4 1 1 H2O

Como pode acontecer de o índice de um elemento no reagente ser diferente do que ele tem no produto (por exemplo, o ferro no reagente tem índice 2 e, no produto, 3), para evitar obter coeficientes de acerto fracionários logo no início do balanceamento, podem-se calcular as variações de Nox total (DNox) por espécie. Variação de Nox do Cr por conjunto K 2Cr2O7: DNoxCr 5 16 2 (13) 5 3. Como há 2 Cr por conjunto, temos: DNoxCr

(K 2Cr 2O 7)

53?256

Variação de Nox do Fe por conjunto FeSO4: DNoxFe DNoxFe ▸▸

(FeSO 4)

5 13 2 (12) 5 1. Nesse caso, o índice do Fe é 1. Portanto:

51?151

(FeSO 4)

Igualam-se as variações de Nox: DNoxoxidação 5 DNoxredução Ou, de modo prático: DNoxCr

(K 2Cr2O7)

DNoxFe

(FeSO 4)

5 6 K 2 Cr2 O7

1?656

DNoxCr

5 1 FeSO4

6?156

DNoxFe

1 K2Cr2O7 1 H2SO4 1 6 FeSO4 226

(K 2Cr 2O 7)

(FeSO 4)

5 6

1 K2Cr2O

5 1

6 FeSO4

Fe2(SO4)3 1 Cr2(SO4)3 1 K 2SO4 1 H2O

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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▸▸

Completa-se o balanceamento por tentativa. No caso, já estão determinados os elementos K, Cr e Fe:

1 K2Cr2O7 1 7 H2SO4 1 6 FeSO4

3 Fe2(SO4)3 1 1 Cr2(SO4)3 1 1 K2SO4 1 H2O

2 Cr

2 Cr 6 Fe

6 Fe 2K 9 SO 42–

6 SO 42–

3 SO 42–

1 SO 42–

13 SO 42–

K2Cr2O7(aq) 1 7 H2SO4(aq) 1 6 FeSO4(aq) 3 Fe2(SO4)3(aq) 1 Cr2(SO4)3(aq) 1 K 2SO4(aq) 1 7 H2O(ℓ)

Atividades

Não escreva neste livro.

Consulte a Tabela Periódica sempre que necessário.

DIVULGAÇÃO PNLD

1. Considere a reação representada pela equação abaixo: 5 Fe21(aq) 1 MnO24 (aq) 1 8 H1(aq)

5 Fe31(aq) 1 Mn21(aq) 1 4 H2O(ℓ)

a) Qual é o íon oxidante e qual é o redutor? b) O que acontece com a espécie oxidante do ponto de vista dos elétrons? c) Para cada íon que se oxida, quantos elétrons são cedidos/recebidos? E para cada íon reduzido? 2. Balanceie as equações a seguir usando o que aprendeu neste capítulo. a) FeCℓ 3 1 SnCℓ 2

SnCℓ 4 1 FeCℓ 2

b) HBr 1 H2SO4

SO2 1 Br2 1 H2O

c) H2S 1 HNO3 d) As 1 HNO3

H2SO4 1 NO2 1 H2O HAsO3 1 NO 1 H2O

e) Na2S2O3 1 I2

NaI 1 Na2S4O6

3. Balanceie as equações a seguir. Leve em conta que os coeficientes de acerto do H2O2 e do O2 são iguais, visto que só o oxigênio do H2O2 se oxida a O2. a) KMnO4 1 H2SO4 1 H2O2

K2SO4 1 MnSO4 1 H2O 1 O2

b) K2Cr2O7 1 H2SO4 1 H2O2

K2SO4 1 Cr2(SO4)3 1 H2O 1 O2

c) KI 1 H2SO4 1 H2O2

K2SO4 1 H2O 1 I2

4. Com relação aos itens da questão anterior, responda: a) Que substância presente nas três reações age ora como oxidante, ora como redutora? Qual o papel dela em cada reação? b) Que mudanças ocorrem com o Nox do elemento quando a substância age como oxidante? c) Que mudanças ocorrem com o Nox do elemento quando a substância age como redutora? 5. Analise as substâncias KMnO4 e K2Cr2O7 nas equações das reações dos exercícios 1 e 2. Elas são agentes oxidantes ou redutores?

Capítulo 10  Reações de oxirredução

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227

09/05/16 09:46


Conexões

O dicromato de potássio (K2Cr2O7) é um sal de coloração laranja em meio ácido. Ao ser atingido pelo ar exalado na respiração de quem ingeriu bebida alcoólica, ele origina uma substância verde devido aos íons Cr31(aq). A intensidade da variação de cor pode ser usada para determinar a concentração de álcool no sangue. Daí o uso desse sal nos bafômetros.

FOTOARENA/FERNANDO VIVALDINI

DIVULGAÇÃO PNLD

FOTOARENA/FERNANDO VIVALDINI

A principal causa de acidentes de trânsito no Brasil é a falha humana, cometida por motoristas. Mas por que os motoristas cometem erros, muitas vezes com consequências trágicas? Grande parte das vezes, isso acontece por estarem dirigindo sob influência de álcool, o que altera seus reflexos. Para verificar se alguém ingeriu etanol (C 2H6O) – presente em bebidas alcoólicas –, podemos recorrer a um bafômetro. Os primeiros bafômetros tinham seu funcionamento baseado em uma reação de oxirredução: a mudança de cor do dicromato de potássio (K 2Cr2O7). A partir de meados de 2008, por ocasião da entrada em vigor da chamada Lei Seca, ampliou-se o uso de bafômetros pelos policiais de trânsito. A consequência mais imediata dessa fiscalização foi a redução do número de vítimas de acidentes automotivos.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY

Os bafômetros e as reações de oxirredução

Bafômetro descartável (à esquerda) e indicação do significado das cores que podem surgir após o teste do teor alcoólico no ar exalado pelo motorista (acima). Não considerar as pontas azul e amarela; é na parte central da figura que está o resultado do teste.

1. Qual é o Nox do cromo no dicromato de potássio? 2. Ao mudar de laranja para verde, o cromo se transforma do ponto de vista eletrônico e de Nox? Explique. 3. Suponha que os reagentes usados no bafômetro sejam K2Cr2O7 e H2SO4, além do etanol. Considere que na reação, além dos sulfatos de potássio e de cromo(III), formam-se água e ácido acético (H3C — COOH). Equacione a reação e balanceie a equação. 4. Nesse processo de oxirredução, o etanol é um agente oxidante ou redutor?

Equações de oxirredução na forma iônica O método que acabamos de estudar pode ser usado também para balancear equações na forma iônica. Vamos a um exemplo:

MnO24 (aq) 1 H1(aq) 1 H2O2(aq)

Mn21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 O2(g)

Repare que os índices do Mn na substância reagente e no produto são iguais. O mesmo vale para o O, considerando o H2O2 (reagente) e o O2 (produto). Por isso, podemos raciocinar assim: DNoxMn 5 5 ? 1 5 5 DNoxO 5 1 ? 2 5 2

coeficiente do MnO24 e Mn21 coeficiente do H2O e O2 índice do O no H2O2

2 MnO24 (aq) 1 H1(aq) 1 5 H2O2(aq) 228

2 Mn21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 5 O2(g)

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ NOVA

5/2/16 16:36


Repare que, além do balanceamento de átomos de cada elemento químico, as cargas elétricas têm de estar acertadas. Isso permite que seja atribuído coeficiente ao H1:

2 MnO24 (aq) 1 6 H1(aq) 1 5 H2O2(aq) carga: 22

carga: 16

carga: 0

Total: 22 1 6 1 0 5 14

2 Mn21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 5 O2(g) carga: 14

carga: 0

carga: 0

Total: 4 1 0 1 0 5 14

Acertam-se, na sequência, o número de átomos de hidrogênio na água e, por último, o número de átomos de oxigênio no O2:

2 MnO24 (aq) 1 6 H1(aq) 1 5 H2O2(aq)

2 Mn21(aq) 1 8 H2O(ℓ) 1 5 O2(g)

8O

Atenção!

DIVULGAÇÃO PNLD

Em uma reação: • o número de átomos de cada elemento se conserva; • a massa se conserva (lei de Lavoisier); • o número de elétrons cedidos pela espécie oxidada é igual ao de elétrons recebidos pela espécie reduzida; • a carga elétrica se conserva, pois os elétrons que são cedidos por uma espécie são recebidos por outra, de modo que, com a reação, o total de elétrons se mantém.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Colheres de prata ficam escurecidas quando expostas ao ar por algum tempo. Isso acontece porque na superfície da prata se formam compostos como Ag2S e Ag2O. Uma das formas de devolver o brilho ao metal é recobri-lo com papel alumínio e mergulhá-lo em uma solução contendo íons. O alumínio reduz os íons Ag1, devolvendo à colher o brilho do metal. Com base nessas informações, responda: a) Qual metal é mais eletropositivo: a prata ou o alumínio? b) Entre as espécies Ag, Ag1, Aℓ, Aℓ31, qual tem maior tendência a reduzir-se? c) Equacione a reação entre Ag1 e Aℓ, na forma iônica. Não se esqueça de equilibrar as cargas elétricas. d) Qual é o agente redutor na reação equacionada no item c? 2. Para entender a importância do tratamento dos resíduos industriais e gerados por outros processos de produção, leia os dois textos a seguir. Texto 1 – O selênio, em pequeníssimas concentrações, é nutriente para a maioria dos animais, e sua total ausência no organismo é responsável por doenças. Acima dessas concentrações baixíssimas, ele é tóxico para 2— animais e seres humanos. Formas solúveis de selênio, como as que contêm íons selenato, SeO4 (aq), podem atingir valores elevados em águas de regiões de mineração ou próximas a usinas termelétricas a carvão, por exemplo. Uma das formas de removê-lo da água é por meio de sua redução a selênio elementar (Se), usando-se para isso um bissulfito (HSO—3 ) em meio ácido, H1(aq), que se transforma em ditionato (S2O622). a) Indique os números de oxidação dos elementos envolvidos nessa oxirredução. b) Nesse processo, o íon bissulfito funciona como agente oxidante ou redutor? c) Equacione esse processo, sabendo que, além do Se, formam-se nesse processo ditionato, S2O622, e água. d) De que forma o selênio elementar pode ser removido da mistura? Texto 2 – O processo de transformar a pele de animais no couro que é usado em sapatos, bolsas, móveis, etc. pode gerar resíduos tóxicos que são descartados com a água empregada ao longo das operações realizadas nos curtumes. Essa água com resíduos químicos, ao ser lançada no solo ou despejada em rios e mananciais, causa danos ao ambiente e à saúde humana.

Curtume: estabelecimento onde se curte (prepara) o couro.

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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Um dos produtos presentes em concentração elevada na água proveniente dos curtumes é o cromo. Substâncias que contêm cromo são tóxicas, mas podem chegar a ser altamente tóxicas, caso esse elemento apresente número de oxidação 16.

E por que os íons cromato (CrO2— ) são nocivos à saúde? Porque a disposição espacial dos átomos que cons4 tituem esses íons é semelhante à dos átomos dos íons sulfato (SO2— 4 ), que podem atravessar as membranas celulares livremente, sem causar nenhum problema ao organismo. Em razão dessa semelhança, os íons cromato penetram nas células e afetam seu DNA, ocasionando alterações genéticas. No processo de tratamento de resíduos industriais com cromo de Nox 16, há basicamente duas etapas químicas: 1 a ) redução dos íons de cromo com Nox 16 a Cr31; 2a) precipitação do Cr(OH)3, feita por reação com bases.

Suponha que a redução do CrO2— ou CrO2— tenha sido feita por meio de íons bissulfito HSO—2 , em meio áci4 7 do (H1). Nessas reações, além da formação de íons Cr31, obtêm-se íons sulfato (SO24 — ) e água. e) O íon bissulfito funciona como agente oxidante ou redutor nesses processos? f) Compare o papel do bissulfito nos dois processos (na remoção da água do selênio solúvel – texto 1 – e do cromo de Nox 16). g) Equacione a reação, supondo que os íons presentes nos efluentes sejam os íons Cr2O27 — .

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h) Equacione a reação, supondo que os íons presentes nos efluentes sejam os íons CrO24 —. i) Equacione, na forma iônica, a reação indicada acima, usada para remover os íons Cr31(aq) da solução por precipitação com íons OH2(aq). 3. A hidrazina (N2H4) é uma substância usada como propelente, eficiente para posicionar em órbita satélites e sondas espaciais. Não se trata de combustível; sua capacidade de impulsionar foguetes não é consequência de processo de combustão – como é comum nesse tipo de mecanismo –, mas de um conjunto de reações que se inicia com a decomposição da hidrazina. Além de essas reações liberarem muito calor – são bastante exotérmicas –, produzem um volume de gases quentes que é relativamente grande, se comparado ao pequeno volume de hidrazina líquida usado. A decomposição de N2H4 é acelerada por ação de um catalisador e, em frações de segundo, a mistura chega a atingir 800 °C. As equações químicas que representam esse conjunto de reações são: 3 N2H4(ℓ) 4 NH3(g) 1 N2(g)  N2H4(ℓ) N2(g) 1 2 H2(g)  4 NH3(g) 1 N2H4(ℓ) 3 N2(g) 1 8 H2(g) Se somarmos essas equações, poderemos considerar que: 5 N2H4(ℓ) 5 N2(g) 1 10 H2(g) No Brasil, os motores de foguete para satélites usando propelente líquido utilizam, além da hidrazina, o tetróxido de dinitrogênio, N2O4. a) Como você pode notar, o nitrogênio aparece na constituição de diversas substâncias que participam de processos de lançamento de foguetes que empregam propelentes líquidos. Relacione as fórmulas dessas substâncias, indicando o Nox do N. b) Quais das reações cujas equações são fornecidas servem de exemplo de reação de oxirredução? c) Baseado em informações do texto e em seus conhecimentos, explique a afirmação de que a capacidade de impulsionar um foguete não é consequência de processo de combustão, como é comum nesse tipo de mecanismo. 4. Leia a seguir alguns fragmentos de A Tabela Periódica, do escritor e químico italiano Primo Levi (1919-1987). Note que a narrativa revela os conhecimentos do autor sobre metais e seu comportamento diante de ácidos e da água. [...] Encontrei no porão um garrafão de benzeno técnico com 95 por cento de pureza: melhor do que nada, mas os manuais recomendavam retificá-lo e em seguida submetê-lo a uma última destilação em presença do sódio, para livrá-lo dos últimos vestígios de umidade. [...]

230

Retificar: corrigir o que está incorreto ou inadequado; em Química, o termo tem o sentido de “purificar, destilar para retirar impurezas de uma substância líquida”.

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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“Nada pior que nascer pobre”, estava eu a remoer, enquanto mantinha na chama de um bico de gás um lingote de estanho dos Estreitos. Pouco a pouco o estanho fundia, e as gotas caíam, chiando, na água de uma vasilha: no fundo desta se formava um enredo metálico fascinante, de formas sempre novas. [...] Era preciso granular o estanho a fim de que ficasse mais fácil tratá-lo depois com ácido clorídrico. [...] Voar agora: querias ser livre, és livre; querias ser químico, és químico. Vamos, remexe entre venenos, batons e esterco de galinha; faz granular o estanho, verte-lhe ácido clorídrico, concentra, transvasa e cristaliza, se não queres morrer de forme, uma fome que conheces. Compra estanho e vende cloreto de estanho. [...]. [...] [...] Não é que o ácido clorídrico seja propriamente tóxico: é um daqueles inimigos declarados que te atacam gritando desde longe e dos quais, portanto, é fácil defender-se. Tem um cheiro tão penetrante que quem pode não demora a pôr-se ao abrigo; e não podes confundi-lo com nenhum outro, porque, depois de tê-lo respirado uma vez, escapam-te do nariz dois curtos penachos de fumaça branca [...] e experimentas em teus dentes um sabor acre, como quando chupas um limão. A despeito de nossa capela tão zelosa, as emanações do ácido invadiram todos os aposentos: os papéis de parede mudavam de cor, as maçanetas e puxadores de metal tornavam-se opacos e ásperos ao tato, e de vez em quando nos sobressaltava um baque sinistro: um prego havia acabado de corroer-se, e um quadro, num canto qualquer da casa, tinha vindo ao chão. Emílio punha um prego novo e voltava a colocar o quadro em seu lugar. [...] LEVI, Primo. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 1994. p. 62, 183 e 185.

a) Que mudanças ocorrem com o estanho ao ser aquecido na chama de um bico de gás e, depois, ao cair na água? b) Segundo o texto, a personagem comprava uma substância e vendia outra. Quais eram elas? São substâncias simples ou compostas? c) Qual é a reação química citada no texto? Equacione-a. d) Que significado você atribui aos termos concentra e cristaliza, no segundo parágrafo desta página? e) Qual é a função de concentrar e cristalizar, no contexto da narrativa? f) O texto aponta algumas propriedades do gás que emana de uma solução de ácido clorídrico concentrado. Qual é o gás? Resuma as propriedades mencionadas. g) Explique quimicamente a razão de alguns objetos se tornarem opacos e ásperos e de quadros caírem no laboratório onde o autor trabalhava. h) Qual é a razão de o ácido clorídrico ser comparado a um inimigo declarado? i) Nesse texto, fala-se de um líquido a ser purificado. Qual é?

LEVI, Primo. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 2001. Nesse livro, o autor narra sua infância, o surgimento de seu interesse pela Química, seus amores, a prisão em Auschwitz, durante a Segunda Guerra Mundial, e o regresso aos laboratórios do campo de concentração após a guerra.

j) Para purificar esse líquido, de acordo com o texto, devem-se usar um processo físico e outro químico. Quais são eles? k) Explique por que o sódio é um secante eficiente e equacione a reação da qual ele participa, no processo de secagem de um líquido com o qual não reage. l) Para a retirada de umidade, poderia ser utilizado ferro, em vez de sódio? Por quê?

Secante: que retira água do meio onde se encontra.

m) Primo Levi, o autor de A Tabela Periódica, teve a vida marcada não só pela Química, como também pelo período em que foi prisioneiro em um campo de concentração, durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945). Faça uma pesquisa e produza um perfil biográfico curto desse escritor, apresentando os principais fatos de sua vida, em ordem cronológica, e suas principais obras. Capítulo 10 Reações de oxirredução

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11 capítulo

DIVULGAÇÃO PNLD

LATINSTOCK/CORBIS/SCIENTIFICA

pirolusita

FABIO COLOMBINI/ ACERVO DO FOTÓGRAFO

bauxita

©SHUTTERSTOCK/ALEKS-P

hematita

Óxidos

Exemplos de minérios que contêm óxidos metálicos encontrados no Brasil.

Para situá-lo

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • o conceito de óxidos; • o caráter ácido, alcalino ou neutro de óxidos importantes em nosso cotidiano; • os óxidos relevantes em processos industriais e na poluição do ar; • alguns óxidos relevantes no cotidiano. 232

Seria impossível imaginar nossa vida e nosso cotidiano sem a participação de óxidos. Mesmo antes de ter iniciado de modo mais detalhado o estudo desse tipo de substância, você provavelmente já teve contato com informações a respeito. Dióxido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de enxofre, óxido de cálcio (presente na cal), óxido de ferro(III) (presente na hematita) são alguns exemplos de substâncias sobre as quais você talvez tenha alguma referência. Quase todos os metais e ligas metálicas são obtidos a partir de minérios. Após diversos processos que envolvem a separação dos materiais constituintes e transformações químicas, são obtidos os metais correspondentes. Muitos minérios contêm quantidades significativas de óxidos metálicos. É o caso, por exemplo, da bauxita – minério rico em óxido de alumínio (Aℓ 2O3) –, da pirolusita – minério rico em óxido de manganês(IV) (MnO2) – e da hematita – minério rico em óxido de ferro(III) (Fe2O3). O minério de ferro é a principal riqueza mineral brasileira. A importância do ferro e dos vários tipos de aço – ligas em que o ferro é o elemento predominante – explica sua relevância e inclusão entre os recursos econômicos gerados em nossa balança comercial pela exportação do minério de ferro. Talvez você se pergunte: não seria melhor exportarmos aço, e não a matéria-prima essencial para obtê-lo? A verdade é que o Brasil vende a outros países o minério e importa uma parte do aço que é utilizado aqui, uma vez que a produção nacional não atende totalmente a demanda do país. Se as matérias-primas fossem processadas aqui, o Brasil poderia agregar maior valor aos produtos, tornando-os comercialmente mais lucrativos.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

1. Detalhe o que sabe dos óxidos mencionados no texto, incluindo a informação sobre o caráter iônico ou molecular desses compostos; procure escrever as fórmulas de alguns deles. Se necessário, consulte a classificação periódica.

FOTOARENA/TIPS/ZUMA PRESS

DIVULGAÇÃO PNLD

Local de extração de minério de ferro em Itabira (MG). Foto de 2014.

2. Na tabela a seguir, você pode observar os valores, em dólares estadunidenses (US$), e a massa, em milhares de toneladas, de minério de ferro exportado (não necessariamente apenas de hematita), de 2011 a 2013. Que aspectos chamam sua atenção? Exportação brasileira de minério de ferro (2011-2013) 106 toneladas

106 US$

2011

274,8

31,8

2012

275,4

23,8

2013

282,2

26

DNPM: DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Sumário Mineral 2014. Brasília, 2014. Disponível em: <http://www.dnpm.gov.br/ dnpm/sumarios/ferro-sumario-mineral-2014>. Acesso em: 27 jan. 2016.

Produção de aço em siderúrgica no Brasil. Foto de 2013.

3. Com base no que estudou no capítulo anterior, você pode deduzir que o processo de obtenção do ferro, a partir do óxido de ferro(III), envolve reações de oxirredução. Nas siderúrgicas, o ferro iônico do óxido se transforma em metálico. O que tem de ocorrer em termos de elétrons para que isso aconteça? Esclareça usando a semiequação. Neste capítulo, vamos estudar a importância de diversos óxidos em processos industriais, como a produção de metais a partir de óxidos metálicos presentes em minério e alguns óxidos envolvidos com o agravamento da poluição atmosférica.

Capítulo 11  Óxidos

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Introdução aos óxidos

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O

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

O que são óxidos? Você já conhece exemplos de substâncias cujos nomes têm, como parte integrante, o termo óxido e é possível deduzir que esses compostos são binários – formados por dois elementos –, sendo um deles o oxigênio. Mas é preciso levar em consideração que esse conceito é válido apenas para compostos binários em que o oxigênio é o elemento mais eletronegativo. Por essa razão, cabe lembrar que a substância que tem o oxigênio ligado ao flúor, o único elemento mais eletronegativo do que ele, não é considerada um óxido, e sim um fluoreto: OF2, o fluoreto de oxigênio. Diferentemente de grupos de compostos já estudados – como os ácidos e as bases –, os óxidos não têm um conjunto de propriedades que os caracterizam como grupo de substâncias. Assim, por exemplo, o óxido de bário (BaO) é um óxido iônico; já o dióxido de carbono (CO2) é um óxido molecular. De modo geral, quanto mais próximo do oxigênio na Tabela Periódica está o elemento ligado a ele, maior é o caráter molecular; quanto mais afastado, maior é o caráter iônico. Observe o esboço da Tabela Periódica, onde a posição do O está destacada:

CARÁTER IÔNICO CARÁTER MOLECULAR

Óxidos iônicos são sólidos que têm alta temperatura de fusão. O óxido de magnésio (MgO), por exemplo, funde a cerca de 2 800 °C; o óxido de alumínio (Aℓ 2O3), perto de 2 050 °C. No estado líquido, conduzem bem a corrente elétrica. Nas condições ambientes, os óxidos moleculares podem ser: ▸▸ gasosos: dióxido de carbono (CO ), monóxido 2 de carbono (CO), monóxido de nitrogênio (NO), entre outros. ▸▸ líquidos: água (H O), peróxido de hidrogênio 2 (H2O2), trióxido de enxofre (SO3), entre outros. ▸▸ sólidos: pentóxido de difósforo (P O ), dióxido 2 5 de silício (sílica) (SiO2), entre outros. 234

©SHUTTERSTOCK/SERGIO KOTRIKADZE

Os gases nobres foram excluídos do esquema porque apenas o xenônio (Xe), em condições especiais, forma óxido – o trióxido de xenônio (XeO3). O flúor foi excluído porque o fluoreto de oxigênio (OF2) não é um óxido.

A areia é formada por dióxido de silício (SiO2), um óxido molecular que é sólido.

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Nomenclatura dos óxidos Em termos gerais, os nomes dos óxidos de metais são formados do seguinte modo: Na2O: óxido de sódio

ZnO: óxido de zinco

Vale destacar que muitos nomes antigos ainda são usados para designar óxidos. É o caso do emprego das terminações -oso (quando o número de oxidação do elemento ligado ao oxigênio é o mais baixo) e -ico (quando é o mais alto). Essa nomenclatura não representa dificuldade quando o elemento forma apenas dois óxidos. Por exemplo:

CaO: óxido de cálcio

Essa forma simples de nomenclatura pode ser usada sempre que o elemento ligado ao oxigênio apresentar apenas um Nox, como no caso dos exemplos acima. Se o metal apresentar mais de um Nox, este pode ser indicado por algarismo romano entre parênteses: +2

FeO: óxido de ferro(II) +3 Fe2O3: óxido de ferro(III)

+2

PbO: óxido de chumbo(II) +4 PbO2: óxido de chumbo(IV)

+2

FeO – óxido ferroso +3

Já no caso de óxidos de não metais, a nomenclatura mais comum segue a seguinte estrutura: prefixo 1 óxido de

Fe2O3 – óxido férrico +1

Cu2O – óxido cuproso

prefixo 1 nome do elemento

+2

CuO– óxido cúprico

N2O5: pentóxido de dinitrogênio  CO2: dióxido de (mono)carbono

+4

SO2 – óxido sulfuroso

+6

SO3 – óxido sulfúrico

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Localize na Tabela Periódica da página 106 os grupos em que se encontram os elementos que compõem estes quatro óxidos: óxido de ferro(III), Fe2O3; óxido de alumínio, Aℓ2O3; óxido de manganês(IV), MnO2, e óxido de cálcio, CaO. 2. Suponha que não houvesse informações sobre o estado físico nas condições ambientes desses quatro óxidos. Com base em sua resposta à questão 1 e no que você já sabe sobre ligações químicas, explique como seria possível deduzir qual é o estado físico desses óxidos nas condições ambientes. 3. A coloração marrom-acinzentada no ar da cidade de São Paulo, visível na foto ao lado, é causada pelo dióxido de nitrogênio (NO2). Outros poluentes do ar, como dióxido de enxofre (SO2), monóxido de carbono (CO) e monóxido de nitrogênio (NO), também são óxidos gasosos, porém são incolores. Localize os grupos dos elementos constituintes desses óxidos na Tabela Periódica. Trata-se de óxidos iônicos ou moleculares? 4. Considere o óxido de bário, o hidróxido de potássio, o dióxido de enxofre, o cloreto de hidrogênio e o carbonato de sódio. Quais conduzem corrente elétrica no estado líquido? 5. Nas condições ambientes, qual o estado físico do BaO e do CO2? 6. Escreva as fórmulas dos óxidos: a) tetróxido de dinitrogênio, usado como propelente de foguetes;

FOLHAPRESS/RENATO LUIZ FERREIR

DIVULGAÇÃO PNLD

Os prefixos – mono, di ou bi, tri, tetr(a), pent(a), hex(a), hept(a), etc. – referem-se ao número de átomos de um elemento na molécula. Esse último tipo de nomenclatura também é adotado para óxidos de metais. Por exemplo: PbO2, dióxido de chumbo; MnO2, dióxido de manganês.

A faixa marrom-acinzentada que recobre o horizonte de São Paulo e de outras metrópoles em certos períodos do ano é consequência da alta concentração de poluentes na atmosfera. Foto de 2015.

b) pentóxido de difósforo, agente desidratante (que retira água de outras substâncias); c) trióxido de enxofre, uma das substâncias responsáveis pela chuva ácida. 7. Dê os nomes dos seguintes óxidos: a) N2O, gás que pode se formar por decomposição de fertilizantes nitrogenados; b) SeO2, usado como corante de vidro; c) SiO2, óxido presente na areia. Capítulo 11  Óxidos

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Classificação dos óxidos Um dos critérios de classificação dos óxidos é baseado em seu comportamento químico. Óxidos básicos, ácidos e neutros são alguns dos tipos de óxidos que vamos estudar, de acordo com esse critério.

Óxidos básicos A cal é constituída principalmente de óxido de cálcio (CaO); trata-se de um óxido básico. Observe as equações que representam alguns comportamentos desse óxido:

CaO(s)

H2O(ℓ)

Ca(OH)2(aq)

água

hidróxido de cálcio

2 HCℓ(aq)

CaCℓ 2(aq)

ácido clorídrico

cloreto de cálcio

1

óxido de cálcio

CaO(s)

1

DIVULGAÇÃO PNLD

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

óxido de cálcio

1

H2O(ℓ) água

A reação de CaO – cal virgem ou viva – com água, empregada nas construções, produz Ca(OH)2 – cal extinta, hidratada ou apagada. Nessa reação há liberação de calor. A cal tem uso também na agricultura, para a redução da acidez do solo.

A cal é obtida por aquecimento do calcário (CaCO3) em uma reação conhecida por calcinação:

CaCO3(s) carbonato de cálcio

Δ

CaO(s)

1

óxido de cálcio (cal virgem)

CO2(g)

Lembre-se:

dióxido de carbono

Δ = aquecimento.

Comercialmente, o CaO é chamado de cal virgem ou cal viva; o Ca(OH)2, de cal hidratada, cal extinta ou cal apagada, e o CaCO3, de calcário, também conhecido por calcita (principal componente do mármore). Classificamos como básicos os óxidos que reagem com ácidos formando sal e água. Alguns deles reagem também com água formando bases, como o CaO. A reação dos óxidos básicos com água só ocorre quando eles são derivados de bases fortes, ou seja, as que se dissolvem bem em água (correspondentes aos óxidos do grupo 1: Li2O, Na 2O, K 2O, Rb2O) e as parcialmente solúveis em água (caso do CaO, SrO, BaO). Os demais óxidos, como CuO, Ag 2O, MnO, praticamente não se dissolvem em água e não reagem com ela, embora reajam com ácidos:

Ag2O(s) 1 H2SO4(aq) óxido de prata

CuO(s) óxido de cobre(II)

236

ácido sulfúrico

1 2 HCℓ(aq) ácido clorídrico

Ag2SO4(aq) 1 H2O(ℓ) sulfato de prata

água

CuCℓ 2 (aq) 1 H2O(ℓ) cloreto de cobre(II)

água

Ag2O(s) 1 H2O(ℓ) óxido de prata

água

CuO(s) 1 H2O(ℓ) óxido de cobre(II)

não ocorre

não ocorre

água

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Óxidos ácidos São exemplos de óxidos ácidos: CO2, SO3, N2O5, Mn2O7 . Todos são moleculares, sendo os três primeiros formados por não metais; o último também é molecular, apesar de metálico. Note que o número de oxidação do Mn é bem elevado: 17, e isso acontece com outros óxidos ácidos metálicos, como é o caso do CrO3, no qual o Nox do Cr é 16. Vale destacar que, para todo óxido ácido, há um ânion correspondente (e, portanto, um ácido) em que o elemento ligado ao O tem o mesmo Nox, e isso é uma boa referência para raciocinar sobre o comportamento químico de cada um deles. Observe os exemplos no quadro: Ânion e ácido correspondente de alguns óxidos ácidos

Nox do outro elemento

Óxido ácido

Ânion correspondente

+6

16

trióxido de enxofre

SO422

H2SO4

íon sulfato

ácido sulfúrico

+5

+5

+5

N2O5

15

pentóxido de dinitrogênio

DIVULGAÇÃO PNLD

+6

+6

SO3

Ácido correspondente

NO32

HNO3

íon nitrato

ácido nítrico

A coincidência entre o Nox do elemento que constitui o óxido ácido e o que constitui o ácido pode ajudá-lo a entender a relação entre ambos. Óxidos ácidos são os que, ao reagirem com água, originam ácidos e, ao reagirem com bases, formam sal e água. +6

SO3(g)

+6

SO3(g)

1

H2O(ℓ)

1 2 NaOH(aq)

+6

H2SO4(aq) +6

Na2SO4(aq) 1 H2O(ℓ)

Nessas reações não há transferência de elétrons, ou seja, o número de oxidação do elemento ligado ao oxigênio é igual no ácido e no sal formado, especificamente em seu ânion. O experimento apresentado nas imagens a seguir é usado para provar experimentalmente a presença de CO2 (que é um gás inodoro e incolor). Costuma-se recolhê-lo em água de cal ou água de barita, respectivamente soluções aquosas de Ca(OH)2 e Ba(OH)2. Quando esses hidróxidos reagem com CO2, formam-se carbonatos pouco solúveis: CaCO3 ou BaCO3.

CO2(g)

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

dióxido de carbono

1 Ca(OH)2(aq) hidróxido de cálcio

CaCO3(s) carbonato de cálcio (pouco solúvel)

1 H2O(ℓ) água

A água de cal (solução incolor à esquerda) turva-se quando a assopramos, pois nela há uma base que reage com o CO2(g) de nossa expiração, formando CaCO3, um sólido branco praticamente insolúvel em água (imagem à direita). A solução de Ba(OH)2 é menos indicada para fazer o experimento porque tem o inconveniente de ser bastante tóxica devido à presença de íons Ba21, criando um problema para descartá-la.

Caráter ácido e básico de um óxido O caráter básico de um óxido é tanto maior quanto maior for seu caráter iônico. Já o caráter ácido de um óxido é tanto maior quanto maior for seu caráter molecular, conforme a variação indicada na tabela da página 234. Os óxidos ácidos podem ser formados por não metais ou metais de alto valor de Nox, como MnO3 e o Mn2O7 . Capítulo 11  Óxidos

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Além da participação em processos naturais (veja o tópico seguinte), o CO2 tem muitas outras utilidades, o que explica o fato de esse composto ser uma das 20 substâncias mais importantes produzidas pelas indústrias químicas. Sob pressão, por exemplo, é utilizado em refrigerantes e bebidas gaseificadas. O gelo-seco é constituído de dióxido de carbono sólido, usado para manter eficientemente refrigerados

sorvetes e outros alimentos e para obter café solúvel instantâneo. O dióxido de carbono também é usado no combate a incêndios e na produção industrial de diversos materiais úteis em nosso cotidiano, como é o caso da ureia, importante componente de suplemento alimentar animal, fertilizante e matéria-prima para a produção de certos tipos de plástico.

O papel do dióxido de carbono no ambiente e para os seres vivos O aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera tem sido associado ao agravamento do efeito estufa pela maioria dos estudiosos das questões climáticas. No entanto, a vida não seria possível se ele não estivesse presente na atmosfera. O CO2 produzido pela respiração dos seres vivos participa do processo de fotossíntese juntamente com o vapor de água, sendo transformado pelos vegetais verdes em carboidratos, como a glicose e o amido, por ação da energia solar: Fotossíntese: 6 CO2(g) 1 6 H2O(ℓ)

luz

C6H12O6(aq) 1 6 O2(g) glicose

Por meio da respiração é que todos os seres vivos obtêm a energia: 6 CO2(g) 1 6 H2O(ℓ)

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O carbono incorporado pelas células vegetais permite que seja produzida uma grande variedade de outras substâncias orgânicas (compostos que possuem uma estrutura constituída por átomos de carbono ligados entre si) que servem de alimento aos organismos vivos, como lipídios, proteínas e vitaminas. Ao morrerem, as plantas e os animais têm os compostos de carbono que os constituem decompostos pela ação de microrganismos. Nesse processo há transformação dos compostos orgânicos em CO2, que volta à atmosfera. Há um equilíbrio dinâmico entre CO2 atmosférico e os carbonatos presentes nos oceanos, nos lagos e nas rochas calcárias, que contêm MgCO3 e CaCO3. A presença de CO2 e de outros gases na atmosfera (como metano, CH4, produzido, por exemplo, no processo de digestão de animais ruminantes e na decomposição de resíduos orgânicos) faz com que nela haja absorção de energia térmica. Isso contribui para que a atmosfera funcione como um ˝cobertor˝, impedindo a reflexão 2. Parte da radiação de parte da energia solar que atinge a solar volta ao espaço. superfície terrestre – que seria muito mais fria sem essa camada protetora. Esse efeito é conhecido como efeito 1. Parte da radiação solar estufa, em analogia com o que ocorre que chega à Terra fica retida por ação da atmosfera em estufas de vidro. A vida na Terra, tal (efeito estufa). como a conhecemos, seria inviável se não houvesse o efeito estufa.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Respiração: C6H12O6(aq) 1 6 O2(g)

Cores fantasia, sem escala.

Representação simplificada do efeito estufa. Fonte: Laboratório de Ecologia da Paisagem e Conservação – Universidade de São Paulo. Disponível em: <http://eco.ib.usp.br/lepac/conservacao/ensino/ es_efeitoestufa.htm>. Acesso em: 23 jan. 2016.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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OPÇÃO BRASIL IMAGENS/EMÍDIO BASTOS

Apesar de ser imprescindível em processos naturais, quando em excesso o CO2 é um dos responsáveis por desequilíbrios ambientais. Em nossa civilização, a crescente demanda por energia – obtida principalmente por processos de combustão de petróleo, carvão e gás natural – vem provocando o aumento da concentração de CO2 na atmosfera, que é associado à intensificação do efeito estufa. No Brasil, as queimadas (e não a produção de energia) representam a maior causa do aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera. Isso porque a maior No Brasil, a principal causa de aumento da concentração de CO2 na parte de nossa energia é produzida em hiatmosfera são as queimadas. Na foto, queimada no município de drelétricas, nas quais a passagem da água Ipojuca (PE), em 2011. pelas turbinas gera energia mecânica, que é transformada em energia elétrica, diferentemente do que ocorre em países em que grande parte da energia é proveniente de termelétricas baseadas na queima de combustíveis fósseis – petróleo e carvão.

Atividades Se necessário, consulte a Tabela Periódica na página 106.

Não escreva neste livro.

1. A combustão do potássio é uma reação perigosa que libera muito calor, formando óxido de potássio (K2O). Quando se coloca o óxido de potássio em água contendo solução de fenolftaleína, observa-se o aparecimento de uma coloração rósea. Qual é o produto da reação que muda a cor da fenolftaleína? Equacione as reações mencionadas. 2. A combustão do magnésio metálico é uma reação associada a uma luz branca e intensa. Nela se forma um óxido que, quando colocado em água, forma uma substância que é um constituinte do leite de magnésia. a) Equacione a combustão do magnésio. b) Se o óxido formado for colocado em água com fenolftaleína, haverá uma mudança visível. Qual será? Equacione o processo que ocorre quando se coloca o óxido de magnésio em água.

Questão comentada 3. UFPB-PPS (2013) Em viagens espaciais, o dióxido de carbono produzido pela respiração dos tripulantes precisa ser eliminado. Uma forma possível de eliminar o CO2 é a partir da reação com o hidróxido de lítio, conforme equação a seguir:

2 LiOH(s) 1 CO2(g)

Li2CO3(s) 1 H2O(ℓ)

Nesse contexto, para a eliminação de 880 g de CO2 produzidos diariamente por um astronauta, a quantidade necessária de hidróxido de lítio é: (massas atômicas: Li: 7; C: 12; O: 16) a) 240 g

b) 440 g

c) 480 g

d) 880 g

e) 960 g

Sendo a massa molar do CO2 44 g/mol, 880 g de CO2 correspondem a 20 mol desse óxido. Mas, segundo a equação, para cada mol de CO2, são consumidos 2 mol de LiOH. Então, para eliminar 20 mol de CO2, são necessários 40 mol de LiOH. Como a massa molar do LiOH é 24 g/mol, 40 mol dessa base correspondem a 40 ? 24 g 5 960 g.

Capítulo 11 Óxidos

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4. Equacione os processos possíveis, indicando o ácido ou a base correspondente ao óxido: a) BaO 1 H3PO4; b) CO2 1 KOH. 5. Para que se possa ter uma ideia do papel do CO2 como aquecedor da atmosfera, basta analisar a temperatura na superfície do planeta Vênus. Ela é sensivelmente maior do que a da superfície terrestre, atingindo até 482 °C; e maior também que a do planeta Mercúrio, o mais próximo ao Sol. Por quê? Analise os dados da tabela a seguir e tente responder. Comparação de características de alguns planetas do Sistema Solar Planeta

Distância média até o Sol (em milhões de km)

Mercúrio

58

Praticamente inexistente. Não há CO2.

Varia de 2173 a 427.

Vênus

108

Muito densa em relação à da Terra. Contém aproximadamente 97%, em volume, de CO2.

462 (média)

Terra

150

Rica em N2 e O2. Contém 0,03%, em volume, de CO2.

Varia de 288 a 58.

Atmosfera natural

Temperatura (°C)

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Fontes: NASA Solar System Exploration. Disponível em: <http://solarsystem.nasa.gov/planets/>; O SISTEMA Solar. Centro de Divulgação da Astronomia da USP. Disponível em: <http://www.cdcc.usp.br/cda/aprendendo-basico/sistema-solar/>. Acessos em: 28 dez. 2015.

6. Explique o texto: Se a atmosfera da Terra não contivesse dióxido de carbono, a vida não seria possível. Se a concentração desse gás fosse muito mais alta, a vida também não seria possível. 7. Em alguns grandes centros urbanos há estações que monitoram o teor de monóxido de carbono (CO), de dióxido de enxofre (SO2) e de outros poluentes presentes no ar; porém, não se faz o mesmo com relação ao CO2. Por quê? 8. Quais os principais motivos da grande preocupação mundial com a concentração de dióxido de carbono na atmosfera? 9. Leia o texto e responda à questão a seguir: [...] queria contar a história de um átomo de carbono. Nosso personagem, pois, jaz há centenas de milhões de anos ligado a três átomos de oxigênio e a um de cálcio, sob a forma de rocha calcária: já possui uma longuíssima história cósmica atrás de si, mas vamos ignorá-la. Para ele o tempo não existe, [...] De fato, o carbono é um elemento singular: é o único que sabe ligar-se a si mesmo em longas cadeias estáveis sem grande dispêndio de energia, e para a vida na Terra (a única que até agora conhecemos) se necessita justamente de longas cadeias. Por isso, o carbono é o elemento-chave da substância viva: mas sua promoção, seu ingresso no mundo vivo não é cômodo, e ele deve seguir um caminho obrigatório, intrincado, clareado (e não ainda definitivamente) apenas nestes últimos anos. Se a conversão orgânica do carbono não se desenrolasse cotidianamente a nosso redor, na escala de bilhões de toneladas por semana, onde quer que aflore o verde de uma folha, caber-lhe-ia de pleno direito o nome de milagre. [...] LEVI, P. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 1994. p. 226-227.

O autor menciona a “conversão orgânica do carbono”. O que isso significa? Qual é o papel da luz solar nessa conversão?

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Química: prática e reflexão Uma das maneiras de combater um princípio de incêndio é usar um extintor de incêndio a dióxido de carbono ou gás carbônico. Vamos ver como produzir esse gás e usá-lo para apagar uma chama?

Atenção! Tenha cuidado ao realizar este experimento!

Material

• 1 garrafa PET com tampa • 1 mangueira plástica de, aproximadamente, 20 cm de comprimento • tesoura ou faca com ponta • cerca de 50 g de bicarbonato de sódio, NaHCO3 (adquirido em supermercados) AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

• 1 vela • 1 caixa de fósforos • 1 pires • cerca de 100 mL de vinagre

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• 1 colher (café)

Cores fantasia, sem escala.

• 1 funil (usado para coar café) • balança (caso não seja possível, estimar a massa de bicarbonato de sódio pela embalagem) Procedimento

1. Com a tesoura ou a faca, façam um orifício na lateral superior (próximo à boca) de uma garrafa PET. O orifício deve ter diâmetro compatível com a mangueira para que ela seja encaixada nessa abertura. 2. Coloquem aproximadamente 3 colheres (café) de bicarbonato de sódio sólido na garrafa. 3. Acendam uma vela e fixem-na no pires. 4. Usando o funil, adicionem aproximadamente 100 mL de vinagre na garrafa, tampando-a imediatamente. 5. Coloquem a extremidade livre da mangueira perto da chama da vela. 6. Observem e anotem o que ocorre. Descarte do resíduo: O resíduo líquido do experimento pode ser descartado diretamente no ralo da pia. Analisem suas observações

1. Equacionem a reação entre o ácido acético, H3C — COOH (para facilitar, representem esse ácido por HAc), e o bicarbonato de sódio. 2. Qual é o produto dessa reação que combate a chama? 3. Para haver fogo, são necessários um combustível (material que se queima), um comburente (no caso do ar, o oxigênio) e calor. O conjunto desses três componentes é conhecido como triângulo do fogo. Qual desses componentes perde sua ação quando a chama é atingida pelo produto da reação que você executou? Por quê? 4. Pesquise: a) Quais são as maiores causas de incêndios e queimaduras acidentais na região em que você reside ou no país? b) Que cuidados se devem tomar para que esses acidentes sejam evitados?

Capítulo 11 Óxidos

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Conexões Química e ambiente – A chuva ácida

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LATINSTOCK/PHOTO RESEARCHERS, INC./MONICA SCHROEDER

As frequentes notícias a respeito das chuvas ácidas, um dos problemas ambientais de nossa época, nos dão ideia da importância dessa questão. A chuva ácida é responsável por danos à vegetação e à vida aquática, o que tem levado muitos países a fazer controles periódicos do teor de acidez de suas águas e a implementar medidas para impedir que a situação se agrave. A água da chuva costuma ser levemente ácida, já que o CO2, um óxido ácido, é um dos componentes do ar (mesmo do ar não poluído). No entanto, a expressão “chuva ácida” já era usada no século XIX, quando, com a crescente industrialização de algumas cidades, passou-se a lançar no ar gases que acentuavam a acidez natural da chuva. O lançamento de grandes quantidades de SO2 no ar afeta seriamente o meio ambiente. A chuva ácida, formada especialmente em consequência da presença do dióxido de enxofre no ar, corrói monumentos de mármore e estruturas metálicas, além de danificar o solo, prejudicando a fauna e a flora de ecossistemas terrestres e aquáticos.

A foto mostra o efeito da chuva ácida em detalhes da fachada de um edifício do século XIX. Não escreva neste livro.

Entretanto, a produção de SO2 e de outros gases responsáveis pela intensificação do caráter ácido da chuva – como os óxidos de nitrogênio, NOX, e o cloreto de hidrogênio, HCℓ(g) – não é consequência apenas da intervenção humana. Há emissões naturais desses gases que contribuem para esse efeito, como as que ocorrem na erupção de vulcões. 1. Explique por que as chuvas ácidas destroem tanto estátuas de mármore (material rico em CaCO3) como estátuas metálicas. 2. Como seria possível contornar o problema das chuvas ácidas? Faça sugestões que possam ser adotadas a curto prazo. 3. Por meio de alguns processos químicos, o SO2, na presença de vapor de água, se converte em ácido sulfúrico. Ao analisarmos o que ocorre com o Nox do enxofre nesse processo, percebemos a falta de outro componente do ar capaz de justificar essa reação. Explique essa afirmação.

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Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Óxidos neutros Monóxido de carbono (CO), monóxido de nitrogênio ou óxido nítrico (NO) e monóxido de dinitrogênio ou óxido nitroso (N2O) são exemplos de óxidos neutros. Observe que eles são compostos moleculares, constituídos por não metais. Os não metais envolvidos apresentam, em geral, baixo Nox. Esses óxidos que não reagem com água, ácidos ou bases antigamente eram chamados de indiferentes. Será que esse nome tem alguma lógica? Vejamos. O monóxido de carbono (CO) é substância bastante frequente em seu curso de Ensino Médio, entre outras razões por ser um gás muito tóxico, que interrompe o processo respiratório, pois se liga mais fortemente à hemoglobina do sangue do que o oxigênio. A capacidade de interagir com outras substâncias também é válida para os outros óxidos mencionados. O monóxido de nitrogênio (NO), por exemplo, é importante na memória de longo prazo, no aprendizado, na pressão sanguínea e na ereção masculina. A descoberta do mecanismo de ação desse gás foi o responsável pela fabricação de drogas usadas no tratamento da disfunção erétil. Além disso, é usado na defesa do organismo contra a ação de vírus. Como você pode perceber, os óxidos neutros não são indiferentes.

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Leia o boxe abaixo, que trata de um dos usos do monóxido de dinitrogênio.

A hemoglobina e o óxido nítrico Além da função de transportar o O2 e o CO2 dos pulmões às células dos vários tecidos e de trazê-los de volta aos pulmões, a hemoglobina tem ação mais ampla, identificada apenas há pouco mais de duas décadas: atua na distribuição de óxido nítrico (NO) no organismo, o gás responsável pela expansão e pela contração dos vasos sanguíneos.

Conexões Química e Medicina – O gás hilariante: monóxido de dinitrogênio (N2O) Você é capaz de imaginar como seria nossa vida sem a descoberta da anestesia? Se um procedimento dentário mais doloroso ou uma simples sutura já representam certo sofrimento, imagine ser submetido a uma cirurgia de grande porte sem a ação de um anestésico. A busca humana pelo alívio da dor é muito antiga, porém as experiências que levaram à anestesia tal como a conhecemos hoje se iniciaram em meados do século XIX, época em que foram feitas muitas descobertas importantes. Leia um trecho extraído de matéria: Hospitais usam “gás do riso” para aliviar dores do parto Popularmente conhecido como “gás do riso”, o óxido nitroso está ganhando espaço em hospitais dos Estados Unidos para aliviar as dores do parto. [...]

O monóxido de dinitrogênio ou óxido nitroso (N2O) é a mais antiga das substâncias anestésicas. Ficou conhecido como “gás hilariante” porque, em pequenas doses, tem leve efeito hipnótico e provoca sensação de euforia e riso. Esse gás foi usado pela primeira vez como anestésico pelo dentista Horace Wells (1815-1848) em 1844; ele comprovou esse efeito em si mesmo, quando teve um dente extraído sob efeito do óxido nitroso. A descoberta dessa possibilidade de uso se deu por acaso, quando Wells assistia a uma apresentação circense em que uma pessoa que inalara esse gás, mesmo ferida em cena, não esboçou nenhum sinal de dor. O gás havia sido descoberto em 1772 pelo inglês Joseph Priestley (1733-1804).

GETTY IMAGES/EYEEM

HOSPITAIS usam “gás do riso” para aliviar dores no parto. Bonde. Portal de Notícias do Paraná, 28 jul. 2014. Disponível em: <http://www.bonde.com.br/?id_bonde=1-27--227-20140728>. Acesso em: 29 dez. 2015.

Monóxido de dinitrogênio – o óxido nitroso – sendo utilizado como anestésico em um procedimento médico.

Capítulo 11  Óxidos

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Peróxidos: um outro tipo de óxido Fique atento aos seguintes exemplos de peróxidos:

H

O

O

H

K1

peróxido de hidrogênio

H—O—O—H

2

O

22

O

Ba21 O

O

22

peróxido de potássio

peróxido de bário

[K ]2(O — O)

Ba21(O — O)22

1

22

Peróxidos são óxidos nos quais ocorre a ligação O — O. Em consequência dessa ligação, ao contrário da maioria dos compostos oxigenados, o Nox do oxigênio é 21. Excluído o peróxido de hidrogênio (H2O2), que é molecular, os demais peróxidos são iônicos e têm caráter básico, semelhante aos óxidos básicos. Por isso reagem com ácidos conforme a equação abaixo:

K2O2(s) peróxido de potássio

1 H2SO4(aq)

K2SO4(aq) 1

ácido sulfúrico

sulfato de potássio

H2O2(aq) peróxido de hidrogênio

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O peróxido de hidrogênio (H2O2), um dos peróxidos mais usados em nosso dia a dia, é um composto molecular, líquido nas condições ambientes. Em solução aquosa, é comercializado sob o nome de água oxigenada. Luz, bases ou catalisadores aceleram a decomposição desse peróxido:

H2O2(g)

H2O(ℓ)

peróxido de hidrogênio

água

1

1  O (g) 2 2

oxigênio

Observações: • Os catalisadores são substâncias que aceleram uma reação sem alterar os produtos obtidos por meio dela. Os catalisadores de processos bioquímicos são chamados de enzimas. Entre os catalisadores da decomposição do peróxido de hidrogênio, destacam-se o dióxido de manganês, MnO2(s), e a catalase – enzima, isto é, um catalisador biológico, presente no sangue e nas batatas.

• No comércio, o peróxido de hidrogênio em solução aquosa – água oxigenada – é vendido com indicações do tipo: 10 volumes, 20 volumes. A indicação “x volumes” significa que, na pressão atmosférica ao nível do mar e a 0 °C, por decomposição de um volume dessa solução de água oxigenada, forma-se um volume x vezes maior de oxigênio gasoso. Ou seja: 1 mL de solução 10 volumes, por decomposição, produz 10 mL de O2(g) a 0 °C ao nível do mar; no caso de 20 volumes, o volume obtido será 20 vezes maior.

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SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

• A presença da catalase no sangue explica o grande uso que as soluções de água oxigenada tiveram na limpeza de ferimentos. Quando o sangue entra em contato com o peróxido de hidrogênio, o O2 produzido mata as bactérias anaeróbias, isto é, as que não vivem em meio oxigenado. Atualmente, recomenda-se lavar bem o ferimento com muita água e sabão.

A catalase do sangue acelera a decomposição da água oxigenada gotejada sobre a carne; isso explica a grande quantidade de bolhas de gás oxigênio formadas em curto espaço de tempo.

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Atividades 1. Leia o texto abaixo e responda às questões.

Não escreva neste livro.

Silicose Entre alguns profissionais, como os que atuam em extração e beneficiamento de rochas, mineração, perfuração de poços, indústrias de cerâmica, de materiais de construção e muitas outras, é comum encontrar pessoas com problemas de saúde causados pela inalação de partículas de poeira, muitas vezes constituídas por óxidos, principalmente sílica – dióxido de silício (SiO2). Sem as medidas de prevenção adequadas, esses trabalhadores podem ser vítimas de pneumoconioses, que, no caso da poeira contendo cristais de sílica, é chamada de silicose. A exposição à poeira tem efeito cumulativo no organismo; por isso, se o trabalhador for submetido a essa condição por muito tempo, pode ter sua capacidade respiratória limitada. A silicose começa com o englobamento das partículas de sílica por células de defesa do organismo, que são danificadas, provocando uma inflamação no local. Essa lesão pode causar a produção de óxido nítrico (NO) nessa região do corpo.

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O processo fibrótico característico da silicose é resultado de uma interação complexa entre diferentes tipos de células. Depois de migrar para a área inflamada, células chamadas de fibroblastos secretam certos tipos de colágeno e outras proteínas que causam a redução da elasticidade dos pulmões e a perda de sua capacidade respiratória. Em consequência, há comprometimento cardíaco. Atualmente, essa doença profissional, isto é, decorrente do trabalho, é irreversível e afeta principalmente os mineradores que trabalham em túneis e galerias. No Brasil, as vítimas de silicose têm direito a benefícios previdenciários. É importante salientar que, embora nas últimas décadas as legislações relativas à segurança no trabalho tenham sido ampliadas, a saúde de muitas pessoas que trabalham em atividades de mineração está comprometida. Veja no quadro a seguir como é possível prevenir a silicose e o que prevê a lei no Brasil. Como prevenir a silicose É perfeitamente possível trabalhar sem ter que respirar sílica. Para isso as empresas devem: • Substituir os materiais que têm sílica por outros (por exemplo, jateamento de areia pode ser substituído pelo jateamento com outros produtos ou água pura); • Umidificar (molhar) a perfuração das rochas, torneamento, lixamento e outras operações a seco, impedindo que a poeira fique no ar; • Lavar ou limpar com aspirador: não limpar piso, máquinas e bancadas com vassouras ou ar comprimido; • Instalar exaustores para capturar a poeira no ponto em que ela se forma e impedir que o pó se espalhe pelo ar;

O que diz a lei A Lei nº 1.670, de 1999, proíbe o jateamento com areia em qualquer material em todo o país. A Portaria nº 43, de 11 de março de 2008, do Ministério do Trabalho e Emprego, proíbe máquinas que cortam ou fazem acabamento de pedra a seco. Todas devem ter água acoplada. A Portaria nº 777, de 28 de abril de 2004, do Ministério da Saúde, exige que o médico notifique os casos de silicose e de câncer decorrentes do trabalho no SUS. O trabalhador tem direito de ter o registro da Comunicação de Acidente de Trabalho (CAT) reconhecida como doença profissional (B91) no INSS.

• Separar com paredes e vedações os locais que produzem poeira dos demais setores; • Isolar a máquina ou aquela parte onde se produz poeira do resto do local de trabalho. Fonte: MINISTÉRIO da Saúde. Disponível em: <http://bvsms.saude.gov.br/bvs/folder/operacao_abaixo_poeira_silica.pdf>. Acesso em: 17 nov. 2015.

Capítulo 11  Óxidos

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a) Observe o gráfico a seguir. EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Porcentagem de trabalhadores expostos à sílica em diversos setores econômicos 80 Expostos (%)

70 60 50 40 30 20 10 0

Extração mineral

Mineral não metálico

1985

1996

Construção civil

Indústria metalúrgica

2007

Borracha, fumo e couro

Agricultura

Setor de serviços

Setor econômico

Segundo o gráfico, entre 1985 e 2007, houve mudanças significativas na porcentagem de trabalhadores expostos à sílica no Brasil? Explique. b) Explique a relação entre a mineração e a silicose. c) Por que é importante que os médicos notifiquem ao SUS os casos de silicose? d) Em sua opinião, empresas que não protegem a saúde de seus trabalhadores devem ser punidas? Como os profissionais, vítimas desse problema, devem ser “compensados”?

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Total Brasil

Fonte: MINISTÉRIO da Saúde. Disponível em: <http://bvsms.saude. gov.br/bvs/publicacoes/ mapa_exposicao_silica_ brasil.pdf>. Acesso em: 17 nov. 2015.

2. Após uma explosão na cozinha de um shopping, o engenheiro da empresa responsável pela distribuição do gás canalizado na cidade deu algumas instruções à população para evitar outros acidentes do mesmo tipo. Algumas delas foram: “Deve-se ficar atento à cor da chama dos fogões e aquecedores e verificar se não há acúmulo de fuligem nos queimadores e nas chaminés. A maioria dos acidentes acontece pelo excesso de monóxido de carbono, que não pode ser notado porque não tem cheiro. O enxofre misturado ao gás faz do nariz o melhor instrumento de segurança”. Leia agora algumas informações sobre o gás natural, o principal componente do combustível distribuído por essa empresa: O gás natural é uma mistura gasosa, incolor e sem cheiro. O componente predominante dessa mistura gasosa é o metano (CH4). Para evitar que um vazamento passe despercebido, adicionam-se a ele compostos que têm cheiro intenso (as mercaptanas), constituídos de C, H, S. Quando esse gás entra em combustão na presença de quantidade relativamente grande de O2, formam-se exclusivamente dióxido de carbono (CO2) e água (H2O), e a chama é azul. Se o oxigênio não estiver presente em quantidade suficiente, poderão formar-se simultaneamente dois outros produtos no lugar do CO2: monóxido de carbono (CO) e fuligem (carbono finamente dividido), e a chama fica amarelada. Agora faça o que se pede: a) Equacione as três reações mencionadas. b) Compare as quantidades de oxigênio necessárias nos três processos equacionados. c) Qual é a cor da chama que produz fuligem?

d) Por que a chama azul é um indicador de segurança ao usuário? e) Por que o engenheiro recomendou que se deve observar a cor da chama e se há acúmulo de fuligem? f) Dado que o enxofre é um sólido pouco volátil, nas recomendações do representante da empresa há uma imprecisão química. Explique-a.

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Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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g) Considerando que o gás natural é bem menos denso do que o ar, se você estiver em um ambiente em que houve um vazamento relativamente grande desse gás, seria melhor procurar a saída se arrastando pelo chão ou andando normalmente?

©MAURICIO DE SOUSA PRODUÇÕES LTDA.

h) Na tira abaixo, que produto de combustão fica evidente quando se observa o personagem Bidu?

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3. Leia o texto abaixo e responda às questões a seguir. O laboratório e seu sabor de aventura “[...] Nosso objetivo era ver com nossos olhos, provocar com nossas mãos pelo menos um dos fenômenos que se encontravam descritos com tanta desenvoltura em nosso livro de química. Podia-se, por exemplo, preparar o óxido de nitrogênio, que [...] era ainda descrito com o termo pouco apropriado e pouco sério de gás hilariante. Faria mesmo rir? O óxido de nitrogênio se prepara aquecendo cuidadosamente o nitrato de amônio. Este último, no laboratório, não havia: havia, porém, amoníaco e ácido nítrico. Misturamo-los, incapazes de fazer cálculos prévios, até conseguir uma reação neutra ao tornassol, de sorte que a mistura se aqueceu fortemente e emitiu abundante fumaça branca; logo decidimos fervê-la para eliminar a água. O laboratório foi tomado rapidamente por uma névoa irrespirável, que não tinha nada de hilariante; interrompemos a tentativa, por fortuna nossa, porque não sabíamos o que pode acontecer se se aquece este sal explosivo sem o devido cuidado. [...]” LEVI, P. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 1994. p. 31 e 32.

a) Qual era o objetivo do uso do monóxido de dinitrogênio pelos personagens? b) No texto, como foi obtido o nitrato de amônio? Equacione a reação. c) A frase “Misturamo-los, incapazes de fazer cálculos prévios” é indicativa de que faltava aos personagens um tipo particular de conhecimento. Explique. d) Por que eles queriam aquecer o sal? 4. Escreva a equação de decomposição do nitrato de amônio gerando o gás hilariante, N2O, um dos óxidos de nitrogênio.

Resgatando o que foi visto Nesta unidade você estudou vários grupos de substâncias (ácidos, bases, sais e óxidos). Também aprendeu sobre vários tipos de reações químicas e pôde analisar os aspectos quantitativos que envolvem as reações químicas. Retome as questões que constam da abertura da unidade, bem como as que fazem parte do Para situá-lo de cada capítulo. Você é capaz de respondê-las agora com mais facilidade do que ao início do estudo? Capítulo 11  Óxidos

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Testando seus conhecimentos 1. Enem (2015) Para proteger estruturas de aço da corrosão, a indústria utiliza uma técnica chamada galvanização. Um metal bastante utilizado nesse processo é o zinco, que pode ser obtido a partir de um minério denominado esfalerita (ZnS), de pureza 75%. Considere que a conversão do minério em zinco metálico tem rendimento de 80% nesta sequência de equações químicas: 2 ZnO 1 2 SO2

2 ZnS 1 3 O2 ZnO 1 CO

Zn 1 CO2

Considere as massas molares: ZnS (97 g/mol); O2 (32 g/mol); ZnO (81 g/mol); SO2 (64 g/mol); CO (28 g/mol); CO2 (44 g/mol); e Zn (65 g/mol). Que valor mais próximo de massa de zinco metálico, em quilogramas, será produzido a partir de 100 kg de esfalerita?

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a) 25

3. Enem (2013) A varfarina é um fármaco que diminui a agregação plaquetária, e por isso é usada como anticoagulante, desde que esteja presente no plasma, com uma concentração superior a 1,0 mg/L. Entretanto, concentrações plasmáticas superiores a 4,0 mg/L podem desencadear hemorragias. As moléculas desse fármaco ficam retidas no espaço intravascular e dissolvidas exclusivamente no plasma, que representa aproximadamente 60% do sangue em volume. Em um medicamento, a varfarina é administrada por via intravenosa na forma de solução aquosa, com concentração de 3,0 mg/mL. Um indivíduo adulto, com volume sanguíneo total de 5,0 L, será submetido a um tratamento com solução injetável desse medicamento. Qual é o máximo volume da solução do medicamento que pode ser administrado a esse indivíduo, pela via intravenosa, de maneira que não ocorram hemorragias causadas pelo anticoagulante?

b) 33

a) 1,0 mL.

c) 40

b) 1,7 mL.

d) 50

c) 2,7 mL.

e) 54

d) 4,0 mL.

2. Enem (2014) A aplicação excessiva de fertilizantes nitrogenados na agricultura pode acarretar alterações no solo e na água pelo acúmulo de compostos nitrogenados, principalmente a forma mais oxidada, favorecendo a proliferação de algas e plantas aquáticas e alterando o ciclo do nitrogênio, representado no esquema. A espécie nitrogenada mais oxidada tem sua quantidade controlada por ação de microrganismos que promovem a reação de redução.

I

N2

NH3

NH14

V

IV III

NO22

O processo citado está representado na etapa: a) I. b) II. c) III. d) IV. e) V.

e) 6,7 mL. 4. Enem (2013) A formação frequente de grandes volumes de pirita (FeS2) em uma variedade de depósitos minerais favorece a formação de soluções ácidas ferruginosas, conhecidas como “drenagem ácida de minas”. Esse fenômeno tem sido bastante pesquisado pelos cientistas e representa uma grande preocupação entre os impactos da mineração no ambiente. Em contato com oxigênio, a 25 oC, a pirita sofre reação, de acordo com a equação química: 4 FeS2(s) 1 15 O2(g) 1 2 H2O(ℓ)

NO23

II

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Não escreva neste livro.

2 Fe2(SO4)3(aq) 1 2 H2SO4(aq)

FIGUEIREDO, B. R. Minérios e ambiente. Campinas: Unicamp, 2000.

Para corrigir os problemas ambientais causados por essa drenagem, a substância mais recomendada a ser adicionada ao meio é o: a) sulfeto de sódio. b) cloreto de amônio. c) dióxido de enxofre. d) dióxido de carbono. e) carbonato de cálcio. 5. Enem (2013) O brasileiro consome em média 500 miligramas de cálcio por dia, quando a quantidade recomendada é o dobro. Uma alimentação balanceada é a melhor decisão para evitar problemas no futuro,

Unidade 3  Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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como a osteoporose, uma doença que atinge os ossos. Ela se caracteriza pela diminuição substancial de massa óssea, tornando os ossos frágeis e mais suscetíveis a fraturas.

encontrados em sua composição química, na proporção de 56 mg/kg de milho. Admita que uma espiga de milho tenha 125 grãos rigorosamente iguais entre si e pese 62,5 g. Quantos átomos de ferro uma galinha que come um grão de milho, depois de digerido, acrescenta ao seu organismo aproximadamente? Massa atômica do Fe 5 56 u

Disponível em: <www.anvisa.gov.br>. Acesso em: 1o ago. 2012 (adaptado).

Considerando-se o valor de 6 ? 1023 mol–1 para a constante de Avogadro e a massa molar do cálcio igual a 40 g/mol, qual a quantidade mínima diária de átomos de cálcio a ser ingerida para que uma pessoa supra suas necessidades?

c) 3,0 ? 1023.

21

a) 7,5 ? 10 .

d) 1,5 ? 1017.

b) 1,5 ? 10 .

e) 2,0 ? 105.

a) 3,0 ? 1017. b) 2,8 ? 108.

22

c) 7,5 ? 10 . 23

d) 1,5 ? 1025.

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e) 4,8 ? 1025. 6. Uespi (2012) O estanho é um metal caro que é conhecido desde a Antiguidade. Não é muito resistente ao impacto, mas é resistente à corrosão. Seu principal uso acontece na deposição eletrolítica, porém é utilizado também na produção de ligas metálicas, tais como o bronze (com cobre) e o peltre (com antimônio e cobre). O estanho ocorre principalmente como o mineral cassiterita, SnO2, e é obtido pela reação com carbono a 1 200 °C: Sn(ℓ) 1 CO2(g) SnO2(s) 1 C(s) Analisando esta reação, podemos afirmar que: a) o SnO2 é o agente redutor. b) o carbono é o agente oxidante. c) o Sn21 sofre oxidação. d) não há variação no número de oxidação do carbono. e) 1 mol de SnO2 recebe 4 mol de elétrons. 7. UFTM-MG (2010) O cheiro de ovo podre que se sente, não só no apodrecimento desse alimento, mas também ao redor de cursos de água poluídos, deve-se à produção do gás sulfeto de hidrogênio, resultante da atividade de microrganismos. Por outro lado, esse gás, extremamente tóxico, tem aplicações em análise química e, para tanto, é gerado em laboratório por meio da reação de um sulfeto metálico com ácido. a) Escreva a fórmula eletrônica do sulfeto de hidrogênio, indicando os pares de elétrons compartilhados.

9. IFSP (2010) A abundância de deutério (2H) na natureza é de apenas 0,013%. Isso significa que, a cada 100 000 átomos de hidrogênio, apenas 13 são de deutério. Sendo assim, quando alguém ingere 252 g de água (aproximadamente 1 copo), o número aproximado de átomos de deutério que entra em seu organismo é: Massa molar da água 5 18 g/mol Constante de Avogadro 5 6,0 ? 1023 mol21 a) 1 ? 1019. b) 2 ? 1021. c) 4 ? 1021. d) 2 ? 1023. e) 4 ? 1023. 10. Enem (2009) O processo de industrialização tem gerado sérios problemas de ordem ambiental, econômica e social, entre os quais se pode citar a chuva ácida. Os ácidos usualmente presentes em maiores proporções na água da chuva são o H2CO3, formado pela reação do CO2 atmosférico com a água, o HNO3, o HNO2, o H2SO4 e o H2SO3. Esses quatro últimos são formados principalmente a partir da reação da água com os óxidos de nitrogênio e de enxofre gerados pela queima de combustíveis fósseis. A formação de chuva mais ou menos ácida depende não só da concentração do ácido formado, como também do tipo de ácido. Essa pode ser uma informação útil na elaboração de estratégias para minimizar esse problema ambiental. Se consideradas concentrações idênticas, quais dos ácidos citados no texto conferem maior acidez às águas das chuvas?

b) Escreva a equação química que representa a reação entre sulfeto de potássio e ácido clorídrico. 8. UPE (2009) A composição química do grão de milho não é constante, podendo variar de acordo com o solo onde foi cultivado. O ferro é um dos minerais

a) HNO3 e HNO2. b) H2SO4 e H2SO3. c) H2SO3 e HNO2. d) H2SO4 e HNO3. e) H2CO3 e H2SO3. Capítulo 11  Óxidos

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KINO.COM.BR/ROBERTO LOFFEL

4 unidade

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Estado gasoso

Nesta unidade, vamos estudar o estado gasoso, levando em conta quatro séculos de conhecimentos acumulados sobre leis físicas que explicam o comportamento de uma amostra gasosa e que permitiram desenvolver tecnologias que fazem parte de nossa vida. Também veremos as implicações desses e de outros estudos relativos a reações envolvendo substâncias gasosas que foram determinantes para compreender e elaborar teorias que estruturaram a Química como ciência. ▸ Por que se usa hélio em vez de ar em balões como os de monitoramento meteorológico e de segurança? ▸ O que ocorre com o gás quando é comprimido a temperatura constante? O que acontece com as moléculas que o constituem?

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Locomotiva movida por máquina a vapor, em São João del-Rei (MG). A máquina a vapor, uma das mais importantes invenções humanas, responsável pela mecanização progressiva de uma série de tarefas ao longo do século XVIII, foi criada em 1777 pelo inglês James Watt (1736-1819).

Nesta unidade Capítulo 12. Gases: importância e propriedades gerais

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12 capítulo

Gases: importância e propriedades gerais

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GETTY IMAGES/CHRISTOPHER FURLONG

Ponte sustentada por balões de gás hélio. Instalação do artista francês Olivier Grossetête, que fez parte da mostra Tatton Park Biennal, em Londres (Inglaterra), em 2012.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • a importância dos gases no cotidiano e nos conhecimentos sobre a estrutura da matéria; • o princípio de Avogadro; • as transformações gasosas; • a equação de estado de um gás; • as misturas gasosas e o conceito de pressão parcial; • os cálculos estequiométricos envolvendo gases; • os gases usados em balões; • as trocas gasosas nos pulmões.

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Para situá-lo Brincadeiras que envolvem objetos que podem flutuar, movendo-se no ar, fascinam crianças e adultos. Balões infantis que, quando soltos, podem ganhar altura e pipas que, para subir aos céus, requerem de seus construtores habilidades artesanais e conhecimentos rudimentares de aerodinâmica são parte das boas lembranças da infância e também do lazer de muitos adultos. Enfim, fazer um objeto flutuar, como se fosse um pássaro, é algo que exerce fascínio sobre a maioria das pessoas. Isso explica por que a construção de balões que pudessem ganhar os céus foi o objetivo de tantos dos que se aventuraram nesse exercício desde o século XVIII. Já em 1783, os irmãos franceses Joseph-Michel (1740-1810) e Jacques-Étienne Montgolfier (1745-1799) aqueceram o ar que enchia um balão, conseguindo que ele subisse a uma altura de aproximadamente 500 metros e flutuasse, percorrendo uma distância de mais de 2 quilômetros. Esse mecanismo foi usado até algumas décadas atrás para fazer balões de papel voarem: eles subiam porque o ar de seu

Unidade 4 Estado gasoso

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1. Pense em algum exemplo de seu cotidiano que lhe permita concluir que o ar aquecido tende a subir. Por que, na sua opinião, isso acontece? 2. Como você explicaria a diferença mencionada no texto entre a eficiência do balão que utilizava ar e a do que utilizava hidrogênio? Lembre-se de que o ar é uma mistura de gases – de modo aproximado, pode-se dizer que cerca de 80% de suas moléculas são de nitrogênio e 20% de oxigênio. 3. Durante o século XX, o gás hélio substituiu o hidrogênio em muitos balões, apesar de ser um gás menos eficiente para fazer o balão ascender. Como você explicaria essa substituição?

OBSERVATÓRIO VAZ TOLENTINO - BH/MG/PROF. RICARDO JOSÉ VAZ TOLENTINO CHARPENTIER ET FASQUELLE/REPRODUÇÃO

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interior era aquecido por meio de uma tocha (embebida em álcool, por exemplo) – essa prática foi proibida por questões de segurança, uma vez que podia causar incêndios, algumas vezes de grandes proporções. Depois de outras experiências, observando que o gás hidrogênio era bem menos denso do que o ar, Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) usou-o para encher um balão; no primeiro voo, apenas algumas semanas após o dos irmãos Montgolfier, acompanhado por seu irmão, ele alcançou cerca de 1 500 metros de altura. Nas décadas seguintes, os balões passaram a ser muito usados com propósitos científicos. O brasileiro Alberto Santos Dumont (1873-1932) construiu catorze dirigíveis entre 1894 e 1907; foi o primeiro balonista a conseguir voar Em 1973, quatro anos após o ser humano chegar à Lua, o nome de Santos voltando ao mesmo ponto de onde partira, Dumont foi conferido a uma das crateras de nosso satélite natural. em Paris, em 1898. Os dirigíveis, contudo, foram utilizados durante a Primeira Guerra Mundial (1914-1918), vitimando muitas pessoas, o que, acredita-se, desencadeou em Santos Dumont a grave depressão que o levaria ao suicídio, em 1932. Em 1919, aconteceu o primeiro voo transatlântico de um dirigível, entre a Escócia e os Estados Unidos. No final da década de 1920, o dirigível alemão Zeppelin realizou a primeira volta ao mundo, que durou 21 dias, levando 54 passageiros. Durante a década de 1930, houve voos regulares de zepelins entre cidades brasileiras. Em 1937, porém, o dirigível Hindenburg pegou fogo quando se preparava para pousar, em New Jersey (Estados Unidos). O trauma causado por esse acidente fez com que os dirigíveis ficassem esquecidos por longo tempo. Nos últimos anos, balões dirigíveis, que agora utilizam gás hélio, passaram a frequentar os céus de algumas regiões do Brasil. Além de se prestarem a passeios emocionantes, Capa do livro Os meus representam um excelente recurso publicitário, já que são verdadeiros outdoors que nabalões (Dans l’air), escrito vegam entre as nuvens.

por Alberto Santos Dumont em 1904. A foto na capa mostra o balão N-6, com o qual Santos Dumont ganhou um prêmio, em 1901, por ter percorrido um trajeto longo para a época, que durou cerca de 30 minutos. Fez parte desse trajeto a volta em torno da torre Eiffel, em Paris (França).

Essas são apenas algumas das questões que serão tratadas neste capítulo, dedicado ao estudo dos gases. As pesquisas sobre o estado gasoso desenvolvidas por inúmeros cientistas ao longo do tempo permitiram avanços no conhecimento sobre a estrutura da matéria, além de terem sido fundamentais no surgimento de muitas aplicações tecnológicas: aviões, satélites e naves espaciais, entre outras. Capítulo 12  Gases: importância e propriedades gerais

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PAOLO SCIRPA ACCHIVE/ACERVO DO ARTISTA

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Podemos imaginar os problemas que devem ter surgido ao longo do tempo por causa da dificuldade em determinar a presença de um gás tóxico e combustível no ar, como o monóxido de carbono (CO), já que ele é incolor. Além disso, como vimos nos capítulos iniciais, o estudo de processos envolvendo a combustão realizados nos séculos XVII e XVIII também requeria que se pesquisasse o comportamento dos gases mais profundamente. Nessa época, com o surgimento de instrumentos como o termômetro e o barômetro (aparelho que mede a pressão atmosférica), foram efetuados estudos envolvendo a relação entre pressão, volume e temperatura dos gases. Ainda no século XVII, o cientista Robert Boyle (1627-1691) utilizou balões em suas pesquisas, motivado pelo estudo de fenômenos meteorológicos. A ascensão dos balões é consequência da baixa densidade da amostra gasosa usada para inflá-los. Os conhecimentos acumulados sobre os gases foram essenciais, por exemplo, para compreender aspectos básicos relativos à estrutura da matéria. Foi com o estudo das descargas elétricas em gases bastante rarefeitos que ocorreram importantes avanços nos modelos atômicos. É o caso dos experimentos realizados por Thomson, a partir dos quais ele propôs a existência de cargas elétricas no átomo. Conforme vimos no capítulo 4, desde a aceitação de seu modelo, os elétrons passaram a ser reconhecidos como partículas subatômicas e, portanto, constituintes de toda a matéria. As consequências tecnológicas dos trabalhos de vários cientistas que estudaram essas descargas estão presentes em nosso cotidiano – em anúncios luminosos ou em lâmpadas fluorescentes, por exemplo. Gases a baixa pressão se ionizam ao receberem descargas elétricas. Os tubos dos antigos televisores e os aparelhos de raios X também resultam da aplicação tecnológica dessas pesquisas do final do século XIX e início do XX. Outro exemplo da importância do estudo dos gases é a invenção da máquina a vapor, fundamental para a Revolução Industrial, no século XIX. O funcionamento dessa máquina é baseado na transformação da energia térmica armazenada no vapor de água em energia mecânica.

©SHUTTERSTOCK/GREGORY JAMES VAN RAALTE

Por que estudamos os gases?

Em anúncios luminosos (foto superior) e mesmo em esculturas, gases a baixa pressão são submetidos a descarga elétrica. Na foto inferior, ao lado, Convergência-divergência (1982), obra do italiano Paolo Scirpa que também usa luz neon, além de aço e espelhos. 254

Unidade 4  Estado gasoso

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Comparando o estado gasoso com os demais estados Observe, na tabela abaixo, as diferentes características macroscópicas da matéria em cada um dos estados físicos. Características macroscópicas dos principais estados físicos da matéria Sólido

Líquido

Gasoso

Forma

Constante

Varia com a forma do recipiente

Varia com a forma do recipiente

Volume

Constante

Constante

Varia com o volume do recipiente

Influência da pressão

Não provoca variações significativas de volume

“Praticamente” incompressível

Volume bastante variável; pode ser comprimido (diminui quando é pressionado) ou expandido (aumenta quando se reduz a pressão exercida sobre ele)

Influência da temperatura

Alterações de temperatura Alterações de temperatura provocam alterações de volu- provocam “ligeiras” alterações de volume, maiores do que no caso me relativamente pequenas do sólido

Alterações relativamente pequenas de temperatura provocam mudanças de volume bem maiores que no estado líquido

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

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Ilustração produzida

Com base nessas características, podemos distinguir um sólido de um líquido ou para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas de um gás, por exemplo, conforme a primeira imagem abaixo, à direita. não têm cor), sem escala (as Apesar de ser impossível enxergar as unidades constituintes das substâncias, partículas representadas não podem observadas diretamente, nem podemos elaborar um primeiro modelo capaz de explicar por que os gases podem ser com instrumentos). ser comprimidos ou expandidos com facilidade. O estado gasoso corresponde àquele em que as partículas estão mais afastadas e têm maior liberdade de movimento, havendo, por isso, possibilidade de grande variação de volume, ao contrário do que acontece com sólidos e líquidos. No estado gasoso praticamente não há interação entre as moléculas, em oposição ao que ocorre no estado sólido. A mesma quantidade de matéria no estado gasoso, mantida à mesma pressão e à mesma temperatura, ocupa volume diferente do que sólido líquido gás ocupava no estado líquido. Note a variação de volume entre os três principais estados da matéria. Considere uma amostra com 1 mL de água Ilustração produzida para este conteúdo. líquida que é aquecida até a temperatura de Cores fantasia, sem escala. 100 °C (ao nível do mar). Enquanto ela permanecer no estado líquido, seu volume será êmbolo mantido, mas, ao passar para o estado gasoso, livre seu volume será maior. Massas iguais de uma mesma substância 1 g de H2O no estado em estados físicos distintos têm volumes digasoso ferentes, até mesmo se estiverem na mesma temperatura. A figura ao lado dá uma ideia 1 g de H2O no estado aproximada dessas diferenças de volume. líquido

t1 = 20 ºC V1 = 1 mL

O termo gás (do grego chaos) remete à ideia de desorganização, de caos, de maior liberdade das partículas quando se encontram nesse estado físico.

t1 = 20 ºC V1 = 1 226,6 mL

O volume de 1 g de água no estado gasoso (1 226,6 mL) é bem maior do que o volume da mesma amostra no estado líquido (1 mL), à mesma temperatura. No frasco à direita, a pressão foi reduzida, o que propiciou a mudança de estado. Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Não escreva neste livro.

Atividade Leia o texto e responda às questões. Uma barra de ferro com 15 cm de comprimento se encaixa com perfeição em uma cavidade de igual formato de uma peça. Um usuário dessa peça esqueceu a barra exposta ao sol intenso por algumas horas; ao tentar inserir o objeto metálico novamente no local destinado a ele, não conseguiu fazê-lo; examinou bem a barra e não entendeu o que havia acontecido, já que ela aparentemente não tinha se alterado. Essa pessoa observou também que um vendedor que carregava vários balões de gás, para vender em frente a uma escola infantil, sob sol intenso, perdeu alguns deles, que estouraram.

a) A que você atribui o fato de a pessoa não ter entendido o que aconteceu com a barra que não se encaixava mais na cavidade? Você supõe que essa pessoa, por outro lado, pode ter entendido o que aconteceu com os balões que estouraram? Compare essas situações. b) Com base no que se pode observar, explique as diferenças na interação das unidades constituintes da barra e do gás no balão a respeito: • do grau de liberdade de movimento que elas possuem; • da organização dessas unidades.

Liquefação de um gás

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

P3

P2

P1

Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 203.

gás

gás

líquido

É isso o que ocorre com o combustível do botijão, tanto do gás de cozinha, chamado de gás liquefeito de petróleo (GLP), como do gás usado como combustível de automóveis, o chamado gás natural veicular (GNV). Outra maneira de liquefazer um gás é diminuir sua temperatura, pois, com isso, há uma redução da velocidade média das moléculas que o constituem, o que possibilita que elas se aproximem e que a substância se liquefaça. Esse método é usado, por exemplo, para separar os componentes do ar: em uma primeira etapa o ar é liquefeito para depois, por meio da destilação fracionada, ter seus componentes separados. Mas será que sempre é possível liquefazer um gás por compressão ou por redução de temperatura? 256

Representação esquemática da compressão de um gás até sua liquefação.

liquefação

compressão

Cores fantasia, sem escala.

©ISTOCKPHOTO.COM/RALPHCOULTER

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Combustíveis gasosos extraídos do petróleo são bastante utilizados em nosso cotidiano. Imagine a dificuldade de usá-los caso fossem transportados no estado gasoso. Por exemplo, quantos botijões seriam necessários para termos 13 kg de gás de cozinha? Que recurso é adotado para resolver esse problema? Em certa temperatura, se aumentarmos a pressão de um gás, provocaremos a aproximação das partículas que o constituem. O aumento de pressão pode ser tal que o gás se liquefaz (ou se condensa). Observe:

O GNV pode ser transportado em cilindros, como o da foto acima, porque está liquefeito; com isso, pode-se transportar uma quantidade bem maior do que se ele estivesse no estado gasoso.

Unidade 4 Estado gasoso

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Vapor e gás Você ouve falar, por exemplo, em vapor de água e em gás hidrogênio. No entanto, nos dois casos trata-se de substâncias que estão no estado gasoso. Qual é a diferença entre gás e vapor? Se precisarmos passar uma substância que está no estado gasoso para o estado líquido, podemos, simultaneamente, diminuir sua temperatura e aumentar a pressão. Dependendo da substância e da pressão em que se encontra, a liquefação do gás pode ser feita por simples resfriamento. Para isso, a amostra gasosa não pode estar a pressões muito baixas. Outra possibilidade é a compressão da amostra gasosa e, para que isso seja viável, é indispensável que a temperatura da amostra não seja muito alta. Quando a liquefação pode ser feita por compressão, sem que se baixe sua temperatura, dizemos que a substância está na forma de vapor.

gás A

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Temperatura

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A temperatura acima da qual é impossível liquefazer uma amostra gasosa por aumento de pressão é chamada de temperatura crítica. Dizemos que uma substância é gás quando está acima dessa temperatura. Por exemplo: a temperatura crítica da amônia é de 132,4 °C. Então, rigorosamente, apenas acima de 132,4 °C teremos o gás amônia; abaixo desse valor, tem-se vapor de amônia.

gás A (acima da temperatura crítica); é impossível liquefazê-lo por compressão sem alterar a temperatura TEMPERATURA

tc

CRÍTICA

gás amônia vapor de amônia

tc = 132,4 ºC

vapor A (abaixo da temperatura crítica); é possível liquefazê-lo por simples compressão vapor A Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Variáveis de estado de um gás Para termos uma ideia da quantidade de gás no interior de um recipiente de volume conhecido, não podemos omitir a temperatura e a pressão às quais o gás está submetido, já que seu volume (V) depende da temperatura (T) e da pressão (P). V , T e P são as variáveis de estado de um gás. O metro cúbico (m3) é a unidade de volume do Sistema Internacional de Unidades (SI), mas outras unidades também são muito usadas: 1 L 5 1 dm3 5 103 mL; 1 mL 5 1 cm3; 1 m3 5 103 L No caso da temperatura, adota-se a escala termodinâmica expressa em kelvin (K). A relação aproximada entre a temperatura termodinâmica (K) e a temperatura em graus Celsius (°C) é dada por: T(K) 5 t(°C) 1 273 Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Pressão de um gás

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|P&| P= S ou P=

|mg& | S

Blaise Pascal (1623-1662), filósofo e pesquisador francês, deixou inúmeras contribuições nos campos da Matemática e da Física, algumas delas elaboradas quando ainda era bastante jovem. Sua importância no campo da Hidrostática (veja boxe Conexões, na página seguinte) explica por que ele foi homenageado com o nome da unidade de pressão do SI. LATINSTOCK/AKG-IMAGES

Imagine que uma pessoa pise por acidente, com o salto do sapato, no pé de outra em duas circunstâncias diferentes: em uma, o salto do sapato está em perfeitas condições; em outra, a ponta fina de um prego está exposta no salto. Em que caso o pisão causará mais dor? A dor será maior no segundo caso, já que o peso da pessoa será exercido sobre uma área menor, a pequena superfície da ponta do prego. Ou seja, a redução da área sobre a qual exercemos determinada força (nesse caso, o peso da pessoa) aumenta a pressão que exercemos sobre ela. É por essa razão que, para injetar um medicamento em nosso organismo, exerce-se uma força sobre a pele, usando a ponta de uma agulha – uma superfície bem menor do que a da seringa de injeção que contém o medicamento. A pressão é uma grandeza escalar (não vetorial, isto é, não está associada a uma direção e a um sentido) que relaciona a força com a área sobre a qual é exercida. No exemplo anterior, a pressão poderia ser calculada dividindo o peso da pessoa (massa, m, 3 aceleração da gravidade, g) pela área da ponta do prego. P: pressão P&: força peso S: área em que a força peso é exercida | |: módulo m: massa g: aceleração da gravidade

A unidade do Sistema Internacional (SI) de pressão é o Pascal (Pa), uma relação entre o newton (N), unidade de força, e o metro quadrado (m2), unidade de área. 1

Pascal retratado por Philippe de Champaigne, obra de 1656-1657.

N 5 1 Pa m2

Os fluidos e o conceito de pressão O conceito de pressão tem grande importância quando nos referimos a um fluido, isto é, a um líquido ou a um gás. Por exemplo, quando uma pessoa mergulha até o fundo de uma piscina, toda a coluna de água que a recobre exercerá uma pressão sobre ela, de tal modo que, quanto mais no fundo ela estiver, maior será essa pressão. Agora, imagine que a pessoa mergulhe até a mesma profundidade, mas em um local cuja densidade do líquido em que se encontra seja maior do que a da água. Por exemplo, no mar Morto, devido ao elevado teor de sal na água, a densidade do líquido atinge valores superiores a 1,3 g/cm3, maior que a da água da piscina. A pressão sobre esse banhista será maior do que no caso da piscina porque o peso exercido pela “água” do mar Morto sobre a pessoa também será maior que o da água da piscina. Para compreender melhor tudo isso, vamos estudar alguns conceitos próprios da Hidrostática, a parte da Física dedicada ao estudo de um líquido em repouso, isto é, em equilíbrio estático, em local de gravidade constante. 258

Unidade 4  Estado gasoso

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Conexões

C

D

Sistema de vasos comunicantes. As letras A, B, C e D indicam pontos do líquido submetidos à mesma pressão. Paradoxo: aparente falta de lógica; contradição; raciocínio aparentemente bem fundamentado e coerente, mas que esconde contradições.

P: pressão em um certo ponto do líquido Patm: pressão atmosférica d: densidade g: aceleração da gravidade h: profundidade do ponto de pressão P

Ou seja: “A diferença entre as pressões de dois pontos de um fluido em equilíbrio é dada pelo produto resultante da densidade do fluido multiplicado pela aceleração da gravidade local e pela diferença entre as profundidades desses dois pontos” (veja o esquema ao lado). É importante frisar que a pressão em qualquer ponto da horizontal de um líquido, em equilíbrio estático, é a mesma, independentemente da forma do recipiente que o contém; isso está de acordo com o que se observa com um líquido contido em vasos comunicantes, conforme ilustrado anteriormente: PA = PB = PC = PD. Pode-se concluir, então, que a pressão exercida por uma camada de líquido depende da profundidade, da densidade do líquido e da gravidade local. Outro princípio fundamental no estudo da hidrostática é o de Pascal. Pense no seguinte: quando uma pessoa empurra o êmbolo de uma seringa na qual há um líquido, exerce uma pressão sobre a superfície desse fluido. Essa pressão é transmitida a todos os pontos do líquido e às paredes da parte da seringa que o contém. Essa é a essência do princípio de Pascal. Esse princípio estabelece que a alteração de pressão produzida em um fluido em equilíbrio estático (repouso) transmitese integralmente a todos os pontos do líquido e às paredes do recipiente que o contém. Uma conhecida aplicação desse princípio é o uso em prensas hidráulicas para elevar veículos.

B

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

P 5 Patm 1 dgh

A

béquer

hA hB

A Δh B

PA – PB = Δp = dgΔh d: densidade do líquido g: aceleração da gravidade Δh: diferença de profundidade

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

No estudo dos gases, vamos utilizar as bases da Hidrostática, que foram estabelecidas nos séculos XVI e XVII, época em que muitas dúvidas que intrigavam os filósofos e estudiosos da Física foram esclarecidas. Uma dessas bases é o Princípio de Stevin, estabelecido por Simon Stevin (1548-1620). Com base nesse princípio foi possível compreender o “paradoxo hidrostático”, que pode ser percebido observando-se a ilustração ao lado. Em um sistema de vasos comunicantes (ou seja, vasos interligados por um canal ou tubo), o líquido contido permanece no mesmo nível, desde que os vasos estejam abertos à atmosfera, independentemente da forma de cada um deles. Ou seja, pontos de uma mesma horizontal de um líquido em repouso estão todos à mesma pressão. Essa explicação baseia-se no Princípio de Stevin, segundo o qual a pressão em um ponto de um líquido em repouso, com sua superfície livre em contato com a atmosfera, é dada por:

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Química e Física: Stevin e Pascal

F&1 B A

F&2

A variação de pressão ocasionada pela força exercida sobre o pistão de secção menor (à esquerda) em A é a mesma em todos os pontos do líquido no interior do equipamento e, portanto, no ponto B. Essa pressão transmitida ao pistão de maior secção, indicado à direita, ocasiona uma força de baixo para cima (F2) bem maior que F1. F2 realiza o trabalho de levantar o veículo.

Capítulo 12  Gases: importância e propriedades gerais

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20/05/16 18:04


Torricelli e a medida da pressão atmosférica

DIVULGAÇÃO PNLD

1 atmosfera (atm) = 760 mmHg = 76 cmHg Apesar da frequência com que são usadas essas unidades de pressão, o Sistema Internacional recomenda utilizar a unidade pascal: pascal (Pa) ou 1 Pa 5

newton metro quadrado

Cores fantasia, sem escala.

1

2

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Inspirados em Aristóteles, durante a Idade Média os cientistas acreditavam que “a natureza tem horror ao vácuo” (vácuo significa “vazio, sem matéria”). Galileu Galilei (1564-1642), um dos mais importantes estudiosos das ciências de todos os tempos, interessou-se pela questão do vácuo depois que um Hg(ℓ) jardineiro lhe disse que sua bomba era incapaz de elevar a água acima de 10 metros. Um discípulo de Galileu, Evangelista Torricelli (1608-1647), resolveu investigar o limite de altura a que uma bomba podia elevar a água e concluiu que a água subia não para eliminar o vácuo, mas porque era empurrada pela pressão do ar. Para testar sua hipótese, Torricelli usou, em vez de água, o mercúrio, líquido aproximadamente 13 vezes mais denso do que a água. vácuo Nas figuras ao lado está esquematizado o experimento realizado por Torricelli em 1643. O experimento nos sugere duas questões cujas ar desnível respostas são aparentemente contraditórias. Ao emborcarmos o tubo que contém mercúrio na cuba, o líquido desce. Por quê? O peso do mercúrio é o responsável por esse movimento. Mas como explicar o fato de que nem todo o líquido sai do tubo quando é emborcado na cuba? Segundo Torricelli, há algo que consegue equilibrar a pressão exercida pelo peso do mercúrio. É a pressão que a atmosfera exerce sobre o mercúrio que está na cuba. A pressão atmosférica não é a mesma em Brasília, no Rio de Janeiro e em Belo Horizonte, por exemplo, pois ela varia com a latitude e, especialmente, com a altitude. A pressão atmosférica ou barométrica, ao nível do mar, vale 1 atmosfera.

Hg(ℓ)

3

Representação esquemática do experimento de Torricelli. O tubo de vidro é preenchido com mercúrio e tapado com o polegar (1). Em seguida, é emborcado, ainda tapado com o polegar, em uma cuba de vidro que também contém mercúrio (2). Após retirar o polegar, o mercúrio escoa até certa altura do tubo, mantendo um desnível de 76 cm em relação à superfície externa, ao nível do mar, a 0 oC, e em um local em que a aceleração da gravidade seja de 9,8m/s2.

ou

1N ⇒ 1 atm 5 101 325 Pa m2

Atenção! Os vapores de mercúrio são tóxicos. O mercúrio é facilmente absorvido pelo organismo, no qual tem efeito cumulativo. Não tente reproduzir esse experimento!

260

Unidade 4 Estado gasoso

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04/05/16 17:51


Medida da pressão de um gás qualquer A medida da pressão de um gás qualquer é feita em equipamentos chamados manômetros. Observe as ilustrações a seguir, que representam dois manômetros de mercúrio, um aberto para a atmosfera e outro fechado. Patm

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

vácuo

x

gás

y

A

Hg(ℓ)

D

C

B

Hg(ℓ)

Hg(ℓ)

gás

DIVULGAÇÃO PNLD

gás

Pgás = x mmHg

Pgás = Patm + y mmHg

manômetro fechado

manômetro aberto

Atenção! Não interprete o aumento sugerido na imagem como se fosse a possibilidade de “enxergar” uma molécula.

Cores fantasia, sem escala.

No manômetro fechado, a pressão do gás equivale à altura da coluna de mercúrio; já no manômetro aberto, acresce-se, à da coluna de mercúrio, a pressão atmosférica no cálculo da pressão do gás. Fonte: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & chemical reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College Publishing, 1996. p. 549.

As inúmeras partículas do gás dentro do balão chocam-se com as paredes do recipiente que o contém, bem como com a superfície do mercúrio. Em ambas as figuras, os pontos A e B, C e D estão à mesma pressão, pois os líquidos estão parados. A pressão exercida pelo gás em A é igual à que o mercúrio exerce em B. Já no caso do gás representado à direita, a pressão nos pontos C e D corresponde ao desnível y da coluna de mercúrio acrescido da pressão atmosférica.

O equipamento utilizado para medir a pressão atmosférica é denominado barômetro, enquanto o utilizado para medir a pressão de um gás qualquer é o manômetro. Os manômetros são utilizados em vários tipos de indústria: na alimentícia (de produção de bebidas, por exemplo), na petroquímica, na química, na de papel e celulose, entre outras. Engenheiros, desenhistas industriais, técnicos em manutenção, projetistas e bombeiros precisam entender o funcionamento dos manômetros porque pode fazer parte do trabalho deles a projeção e a manutenção desses equipamentos.

LATINSTOCK/ALAMY STOCK PHOTO/FINE ARTS

Manômetros

Manômetro em laboratório de materiais radioativos.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ NOVA

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Lei volumétrica de Gay-Lussac Como já vimos, o final do século XVIII e o início do século XIX foram importantes para o estabelecimento das bases que estruturaram a Química como ciência. São desse período as leis relativas às massas dos participantes de uma reação (ponderais) e a teoria atômica de Dalton, pesquisador que elaborou a primeira tabela de massas atômicas relativas dos elementos. Nessa mesma época, Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) fez experimentos com os volumes dos gases envolvidos numa reação sob as mesmas condições de pressão e temperatura. Com base nesse trabalho, foi possível avaliar as massas atômicas, como veremos adiante. Vamos analisar os dados de um desses experimentos. Veja a síntese do gás amônia: Relação entre os volumes de hidrogênio, nitrogênio e amônia nas mesmas condições de temperatura e pressão gás hidrogênio 

gás nitrogênio

1 

  gás amônia

(1)

3L

1L

2L

(2)

0,3 L

0,1 L

0,2 L

(3)

900 mL

300 mL

600 mL

DIVULGAÇÃO PNLD

Note que há uma proporção entre os volumes dos gases reagentes e o volume do produto gasoso, medidos à mesma pressão e temperatura: 3 V : 1 V : 2 V (P, T constantes) Com base nas constatações experimentais, Gay-Lussac concluiu: “Nas mesmas condições de temperatura e pressão, os volumes dos gases participantes de uma reação química mantêm relações que podem ser expressas por números inteiros e pequenos”. Numa reação entre gases pode ou não haver conservação de volume. Na síntese do amoníaco, por exemplo, para cada 4 volumes de reagentes (3 volumes de gás nitrogênio (N2) e 1 volume de gás hidrogênio (H2), obtêm-se 2 volumes de produto (gás amônia, NH3). Nesse caso, a reação ocorre com contração de volume.

Princípio de Avogadro A teoria atômica de Dalton não permitia que fossem explicados os resultados experimentais obtidos por Gay-Lussac. Em 1811, Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, conhecido por Amedeo Avogadro (1776-1856), enunciou uma hipótese que conseguia justificar tais resultados, valendo-se da ideia de que as unidades constituintes dos gases eram moléculas e que estas poderiam ser formadas por mais de um átomo. Vamos equacionar a síntese da amônia, lembrando que no início do século XIX ainda não se conhecia a composição das substâncias e, consequentemente, suas fórmulas. Ou seja, naquela época seria impossível equacionar uma reação química da forma como fazemos hoje. A proporção entre os volumes gasosos tem relação com a equação. Estudando a hipótese então proposta por Avogadro, você poderá entender o porquê dessa relação.

1 N2(g)

262

+

3 H2(g)

2 NH3(g)

nitrogênio

hidrogênio

amônia

1V

3V

2V

Unidade 4  Estado gasoso

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MATRIZ NOVA

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DIVULGAÇÃO PNLD

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Lembre-se: em uma reação química, o volume total dos gases pode não se conservar, mas a massa sempre se conserva (lei de Lavoisier). No exemplo proposto, o volume dos reagentes (1 V + 3 V) é o dobro do volume dos produtos (2 V); no entanto, o número total de átomos de nitrogênio e de hidrogênio se conserva após a reação e, portanto, a massa também. O princípio de Avogadro (1811) explica os experimentos de Gay-Lussac: “Volumes iguais de quaisquer gases, submetidos a iguais condições de temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas”. As ilustrações ao lado têm apenas o objetivo de mostrar que três amostras de diferentes gases submetidos à mesma pressão e temperatura e ocupando o mesmo volume Gás: N2 Gás: NH3 possuem o mesmo número de moléculas. É Pressão: P Pressão: P Temperatura: T Temperatura: T importante destacar, no entanto, que qualVolume: x Volume: x quer amostra, por menor que seja, contém um número muito maior de moléculas do que as cinco representadas para cada gás. Além disso, as moléculas de um gás movimentam-se constantemente e estão muitíssimo afastadas umas das outras. Para representar essas distâncias entre as moléculas mantendo a escala usada para indicar os diâmetros das moléculas, teríamos que usar dimensões bem maiores do que as das páginas deste livro. Para que isso fique mais claro, vamos fazer uma analogia: imagine dois automóveis, um em Brasília e outro no Rio de Janeiro. O de Brasília é um carro de luxo, bem maior que o carro pequeno que está no Rio de Janeiro. A diferença de comprimento entre os dois automóveis (cerca de 1,5 m) é desprezível se comparada à distância entre as duas cidades (mais de 1 000 km), que é aproximadamente 700 mil vezes maior. Analogamente, as diferenças entre as dimensões das moléculas dos dois gases são insignificantes quando comparadas à distância entre as moléculas.

Gás: H2 Pressão: P Temperatura: T Volume: x Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Consequências do princípio de Avogadro Considerando que gases que ocupam o mesmo volume, à mesma pressão e temperatura, encerram o mesmo número de moléculas e pensando em termos de proporcionalidade, podemos concluir que: ▸▸ A proporção entre os números de moléculas que há em dois recipientes contendo gases à mesma pressão e temperatura é igual à proporção existente entre os volumes dos gases. Considere o exemplo: A

B

33

9,0 ? 1023 moléculas de CH4 (1 atm, 0 °C)

3,0 ? 1023 moléculas de H2 (1 atm, 0 °C)

Como nB = 3 n A, temos: 33

Se VA 5 10 L Ou seja

3,0 ? 1023 9,0 ? 10

23

5

VB 5 30 L 10 L

nA

30 L

nB

5

VA VB Capítulo 12  Gases: importância e propriedades gerais

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▸▸

A proporção entre as quantidades de matéria é igual à proporção entre os volumes de gases medidos à mesma pressão e temperatura. Isso é decorrência do item anterior, uma vez que 1 mol corresponde a 6,0 ? 1023 unidades. Considere o exemplo:

36

Se: VC 5 1,5 L Ou seja: ▸▸

0,5 3

5

D

36

0,5 mol de H2 P, T

VD 5 9,0 L

1,5 L

nC

9,0 L

nD

5

3 mol de CH4 P, T

VC VD

Em uma reação envolvendo gases, os coeficientes de acerto da equação que a representa indicam a proporção entre os volumes das substâncias participantes da reação, em idênticas condições de temperatura e pressão. Isso decorre do próprio significado dos coeficientes de acerto e do princípio de Avogadro:

3 H2(g) hidrogênio

DIVULGAÇÃO PNLD

C

+

1 N2(g)

2 NH3(g)

nitrogênio

amônia PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

V

V

V

V

V

3x moléculas Volume: 3 V (P, T)

x moléculas Volume: V (P, T)

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

2x moléculas Volume: 2 V (P, T)

O exemplo evidencia que a proporção em moléculas expressa pelos coeficientes de acerto – 3 moléculas de H2 para 1 molécula de N2 para 2 moléculas de NH3 – vale também para a proporção em volumes dos gases em idênticas condições de pressão e temperatura.

Viagem no tempo Avogadro: um reconhecimento póstumo Durante a primeira metade do século XIX, nenhum dos cientistas envolvidos com a determinação das massas atômicas dos elementos conseguiu chegar a bons resultados. Nem mesmo o químico sueco Berzelius – que, ao contrário de Dalton, havia aceitado os trabalhos de Gay-Lussac – foi capaz de fazer a fundamental distinção entre átomo e molécula. Avogadro distinguia as “moléculas integrais” – que nos dias de hoje chamamos de moléculas – das “moléculas elementares” – atualmente denominadas átomos. Aliás, o termo molécula, por ele introduzido, vem do latim e significa “pequenas massas”. 264

Unidade 4  Estado gasoso

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A hipótese proposta por Avogadro encontrou muitas resistências no meio científico. Foi o caso de seu contemporâneo, Berzelius, para quem só poderia haver ligação entre elementos de cargas contrárias. Assim, Berzelius não podia aceitar a possibilidade de existir ligação entre unidades do mesmo elemento, o que, como sabemos, acontece – é o caso das moléculas de hidrogênio (H2) e oxigênio (O2), por exemplo. Apesar de a hipótese de Avogadro (1811) explicar a lei volumétrica de Gay-Lussac (1808), ela levou aproximadamente cinquenta anos para ser aceita, o que representou um longo período de confusão, tanto sobre a constituição das substâncias como sobre a determinação das massas atômicas. Por sua consistência na explicação dos processos químicos estudados ao longo de muito tempo, a hipótese passou a ser designada como princípio de Avogadro.

Volume molar de um gás Vimos que, de acordo com o princípio de Avogadro, quantidades iguais de gases, independentemente de sua natureza, ocupam o mesmo volume quando estão em condições idênticas de temperatura e pressão. O volume ocupado por 1 mol de um gás qualquer é chamado de volume molar (VM ). Por isso, temos: (P, T constantes) VMH 5 VMCH 5 VMC H 5 VMN 5 VMO 5 ...

DIVULGAÇÃO PNLD

2

4

2 6

2

2

Volume molar nas CNTP e nas CPTP Há muito tempo foram adotados como referência os valores de temperatura e pressão correspondentes a: T 5 0 °C ou 273 K e P 5 1 atm, 760 mmHg ou 101 325 Pa. Essas condições foram chamadas de condições normais de temperatura e pressão (CNTP ou TPN). Assim: T 5 0 °C ou 273 K P 5 101 325 Pa

VM 5 22,4 L/mol

A adoção do pascal como unidade de pressão pelo Sistema Internacional de Unidades levou a considerar-se 100 000 Pa ou 1 bar como pressão padrão. As condições padrão de temperatura e pressão (CPTP) são: T 5 0 °C ou 273 K P 5 100 000 Pa

VM 5 22,7 L/mol

O Sistema Internacional de Unidades admite que a pressão atmosférica seja aproximada para 100 000 Pa. Fazendo-se essa aproximação, chega-se a um volume molar de 22,7 L/mol. Vale ressaltar que, para evitar confusões, as condições adotadas para o valor do volume molar costumam ser mencionadas quando necessárias à resolução de questões.

Não escreva neste livro.

Atividades Sempre que necessário, consulte a Tabela Periódica na página 106 para obter valores de massas atômicas. São dadas as massas atômicas: H 5 1; C 5 12; O 5 16. 1. O monóxido de carbono, gás extremamente tóxico, quando é queimado, dá origem a um gás que é produto natural de nossa respiração, o dióxido de carbono. Quanto a essa reação do CO(g) com o O2(g), presente no ar, pergunta-se:

a) Nela há conservação de número de átomos? b) E de moléculas? c) E de volume? Considere os três gases à mesma pressão e temperatura. d) Qual o volume de O2 necessário para queimar 10 L de CO à mesma temperatura e pressão? Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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2. Considere a síntese do gás N2O5 a partir de N2(g) e O2(g). Equacione a reação. Qual o volume de O2 gasto para reagir com 20 L de N2, estando todos os gases na mesma pressão e temperatura? 3. Dois recipientes têm volumes idênticos. Um contém 3 g de gás hidrogênio e outro contém gás ozônio. As duas substâncias estão à mesma pressão e temperatura. a) O que se pode concluir sobre a quantidade de matéria em cada um dos recipientes? b) É possível tirar conclusão semelhante à da questão anterior para a quantidade de moléculas? E de átomos? Explique.

c) Qual a massa de ozônio no segundo recipiente? 4. O volume molar do gás acetileno (C2H2) vale 18 L em uma pressão P e uma temperatura T. a) Qual é o número de moléculas de acetileno (C2H2) em 36 L do gás na mesma pressão e temperatura? b) Qual é a massa de metano (CH4) gasoso contida em 18 L desse gás à pressão P e temperatura T ? c) Quantos átomos há em uma amostra de 3,6 L de CO2 à pressão P e temperatura T ?

Leis dos gases

DIVULGAÇÃO PNLD

Nos séculos XVII e XVIII, diversos cientistas dedicaram-se ao estudo do comportamento do estado gasoso, realizando vários experimentos que os levaram à formulação de leis relacionando pressão, temperatura, volume e quantidade de matéria de um gás. Os experimentos a seguir o ajudarão a compreender algumas dessas relações.

Química: prática e reflexão O que acontece com o volume de um gás quando ele é pressionado sem que a temperatura mude? Material necessário

• 1 pequeno balão de aniversário

• 1 pedaço de barbante

• 1 tesoura

• 1 seringa de 20 mL (ou maior), sem agulha

Procedimento FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

1. Assoprem uma pequena quantidade de ar no balão, amarrem-no com um barbante e cortem a parte do balão que “sobra” fora da parte amarrada, conforme mostram as fotos ao lado. 2. Coloquem o balão no interior da seringa e insiram o êmbolo. 3. Tapem o orifício com o dedo e, simultaneamente, puxem o êmbolo, observando o que acontece com o volume do balãozinho. 4. Mantendo o orifício tapado com o dedo, empurrem o êmbolo e observem o que acontece com o volume do balão. Analisem suas observações

1. Quando a pressão sobre o balãozinho é reduzida, o que acontece com o volume do gás contido nele? E em caso contrário, o que acontece? 2. Apesar de terem feito apenas um experimento, vocês conseguiriam deduzir o que acontece quando se aumenta ou diminui a pressão sobre um gás, mantida a temperatura constante? 266

Unidade 4 Estado gasoso

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Química: prática e reflexão O que acontece com o volume de um gás quando ele é aquecido ou resfriado, a pressão constante? Material necessário

• 1 garrafa de refrigerante PET de 1 L ou 1,5 L com tampa

• 1 fonte de calor (fogão, bico de Bunsen ou lamparina, etc.)

• 1 panela com capacidade para 2 L de água

• 1 balde plástico com capacidade de aproximadamente 10 L

• 1 funil

• cerca de 8 L de água gelada

Cuidado! Use óculos de segurança e avental de mangas compridas. Use luvas refratárias.

Procedimento

1. Aqueça, aproximadamente, 1,5 L de água até que ela se aproxime da ebulição. 2. Usando o funil, despeje a água na garrafa. Em seguida, jogue a água fora e, imediatamente, feche bem a garrafa. Observe por alguns minutos. 3. Coloque água gelada no balde até que fique quase cheio e mergulhe a garrafa tampada nessa água. Observe o que ocorre. Não escreva neste livro.

1. Descrevam o que observaram em ambos os casos. 2. O que teria acontecido com as moléculas do gás quando ele foi resfriado?

Lei de Boyle

estado 1

estado 2

As observações que você fez no experimento com a seringa e o balão de aniversário podem ser representadas no transformação exemplo ao lado. Em uma transformação isotérmica (à temperatura constante), a pressão e o volume de uma amostra gasosa são inversamente proporcionais. Se a pressão do gás no estado 2 novatemperatura: T mente dobrar, o volume cairá pela metade V1 = 5 L 2 ? 105 Pa ? 5 L = 4 ? 105 Pa ? 2,5 L (estado 3): P1 = 2 ? 105 Pa P1 ? V1 = 10 ? 105 L Pa P 3 5 8 ? 105 Pa V3 5 1,25 L Diante de experimentos desse tipo, Robert Boyle concluiu que, à temperatura constante, P e V são inversamente proporcionais. Essa lei, resultado dos trabalhos experimentais de Boyle (1660), é válida para uma amostra gasosa, cuja massa é constante e, portanto, a quantidade de matéria é constante (n); lembre-se: a T (temperatura termodinâmica) também é constante! Assim: n1 5 n 2 V 1 5 V2

P 1 ? V2 5 P 2 ? V2

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Analisem suas observações

temperatura: T V2 = 2,5 L P2 = 4 ? 105 Pa P2 ? V2 = 10 ? 105 L Pa

A temperatura constante, o aumento da pressão implica diminuição do volume do gás. Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

transformação isotérmica

O produto P ? V é uma constante que depende da quantidade de gás na amostra (expressa em mol de moléculas) e da temperatura fixada.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ NOVA

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Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Lei de Charles e Gay-Lussac

P1

n1 5 n 2 V1 5 V2

5

T1

P2 T2

transformação isovolumétrica

P

estado 2

transformação

volume: V

2 ? 105 Pa 1 ? 105 Pa = 273 K 136,5 K

t1 = 0 ºC T1 = 273 K P1 = 2 ? 105 Pa P1 2 ? 10 Pa = T1 273 K 5

é uma constante que depende T da quantidade de matéria gasosa na amostra (n, em mol) e do volume fixado.

DIVULGAÇÃO PNLD

A relação

estado 1

P e T são diretamente proporcionais

Ao realizar o experimento com a garrafa PET, na página anterior, é possível notar que a variação de temperatura de um gás implica alteração de seu volume, se a pressão constante for mantida. Mas, fique atento: exprimir essa relação em proporcionalidade só é possível usando a temperatura termodinâmica, conforme a lei de Charles (1787), válida quando n e P são constantes: V1 T1

5

V2 T2

volume: V t2 = –136,5 ºC T2 = 136,5 K P2 = 1 ? 105 Pa P2 105 Pa = T2 136,5 K

A volume constante, a diminuição da temperatura (K) do sistema implica diminuição da pressão. Na imagem, os triângulos vermelhos representam a fonte de aquecimento.

Lei de Charles

n1 5 n 2 P 1 5 P2

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Numa transformação isovolumétrica (a volume constante), também chamada de isocórica, a pressão e a temperatura termodinâmica de um gás são diretamente proporcionais. Veja o exemplo ao lado. Se, em relação ao estado 2, a temperatura (K) cair pela metade, a pressão do gás também cairá pela metade. T3 5 68,25 K P 3 5 0,5 ? 105 Pa P e T são diretamente proporcionais. Essa lei foi formulada a partir dos trabalhos experimentais de Charles (1787) e Gay-Lussac (1802). Assim:

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

estado 1

A pressão constante, a diminuição da temperatura do sistema implica diminuição do volume de gás. Na imagem, os triângulos vermelhos representam a fonte de aquecimento. estado 2

transformação isobárica

A relação

V

é uma constante que T depende da quantidade de gás da amostra (n, em mol) e da pressão fixada. Numa transformação isobárica (a pressão constante), o volume e a temperatura termodinâmica de um gás são diretamente proporcionais. Observe o exemplo ao lado.

transformação

pressão: P V1 = 10 L t1 = 127 ºC T1 = 400 K V1 10 L = T1 400 K

268

10 L 5L = 400 K 200 K V e T são diretamente proporcionais

pressão: P V2 = 5 L t2 = –73 ºC T2 = 200 K V2 5L = T2 200 K

Unidade 4 Estado gasoso

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MATRIZ NOVA

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Utilizando papel quadriculado ou um computador, construa os gráficos especificados abaixo. As curvas que você vai obter devem representar o comportamento de uma amostra de um gás perfeito qualquer. Volume 3 temperatura termodinâmica (K) (transformação isobárica) Pressão 3 temperatura termodinâmica (K) (transformação isovolumétrica) Pressão 3 volume (transformação isotérmica) Para traçar essas curvas, escolha os valores de volume, temperatura e pressão que quiser, tomando cuidado para que estejam de acordo com as leis estudadas. Procure explicar por que os pontos zero dessas curvas não têm sentido físico. 2. Com base no quadro abaixo, referente a uma amostra gasosa a temperatura constante, determine os valores de x, y e z: Volume (L)

1

2

3

y

4

Pressão (atm)

6

3

x

4

z

DIVULGAÇÃO PNLD

Questão comentada 3. (Unicamp-SP) Uma garrafa de 1,5 litro, indeformável e seca, foi fechada com uma tampa plástica. A pressão ambiente era de 1,0 atmosfera e a temperatura de 27 °C. Em seguida, essa garrafa foi colocada ao sol e, após certo tempo, a temperatura em seu interior subiu para 57 °C e a tampa foi arremessada pelo efeito da pressão interna. a) Qual era a pressão no interior da garrafa no instante imediatamente anterior à expulsão da tampa plástica? b) Qual é a pressão no interior da garrafa após a saída da tampa? Justifique. O volume inicial da amostra gasosa era de 1,5 L (garrafa), a pressão era de 1 atm e a temperatura, 27 °C, ou seja, 300 K. Após o aquecimento, a temperatura passou a ser 57 °C, ou seja, 330 K. Nesse processo, o volume da amostra se manteve (1,5 L), uma vez que a garrafa é indeformável. Podemos resumir: P1 = 1,0 atm

P2 = ?

V1 = 1,5 L

V2 = 1,5L

T1 = 300 K

T2 = 330 K 1,0 atm ? 1,5 L 300 K

=

P2 ? 1,5 L 330 K

P2 = 1,1 atm

a) Nesse instante imediatamente anterior à expulsão da tampa, a pressão do gás é de 1,1 atm. b) Depois de aberta a garrafa, a pressão no interior dela passa a ser igual à do ambiente, isto é, 1,0 atm. 4. A que temperatura (°C) deve ser aquecido um frasco aberto para que um terço do gás nele contido a 27 °C seja expulso? 5. Explique como a lei de Charles (transformação isobárica) justifica: a) o fato de um balão de gás murchar, quando fica por muito tempo em um ambiente a baixa temperatura; b) a recomendação existente em embalagens de aerossol para conservá-las em local com temperatura abaixo de 40 °C e para não jogá-las em incineradores.

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MATRIZ NOVA

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Lei dos gases ideais Até aqui, analisamos as leis decorrentes de experimentos em que eram mantidas a amostra gasosa (massa fixa) e uma das variáveis de estado de um gás. Mas, de acordo com o conteúdo apresentado, uma amostra gasosa de um gás qualquer difere de outra quanto à quantidade de matéria (n). Entretanto, como podemos relacionar a quantidade de matéria com as variáveis de estado de um gás? Para facilitar nosso estudo, vamos partir de uma equação mais geral, resultante dos trabalhos experimentais de Robert Boyle (1660), Jacques Alexandre César Charles (1787) e Gay-Lussac (1802), que permitiram estabelecer relações entre as variáveis de estado de um gás, generalizadas pelo francês Benoît Paul Émile Clapeyron (1799-1864) na seguinte equação: P?V5n?R?T P: pressão do gás V: volume do gás T: temperatura termodinâmica do gás (K) R: constante universal dos gases n: quantidade de matéria (mol) Unidades das variáveis de estado

DIVULGAÇÃO PNLD

Unidades Volume

m3, L, mL, cm3, etc.

Pressão

Pa, atm, mmHg, etc. °C (grau Celsius) e K (kelvin)

Temperatura

T (K) = t (°C) + 273 A temperatura termodinâmica é essencial no estudo dos gases. Não escreva neste livro.

Atividades 1. R é uma constante universal, por isso tem sempre o mesmo valor, independentemente do gás considerado. O valor numérico de R, porém, varia com as unidades adotadas. Assim: (P em atm) R 5 0,082 atm L mol–1 K–1 –1 –1 (P em mmHg) R 5 62,3 mmHg L mol K Calcule o valor da constante nas unidades atualmente adotadas pela IUPAC (P em Pa, T em K e V em dm3). Lembre-se de que, nas condições padronizadas (CPTP), temos: P 5 105 Pa e T 5 273 K, portanto, o volume molar VM 5 22,7 L. 2. Considere um gás à temperatura de 27 °C e pressão de 1 atm. a) Qual é o valor do volume molar? b) Qual é o volume de 0,25 mol de CO? Sempre que necessário, consulte a tabela de massas atômicas e considere a constante dos gases R 5 0,082 atm ? L ? K–1 ? mol–1. 3. Uma residência é abastecida basicamente por gás butano (C4H10). Se o volume consumido por essa residência for de 50 m3, à temperatura de 27 °C e sob pressão de 1 atmosfera, calcule a massa de butano que é consumida nessa casa. 4. Um extintor de incêndio contém 4,4 kg de dióxido de carbono. Se todo esse dióxido for liberado na atmosfera a 27 °C e 1 atm, qual será o volume desse composto no estado gasoso?

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Unidade 4 Estado gasoso

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Equação de estado e transformações gasosas

R5

P 1 ? V1

5

P 2 ? V2

5

1 ? 105 V

5

0,5 ? 105 ? 2 V

n1 ? T1 n 2 ? T2 n1 ? T n2 ? T Ou seja: n1 5 n 2 Lembrando que há 56 g de CO no recipiente menor, então: 28 g 1 mol de CO 56 g n1 n1 = 2 mol Como n1 = n 2, em ambos os recipientes há 2 mol de gás. 16 g 1 mol de CH4 m 2 mol de CH4 m = 32 g Portanto, no segundo balão haverá 32 g de CH4.

DIVULGAÇÃO PNLD

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Vamos nos valer de um exemplo numérico para que você entenda essa relação. Dois recipientes contendo gases estão à mesma temperatura. O primeiro contém 56 g de CO (gás 1) a 1 ? 105 Pa. O segundo, cujo volume é o dobro do primeiro, contém CH4 (gás 2) a 0,5 ? 105 Pa. Qual é a massa de metano no último? Como R é constante, podemos escrever:

CH4 P2 = 0,5 ? 105 Pa V2 = 2 V T2 = T

CO P1 = 1 ? 105 Pa V1 = V T1 = T

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Lei dos gases (combinada) Recorrendo à equação de estado, vamos considerar um gás X que sofre uma transformação, como indicado a seguir: Estado inicial

Estado final

gás X

gás X

P 1, V1, T1

P 2, V2, T2

P 1 ? V1 5 n1 ? R ? T1

P2 ? V2 ? n 2 ? R ? T2

P 1 ? V1 5 n 1 ? R

P 2 ? V2 ? n 2 ? R

T1

T2

Nessa transformação, a amostra gasosa se mantém n1 = n 2, ou: P 1 ? V1 T1 A relação gasosa.

P?V T

5

P 2 ? V2 T2

é uma constante que depende da quantidade de matéria da amostra Não escreva neste livro.

Atividades torneira

Para resolver as questões a seguir, baseie-se no esquema ao lado. Nele estão representados dois balões de igual volume, unidos por um tubo cujo volume é desprezível se comparado ao dos dois balões e no qual há uma torneira.

A

B

Cores fantasia, sem escala. 1. Inicialmente, os dois balões estão em ambientes de mesma temperatura e, no balão A, há um gás a pressão de 1 atm. O balão B está vazio. Quando se abre a torneira, qual é a pressão do gás em A? E em B? 2. Em outra situação, nos balões há um gás a 27 °C, à pressão de 1 atm. Quando se abre a torneira, o conjunto é levado a um ambiente a 127 °C. Qual é a pressão no interior do sistema?

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As leis dos gases são importantes porque permitem fazer previsões quantitativas sobre o comportamento de um gás. Mas, a partir dessas leis, como podemos fazer deduções a respeito do que ocorre com as unidades constituintes do gás? O fato de os gases terem comportamentos semelhantes nas diferentes transformações gasosas sugeriu que deviam existir semelhanças no comportamento de suas moléculas. Assim, da mesma forma que as leis ponderais das reações conduziram Dalton à criação da teoria atômica, as leis dos gases foram explicadas por meio da teoria cinética dos gases, um modelo desenvolvido durante o século XIX por vários cientistas, entre os quais os físicos Ludwig Boltzmann (1844-1906) e James Clerk Maxwell (1831-1879). Vamos resumir os pressupostos dessa teoria: ▸▸ Um gás é constituído de moléculas (ou átomos), separadas umas das outras por distâncias significativamente maiores do que suas próprias dimensões. Por isso pode-se considerar que os volumes das moléculas em relação ao volume da amostra gasosa sejam desprezíveis. ▸▸ As moléculas de um gás estão em constante movimento em todas as direções e podem chocar-se umas com as outras. Essas colisões são elásticas, isto é, não provocam alteração no total de energia cinética das moléculas que colidem (não há transformação da energia cinética em outras formas de energia). Apesar disso, a energia pode ser transferida de uma molécula a outra, de modo que o total de energia do sistema permaneça constante. ▸▸ As unidades constituintes de um gás não exercem atração nem repulsão significativas entre si. ▸▸ A energia cinética média das moléculas de um gás é proporcional à temperatura termodinâmica (K) da amostra. Cores fantasia, sem escala.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Como explicar o comportamento dos gases?

Representação do movimento das moléculas de um gás como esferas. Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 198.

Falamos em energia cinética média, pois as moléculas têm velocidades diferentes (tanto em módulo como em direção e sentido), que são alteradas a cada colisão. Como você sabe, toda teoria ou modelo é formulada para explicar uma série de conclusões experimentais. A teoria cinética dos gases, desenvolvida na segunda metade do século XIX, foi capaz de explicar as leis de Boyle, Charles, Dalton e Gay-Lussac, além de ser coerente com os estudos sobre calor e temperatura desenvolvidos por James Prescott Joule (1818-1889) e William Thomson (Baron Kelvin, 1824-1907). A abordagem desta coleção está voltada somente para os pressupostos essenciais dessa teoria, sem os aprofundamentos quantitativos que envolvem cálculos complexos. Ainda assim, é possível compreender que ela é capaz de explicar as leis anteriormente abordadas. 272

Unidade 4  Estado gasoso

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Explicando a transformação isotérmica (lei de Boyle) Quando reduzimos o volume de um gás, sem alterar a temperatura, a energia cinética média das moléculas não muda, porém as moléculas ficam mais próximas umas das outras. Como a densidade é a relação entre massa e volume, em um volume menor, teremos a mesma massa (o mesmo número de moléculas), o que explica o aumento da densidade do gás. Esse aumento da concentração de moléculas do gás tem como consequência um maior número de choques das moléculas contra as paredes do recipiente. Mais choques por unidade de tempo significam aumento da pressão exercida pelo gás contra a superfície do recipiente que o contém.

Explicando a transformação isovolumétrica Quando a temperatura de um gás sobe, de acordo com a teoria cinética dos gases, há aumento da energia cinética média de suas moléculas. Porém, a energia cinética de um corpo depende da massa (que, no caso das moléculas de uma substância, não muda) e da velocidade. Veja a expressão matemática da energia cinética: 1 m ? v2 2 Assim, o aumento da temperatura do gás faz aumentar a velocidade (v) de suas moléculas. Consequentemente, haverá maior número de colisões dessas unidades contra as paredes do recipiente, ou seja, haverá aumento de pressão. Observe as ilustrações: ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Ec 5

Quando elevamos a temperatura de um gás sem alterar seu volume, a energia cinética das moléculas do gás aumenta, aumentando o número de colisões contra a parede do recipiente, o que explica a elevação de pressão.

V1

V1

V2

V2

V2

V1 T1 > T2 P 1 > P2 T1

T2

Explicando a transformação isobárica

Quando aumentamos a temperatura de um gás sem aumentar a pressão, deve haver o mesmo número médio de colisões das moléculas de gás por unidade de área das paredes do recipiente, o que explica o aumento do volume de gás.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

êmbolo livre AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Se aquecermos um gás, de acordo com a teoria cinética dos gases, a velocidade de suas moléculas aumentará. Mas, se não houver aumento do volume desse gás, elas manterão a mesma distância média entre si e, consequentemente, haverá aumento da pressão. Para que a pressão se mantenha constante, deve haver o mesmo número médio de colisões por unidade de área, o que só será possível se o volume do gás aumentar. No exemplo representado na figura ao êmbolo livre lado, como o êmbolo está livre, a pressão do gás durante o aquecimento fica constantemente igual à pressão atmosférica do local.

P 1 = P2 T2 > T1 V1, T1

V1 < V2

V2, T2

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Se resfriarmos um gás, para que a pressão se mantenha constante, ocorrerá redução de seu volume. Quando a distância média entre as moléculas diminui, o gás deixa de seguir perfeitamente a proporcionalidade V 3 T (não é mais gás perfeito, e sim real). Devido ao surgimento de interações intermoleculares, poderá ocorrer a sua liquefação.

Explicando o princípio de Avogadro

DIVULGAÇÃO PNLD

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Segundo Avogadro, se o volume de dois gases, em condições iguais de T e P, é o mesmo, é porque eles têm igual número de moléculas. Como isso se explica pela teoria cinética dos gases? Se a temperatura é a mesma, a energia cinética média das moléculas dos gases também é a mesma, independentemente de sua natureza. E, se os gases têm o mesmo volume, é porque contêm o mesmo número de moléculas. Assim, o número médio de colisões das moléculas desses gases por unidade de área das paredes dos recipientes que os contêm é idêntico e, consequentemente, a pressão de ambos os gases é idêntica. Para que dois gases apresentem o mesmo volume, em condições iguais de pressão e temperatura, eles devem ter o mesmo número de moléculas.

P, V, T, n1

Se P, V, T, são iguais, então: n1 5 n2.

P, V, T, n2

Atividades

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Não escreva neste livro.

1. Partindo dos pressupostos da teoria cinética dos gases, explique: a) por que os gases são compressíveis; b) por que, numa transformação isotérmica, pressão e volume são inversamente proporcionais (lei de Boyle); c) o princípio de Avogadro. 2. Segundo a teoria cinética dos gases, o que há em comum entre gases que estão a uma mesma temperatura? É possível dizer que a velocidade média de suas moléculas é a mesma? Por quê? 3. O aumento da quantidade de matéria de um gás em um balão provoca o aumento da pressão, desde que a temperatura se mantenha constante. Como você explicaria esse fato à luz da teoria cinética dos gases?

Questão comentada 4. Em uma ampola de vidro são acondicionados 30 g de um gás. Nessas condições, a pressão dentro da ampola é de 4 atm. Porém, a ampola quebra em um local cuja pressão barométrica é 1 atm. Suponha que a temperatura se mantenha constante e responda: a) O que acontecerá com o gás? b) Que alteração ocorrerá na massa do gás? Qual a diferença em massa? c) Que mudança haverá na quantidade de matéria (em mol) dentro da ampola?

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Unidade 4 Estado gasoso

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Enquanto a ampola estiver fechada, a pressão do gás será 4 de atm. No entanto, quando ela for aberta, a pressão do gás passará a ser de 1 atm. Vale ressaltar que não seria possível usar a equação de estado dos gases porque a amostra gasosa não se conserva. Inicialmente teríamos 30 g ou 30/M mol. Ao final, a massa será menor, equivalente a x/M mol. Note que M é o mesmo em ambas as situações porque o gás é o mesmo. O volume da ampola e a temperatura do gás também não variam. Podemos recorrer à expressão PV = nRT, igualando R nas duas situações: P1 5 4 atm V1 5 V 30 n1 5 M P1V1

R5

n1T1

P2 5 1 atm V2 5 V x n2 5 M 5

4 atm ? V 30 g

DIVULGAÇÃO PNLD

M 4?

?T x M

P2V2 n2T2 1 atm ? V

5

xg M

5 1?

?T

30 M

4x 5 30 x 5 7,5 g a) Parte do gás escapa, pois sua pressão ficará menor. b) Saem da ampola: 30 g 2 7,5 g 5 22,5 g. c) A quantidade de matéria passará a ser 1 da inicial. 4

Densidade absoluta Você já conhece o conceito de densidade ou massa específica de uma substância. Esse conceito é válido para uma substância em qualquer estado físico. Por que, então, estudaremos em particular a densidade dos gases? Vamos refletir, começando por responder às questões a seguir.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Um balão de festa (bexiga) cheio de gás está numa geladeira e o gás que ele contém tem densidade d. O que ocorre com a densidade do gás se o balão for levado para um local a 30 °C? Explique. 2. Quando um pistão comprime um gás à temperatura constante, o que ocorre com a densidade desse gás? Você deve ter concluído que particularizamos a densidade de um gás porque ela varia bastante com a temperatura e com a pressão, o que não ocorre com substâncias em outros estados físicos. Densidade absoluta de um gás é a relação entre a massa de uma amostra desse gás e o volume por ela ocupado em certa pressão e temperatura. d(P, T) 5

M V Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Como se calcula a densidade de um gás qualquer? Sem conhecer a massa e o volume ocupado por uma amostra de um gás, é possível calcular sua densidade em dadas pressão e temperatura? ▸▸ Suponha que se queira calcular a densidade de um gás como o hidrogênio (H ) a 1 ? 105 Pa 2 e 0 °C. Como o volume de 1 mol (VM) vale 22,7 L, a 105 Pa e 0 °C, e a massa molar do H2 é 2 g/mol, pode-se determinar a dH nessas condições: 2

2g g g (105 Pa, 0 °C) dH 5 5 0,088 (105 Pa, 0 °C) ⇒ dH ≃ 0,09 2 22,7 L 2 L L Ou a 1 atmosfera, isto é, 101 325 Pa e 0 °C, VM 5 22,4 L, o que genericamente significa: d x    5 (101 325 Pa, 0 °C)

▸▸

Mx g 22,4 L

Para uma condição qualquer, de temperatura (T) e pressão (P), podemos usar a equação de estado para calcular a densidade de um gás: P?V5n?R?T

em que n 5

m

DIVULGAÇÃO PNLD

M m m P?V5 ?R?T ⇒ P?M5 ?R?T ⇒ P?M5d?R?T M V P?M d5 R?T Repare que a densidade é diretamente proporcional à massa molar de um gás. Isso explica o fato de o hidrogênio (H2), que possui a menor massa molar, ter sido o primeiro gás a ser usado em dirigíveis. Por ser combustível, entretanto, vários acidentes ocorreram, fazendo com que fosse substituído por hélio (MHe 5 4 g/mol), um gás nobre, não reativo.

Como a densidade de um gás varia com a pressão e com a temperatura? O que acontece com o volume de uma amostra gasosa quando se aumenta sua pressão a temperatura constante? Nessas condições, seu volume diminui. Mas, se a densidade relaciona a massa de uma amostra com seu volume, na medida em que o volume diminui, a densidade aumenta. Ou seja, a densidade de um gás, a temperatura constante, é diretamente proporcional à sua pressão. O que acontece, então, com a densidade de um gás, à pressão constante, quando se aumenta sua temperatura? A temperatura termodinâmica (K) é diretamente proporcional ao volume de uma amostra gasosa, à pressão constante. Se a massa da amostra é constante e o volume aumenta, a relação massa/volume se torna menor. Ou seja, a densidade de um gás, à pressão constante, é inversamente proporcional à temperatura termodinâmica (K). Essas conclusões podem ser deduzidas com base na expressão: d 5

P?M . R?T

Como R e M são constantes para um mesmo gás, podemos escrever: P1 P2 P?M P 5 5 ? K ou d5 R?T T d1 ? T1 d 2 ? T2 d P A temperatura constante (transformação isotérmica): T1 5 T2 ⇒ 1 5 1 . d2 P2 A pressão constante (transformação isobárica): P 1 5 P 2 ⇒ d1 ? T1 5 d 2 ? T2. 276

Unidade 4  Estado gasoso

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Densidade relativa dos gases A densidade relativa é a razão entre as densidades de dois gases, em idênticas condições de pressão e temperatura. d Seja d A,B a densidade de um gás A em relação à de um gás B: d AB 5 A . dB P ? MA P ? MB dA MA e dB 5 . Então: Mas d A 5 5 . R?T R?T dB MB A relação entre as densidades de dois gases é igual à relação entre as suas massas molares. Por exemplo: o gás SO2 (M 5 64) tem densidade igual ao dobro da densidade do gás O2 (M 5 32), nas mesmas condições de temperatura e pressão. A densidade relativa é um número puro, isto é, sem unidades.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Os dirigíveis usados no início do século XX utilizavam gás hidrogênio. Como o hidrogênio é combustível, ele foi substituído por gás hélio. Qual é a razão especial de terem sido esses e não outros gases os escolhidos para serem usados em balões e dirigíveis? 3. Quantas vezes o monóxido de carbono é mais denso que o hidrogênio, nas mesmas condições de temperatura e pressão? 4. Calcule a massa de 1,8 ? 1024 moléculas de um gás X cuja densidade em relação ao H2 é 32. 5. O gás hélio, em determinada temperatura e pressão, tem densidade de 0,16 g/L. Outro gás, nas mesmas condições, tem densidade 1,28 g/L. Qual é a massa molar desse gás? 6. Como se explica a ascensão dos balões usados antigamente em festas juninas? Após algum tempo, eles caíam, o que fez com que fossem proibidos. Por quê?

Misturas gasosas

Cores fantasia, sem escala.

Pressão parcial de um gás Imagine que os gases nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) – balões 1 e 2, respectivamente – sejam misturados nas condições indicadas na figura ao lado. Repare que a pressão total dos gases na mistura é a soma das pressões que os gases exercem quando estão sozinhos num balão de mesmo volume e mesma temperatura. Dalton constatou experimentalmente esse fato.

1

V = 10 L 0,10 mol de N2 27 °C

P1 = 187 mmHg

Hg(ℓ)

2

V = 10 L 0,050 mol de O2 27 °C

P2 = 93 mmHg

Hg(ℓ)

mistura V = 10 L 0,10 mol de N2 0,050 de O2 27 °C

P3 = 280 mmHg

Hg(ℓ)

P 1 + P2 = P3

A partir de suas observações, em 1801, ele formulou a lei de Dalton. Pressão parcial (p) de um gás, numa mistura gasosa, é a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho todo o volume da mistura, na mesma temperatura.

Ilustração produzida com base em: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & chemical reactivity. 3th ed. Orlando: Saunders College Publishing, 1996. p. 568.

Capítulo 12  Gases: importância e propriedades gerais

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DIVULGAÇÃO PNLD

2. Qual é a densidade do H2 à pressão de 0,5 atm e à temperatura de 27 °C?

277

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Vamos pensar em outra situação. Imagine que três gases constituintes de uma mistura são separados e transferidos para balões com volume V igual ao da mistura e com temperatura T idêntica a ela. V, T 3 mol de hidrogênio, H2 6 mol de metano, CH4 9 mol de hélio, He P 5 3,0 ? 105 Pa V, T

V, T

3 mol de H2

9 mol de He

PH 5 0,5 ? 105 Pa

PHe 5 1,5 ? 105 Pa

2

V, T 6 mol de CH4 PCH 5 1,0 ? 105 Pa 4

DIVULGAÇÃO PNLD

P 5 0,5 ? 105 Pa 1 1,0 ? 105 Pa 1 1,5 ? 105 Pa 5 3,0 ? 105 Pa

Note que a pressão parcial do He é três vezes a do H2, e a do CH4 é duas vezes a do H2. Tal fato decorre de o He ter o triplo da quantidade de matéria do H2, e o metano, o dobro, consequência direta do princípio de Avogadro. Podemos deduzir que a pressão exercida pela mistura gasosa P se deve à contribuição proporcional de cada um dos gases componentes, o que pode ser assim representado: 0,5 ? 105 Pa

1,0 ? 105 Pa

1,5 ? 105 Pa

PH

2

PCH

4

PHe

Pt 5 3,0 ? 105 Pa

2

nCH

4

nHe

n 5 18 mol

nH

3 mol 0,5 ? 105 Pa

6 mol 5

3 mol

1,0 ? 105 Pa 6 mol

9 mol 5

1,5 ? 105 Pa 9 mol

Desse modo, quando existe apenas H2 no recipiente, a pressão é 0,5 ? 105 Pa, o que corresponde à sua participação na pressão total da mistura. Ou seja, a pressão parcial do H2 (pH ) vale 0,5 ? 105 Pa. 2 Em todo o raciocínio desenvolvido no exemplo, são válidas as duas expressões fundamentais para os cálculos que envolvem pressões parciais mencionadas a seguir, (1) e (2). Elas estão destacadas para chamar sua atenção: (1) P 5 pA 1 p B 1 p C 1 ... (expressão da lei de Dalton) Em que pA , p B e p C indicam a pressão parcial de cada gás em uma mistura; são genericamente representados por p. Lei de Dalton: “Numa mistura gasosa, a pressão total (P) é a soma das pressões parciais (p) de seus componentes”. 278

Unidade 4  Estado gasoso

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MATRIZ NOVA

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(2)

pA P

5

nA

XA 5

n

Em que:

nA n

Portanto, (2) pA = PX A .

P – pressão total da mistura (Pa)

Como vimos, pressões (parcial e total) e quantidade de matéria são diretamente proporcionais.

n A – quantidade de matéria do gás A (mol) n – quantidade total de matéria (mol)

Veja, na representação esquemática a seguir, um exemplo numérico de uma mistura de três gases quaisquer que procura esclarecer as relações que acabamos de analisar:

A expressão (2) indica que, para uma mistura gasosa, tanto as pressões parciais como a pressão total são proporcionais às quantidades de matéria. A fração em quantidade de matéria do gás A, X A , é a relação entre n A e n: PW 5 200 mmHg

P Y 5 300 mmHg

PZ 5 100 mmHg P 5 600 mmHg

DIVULGAÇÃO PNLD

n 5 3 mol 1 mol W

1,5 mol Y

nW

5

PW nW

5

nY 1,0 mol 1,5 mol

5

nY

nY

PY

PY

PW

nY

PY

nZ

200 mmHg

1,5 mol

300 mmHg

0,5 mol

5

5

5

0,5 mol Z

nZ

n

PZ

P

PY

n

PZ

nW

300 mmHg

3,0 mol

100 mmHg

1,0 mol

nW

5

PW P

5

5

PW 600 mmHg 200 mmHg

Observação: Todas as leis apresentadas são válidas para os gases ditos perfeitos ou ideais, ou seja, elas têm aplicação limitada a gases nos quais as moléculas estão bem distantes umas das outras, de forma que a atração entre elas seja desprezível. Se o gás é submetido a pressões elevadas e a temperaturas baixas, suas moléculas têm suas distâncias médias reduzidas, isto é, ficam mais próximas, e, nesse caso, seu comportamento se afasta do previsto pelas leis dos gases perfeitos. Dizemos então que se trata de um gás real, e essas leis têm que ser corrigidas, o que foge aos objetivos do Ensino Médio. Quando a proximidade das moléculas fica muito grande (pressões altas e temperaturas baixas), pode ocorrer a liquefação dos gases. Ilustração produzida para gás ideal ou perfeito

e1

gás real e1 .. e2, em que e é a distância entre as partículas

A dimensão das moléculas é desprezível quando comparada com a distância média (e1) entre elas.

e2

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

A dimensão das moléculas não é desprezível quando comparada com a distância média (e2) entre elas.

Capítulo 12  Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ NOVA

279

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Não escreva neste livro.

Atividades Questão comentada 1. (Fuvest-SP) Na respiração humana o ar inspirado e o ar expirado têm composições diferentes. A tabela abaixo apresenta as pressões parciais, em mmHg, dos gases da respiração em determinado local. Gás

Ar inspirado

Ar expirado

157,9

115

0,2

x

590,2

560,1

7

6,6

4,7

46,6

Oxigênio Dióxido de carbono Nitrogênio Argônio Vapor de água

Qual o valor de x em mmHg? a) 12,4

b) 31,7

c) 48,2

d) 56,5

e) 71,3

A pressão do ar nos pulmões tem que se manter, ou seja, a pressão do ar inspirado tem que ser igual à do ar expirado. Todas as pressões parciais dos gases inspirados foram fornecidas e, portanto, ao somá-las, teremos o valor da pressão total do ar nos pulmões.

DIVULGAÇÃO PNLD

P 5 (157,9 1 0,2 1 590,2 1 7 1 4, 7) mmHg 5 760 mmHg Fazendo um raciocínio análogo para a mistura gasosa expirada, podemos deduzir o valor de x: P 5 760 mmHg 5 (115 1 x 1 560,1 1 6,6 1 46,6) mmHg x 5 31,7 mmHg Alternativa b.

a) 3 atm.

A

b) 4 atm. c) 6 atm. d) 9 atm.

B

H2 3 atm

vácuo

e) 12 atm.

He 9 atm

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

2. (UFRGS-RS) Se o sistema representado abaixo for mantido a uma temperatura constante e se os três balões possuírem o mesmo volume, após se abrirem as válvulas A e B, a pressão total nos três balões será:

Conexões Química e Biologia – Trocas gasosas na respiração Como você sabe, em nosso organismo, o oxigênio (O2) do ar tem o papel fundamental de oxidante capaz de, em termos simplificados, transformar compostos orgânicos presentes nos nutrientes em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Por meio desse processo é que o organismo obtém energia para múltiplas finalidades. A respiração é o processo por meio do qual inspiramos o O2, substância que o sangue carrega dos

280

pulmões aos tecidos das diversas partes do organismo. Por meio do sangue, também o CO2 resultante do metabolismo celular é levado aos pulmões, sendo então expirado. Os gases CO2 e O2 dissolvem-se no fluido sanguíneo. Vale frisar que a solubilidade de um gás em um líquido é proporcional à pressão que o gás exerce no líquido. Além disso, os gases fluem de uma pressão mais alta para outra mais baixa.

Unidade 4 Estado gasoso

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MATRIZ NOVA

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DIVULGAÇÃO PNLD

Então vejamos, de forma geral, como a respiração funciona. Em um indivíduo sadio, o sangue venoso chega aos pulmões carregando gás CO2 dissolvido em uma concentração que equivale a uma pressão parcial aproximada de 45 mmHg. O sangue venoso carrega também gás O2 não utilizado pelo organismo, que exerce uma pressão de 40 mmHg a 45 mmHg. O sangue venoso contendo esses gases dissolvidos chega aos pulmões por meio dos capilares dos alvéolos pulmonares. Já o ar que chega aos pulmões pela respiração contém O2 a pressão parcial maior que 100 mmHg, portanto superior à pressão parcial do O2 presente no sangue venoso que atingiu os pulmões. Consequentemente, o O2 passa dos alvéolos pulmonares para o sangue venoso que flui nos capilares, elevando a pressão parcial do O2 no sangue para 100 mmHg; ou seja, há transformação do sangue venoso (que carrega quantidades próximas de CO2 e O2) em arterial (que, em relação ao sangue venoso, carrega mais O2 e menos CO2). Há transferência de CO2 do sangue para os alvéolos pulmonares também por diferença de pressão, o que permite que o CO2 deixe o sangue e atinja os pulmões, sendo então expirado. O sangue arterial, que se enriqueceu de O2 nos alvéolos, flui dos pulmões em direção às células de todas as partes do organismo, onde a pressão parcial do O2 é de, no máximo, 30 mmHg, e a do CO2 é da ordem de 50 mmHg (lembre-se de que o O2 é utilizado pelas células para obter energia). Como no sangue arterial a pressão parcial do O2 é

da ordem de 100 mmHg, portanto superior à do O2 das células, há transferência do O2 do sangue arterial para as células. Não escreva neste livro. 1. No sangue que circula em nosso organismo, em que partes a pressão parcial do CO2 é a máxima? 2. Como esse valor máximo de pressão do CO2 contribui para o funcionamento de nosso organismo? 3. A pressão parcial do O2 é mais alta no sangue arterial ou no venoso? 4. Qual é a pressão parcial do O2 que inalamos, supondo que a pressão atmosférica local seja 760 mmHg (nível do mar)? (Admita que o ar contém aproximadamente 20% de O2.) 5. Imagine que você vai viajar para um local em que a pressão atmosférica é inferior a 700 mmHg. Nesse caso, a transformação do sangue venoso em arterial será mais fácil ou mais difícil que ao nível do mar? Por quê? 6. O monóxido de carbono (CO) é um gás extremamente tóxico, capaz de dificultar o transporte de O2 pelo sangue, visto que se liga com maior intensidade à hemoglobina que o O2. Quando uma pessoa corre risco de vida por conta da exposição a altas concentrações de CO, um recurso possível é colocá-la em uma câmara hiperbárica, na qual a pressão do O2 é da ordem de 2 atm. Por que esse recurso pode salvar o indivíduo?

sangue arterial

tido s en

o sanguíneo do flux

alvéolo fluxo sanguíneo

pO > 100 mmHg 2

pCO = 40 mmHg

pO = 100 mmHg

CO2

2

pCO = 40 mmHg 2

O2

pO = 40 mmHg a 45 mmHg 2 pCO = 45 mmHg 2

pO = 30 mmHg 2

pCO = 50 mmHg

2

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

capilar sanguíneo

2

O2 pO = 40 mmHg a 45 mmHg

CO2

2

pO = 100 mmHg 2 pCO = 40 mmHg

células do corpo

2

pCO = 45 mmHg 2

sangue venoso

sentid neo o do fluxo sanguí

capilar pulmonar

Representação esquemática das trocas gasosas nos alvéolos pulmonares, a hematose pulmonar.

Representação esquemática das trocas gasosas nos tecidos do organismo.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ

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Cálculos em reações químicas das quais participam gases

P 5 1 atm; V 5 24,6 L; R 5 0,082 T 5 27 °C 5 300 K

Tudo o que foi visto neste capítulo pode ser aplicado em cálculos envolvendo reações químicas, das quais participam um ou mais componentes no estado gasoso. Vamos utilizar uma questão proposta em um exame de seleção a uma universidade para exemplificar o que foi dito.

Questão comentada (PUC-RS) Os hidretos de metais alcalinoterrosos reagem com água para produzir hidrogênio gasoso, além do hidróxido correspondente. Considerando que a constante universal dos gases é 0,082 atm ? L/mol ? K–1, a massa de hidreto de cálcio (CaH2) necessária para produzir gás suficiente para inflar um balão com 24,6 litros a 27 oC e pressão de 1 atm é, aproximadamente:

DIVULGAÇÃO PNLD

a) 21 g

b) 42 g

c) 50 g

d) 63 g

e) 80 g

n5

PV RT

5

atm ? L mol ? K

;

1 atm ? 24,6 L 0,082 atm ? L ? (mol ? K)–1 ? 300 K

n 5 1 mol Agora, vamos aplicar os conhecimentos que você já tem dos cálculos envolvendo reações químicas. Para isso, vamos equacionar a reação: CaH2(s) + 2 H2O(ℓ)

Ca(OH)2(aq) + 2 H2(g)

1 mol

2 mol

x

1 mol

x 5 0,5 mol de hidreto de cálcio Mas a massa molar do CaH2: (40 1 2)g/mol. Então, se 1 mol CaH2

42 g, 0,5 mol corresponde a 21 g.

Resposta: alternativa a.

Inicialmente, vamos calcular a quantidade de matéria de gás hidrogênio que deverá ser produzida. Para isso, vamos utilizar a equação geral dos gases perfeitos: PV 5 nRT.

Observação: Em questões de vestibular, quando apenas há menção à CN, CNTP, TPN, supõe-se T = 0 °C e P = 1 atm. Nessas condições, o volume molar é 22,4 L.

Atividades 1. Em um balão, há uma mistura de CH4 e He à pressão de 1 atm. Se a pressão de He é 4 vezes a do CH4, calcule: a) as pressões parciais dos dois gases na mistura;

Não escreva neste livro.

b) a relação entre as massas de CH4 e He.

Questão comentada 2. (UFSM-RS) Combustão do ácido láctico é representada pela seguinte equação: 3 CO2(g) + 3 H2O(g) C3H6O3(s) + 3 O2(g) ácido láctico

Para realizar a combustão completa de 9 g de ácido láctico em um cilindro de 1 L de volume, sabendo-se que deve ser usado um excesso de 11% de oxigênio e considerando-se a constante universal dos gases igual a 0,082 atm ? L ? mol–1 K–1, a pressão necessária de O2(g) a 27 °C será, aproximadamente, de: a) 2,73 atm

b) 5,46 atm

c) 8,20 atm

d) 54,60 atm

e) 82,00 atm

Vamos começar calculando, com base na equação química, a quantidade de matéria (n) de gás oxigênio necessária para proceder à combustão do ácido láctico. Sendo a massa molar do ácido láctico: MC H O 5 (3 ? 12 1 6 ? 1 1 3 ? 16) g/mol 5 90 g/mol 3 6 3

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Unidade 4 Estado gasoso

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5. Leia estes fragmentos de notícias e responda às questões a seguir.

9 g correspondem a 0,1 mol de ácido C3H6O3(s) + 3 O2(g) 1 mol_______ 3 mol

3 CO2(g) + 3 H2O(g)

Explosão de botijão de gás hélio fere dois

90 g_______ 96 g 9 g_______ x x 5 9,6 g Massa correspondente a 11%, em massa, de oxigênio: 9,6 g _______ 100% y _______ 11% y 5 1,1 g

Uma das vítimas foi encaminhada em estado grave com risco de morte para o Hospital Universitário [...] No local funciona uma fábrica de gás hélio, utilizado em balões para festas. Um dos botijões de gás explodiu, atingindo as duas vítimas. [...] VIEIRA, Neide. CGN – Cascavel, 19 abr. 2016. Disponível em: <http://cgn.uol.com.br/noticia/105420/explosao-de-botijaode-gas-helio-fere-dois>. Acesso em: 5 jan. 2016

DIVULGAÇÃO PNLD

P?1L5

10,7 g 32,0 g mol–1

LATINSTOCK/ALAMY STOCK PHOTO/MARK BOULTON

Massa total de oxigênio: 9,6 g 1 1,1 g 5 10,7 g m ) RT PV 5 ( M 0,082 atm ? L ? K–1 mol–1 ? 300 K

P 5 8,20 atm Alternativa c.

3. O ozonizador é um aparelho utilizado para, por meio de descargas elétricas, transformar o oxigênio do ar em gás ozônio. Esse processo é usado em várias circunstâncias, como esterilização de água e de ambientes contaminados, desinfecção da pele após limpeza de pele, evitando infecções por bactérias anaeróbias em locais feridos no procedimento, etc. Se 4,8 kg de gás oxigênio forem transformados em ozônio por esse processo, calcule a massa do gás ozônio formado e o volume de O3 a temperatura e pressão normais. 4. O hidrogenocarbonato de sódio, o bicarbonato de sódio, tem diversos usos; entre eles, é constituinte do fermento químico, empregado no preparo de pães e bolos. Quando uma massa preparada com esse ingrediente é aquecida no forno, o composto se decompõe, liberando dióxido de carbono e água, ambos no estado gasoso. Considerando que um forno seja mantido à temperatura de 227 °C e tenha volume de 44,8 L, calcule a pressão parcial de ambos os gases, supondo que esses gases sejam produzidos apenas nesse processo. Massa molar do hidrogenocarbonato de sódio = = 84 g/mol.

Especialistas reforçam riscos no uso de gás ilegal em balões infantis [...] Parte dos balões de festas infantis ou os metalizados, vendidos nas ruas de Brasília, são preenchidos com uma substância perigosa: [A]. Isso transforma inocentes bexigas em verdadeiras bombas. Em busca de mais lucro na venda dos produtos, ambulantes ou até empresas de festas usam receitas da internet para encher as bexigas. A mistura química ensinada por populares é perigosa e pode provocar casos como o de Marcos P. S. R., 26 anos, que teve a casa destruída. O faturista usou um cilindro para armazenar soda cáustica, pó de alumínio e água. O objeto não suportou a pressão do gás formado e devastou o apartamento [...] ALCÂNTARA, Manoela. Correio Braziliense, 12 maio 2014. Disponível em: <http://www.correiobraziliense.com.br/ app/noticia/cidades/2014/05/12/interna_cidadesdf,427069/ especialistas-reforcam-riscos-no-uso-de-gas-ilegal-embaloes-infantis.shtml>. Acesso em: 5 jan. 2016.

Capítulo 12  Gases: importância e propriedades gerais

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PE: explosão de gás hélio deixa mutilados e feridos em parque Os visitantes e funcionários do Parque de Dois Irmãos, localizado no bairro de mesmo nome em Recife, Pernambuco, testemunharam uma tragédia [...]. Um vazamento no cilindro de gás, supostamente hélio, causou uma explosão em frente ao zoológico deixando quatro pessoas feridas. Entre as vítimas estão os dois vendedores de balões que utilizavam o gás e acabaram perdendo as duas pernas no acidente. [...] a manipulação do gás hélio não é permitida dentro do parque, porém barracas instaladas em frente ao zoológico fazem uso desse material para encher balões de festa para comercialização. [...] Mais PB, 19 abr. 2012. Disponível em: <http://www.maispb.com. br/53232/explosao-de-cilindro-de-gas-em-frente-a-parque-deixamutilados.html>. Acesso em: 5 jan. 2016.

DIVULGAÇÃO PNLD

a) Analise os títulos das três notícias: em qual(is) dele(s) se percebem inadequações em relação aos conhecimentos básicos de Química? b) Na segunda notícia, o nome da “substância perigosa” a que o texto se refere foi substituído pela letra A. Qual é esse nome? c) O texto a seguir refere-se ao acidente ocorrido no Parque de Dois Irmãos, em Recife, e traz o depoimento de um engenheiro: Cilindros para encher balões devem ser alaranjados e passar por testes [...] De acordo com o engenheiro, o gás correto para encher balão é o hélio. “É um gás inerte, ou seja, não apresenta nenhuma reação, não é tóxico, não tem cor e não tem nenhum cheiro”, comentou. No local da explosão, foram encontradas limalha de alumínio e soda cáustica, o que pode indicar um dos motivos do acidente [...]. G1 – PE, 15 out. 2012. Disponível em: <http://g1.globo.com/ pernambuco/noticia/2012/10/cilindros-para-encher-baloes-devemser-alaranjados-e-passar-por-testes.html>. Acesso em: 26 jan. 2016.

• A descrição do hélio está correta? • Em outro trecho desse texto, o engenheiro fala a respeito do que foi encontrado no local da explosão: “[...] isso é um indício de que ocorreu uma mistura de produtos que gerava o gás hidrogênio, que também é mais leve que o ar, mas é extremamente inflamável”. Nessa fala, há algumas imprecisões do ponto de vista científico. Reescreva o trecho, eliminando tais imprecisões. d) Na segunda notícia, é feita menção às substâncias que foram usadas para obter o gás empregado para encher as bolas. Para entender o processo, baseie-se no seguinte: O alumínio e o zinco são metais que reagem com bases fortes em solução aquosa. Ao reagir com hidróxido de sódio em água, o alumínio origina aluminato de sódio, NaAℓO2, de acordo com a equação, não balanceada: NaOH + Aℓ + H2O NaAℓO2 + H2 Balanceie a equação, indicando a oxidação, a redução e o agente redutor. e) Como você explicaria o fato de o cilindro citado na segunda notícia ter explodido? f) Em sua opinião, os fabricantes de “gás hélio” e os vendedores ambulantes mencionados nas notícias sabiam que sua forma de trabalhar era tão arriscada? De que forma você poderia usar essas notícias para conscientizar as pessoas sobre a importância dos conhecimentos químicos adquiridos na escola? 6. Em um aterro sanitário, ocorrem processos de decomposição anaeróbia da matéria orgânica, que levam à produção de uma mistura gasosa, o biogás, em que predomina o metano. Suponha um volume de 300 m3 de biogás, no qual há cerca de 60% em volume de metano (CH4). a) Se a pressão no interior do aterro for de 2 atm, calcule a pressão parcial do metano. b) Se a temperatura no interior do aterro é de 27 °C, qual deve ser a massa de metano produzida no aterro? São dados: R = 0,082 atm ? L mol—1 K—1; massa molar do CH4: 16 g/mol.

Resgatando o que foi visto Nesta unidade, você teve a oportunidade de estudar vários conceitos envolvendo o estado gasoso, o que deve ajudar a compreender tanto aquilo que você observa no cotidiano como conceitos estudados anteriormente. Volte ao início do capítulo e responda novamente às questões feitas na seção Para situá-lo. Você acha que agora tem mais clareza sobre o assunto, percebe se as respostas que havia dado precisam ser revistas ou complementadas? Entre os conceitos e leis que estudou na unidade, anote os que considerou mais relevantes para sua aprendizagem sobre o assunto, explicando o que entende por cada um deles. 284

Unidade 4  Estado gasoso

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Testando seus conhecimentos

Não escreva neste livro.

1. Fuvest-SP (2011) Um laboratório químico descartou um frasco de éter, sem perceber que, em seu interior, havia ainda um resíduo de 7,4 g de éter, parte no estado líquido, parte no estado gasoso. Esse frasco, de 0,8 L de volume, fechado hermeticamente, foi deixado sob o sol e, após um certo tempo, atingiu a temperatura de equilíbrio T = 37 oC, valor acima da temperatura de ebulição do éter. Se todo o éter no estado líquido tivesse evaporado, a pressão dentro do frasco seria:

DIVULGAÇÃO PNLD

Note e adote No interior do frasco descartado havia apenas éter. Massa molar do éter = 74 g K = oC 1 273 R (constante universal dos gases) = 0,08 atmL / (mol K)

a) 0,37 atm.

c) 2,5 atm.

b) 1,0 atm.

d) 3,1 atm.

e) 5,9 atm.

2. PUC-PR (2016) A atmosfera é uma camada de gases que envolve a Terra; sua composição em volume é basicamente feita de gás nitrogênio (78%), gás oxigênio (21%) e 1% de outros gases, e a pressão atmosférica ao nível do mar é de aproximadamente 100 000 Pa. A altitude altera a composição do ar, diminui a concentração de oxigênio, tornando-o menos denso, com mais espaços vazios entre as moléculas; consequentemente, a pressão atmosférica diminui. Essa alteração na quantidade de oxigênio dificulta a respiração, caracterizando o estado clínico conhecido como hipóxia, que causa náuseas, dor de cabeça, fadiga muscular e mental, entre outros sintomas. Em La Paz, na Bolívia, capital mais alta do mundo, situada 3 600 metros acima do nível do mar, a pressão atmosférica é cerca de 60 000 Pa e o teor de oxigênio no ar atmosférico é cerca de 40% menor que ao nível do mar. Os 700 000 habitantes dessa região estão acostumados ao ar rarefeito da Cordilheira dos Andes e comumente mascam folhas de coca para atenuar os efeitos da altitude. Em La Paz, a pressão parcial do gás oxigênio, em volume, é aproximadamente de: a) 10 200 Pa.

c) 16 000 Pa.

b) 12 600 Pa.

d) 20 000 Pa.

(08) A porcentagem, em volume, do oxigênio é 20%. (16) A pressão parcial do hidrogênio é 45 kPa. Dê como resposta a soma dos números associados às afirmações corretas. 4. Unicamp-SP (2013) Pressão parcial é a pressão que um gás pertencente a uma mistura teria se o mesmo gás ocupasse sozinho todo o volume disponível. Na temperatura ambiente, quando a umidade relativa do ar é de 100%, a pressão parcial de vapor de água vale 3,0 ? 103 Pa. Nessa situação, qual seria a porcentagem de moléculas de água no ar? a) 100%.

b) 97%.

c) 33%.

d) 3%.

Dados: a pressão atmosférica vale 1,0 ? 10 Pa. Considere que o ar se comporta como um gás ideal. 5

5. Fuvest-SP (2014) A tabela abaixo apresenta informações sobre cinco gases contidos em recipientes separados e selados. Recipiente Gás Temperatura Pressão (K) (atm)

Volume (L)

1

O3

273

1

22,4

2

Ne

273

2

22,4

3

He

273

4

22,4

4

N2

273

1

22,4

5

Ar

273

1

22,4

Qual recipiente contém a mesma quantidade de átomos que um recipiente selado de 22,4 L, contendo H2, mantido a 2 atm e 273 K? a) 1.

b) 2.

c) 3.

d) 4.

e) 5.

6. Enem (2012) No Japão, um movimento nacional para a promoção da luta contra o aquecimento global leva o slogan: 1 pessoa, 1 dia, 1 kg de CO2 a menos! A ideia é cada pessoa reduzir em 1 kg a quantidade de CO2 emitida todo dia, por meio de pequenos gestos ecológicos, como diminuir a queima de gás de cozinha. Um hamburguer ecológico? É pra já!

e) 24 000 Pa.

3. UEM-PR (2013) Considere uma mistura gasosa formada por 8 g de H2 e 32 g de O2 que exerce uma pressão total igual a 50 kPa em um recipiente de 40 litros e assinale o que for correto.

Disponível em: <http://lqes.iqm.unicamp.br>. Acesso em: 24 fev. 2012. (adaptado).

Considerando um processo de combustão completa de um gás de cozinha composto exclusivamente por butano (C4H10), a mínima quantidade desse gás que um japonês deve deixar de queimar para atender à meta diária, apenas com esse gesto, é de: Dados: CO2 (44 g/mol); C4H10 (58 g/mol)

(01) A fração, em mols, de hidrogênio é 0,8.

Dica dos autores: A combustão completa é aquela em que se formam apenas CO2 e H2O.

(02) A pressão parcial do oxigênio é 10 kPa.

a) 0,25 kg.

c) 1,0 kg.

(04) O volume parcial do hidrogênio é 32 litros.

b) 0,33 kg.

d) 1,3 kg.

e) 3,0 kg.

Capítulo 12  Gases: importância e propriedades gerais

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Tabelas para consulta Principais ânions Halogênios F

2

Carbono

Fluoreto

CN

2

Outros

Cianeto

H

Hidreto

2

Cloreto

CNO

Cianato

O

Br2

Brometo

H3C — COO2

Acetato

O222

I2

Iodeto

CO232

Carbonato

OH2

Hidróxido

Hipoclorito

C 2O

Oxalato

CrO

Cromato

Cℓ

2

CℓO

2

2

22 4

Óxido

2 2

Peróxido 22 4

CℓO22

Clorito

Cr2O272

Dicromato

CℓO

Clorato

MnO

Permangato

CℓO42

Perclorato

MnO242

Manganato

BrO32

Bromato

AℓO22

Aluminato

IO

Iodato

ZnO

Zincato

SiO442

(Orto)silicato

AsO

Arseniato

BO332

Borato

32

32

42

22 2

32 4

Nitrogênio NO

Nitrito

NO32

Nitrato

22

DIVULGAÇÃO PNLD

Fósforo

Enxofre

H2PO

Hipofosfito

S

HPO232

Fosfito

SO232

Sulfito

PO

(Orto)fosfato

SO

Sulfato

S2O222

Tiossulfato

2 2

32 4

22

Sulfeto

22 4

Principais cátions Monovalentes

Trivalentes

Tetravalentes

Hidroxônio

Be21

Berílio

Hg 21

Mercúrio(II)

Aℓ 31

Alumínio

Sn41

Estanho(IV)

NH

Amônio

Mg

Magnésio

Fe

Ferro(II)

Bi

Bismuto(III)

Pb

41

Chumbo(IV)

Li1

Lítio

Ca21

Cálcio

Co21

Cobalto(II)

Cr31

Cromo(III)

Mn41

Manganês(I)

Na

31

Ouro(III)

Pt

Platina(IV)

1 4

21

21

31

Sódio

Sr

Estrôncio

Ni

Níquel(II)

Au

K1

Potássio

Ba21

Bário

Sn21

Estanho(II)

Fe31

Ferro(III)

Rb1

Rubídio

Ra21

Rádio

Pb21

Chumbo(II)

Co31

Cobalto(III)

Cs

1

Césio

Zn

Zinco

Mn

Manganês(II)

Ni

Níquel(III)

Ag1

Prata

Cd21

Cádmio

Pt 21

Cu1

Cobre(I)

Cu21

Cobre(II)

Hg

Mercúrio(I)

1

21 2

Au1

286

Bivalentes

H1 ou H3O1

21

21

21

21

31

41

Platina(II)

Ouro(I)

Tabelas para consulta

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Respostas Respostas da seção Testando seus conhecimentos Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química 1. c

5. e

2. d

6. a

3. a

7. c

4. c

Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria 1. c

6. d

2. 02 e 08

7. a

3. e

8. c

4. e

9. a

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5. c

Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos 1. c 2. e

7. a) H

3. d

4. e

8. a

5. b

9. b

6. e

10. d

S

H

b) K2S(aq) + 2 HCℓ(aq)

2 KCℓ(aq) + H2S(g)

Unidade 4 – Estado gasoso 1. d

4. d

2. b

5. c

3. 01 + 02 + 04 + 08 = 15

6. b

Respostas

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Referências bibliográficas

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ASIMOV, I. A Short History of Chemistry. New York: Anchor Press/Doubleday, 1965. __________. Asimov’s Chronology of Science & Discovery. New York: Harper Collins Publishers, 1994. __________. Cronologia das ciências e das descobertas. Rio de Janeiro: Civilização Brasileira, 1993. ATKINS, P. W. Molecules. New York: Scientific American Library, 1987. __________. Chemistry: molecules, matter and change. 4th ed. New York: W. H. Freeman, 2002. BENSAUDE-VICENT, B.; STENGERS, I. História da Química. Portugal: Instituto Piaget, 1992. BRADY, J. E.; HUMISTON, G. E. Química geral. 2. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1986. 2 v. BROCK. W. H. The Norton History of Chemistry. New York: W. W. Norton & Company, Inc. 1993. CHANG, R. Chemistry. 10th ed. New York: McGraw-Hill, 2010. CHASSOT, Attico. A ciência através dos tempos. 2. ed. São Paulo: Moderna, 2004. EMSLEY, J. The consumer’s good chemical guide. New York: W. H. Freeman and Company, 1994. HARDWICK, E. R. Química. São Paulo: Edgard Blucher/ Edusp, s. d. HILL, G. C.; HOLMAN, J. S. Chemistry in Context. 4th. Glasgow: Nelson Thornes, 1995.

HOLUM, J. R. Fundamentals of General, Organic and Biological Chemistry. 6th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1997. KOTZ, J. C.; TREICHEL, P. M.; TOWNSEND, J. R. Chemistry & Chemical Reactivity. 8th ed. Belmont: Brooks/Cole, 2012. LIDE, David R. (Ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton: CRC: Taylor and Francis, 2009. MASTERTON, W. L.; SLOWINSKI, E. J.; STANITSKI, C. L. Princípios de Química. 6. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1990. O’NEILL, P. Environmental Chemistry. 2nd ed. London: Chapman & Hall, 1993. READ, J. From Alchemy to Chemistry. New York/London: Dover Publications, Inc., 1995. ROBERTS, R. M. Descobertas acidentais em ciências. 2. ed. Campinas: Papirus, 1995. ROSMORDUC, J. Uma história da física e da química. Rio de Janeiro: Jorge Zahar, 1985. RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. 2 v. SNYDER, C. H. The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1995.

Sites consultados Acessos em: 15 abr. 2015.

Associação Brasileira da Indústria Química <http://www.abiquim.org.br/home/associacaobrasileira-da-industria-quimica> Grupo de Pesquisa em Educação Química <http://gepeq.iq.usp.br/>

Revista Fapesp <http://revistapesquisa.fapesp.br/> Revista Ciência Hoje <http://cienciahoje.uol.com.br/revista-ch> Site oficial do Prêmio Nobel <http://nobelprize.org/>

Revista Química Nova na Escola (QNEsc) <http://qnesc.sbq.org.br/>

Siglas das universidades Cefet-MG – Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Enem – Exame Nacional do Ensino Médio FGV-SP – Fundação Getúlio Vargas IFCE – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará IFSP – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo PUC-PR – Pontifícia Universidade Católica do Paraná 288

UEM-PR – Universidade Estadual de Maringá UEPG-PR – Universidade Estadual de Ponta Grossa Uespi – Universidade Estadual do Piauí UFPB – Universidade Federal da Paraíba UFTM-MG – Universidade Federal do Triângulo Mineiro Unicamp-SP – Universidade Estadual de Campinas UPE/SSA – Universidade de Pernambuco/Sistema Seriado de Avaliação

Referências bibliográficas

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CADERNO DE APOIO PEDAGÓGICO CAP

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Vivá Química

Volume 1

Ensino Médio

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Sumário Apresentação.................................................................................................................................292 A área de Ciências da Natureza...........................................................................................292 O ensino de Química..................................................................................................................293 O papel do professor: entre limites, expectativas e as grandes mudanças em curso...................................................................................................................299 O professor e a organização escolar.............................................................................299 O professor e a sociedade em meio a um processo de mudança ................ 300 Alguns caminhos na busca de soluções..................................................................... 300 Algumas questões pedagógicas importantes............................................................ 301 Protagonismo juvenil............................................................................................................302 Contextualização e interdisciplinaridade...................................................................302 Contextualização..................................................................................................................303 Interdisciplinaridade............................................................................................................303

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História da Ciência..................................................................................................................305 O uso das Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs)........................ 306 A experimentação.................................................................................................................. 306 Material para os experimentos e segurança.............................................................307 A avaliação................................................................................................................................. 308 Conceitos estruturadores da disciplina: organização e recursos usados para que se integrem à estrutura cognitiva dos alunos.......................................... 309 Flexibilidade no planejamento das sequências didáticas...................................... 310

Estrutura da coleção e descrição das seções dos capítulos............................... 310 Quadros de conteúdos dos volumes..............................................................................312 Volume 1........................................................................................................................................312 Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química............................................................312 Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria..........................................................312 Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos............................................................................................................................313 Unidade 4 – Estado gasoso.................................................................................................313

Volume 2.......................................................................................................................................313 Unidade 1 – Soluções.............................................................................................................313 Unidade 2 – Reação química e calor................................................................................314 Unidade 3 – Princípios da reatividade.............................................................................314 Unidade 4 – Reação química e eletricidade..................................................................314

Volume 3.......................................................................................................................................315 Unidade 1 – Radioatividade e reações nucleares........................................................315

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Unidade 2 – Fundamentos da Química Orgânica ......................................................315 Unidade 3 – Reações orgânicas ........................................................................................315 Unidade 4 – Química e alimentos ....................................................................................315

Sugestões de leitura para os professores .....................................................................315 Textos teóricos para o professor ........................................................................................318 Orientações específicas para o trabalho com o volume 1..................................323 Introdução ..................................................................................................................................323 Alfabetização científica no ensino de Química ......................................................323 Seleção de conteúdos .......................................................................................................... 324 A iniciação química e a questão da memorização ................................................ 324 A estrutura da matéria e os modelos ...........................................................................325 Esclarecimentos sobre a sequência adotada na unidade 3 .............................325

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Os cálculos em Química......................................................................................................326 Sugestões e comentários, capítulo a capítulo, e respostas das questões.............................................................................................................................. 327 Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química ........................................................ 327 Capítulo 1 – Química: que ciência é essa? ...............................................................328 Capítulo 2 – Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton .............333 Capítulo 3 – Substâncias e misturas.........................................................................336 Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria......................................................342 Capítulo 4 – Estrutura atômica: conceitos fundamentais ...............................342 Capítulo 5 – Classificação periódica dos elementos químicos .......................345 Capítulo 6 – Ligações químicas: uma primeira abordagem.............................348 Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos ......................................................................................................................350 Capítulo 7 – Ácidos, bases e sais ................................................................................350 Capítulo 8 – Reações químicas: estudo qualitativo ............................................354 Capítulo 9 – Cálculos químicos: uma iniciação ..................................................... 357 Capítulo 10 – Reações de oxirredução .....................................................................362 Capítulo 11 – Óxidos ........................................................................................................365 Unidade 4 – Estado gasoso ..............................................................................................367 Capítulo 12 – Gases: importância e propriedades gerais ..................................367

Temas de cidadania ............................................................................................................... 372 Tema de cidadania 1 – Água: uma questão atual....................................................... 373 Tema de cidadania 2 – Energia e questões ambientais: uma visão abrangente ...378

Referências bibliográficas.....................................................................................................383

Caderno de Apoio Pedagógico

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Apresentação Esta coleção foi elaborada por autores que conjugaram suas experiências como professores de Ensino Médio, autores de materiais didáticos e pesquisadores da área de formação de professores e de ensino de Química. Esperamos que o livro do aluno e as sugestões de atividades que constam deste Caderno de Apoio Pedagógico o auxiliem, professor, em sua prática pedagógica, contribuindo tanto para que seus alunos adquiram conhecimentos básicos de Química quanto para o desenvolvimento de vários aspectos de sua formação intelectual, da construção de uma escala de valores e de sua participação como cidadão. Temos a certeza, porém, de que o papel mais importante nesse processo é o seu. Conhecedores que somos de alguns dos inúmeros desafios com os quais o professor se depara em seu trabalho, sabemos também o quanto é gratificante para um educador perceber que está contribuindo para o desenvolvimento de seus alunos, ao mesmo tempo que se desenvolve como profissional e como pessoa. Desejamos que se realize nesse trabalho tão importante para o nosso país.

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Os autores

A área de Ciências da Natureza As modernas Ciências da Natureza constituíram-se em torno dos séculos XVI e XVII, quando uma série de estudos e descobertas reformularam radicalmente as bases do conhecimento aceito até então, que derivava da Antiguidade e se prolongara, remodelado, durante a Idade Média. Como grandes nomes dessa renovação do conhecimento aparecem principalmente Galileu Galilei, Francis Bacon, René Descartes e Isaac Newton, cada um responsável por contribuições bastante diferentes ao novo corpus téorico que se constituía. Em termos gerais, costuma-se afirmar que as modernas Ciências da Natureza distinguiram-se do conhecimento anterior por fazer da observação, da experimentação e da matematização as bases da pesquisa. Há aí o perigo da generalização excessiva, uma vez que a observação e a experimentação já podiam ser detectadas na Idade Média. Como exemplo da observação, podemos citar a dissecação de cadáveres humanos nas aulas de anatomia, procedimento que era frontalmente inovador em relação à medicina galênica, baseada, como se sabe, na anatomia animal. E os alquimistas poderiam ser citados como praticantes da experimentação, embora talvez seja mais apropriado dizer que eles realizavam experiências práticas, as quais, porém, não se enquadram na definição de experimentação enquanto método (Debus, 1978). Grosso modo, o método experimental significa “experimentação controlada”, o que inclui repetição das experiências o maior número de vezes possível e a mensuração rigorosa

dos resultados visando, por fim, chegar a uma generalização. No entanto, mais uma vez convém evitar o excesso de generalização, pois não se pode afirmar que o método experimental seja exatamente idêntico na física e na biologia, por exemplo (Canguilhem, 2012). Apesar dessa base inicial comum, nem todas as atuais Ciências da Natureza estudadas na escola se consolidaram na mesma época. A física alcançou grande desenvolvimento já a partir dos séculos XV e XVI, com os trabalhos de Copérnico, Kepler e Galileu, exponenciado por Newton, que, no século XVII unificou a mecânica celeste e a mecânica terrestre (Holton, 1978). Posteriormente, a chamada física moderna reuniria a tradição matemática e a tradição experimental (baconiana) num só corpus teórico (Kuhn, s.d.). Quanto à constituição da química como ciência moderna, pode-se dizer que ela começou a se desenvolver no final do século XVIII e início do século XIX, após os trabalhos de Lavoisier e Dalton. Foi nesse período que a química se valeu de experimentos com registros de observações, medidas, realização de novos experimentos com base em novas dúvidas e elaboração de leis e teorias. Já as práticas químicas eram utilizadas há vários séculos por alquimistas de diferentes culturas sem a preocupação de elaborar teorias que as fundamentassem. A biologia constituiu-se mais tardiamente, já na metade do século XIX, quando, ao conjugar o evolucionismo e os estudos sobre a célula, adquiriu feições que a distinguiam

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sobremaneira da História Natural, que dominara os estudos sobre os seres vivos nos séculos XVII e XVIII (Farber, 1982). Já as Ciências Humanas foram institucionalizadas em fins do século XIX e princípios do século XX. Para o senso comum, estas teriam algumas “desvantagens” em relação às Ciências da Natureza, a saber, a falta de unidades de medida e as dificuldades de experimentação, porém a questão merece um olhar mais nuançado:

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As principais desvantagens das ciências humanas são a ausência, em muitos campos, de unidades de medida (exceto na economia e na demografia), e as dificuldades de experimentação (salvo em psicologia e em sociolinguística), mas esses obstáculos estão presentes em muitas ciências da natureza (por exemplo, a geologia e, às vezes, a biologia, no que se refere a unidades de medida; e a astronomia, no que toca à experimentação), e isso não deteve de modo algum seu progresso. (Jean Piaget, in Apostel, 1972) Segundo as Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (DCNEM), a organização do currículo está baseada em áreas do conhecimento: Linguagens, Códigos e suas Tecnologias; Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias; Ciências Humanas e suas Tecnologias. A organização do currículo por área não desconsidera o papel e a importância de cada disciplina (ou componente curricular), mas considera essencial o diálogo entre elas e as relações interdisciplinares. Com relação à interdisciplinaridade, a resolução CNE/ CEB nº 3/98 orienta as escolas:

II – o ensino deve ir além da descrição e procurar constituir nos alunos a capacidade de analisar, explicar, prever e intervir, objetivos que são mais facilmente alcançáveis se as disciplinas, integradas em áreas de conhecimento, puderem contribuir, cada uma com sua especificidade, para o estudo comum de problemas concretos, ou para o desenvolvimento de projetos de investigação e/ou de ação. RESOLUÇÃO CEB n. 3, de 26 de junho de 1998. Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/cne/arquivos/pdf/ rceb03_98.pdf>. Acesso em: 6 jun. 2016.

Tendo em vista esses objetivos, a coleção buscou fornecer, ao longo dos capítulos, atividades com as quais o educador poderá ajudar os alunos a desenvolver essas e outras capacidades. Além disso, apresentamos neste Caderno de Apoio Pedagógico diversas atividades que podem ser exploradas em diálogo com outras disciplinas e duas propostas de projetos de caráter interdisciplinar, os Temas de cidadania. Mas por que os alunos devem estudar Ciências da Natureza? A ciência e a tecnologia são indispensáveis para o desenvolvimento da sociedade. Elas estão presentes em todos os setores produtivos, desde a extração de materiais da natureza até os produtos finais. São também determinantes na área da saúde, dos transportes, da educação e da cultura. Diversos objetos, como os celulares e uma infinidade de utensílios de plástico, estão cada vez mais inseridos em nosso dia a dia e têm influenciado nosso modo de vida. Debater essa questão e a forma como a produção, o consumo e o descarte de materiais têm provocado impactos ambientais e sociais já justifica o seu estudo no Ensino Médio.

O ensino de Química O ensino de Química durante boa parte do século XX foi baseado em livros escritos por médicos e outros profissionais de alguma forma ligados a essa ciência; isso é compreensível, tendo em vista que até a década de 1930 o país não contava com cursos de graduação destinados à formação de químicos e de professores de Química. Por essa e por outras razões relacionadas ao contexto da época e ao currículo explícito ou oculto da educação, esses materiais privilegiavam um acúmulo de informações que não mantinham significativa relação com as teorias que as embasavam e/ou com as atividades experimentais ligadas a tais conteúdos. Foi durante a década de 1960 que surgiram publicações que diversificaram as características desses materiais e que, de alguma maneira, influenciaram o ensino. Vale destacar que nesse período a educação brasileira passou por alterações legais, tais como a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional de 1961, que abriu a possibilidade de as instituições escolares assumirem a escolha de algumas disciplinas optativas e de dirigir o 3º ano do atual Ensino Médio à preparação para o ingresso às universidades; na década

seguinte, o governo ditatorial promulgou a Lei 5692/72, impondo caráter técnico ao antigo colegial. Neste período, muitos alunos concluíram essa etapa de ensino, praticamente sem ter estudado Química. Por outro lado, foi nesse período que os exames de Química para o ingresso aos cursos de graduação mais concorridos passaram a exigir uma série de conteúdos com certa complexidade que, até então, não constavam dos programas de ensino da disciplina, desconhecidos até pela maioria dos professores graduados em Química, tais como: Modelo orbital, Números quânticos, Orbitais híbridos, Energia livre de Gibbs. Isso explica o aparecimento de materiais didáticos destinados ao Ensino Médio, elaborados por professores de cursos preparatórios aos vestibulares, nos quais o rol de conteúdos explorados e o nível de aprofundamento se expandiram. Foi nesse período também que chegaram ao Brasil as traduções e as influências de projetos bastante diferentes do contexto do ensino de Química vigente: os estadunidenses Chemical Bond Approach — CBA e Chemstudy e o inglês da Caderno de Apoio Pedagógico

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Nuffield Foundation, que priorizavam capacitar os alunos a usar recursos empregados nas ciências e a desenvolver aspectos próprios da metodologia de investigação cientifica (observar, experimentar, analisar dados, propor explicações, etc.). Nenhum deles propunha o ensino de conteúdos do tipo dos exemplificados anteriormente como exigência de exames vestibulares. No âmbito nacional, especialmente a partir do final da década de 1970, surgiram propostas curriculares alternativas, algumas elaboradas por Secretarias de Educação Estaduais; na mesma época surgiram materiais didáticos direcionados por essas propostas. Nas décadas seguintes, em muitas universidades foram implantados grupos de pesquisa e cursos de pós-graduação em ensino de Química, responsáveis pela formação de mestres e doutores nessa área. Esses grupos têm produzido materiais didáticos na forma de livros, sites, sugestões de experimentos, vídeos com experimentos e explicações. Em 1994, a Sociedade Brasileira de Química (SBQ), por meio da Divisão de Ensino da Sociedade Brasileira de Química (DE/SBQ), criada em 1988, passou a publicar a Revista Química Nova na Escola (QNEsc), produzida por professores de

Ensino Básico e pesquisadores da área de educação química, que tem prestado uma grande contribuição para a renovação do ensino de Química. São desse período também a Lei de Diretrizes e Bases da Educação (1996) e a publicação dos PCN (Parâmetros Curriculares Nacionais), que valorizaram aspectos até então distantes das preocupações explícitas da maioria dos educadores: valores e atitudes, competências e habilidades, e ênfase na contextualização sociocultural. O foco nas competências e habilidades, bem como na contextualização sociocultural, manteve-se nos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM), de 1999, e nas Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCN+), de 2002. Esses documentos trazem ainda uma recomendação mais forte no sentido da integração e da articulação dos conhecimentos das diversas disciplinas escolares, a ser implementada através da contextualização e da interdisciplinaridade. Os PCN+ explicitam uma matriz de competências e habilidades – reproduzida a seguir – estruturada em torno de três eixos cognitivos, aplicáveis a todas as áreas: representação e comunicação; investigação e compreensão; contextualização sociocultural.

Representação e comunicação Na área

Em Química

Símbolos, códigos e nomenclatura de ciência e tecnologia • Reconhecer e utilizar adequadamente, na forma oral e escrita, símbolos, códigos e nomenclatura da linguagem científica.

• Reconhecer e compreender símbolos, códigos e nomenclatura própria da Química e da tecnologia química; por exemplo, interpretar símbolos e termos químicos em rótulos de produtos alimentícios, águas minerais, produtos de limpeza e bulas de medicamentos; ou mencionados em notícias e artigos jornalísticos. • Identificar e relacionar unidades de medida usadas para diferentes grandezas, como massa, energia, tempo, volume, densidade, concentração de soluções.

Articulação dos símbolos e códigos de ciência e tecnologia • Ler, articular e interpretar símbolos e códigos em diferentes linguagens e representações: sentenças, equações, esquemas, diagramas, tabelas, gráficos e representações geométricas.

• Ler e interpretar informações e dados apresentados com diferentes linguagens ou formas de representação, como símbolos, fórmulas e equações químicas, tabelas, gráficos, esquemas, equações. • Selecionar e fazer uso apropriado de diferentes linguagens e formas de representação, como esquemas, diagramas, tabelas, gráfico, traduzindo umas nas outras. Por exemplo, traduzir em gráficos informações de tabelas ou textos sobre índices de poluição atmosférica em diferentes períodos ou locais.

Análise e interpretação de textos e outras comunicações de ciência e tecnologia • Consultar, analisar e interpretar textos e comunicações de ciência e tecnologia veiculados em diferentes meios.

• Analisar e interpretar diferentes tipos de textos e comunicações referentes ao conhecimento científico e tecnológico químico; por exemplo, interpretar informações de caráter químico em notícias e artigos de jornais, revistas e televisão, sobre agrotóxicos, concentração de poluentes, chuvas ácidas, camada de ozônio, aditivos em alimentos, flúor na água, corantes e reciclagens. • Consultar e pesquisar diferentes fontes de informação, como enciclopédias, textos didáticos, manuais, teses, internet, entrevistas a técnicos e especialistas.

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Elaboração de comunicações • Elaborar comunicações orais ou escritas para relatar, analisar e sistematizar eventos, fenômenos, experimentos, questões, entrevistas, visitas, correspondências.

• Descrever fenômenos, substâncias, materiais, propriedades e eventos químicos, em linguagem científica, relacionando-os a descrições na linguagem corrente; por exemplo, articulando o significado de ideias como queima com o conceito científico de combustão, dando o significado adequado para expressões como “produto natural”, “sabonete neutro”, ou “alface orgânica”. • Elaborar e sistematizar comunicações descritivas e analíticas pertinentes a eventos químicos, utilizando linguagem científica, por exemplo, relatar visita a uma indústria química, informando sobre seus processos; elaborar relatório de experimento, descrevendo materiais, procedimentos e conclusões; elaborar questões para entrevista a técnico de algum campo da química, apresentar seminários e fazer sínteses.

Discussão e argumentação de temas de interesse de ciência e tecnologia

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• Analisar, argumentar e posicionar-se criticamente em relação a temas de ciência e tecnologia.

• Diante de informações ou problema relacionados à Química, argumentar apresentando razões e justificativas; por exemplo, conhecendo o processo e custo da obtenção do alumínio a partir da eletrólise, posicionar-se sobre as vantagens e limitações da sua reciclagem; em uma discussão sobre o lixo, apresentar argumentos contra ou a favor da incineração ou acumulação em aterro.

Investigação e compreensão Na área

Em Química

Estratégias para enfrentamento de situações-problema • Identificar as informações ou variáveis relevantes em uma situação-problema e elaborar possíveis estratégias para equacioná-la ou resolvê-la.

• Dada uma situação-problema, envolvendo diferentes dados de natureza química, identificar as informações relevantes para solucioná-la; por exemplo, avaliar a viabilidade de uma fonte de água para consumo, identificando as grandezas e indicadores de qualidade, como pH, concentrações de substâncias e vetores patogênicos; para substituir lenha por carvão vegetal como fonte de energia térmica, consultar os respectivos valores de calor de combustão para os dois materias. • Reconhecer, propor ou resolver um problema, selecionando procedimentos e estratégias adequados para a sua solução; por exemplo, em pesquisa sobre potabilidade de água, definir critérios de potabilidade, medidas, análises e cálculos necessários.

Interações, relações e funções; invariantes e transformações • Identificar fenômenos naturais ou grandezas em dado domínio do conhecimento científico, estabelecer relações, identificar regularidades, invariantes e transformações.

• Reconhecer e compreender fenômenos envolvendo interações e transformações químicas, identificando regularidades e invariantes, por exemplo, reconhecer a conservação no número de átomos de cada substância, assim como a conservação de energia, nas transformações químicas e nas representações das reações. • Compreender que as interações entre matéria e energia, em um certo tempo, resultam em modificações da forma ou natureza da matéria, considerando os aspectos qualitativos e macroscópicos; por exemplo, o desgaste mecânico que modifica a sua forma, ou por outra interação, que modifica a natureza do material; interações do calcário com o calor resultam em modificações na natureza, obtendo-se um novo material, a cal. • Identificar transformações químicas pela percepção de mudanças na natureza dos materiais ou da energia, associando-as a uma dada escala de tempo; por exemplo, identificar que rochas magmáticas, como granito e basalto, se transformam em sedimentares, como areia e argila, ou metamórficas, como mármore e ardósia, em escalas de tempo geológicas; perceber explosões como combustões completas, onde todos os reagentes se transformam em produtos, durante curto tempo, transformando energia em trabalho.

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Medidas, quantificações, grandezas e escalas • Selecionar e utilizar instrumentos de medição e de cálculo, representar dados e utilizar escalas, fazer estimativas, elaborar hipóteses e interpretar resultados.

• Fazer previsões e estimativas de quantidades ou intervalos esperados para os resultados de medidas; por exemplo, prever relações entre massas, energia ou intervalos de tempo em transformações químicas. • Selecionar e utilizar materiais e equipamentos adequados para fazer medidas, cálculos e realizar experimentos; por exemplo, selecionar material para o preparo de uma solução em função da finalidade; selecionar instrumentos para medidas de massa, temperatura, volume, densidade e concentração. • Compreender e fazer uso apropriado de escalas, ao realizar, medir ou fazer representações. Por exemplo: ler e interpretar escalas em instrumentos como termômetros, balanças e indicadores de pH.

Modelos explicativos e representativos

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• Reconhecer, utilizar, interpretar e propor modelos para situações-problema, fenômenos ou sistemas naturais ou tecnológicos.

• Reconhecer modelos explicativos de diferentes épocas sobre a natureza dos materiais e suas transformações; por exemplo, identificar os principais modelos de constituição da matéria criados ao longo do desenvolvimento científico. • Elaborar e utilizar modelos macroscópicos e microscópicos para interpretar transformações químicas; por exemplo, elaborar modelos para explicar o fato de a água doce com sabão produzir espuma, e a água salgada, não, ou para compreender o poder corrosivo de ácidos fortes. • Reconhecer, nas limitações de um modelo explicativo, a necessidade de alterá-lo; por exemplo, perceber até onde o modelo de Rutherford foi suficiente e por quais razões precisou dar lugar a outra imagem do átomo. • Elaborar e utilizar modelos científicos que modifiquem as explicações do senso comum; por exemplo, a ideia de que óleo e água não se misturam devido a diferenças de densidade e não por questões de interação entre partículas.

Relações entre conhecimentos disciplinares, interdisciplinares e interáreas • Articular, integrar e sistematizar fenômenos e teorias dentro de uma ciência, entre as várias ciências e áreas de conhecimento.

• Construir uma visão sistematizada das diferentes linguagens e campos de estudo da Química, estabelecendo conexões entre seus diferentes temas e conteúdos. • Adquirir uma compreensão do mundo da qual a Química é parte integrante através dos problemas que ela consegue resolver e dos fenômenos que podem ser descritos por seus conceitos e modelos. • Articular o conhecimento químico e o de outras áreas no enfrentamento de situações-problema. Por exemplo, identificar e relacionar aspectos químicos, físicos e biológicos em estudos sobre a produção, destino e tratamento de lixo ou sobre a composição, poluição e tratamento das águas com aspectos sociais, econômicos e ambientais.

Contextualização sociocultural Na área

Em Química

Ciência e tecnologia na história • Compreender o conhecimento científico e o tecnológico como resultados de uma construção humana, inseridos em um processo histórico e social.

• Reconhecer e compreender a ciência e tecnologia químicas como criação humana, portanto inseridas na história e na sociedade em diferentes épocas; por exemplo, identificar a alquimia, na Idade Média, como visão de mundo típica da época. • Perceber o papel desempenhado pela Química no desenvolvimento tecnológico e a complexa relação entre ciência e tecnologia ao longo da história; por exemplo, perceber que a manipulação do ferro e suas ligas, empírica e mítica, tinha a ver, no passado, com o poder do grupo social que a detinha, e que hoje, explicada pela ciência, continua relacionada a aspectos políticos e sociais.

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Ciência e tecnologia na cultura contemporânea • Compreender a ciência e a tecnologia como partes integrantes da cultura humana contemporânea.

• Identificar a presença do conhecimento químico na cultura humana contemporânea, em diferentes âmbitos e setores, como os domésticos, comerciais, artísticos, desde as receitas caseiras para limpeza, propagandas e uso de cosméticos, até em obras literárias, músicas e filmes. • Compreender as formas pelas quais a Química influencia nossa interpretação do mundo atual, condicionando formas de pensar e interagir; por exemplo, discutir a associação irrefletida de “produtos químicos” com algo sempre nocivo ao ambiente ou à saúde. • Promover e interagir com eventos e equipamentos culturais, voltados à difusão da ciência, como museus, exposições científicas, peças de teatro, programas de tevê.

Ciência e tecnologia na atualidade

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• Reconhecer e avaliar o desenvolvimento tecnológico contemporâneo, suas relações com as ciências, seu papel na vida humana, sua presença no mundo cotidiano e seus impactos na vida social.

• Reconhecer o papel do conhecimento químico no desenvolvimento tecnológico atual, em diferentes áreas do setor produtivo, industrial e agrícola; por exemplo, na fabricação de alimentos, corantes, medicamentos e novos materiais. • Reconhecer aspectos relevantes do conhecimento químico e suas tecnologias na interação individual e coletiva do ser humano com o ambiente; por exemplo, o uso de CFC – cloro-flúor-carbono –, de inseticidas e agrotóxicos, de aditivos nos alimentos, os tratamentos de água e de lixo, a emissão de poluentes que aumentam o efeito estufa na atmosfera. • Articular, integrar e sistematizar o conhecimento químico e o de outras áreas no enfrentamento de situações-problema; por exemplo, identificar e relacionar aspectos químicos, físicos e biológicos da produção e do uso de metais, combustíveis e plásticos, além de aspectos sociais, econômicos e ambientais.

Ciência e tecnologia, ética e cidadania • Reconhecer e avaliar o caráter ético do conhecimento científico e tecnológico e utilizar esses conhecimentos no exercício da cidadania.

• Reconhecer as responsabilidades sociais decorrentes da aquisição de conhecimento na defesa da qualidade de vida e dos direitos do consumidor; por exemplo, para notificar órgãos responsáveis diante de ações como destinações impróprias de lixo ou de produtos tóxicos, fraudes em produtos alimentícios ou em suas embalagens. • Compreender e avaliar a ciência e tecnologia química sob o ponto de vista ético para exercer a cidadania com responsabilidade, integridade e respeito; por exemplo, no debate sobre fontes de energia, julgar implicações de ordem econômica, social, ambiental, ao lado de argumentos científicos para tomar decisões a respeito de atitudes e comportamentos individuais e coletivos.

BRASIL. Ministério da Educação. Orientações curriculares complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Ciências da Natureza, Matemática e suas tecnologias. Brasília, 2006. Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/CienciasNatureza.pdf>. Acesso em: 30 maio 2016.

As Orientações Curriculares para o Ensino Médio (2006), o Projeto Ensino Médio Inovador (2009) e ainda a Resolução CNE/CBE 2/2012 dão continuidade aos documentos anteriores. Particularmente na Resolução CNE/CBE 2/2012 está explícito que “O currículo deve contemplar as quatro áreas do conhecimento, com tratamento metodológico que evidencie a contextualização e a interdisciplinaridade ou outras formas de interação e articulação entre diferentes campos de saberes específicos.” (p. 3). Além da contextualização e da interdisciplinaridade, ganhou força nos últimos anos a recomendação de que os livros didáticos de Ciências da Natureza incluam também elementos da História da Ciência e da abordagem Ciência, Tecnologia e Sociedade (CTS). Em relação à matriz de referência de Ciências da Natureza e suas Tecnologias — re-

produzida na página seguinte —, as competências que se referem à Química estão distribuídas em cinco áreas. Na Parte Específica deste CAP, faremos referência à matriz do Enem (Exame Nacional do Ensino Médio) para indicar as competências e habilidades trabalhadas em cada unidade da coleção. Um argumento bastante utilizado no passado por professores de Química para justificar a quantidade de conceitos que se propunham a ensinar aos alunos do Ensino Médio era o de que era necessário atender aos programas dos exames de ingresso às universidades. Hoje, esse argumento tornou-se frágil devido às mudanças das exigências de muitos desses exames e ao fato de que o Enem, desde 2010, tornou-se a principal forma de seleção de alunos para as universidades federais e muitas outras. Caderno de Apoio Pedagógico

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Competência de área 1 – Compreender as Ciências Naturais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. H1 – Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em diferentes contextos. H2 – Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico. H3 – Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas. H4 – Avaliar propostas de intervenção no ambiente, considerando a qualidade da vida humana ou medidas de conservação, recuperação ou utilização sustentável da biodiversidade.

Competência de área 2 – Identificar a presença e aplicar as tecnologias associadas às Ciências Naturais em diferentes contextos. H5 – Dimensionar circuitos ou dispositivos elétricos de uso cotidiano. H6 – Relacionar informações para compreender manuais de instalação ou utilização de aparelhos, ou sistemas tecnológicos de uso comum. H7 – Selecionar testes de controle, parâmetros ou critérios para a comparação de materiais e produtos, tendo em vista a defesa do consumidor, a saúde do trabalhador ou a qualidade de vida.

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Competência de área 3 – Associar intervenções que resultam em degradação ou conservação ambiental a processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicos. H8 – Identificar etapas em processos de obtenção, transformação, utilização ou reciclagem de recursos naturais, energéticos ou matérias-primas, considerando processos biológicos, químicos ou físicos neles envolvidos. H9 – Compreender a importância dos ciclos biogeoquímicos ou do fluxo de energia para a vida, ou da ação de agentes ou fenômenos que podem causar alterações nesses processos. H10 – Analisar perturbações ambientais, identificando fontes, transporte e (ou) destino dos poluentes ou prevendo efeitos em sistemas naturais, produtivos ou sociais. H12 – Avaliar impactos em ambientes naturais decorrentes de atividades sociais ou econômicas, considerando interesses contraditórios.

Competência de área 5 – Entender métodos e procedimentos próprios das Ciências Naturais e aplicá-los em diferentes contextos. H17 – Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. H18 – Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. H19 – Avaliar métodos, processos ou procedimentos das Ciências Naturais que contribuem para diagnosticar ou solucionar problemas de ordem social, econômica ou ambiental.

Competência de área 7 – Apropriar-se de conhecimentos da Química para, em situações-problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas. H24 – Utilizar códigos e nomenclatura da química para caracterizar materiais, substâncias ou transformações químicas. H25 – Caracterizar materiais ou substâncias, identificando etapas, rendimentos ou implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais de sua obtenção ou produção. H26 – Avaliar implicações sociais, ambientais e/ou econômicas na produção ou no consumo de recursos energéticos ou minerais, identificando transformações químicas ou de energia envolvidas nesses processos. H27 – Avaliar propostas de intervenção no meio ambiente aplicando conhecimentos químicos, observando riscos ou benefícios. BRASIL. Ministério da Educação. Matriz de referência para o Enem 2009. Brasília: MEC, 2009. p. 8-10.

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Apesar das inovações trazidas à nossa comunidade educacional, comentadas anteriormente, as alterações nas práticas de ensino que acontecem nas escolas ainda caminham lentamente. Certamente, essas mudanças ocorrem de forma gradual e provavelmente se acentuem conforme a implantação da Base Nacional Comum Curricular, elaborada em 2016. De qualquer forma, constata-se uma tendência de priorizar a quantidade de conteúdos, sem que nos demos conta de algumas perguntas básicas que devem nortear o trabalho de qualquer educador: Meus alunos estão em condições de aprender esse assunto neste momento? Que assunto eu tentei ensinar em outros anos e foi muito difícil para os alunos aprenderem? De que maneira é possível mudar a

sequência ou a abordagem para facilitar a aprendizagem? Será que meus alunos estão se apropriando do que eu ensino ou estão apenas memorizando? E se o meu aluno não for continuar os estudos na universidade, de que forma esse trabalho o ajudará? Com o tempo de que disponho, será que é importante garantir que os alunos conheçam os modelos atômicos orbitais ou qualquer outro assunto específico? Será que se eu ensinar todo esse rol de conteúdos meus alunos estarão mais aptos a ingressar em um curso superior? Que ganhos cognitivos e pessoais meus alunos terão obtido com meu curso? Enfim, a melhor forma de nos aprimorarmos como professores é a reflexão sobre nosso trabalho.

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O papel do professor: entre limites, expectativas e as grandes mudanças em curso Quando fazemos um mapeamento dos conteúdos de discursos político-eleitorais, noticiários, artigos de especialistas em Economia ou Ciências Sociais e de publicações produzidas por instituições voltadas ao desenvolvimento de condições socioeconômicas de nosso país, é possível constatar que as expectativas depositadas sobre a educação de crianças e jovens — e, portanto, sobre o papel do professor e da escola — são cada vez maiores. Não há como negar a enorme dificuldade em enfrentar dois grandes problemas nacionais — a desigualdade socioeconômica e cultural e o reduzido desenvolvimento do país em áreas que requerem conhecimento agregado. Além disso, situações que sempre representam desafios, tais como as alterações na estrutura da família, a inclusão de pessoas com necessidades especiais em escolas regulares, a necessidade de lidar com questões relativas à dependência e ao tráfico de drogas e à violência, também chegam à escola. Junte-se a tudo isso a necessidade de repensar o papel da escola e dos professores diante da velocidade de expansão do conhecimento nas diversas áreas de estudo, o grande avanço no campo das tecnologias de informação e comunicação e o papel do conhecimento e da aprendizagem diante desse contexto. Nesse contexto, vamos agora discutir alguns pontos importantes.

O professor e a organização escolar Estudos internacionais mostram que tanto a comunidade de professores quanto a sociedade de modo geral têm algumas ideias fortemente arraigadas sobre o que se espera de um professor e que estão relacionadas com a própria herança cultural da escola. Entre os vários traços que marcam a

representação do que é ser professor estão o gestual próprio, a capacidade de comunicação para “transmitir” os conhecimentos e ser considerado “aquele que detém o conhecimento”. Com isso, os professores acabam ficando tanto com as glórias pela aprendizagem dos alunos, como também com a responsabilidade pelos fracassos dos estudantes no que se refere a seu aprendizado. Apesar de essa ser uma visão herdada, o conceito de bom professor é polissêmico, passível de interpretações diferentes e mesmo divergentes. Devido à grande responsabilidade do ato de ensinar, os professores querem falhar o menos possível. No entanto, muitas variáveis contribuem para o sucesso do curso ministrado, e conhecer essas variáveis ajuda a obter melhores resultados (Pimenta, 2004). Algumas questões que acabam sendo vistas como escolha individual de um professor responsável por uma turma ou disciplina são traços comuns à maioria das escolas: a disposição enfileirada dos alunos nas salas de aula, a sequência de conteúdos e conceitos de uma disciplina, os tipos de atividade didática, a forma de tratar o conteúdo, priorizando conclusões em detrimento do caminho para se chegar a elas, a falta de espaço para questionamentos e debates, a forma como o livro didático é usado – o mais frequente é que ele sirva de base para o professor preparar sua aula expositiva, adotando exatamente a mesma sequência do texto −, entre outras. Esse modelo, profundamente arraigado na escola e em nossa sociedade, acaba sendo o viés em torno do qual a escola se orienta e se organiza. Porém, dentro das salas de aula, devemos lembrar que a organização escolar envolve ideias, opiniões e tradições advindas de vários componentes. Assim, ao elaborar a sua grade curricular, a escola atribui aulas aos professores, estabelece seus horários, sinaliza início e final das aulas, e assim por diante. Caderno de Apoio Pedagógico

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Os aspectos abordados são apenas alguns entre os muitos que caracterizam a concepção fordista da instituição escolar, herdada da forma de organização do trabalho industrial, incorporada à escola quando se passou de uma relação dual (mestre-aluno) para uma relação professor-classe com o propósito de se “ensinar muitos como se fossem um só”, traduzida na tão conhecida referência ao “aluno médio” (Canário, 2005). Em 2004, com o lançamento das Orientações Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (Brasil, 2004), colocam-se em foco mudanças para a organização curricular, com priorização da diversidade cultural dentro da escola, utilizando-se do currículo como complemento a políticas socioculturais, mudanças no enfoque da avaliação e estímulo à formação continuada de professores e gestores, entre outros aspectos.

O professor e a sociedade em meio a um processo de mudança

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Apesar de tudo, ao perguntarmos a um professor, independentemente de sua concepção pedagógica, qual o objetivo atual da educação escolar e, portanto, qual o seu papel como agente central desse processo, normalmente obtemos respostas muito parecidas; é comum que a resposta esteja em torno de desenvolver a capacidade de o aluno raciocinar, criar, trabalhar em grupo, de ser solidário, de caminhar em busca de sua própria autonomia intelectual, e assim por diante. Por outro lado, apesar das profundas mudanças pelas quais a sociedade e o papel do conhecimento vêm passando, as aulas tendem a ser ministradas como nos velhos tempos, a partir de representações internalizadas por educadores e pela sociedade, como se os objetivos fossem os mesmos do início do século XX. Apesar das dificuldades crescentes de manter a disciplina como nos velhos tempos, muitos professores mantêm a expectativa de que os alunos fixem a atenção naquilo que o professor fala e escreve na lousa e se concentrem nos conteúdos e na execução de tarefas, que, geralmente, não favorecem a reflexão e o questionamento. Quer dizer, há uma contradição quase que inerente ao sistema escolar: é a que transparece na distância entre o papel idealizado que educadores atribuem à escola quando refletem sobre ela e o que comumente lutam para fazer em suas salas de aula — as dificuldades passam também pelos sérios problemas de desrespeito e violência, que permeiam muitas instituições escolares. Ou seja, há um reconhecimento do que seria um encontro pedagógico criativo que propiciasse experiência e desenvolvimento, tanto para a escola quanto para professores e alunos, e isso representa um dilema: há um modelo interiorizado por toda a sociedade e pelos educadores do que é ser professor e do papel da escola convivendo com um mundo em acentuadas alterações que demandam uma grande mudança na instituição escolar. Muitas dessas demandas vêm sendo explicitadas em documentos oficiais, produções acadêmicas e em congressos de educação. Entre as alterações propostas que têm a ver com as demandas que emergem de mudanças contemporâneas da sociedade, estão algumas que serão abordadas adiante, tais como a inclusão de uma visão e de práticas didáticas de

natureza interdisciplinar, do uso das tecnologias de informação e comunicação, da valorização de práticas que incentivem a autonomia intelectual, o protagonismo, a solidariedade e a capacidade de trabalhar de modo colaborativo, entre outras — todas elas fundamentais para o desenvolvimento de nossas crianças e jovens.

Alguns caminhos na busca de soluções Esse panorama evidencia que, se de um lado, escola e professores estão diante de situação desconfortável, de outro, vivemos um período em que desafios estimulantes nos convidam a refletir e a procurar novos caminhos educativos. Um dos aspectos da cultura escolar que dificulta os avanços na educação refere-se ao individualismo, uma das formas de relacionamento predominante no interior da instituição escolar (Fulann; Hargreaves, 2000). Bem conhecida de todos que atuam nas escolas, essa maneira arraigada de funcionamento pode ser entendida pelo isolamento de cada professor, com atuação profissional baseada em “cada um por si”. Outra forma bastante presente de relacionamento é, segundo Hargreaves, a balcanização. Trata-se dos modos de agrupamento dos professores de acordo com identificações particulares; por exemplo, por área, por ano. Esse tipo de organização dificulta a tomada de decisões que atinjam a totalidade do corpo docente. A ausência de cooperação é alimentada pela ideia de que qualquer pedido de ajuda ao seu exercício profissional seja interpretado como indício de incompetência, embora nas salas de professores estabeleça-se uma solidariedade que compensa a solidão pedagógica. Segundo esses autores, é essa forma de atuação profissional fragmentada que dificulta os avanços de aprendizagem de alunos, professores e da escola de maneira geral. Vale lembrar que as ações individualizadas dirigem-se à mesma comunidade de alunos, e sem a reflexão, a pesquisa e a aprendizagem conjunta sobre elas, os avanços tornam-se difíceis. Será que toda essa explanação pretende mostrar que não há saída? Não, espera-se que, refletindo sobre o contexto global e a realidade escolar em que vive e trabalha, o professor possa dimensionar seus possíveis “fracassos” pedagógicos. O importante é que, sem desconsiderar esses aspectos, diante do que os alunos e a sociedade esperam de nós, professores e escolas possam ir se livrando de algumas dessas amarras, caminhando em direção à solução dessas dificuldades. Lembre-se de que estamos diante de um período de profundas mudanças, e as alterações necessárias na cultura escolar são parte de um processo que não é compatível com o imobilismo, mas exige a participação de múltiplos atores, sendo os professores os mais importantes. Nesse processo, algumas ações podem ajudá-lo no sentido de estabelecer relações pedagógicas cooperativas. Embora seja bastante provável que toda a sua escolarização, tanto na escola básica, quanto na universidade, não tenha contribuído para desenvolver sua capacidade de estudar e trabalhar de modo cooperativo, é importante que o desenvolvimento dessa capacidade seja um dos nortes de sua prática diária. Vamos destacar alguns, entre muitos, caminhos possíveis para seu desenvolvimento nessa direção, o que é fundamen-

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tal para que se estabeleça uma rede de cooperação que dê suporte às mudanças necessárias: ▸ Encontrar interlocutores na escola, com os quais possa

refletir sobre suas práticas pedagógicas e neles encontrar apoio para encaminhar possíveis soluções para as dificuldades próprias do exercício docente (coordenadores e professores de outras disciplinas, por exemplo).

▸ Estabelecer parcerias com colegas para introduzir ino-

vações em seu trabalho. Por exemplo, um professor que nunca realizou atividades interdisciplinares poderá pedir a outro(s) especialista(s), em aspectos nos quais não se sente seguro, para orientá-lo quanto a referências (livros, sites, etc.) e formas de auxiliar os alunos ou, melhor ainda, poderá sugerir que participem conjuntamente do trabalho. Vale o mesmo para saídas da escola para estudos do meio, para o uso de recursos de informática e até mesmo para o trabalho com dinâmicas que impliquem a participação ativa dos alunos.

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▸ Usar as ferramentas tecnológicas para estabelecer coope-

ração com profissionais de sua disciplina ou de outras. Quer dizer, se em sua própria escola não houver tempo/espaço para o estabelecimento de cooperações semelhantes às mencionadas anteriormente, via fóruns de discussão, chats, e-mails, redes sociais (grupos de professores) por exemplo, é possível encontrar esses apoios. Isso se torna especialmente importante para professores que se iniciam na profissão e que, muitas vezes, têm bom domínio das ferramentas tecnológicas, mas se sentem inseguros para realizar um trabalho que exija conhecimentos em torno dos quais têm pouca formação; na parceria com outros colegas mais experientes, mas talvez despreparados para lidar com as tecnologias, ambos terão muito a aprender.

▸ Empenhar-se para que recursos tecnológicos se incorporem

ao seu dia a dia na busca de informações relevantes para seu próprio crescimento pessoal e profissional. A ampliação do conhecimento por meio da aprendizagem constante representa uma forma de “apoio interno” na medida em que alarga os próprios horizontes pessoais, permitindo que

o professor vislumbre assuntos e caminhos que tornem suas aulas mais criativas e interessantes, contribuindo para despertar em seus alunos processo semelhante, e que compreenda a existência de pontos de contato da Química com outros componentes curriculares. ▸ Usar a internet para participar de redes de trocas de in-

formação e apoio com escolas e professores que têm conseguido mudar o foco de suas ações profissionais; é possível localizar experiências na rede pública de todo o país, algumas bastante inovadoras (mudando o foco do professor que “ensina” para alunos que atuam individualmente e em grupo, aprendendo sob a coordenação do professor). Por exemplo, no endereço da Escola de redes, disponível em: <http://escoladeredes.net> (acesso em: 27 maio 2016), o educador português, agora radicado no Brasil, José Pacheco (ex-diretor da Escola da Ponte, no norte de Portugal), pôs em funcionamento uma rede de pessoas e informações na qual é possível, inclusive, ter acesso a textos teóricos sobre aprendizagem e publicações de pensadores da Educação, tais como Edgar Morin, Manuel Castells, Pierre Levy, estes dois últimos estudiosos da aprendizagem em rede. Vale ressaltar que tudo o que está disponibilizado na internet deve passar por uma avaliação crítica por parte do professor, antes que qualquer postura seja adotada. Por exemplo, há redes de professores de Química nas quais são disponibilizados inúmeros vídeos de músicas e de aulas de Química (vale o mesmo para outras disciplinas) em que o único objetivo é que o aluno decore fórmulas e elementos da Tabela Periódica, por exemplo. Por isso, é fundamental que o professor avalie cada sugestão, diante dos objetivos a que se propõe em seu curso. Essas são apenas algumas sugestões, mas, nesse percurso, mantendo-se atento, o professor poderá descobrir outras formas de construção de redes de apoio para alavancar as necessárias mudanças em suas concepções de ensino-aprendizagem. Quanto mais elas avançarem por toda a instituição escolar, melhores serão os resultados obtidos, o que será motivo de satisfação a todos os educadores comprometidos em enfrentar os desafios contemporâneos de nossa sociedade.

Algumas questões pedagógicas importantes Vamos abordar alguns aspectos pedagógicos que, nas últimas décadas, têm merecido destaque tanto em documentos oficiais quanto em trabalhos de pesquisa na área de Educação; eles são importantes norteadores no planejamento das atividades didáticas do professor. Vale lembrar também que, na etapa de planejamento do trabalho pedagógico, é importante, levando em conta não só os aspectos expostos adiante, como também o contexto sociocultural dos alunos e os conhecimentos prévios que eles possuem, que o professor faça as adequações necessárias, tendo em vista os objetivos que pretende atingir. Quanto a isso, é bom ressaltar que dados obtidos de avaliações pedagógicas nacionais, como o Sistema de Avaliação da Educação Básica (Saeb) assim como internacionais, caso do Programa Internacional de Avaliação de Alunos (Pisa), do qual o Brasil

tem participado, permitem concluir que, apesar de haver avanços no rendimento médio no nível de escolaridade de nossos alunos, enfrentamos graves problemas de analfabetismo funcional (relacionado a pessoas que, apesar de serem alfabetizadas, são incapazes de compreender pequenos textos, bastante simples) e de falta de conhecimentos básicos de Matemática. É interessante lembrar que questões de interpretação de gráficos significaram grande dificuldade para a maioria dos alunos. A pesquisa realizada em 2015, pelo Instituto Paulo Montenegro em conjunto com a ONG Ação Educativa, cujo objetivo era o de relacionar o Indicador de alfabetismo funcional (Inaf) com o mundo do trabalho, usou como um dos critérios de avaliação dos grupos o nível de escolaridade. Entre os cinco níveis utilizados como critérios (analfabeto, rudimentar, eleCaderno de Apoio Pedagógico

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mentar, intermediário e proficiente), vale destacar que pouco menos da metade dos indivíduos que cursaram o Ensino Médio (parcial ou integralmente) só atingiu a faixa correspondente ao nível elementar, 31% ao nível intermediário e apenas 9% foram considerados proficientes. Quanto aos que concluiram o nível superior, apenas 22% situam-se na condição de proficientes e 32% ainda estão no nível elementar. Mas, por que isso é importante no planejamento de um professor de Química? Porque, certamente, uma meta a ser perseguida é a de contribuir para que os alunos avancem em relação a esses conhecimentos de leitura-escrita e matemática básica, sem o que lhes será impossível o acesso às informações, à possibilidade de avaliá-las, enfim, ao exercício pleno da cidadania. Essas informações não podem nem devem redundar em leituras preconceituosas que justifiquem a “impossibilidade” de aprender, de um grupo ou de um aluno, ou de um fracasso escolar anunciado. É bastante provável que esses resultados que apontam para o fracasso do trabalho escolar decorram de inadequação na comunicação entre professor e alunos e da falta de avaliação do trabalho docente; é provável que as aulas ministradas a esses estudantes, baseadas em “suposições” de que certos conhecimentos já façam parte de seu universo, revelem-se inúteis.

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Protagonismo juvenil Acreditamos que um dos objetivos a serem alcançados pela escola e pelos educadores é estimular os estudantes a participarem de forma ativa na construção dos seus conhecimentos e na sociedade. Para alcançar esse objetivo, o protagonismo juvenil, tanto a escola quanto o educador necessitam criar um ambiente e situações que promovam a autonomia estudantil. Segundo o documento do MEC PGM 3: Mobilização e Participação na Escola Jovem: [...] [...] é essencial que os alunos tenham voz (e vez) na escola, através da concepção e elaboração de projetos curriculares, da organização de atividades que levem à reflexão e busca de soluções de forma coletiva e compartilhada. A escola precisa não somente recuperar o significado do seu currículo para os alunos, mas suas formas de relacionamento, valorizando a criatividade e a ousadia que os jovens possuem. Muitas são as competências construídas quando os alunos se mobilizam e têm espaço para participar do cotidiano da escola: saber ouvir e respeitar a opinião do outro, trabalhar em grupo, interagindo com o diferente, selecionar o que é significativo, aprender a aprender, experimentar, argumentar, criticar, tomar decisões. Uma das maneiras de estimular sua participação é integrar à vivência escolar aspectos de suas culturas. É preciso que os jovens tenham identidade com a escola. Neste sentido, é necessário que ela conheça seus alunos e os novos padrões culturais dos jovens, articulando-os aos seus desenhos curriculares. [...] Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/ mobiliza.pdf>. Acesso em: 2 jun. 2016.

A palavra protagonista vem do grego protagonistes (proto = primeiro, principal; agonistes = jogador, lutador, ator) e tem sido utilizada na educação para indicar a atuação dos estudantes como personagem principal de atividades que possibilitam a reflexão, a prática de cidadania, a solução de problemas contemporâneos que extrapolam os muros da escola e envolvem familiares, comunidade escolar e a sociedade. O próprio documento da Base Nacional Comum Curricular, um dos últimos documentos publicados até o momento pelo MEC e que trata da questão do currículo no Ensino Médio, coloca o protagonismo juvenil como um dos eixos de formação do Ensino Médio. Eixo 2 – Intervenção no mundo natural e social: este eixo diz respeito ao protagonismo dos/das estudantes frente às questões sociais e ambientais contemporâneas. Refere-se à capacidade de dar respostas aos problemas de seu tempo, utilizando-se, para tal, de diferentes recursos e tecnologias, colocando-os a serviço de seus propósitos. Disponível em: <http://basenacionalcomum.mec.gov.br/ documentos/bncc-2versao.revista.pdf>. Acesso em: 2 jun. 2016.

Nesse cenário, é desejável que o educador valorize todas as etapas de atividades que desenvolvem o protagonismo juvenil (criação, pesquisa, organização, envolvimento, etc.) e não somente o produto final.

Contextualização e interdisciplinaridade Embora as ideias básicas que esses termos contemplam já fossem empregadas anteriormente, nos últimos 30 anos é que ganharam espaço no meio educacional brasileiro, especialmente após o processo iniciado com a publicação da Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional, LDB (1996), e as publicações relativas a currículo que a ela se seguiram — os PCN (1999) e as Orientações Curriculares que lhe sucederam (Brasil, 2002 e 2006). Ainda que venham sendo bastante usadas nos meios educacionais, como decorrência natural dessas publicações oficiais, é importante notar que contextualização e interdisciplinaridade são termos polissêmicos, isto é, podem ser interpretados de várias maneiras. A leitura de trabalhos de pesquisadores da área de ensino (Pombo, Guimarães, Levy, 1993; Pombo, 2005; Silva, Furlanetto, 2011; Fazenda, 1993, 1998, 2003; Machado, 2000; Gadotti, 2010) e de ensino de Ciências/Química (Santos, Schnetzler, 1996; Sá, Silva, 2008; Silva, 2007; Weigert, Villani, Freitas, 2005; Wartha, Faljoni-Alário, 2005), bem como dos documentos oficiais mencionados, deixa-nos claro que não há consenso quanto à compreensão que os vários grupos têm desses termos, embora seja possível deduzir que os grupos de autores de cada um desses documentos tenham intenções próprias ao inserir esses termos em seus textos. Diante disso, surge a questão: como os professores podem “traduzir” essas ideias em seus planejamentos e na “prática” de suas aulas em suas escolas? De que forma esta coleção pode contribuir para a realização de atividades que representem contextualização e/ou interdisciplinaridade?

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Contextualização

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A contextualização no ensino vem sendo defendida por diversos educadores e pesquisadores como um meio de possibilitar ao aluno uma educação para a cidadania concomitantemente à aprendizagem significativa de conteúdos, seja ela pensada como um modo de ensinar conceitos das ciências ligados à vivência dos alunos, na forma de recurso pedagógico, seja como princípio norteador do processo de ensino. Silva (2007 p.121), em seu trabalho de pesquisa voltado ao entendimento da palavra contextualização, elencou três perspectivas educacionais para seu significado: (i) a contextualização como exemplificação, entendimento, ou informação do cotidiano – que pode ser caracterizada por compreensão de situações problemáticas, aplicação de conteúdos científicos emoldurados por situação do dia a dia do aluno, com ênfase na informação e não no desenvolvimento de competências, atitudes ou valores; (ii) a contextualização como entendimento crítico de questões científicas e tecnológicas relevantes que afetam a sociedade – essa orientação é característica do movimento CTS (Ciência, Tecnologia e Sociedade), que em geral propõe a abordagem de temas de interesse social que permitam o desenvolvimento de atitudes e valores para que os alunos enfrentem um mundo cada vez mais tecnológico e possam atuar, com responsabilidade, frente a questões problemáticas da ciência e da tecnologia relacionadas à sociedade, e (iii) contextualização como perspectiva da transformação da realidade social – caracterizada pela ênfase no entendimento crítico dos aspectos sociais e culturais ligados à ciência e tecnologia, em outras palavras, a inserção da prática social no ensino com vistas à transformação social. A primeira forma de contextualização é a mais simples e que mais vem sendo empregada nas salas de aula. Já a segunda e a terceira estão ligadas ao desenvolvimento de atitudes e valores de modo a inserir as questões científicas e tecnológicas no campo social. A terceira pressupõe, ainda, um posicionamento político. As Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio defendem a necessidade de se contextualizar os conteúdos de ensino na realidade vivenciada pelos alunos, a fim de atribuir-lhes sentido e, assim, contribuir para a aprendizagem significativa. A contextualização é compreendida como a inserção do conhecimento disciplinar em uma realidade plena de vivências, buscando o enraizamento do conhecimento explícito na dimensão do conhecimento tácito. O processo de ensino-aprendizagem contextualizado é um importante meio de estimular a curiosidade e fortalecer a confiança do aluno. Por outro lado, sua importância está condicionada à possibilidade de levar o aluno a ter consciência sobre seus modelos de explicação e compreensão da realidade, reconhecê-los como equivocados ou limitados a determinados contextos, enfrentar o questionamento, colocá-los em xeque num processo de desconstrução de conceitos e reconstrução/apropriação de outros. Contextualizar é dar sentido ao que se ensina, é inserir os alunos num universo amplo, é encadear ideias. O sentido de contextualizar os conteúdos ministrados na sala de aula é

permitir que os alunos encontrem aplicabilidade, utilidade para aquilo que aprenderam. O professor, ao trazer para a sala de aula experiências pessoais, sociais e culturais, faz com que o aluno saia da condição de espectador passivo e estabeleça relações de reciprocidade entre ele e o objeto de conhecimento, configurando uma aprendizagem significativa (QUEIROZ, 2003). A contextualização estabelece o atrelamento do ensino com a vida do aluno. Se levarmos em conta as ideias dos alunos e oferecermos as condições para que se criem saídas para os problemas apresentados, estaremos propiciando a participação deles no processo educacional para a construção da cidadania, sendo abundante a quantidade de contextos que podem ser empregados para auxiliá-los a dar significado ao conhecimento. Portanto, um dos eixos norteadores para o professor de Química deve ser a contextualização, abordando os conteúdos químicos a partir de temas cotidianos, dando significado a esses conteúdos e facilitando o estabelecimento de ligações com outras áreas de conhecimento. O ensino do conhecimento de Química deve ser impregnado de realidade, em uma concepção que destaque o papel social da Química por meio de contextualização social, política, filosófica, histórica e econômica, ou seja, deve apresentar informações que preparem os cidadãos a tratar responsavelmente as questões sociais (SANTOS; SCHNETZLER, 2000). Várias seções da coleção contemplam essa visão, embora, dependendo do trabalho pedagógico realizado, o nível de conexões, de “tessituras”, possa ser maior ou menor. É o caso das seções Conexões e Atividades presentes no livro do aluno e Temas de cidadania propostos no CAP.

Interdisciplinaridade Podemos pensar que a interdisciplinaridade nasce de um desejo de conhecer algum assunto de modo global, em oposição à especialização própria das disciplinas que estudam com profundidade aspectos desse conhecimento. No entanto, estamos trilhando o caminho do processo de construção de saberes interdisciplinares, no qual, em estágios mais simples, apenas justapomos conhecimentos disciplinares. Por exemplo, imagine que os alunos aprenderão sobre pilhas, tanto nas aulas de Física quanto nas de Química, no entanto, não se procurará estabelecer qualquer relação entre uma e outra disciplina que permita aos alunos e professores ampliar sua visão sobre sua própria disciplina e/ou sobre a relação dela com a outra (no caso, os termos mais usados para designar esse tipo de trabalho são multi ou pluridisciplinar). Imagine agora um trabalho em que os mesmos professores planejem uma série de atividades conjuntas, definam etapas, metodologia de pesquisa, etc. Durante o trabalho, os alunos trazem questões novas que, eventualmente, podem demandar pesquisa. Esses “imprevistos” trazem algo novo, e é possível que alunos e professores aprendam a divisar nessa oportunidade novas visões sobre o assunto e novas perspectivas de abordagem. Nesse caso, pode-se dizer que houve avanços no caminho da interdisciplinaridade (inter — que está entre as disciplinas). Interdisciplinaridade é a prática didática em que o conteúdo específico de cada disciplina não é propriedade reservada, exclusiva dela, pois esse mesmo conteúdo pode receber as Caderno de Apoio Pedagógico

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contribuições de outras disciplinas. O conceito de interdisciplinaridade está embutido no conceito de transversalidade, que se apresenta como um tratamento didático em que um tema penetra, atravessa e permeia a concepção de diferentes áreas, seus objetivos, conteúdos e orientações didáticas. Por essas razões, talvez seja mais apropriado dizer que uma atividade tem o caráter interdisciplinar, que uma pessoa tem uma postura interdisciplinar, e assim por diante. A interdisciplinaridade busca superar a fragmentação das disciplinas, sem desconsiderar a importância de cada uma delas. Os PCN destacam a importância da interdisciplinaridade para a construção de um conhecimento global, rompendo com a barreira das disciplinas, tornando-se uma ação efetiva no processo de ensino-aprendizagem. A Química é, por sua própria natureza, uma ciência multidisciplinar nos temas que aborda e nas atividades-problema que possui. Assim, torna-se necessário que o professor dessa disciplina planeje e desenvolva aulas com proposta interdisciplinar, que consiste numa tentativa de estimular o diálogo com outras formas de conhecimento, dando mais sentido ao estudo de Química, contrapondo ao isolamento histórico que as disciplinas apresentam. Quando ocorre a interdisciplinaridade, o aluno é despertado para a relação que existe com as várias disciplinas que ele estuda ou estudou e a conexão que existe entre o conhecimento do senso comum e o conhecimento científico, sendo o professor o principal sujeito dessa ação interdisciplinar. Tendo por base esses aspectos, podemos dizer que os livros desta coleção contêm várias atividades de caráter interdisciplinar, pois são justamente os projetos interdisciplinares que mais se prestam a revelar novos conhecimentos — como se vê pelas atividades sugeridas nas Orientações para o professor, em que os temas de cidadania são voltados para isso. No entanto, vale ressaltar que, ao realizar tais atividades, pode ser que nenhum conhecimento interdisciplinar seja produzido pelos alunos. Como, então, produzir conhecimentos interdisciplinares? Diante disso, é preciso dizer que a ação interdisciplinar implica uma série de necessidades e posturas, conforme Fazenda (2010), pesquisadora brasileira, pioneira no campo da interdisciplinaridade. As necessidades do presente e do futuro requerem mais do que especialização em um único campo do saber, pois demandam versatilidade, harmonizando formação especializada com saberes que requerem sólida cultura geral e grande capacidade de aprender (autoaprendizagem). Segundo a mesma concepção, a interdisciplinaridade consiste em metodologia de ensino, o que implica a postura de um educador que não fica fechado em seu campo de conhecimento, reconhecendo nos demais a possibilidade de aprender e interagir, o que inclui uma postura de humildade, reconhecendo-se um eterno estudante que pouco sabe, diante do imenso universo de conhecimentos que cresce diariamente de modo exponencial. Na interação com outros colegas professores, a integração pode se dar de modo recíproco, o que inclui objetivos, conceitos, conteúdos — temas de projeto com olhares disciplinares distintos —, metodologia, dados e formas de organização e sistematização de procedimentos.

Em um projeto interdisciplinar, é fundamental que haja a efetiva troca entre os especialistas, para que as disciplinas se integrem em um mesmo projeto, o que requer uma relação de reciprocidade, de interação entre os professores envolvidos. De acordo com Fazenda (1993), [...] a interdisciplinaridade depende então, basicamente, de uma mudança de atitude perante o problema do conhecimento, da substituição de uma concepção fragmentária pela unitária do ser humano. Uma prática interdisciplinar tem como ponto de partida e de chegada a ação e é por meio do diálogo que se estabelece entre as disciplinas e entre os sujeitos das ações que a interdisciplinaridade “devolve a identidade às disciplinas, fortalecendo-as” e evidenciando uma mudança de postura na prática pedagógica. Tal atitude embasa-se no reconhecimento da “provisoriedade do conhecimento”, no questionamento constante das próprias posições assumidas e dos procedimentos adotados, no respeito à individualidade e na abertura à investigação em busca da ampliação do conhecimento. Não se trata de propor a eliminação de disciplinas, mas sim da criação de movimentos que propiciem o estabelecimento de relações entre as mesmas, tendo como ponto de convergência a ação que se desenvolve num trabalho cooperativo e reflexivo. [...] O vício principal do currículo por disciplinas é reduzir o ensino à exposição oral dos conteúdos factuais e ao material informativo do livro didático, sem considerar o processo de investigação, os modos de pensar a que as disciplinas recorrem, a funcionalidade desses conteúdos para a análise de problemas e situações concretas e para a vida prática cotidiana. É daí que se postula uma atitude interdisciplinar que mobiliza o professor a transitar do geral ao particular e deste ao geral, do conhecimento integrado ao especializado e deste ao integrado, do território da disciplina às suas fronteiras e vice-versa. A atitude interdisciplinar requer uma mudança conceitual no pensamento e na prática docente, pois os alunos não conseguirão pensar interdisciplinarmente se o professor lhes oferecer um saber fragmentado e descontextualizado. Uma mudança de atitudes dos professores diante da rigidez da organização disciplinar implica compreender a prática da interdisciplinaridade em três sentidos: como atitude, como forma de organização administrativa e pedagógica, como prática curricular (Libâneo, 2007). Atitude interdisciplinar significa eliminar as barreiras entre as disciplinas e entre as pessoas, de modo que os professores envolvam-se em projetos comuns. Organização escolar interdisciplinar é um modo de efetivar a atitude interdisciplinar que se expressa na elaboração coletiva do projeto pedagógico e nas práticas de organização da escola. Como prática curricular, há muitas formas de viabilização: reunir disciplinas cujos conteúdos permitem tratamento pedagógico-didático interdisciplinar (por exemplo, em projetos específicos ligados a problemas sociais, às grandes questões atuais, a temas unificadores, etc.); formular, após levantamento de características da realidade local e da identificação de problemas mais significativos para o grupo

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de alunos, temas geradores que possibilitem a compreensão mais globalizante dessa realidade por meio da contribuição de várias disciplinas; desenvolver práticas de ensino não convencionais que ajudem os alunos a aprender a pensar, a ter maior flexibilidade de raciocínio; orientar o estudo de um assunto para abordá-lo em todos os seus aspectos, ligações, relações internas e externas, e fazer a ligação com os problemas sociais e cotidianos (Libâneo, 2007). Depois dessas considerações, talvez o professor esteja pensando: será que algumas das situações que foram descritas não caracterizam atividades interdisciplinares? Qual o limite que separa contextualização de interdisciplinaridade? Sá e Silva (2008), ao pesquisarem as concepções dos professores de Química, valeram-se desses dois conceitos. Segundo eles: [...] Na prática pedagógica, a interdisciplinaridade e a contextualização alimentam-se mutuamente, pois o tratamento das questões trazidas pelos temas sociais expõe as inter-relações entre os objetos de conhecimento, de forma que não é possível fazer um trabalho contextualizado tomando-se uma perspectiva disciplinar rígida. Ou seja, a busca de temas que propiciem um ensino contextualizado, no qual o aluno possa vivenciar e aprender com a integração de diferentes disciplinas, pode possibilitar ao aluno a compreensão tanto dos processos químicos em si, quanto de um conhecimento sem fronteiras disciplinares.

História da Ciência A presença da História da Ciência numa obra didática serve a vários objetivos. Entre os mais importantes está a possibilidade de aproximar conhecimento científico da história da humanidade. Trata-se de uma forma de fazer com que os alunos compreendam que a Ciência é uma construção humana, um conjunto de conhecimentos que se inserem em um processo histórico, em estreita relação com as condições sociopolíticas, culturais e econômicas de um determinado período histórico. Esse aspecto é explicitado, logo na abertura da parte específica da Química, nos PCN+ (BRASIL, 2002, p. 87): A Química pode ser um instrumento da formação humana que amplia os horizontes culturais e a autonomia no exercício da cidadania, se o conhecimento químico for promovido como um dos meios de interpretar o mundo e intervir na realidade, se for apresentado como ciência, com seus conceitos, métodos e linguagens próprios, e como construção histórica, relacionada ao desenvolvimento tecnológico e aos muitos aspectos da vida em sociedade. Outro ponto importante é o de contribuir para que os alunos percebam o dinamismo da Ciência, constatando que há certa provisoriedade de conceitos e modelos. É objetivo também mostrar que o conhecimento científico atual resulta da produção intelectual de muitas gerações de pesquisadores. Também é muito importante evidenciar o papel da comunidade científica na aceitação de novas teorias; essa resistência em aceitar mudanças foi muitas vezes acentuada

em função do contexto socioeconômico e cultural, um outro aspecto que deve ser contemplado. Na interpretação do mundo através das ferramentas da Química, é essencial que se explicite seu caráter dinâmico. Assim, o conhecimento químico não deve ser entendido como um conjunto de conhecimentos isolados, prontos e acabados, mas sim uma construção da mente humana, em contínua mudança. A História da Química, como parte do conhecimento socialmente produzido, deve permear todo o ensino de Química, possibilitando ao aluno a compreensão do processo de elaboração desse conhecimento, com seus avanços, erros e conflitos. (BRASIL, 1999, p. 31) Em algumas oportunidades, os aspectos históricos do conhecimento científico foram relacionados com suas repercussões no desenvolvimento de tecnologias e de suas aplicações em diversos campos da vida humana, sendo algumas vezes analisadas as formas pelas quais as sociedades se valeram dessas inovações. Vale lembrar que, muitas vezes, o conhecimento químico e das ciências, de modo geral, é confundido com o uso que a humanidade faz dele. Por isso, é importante o professor ficar atento, propondo questionamentos que conscientizem os alunos para o fato de as ciências e as tecnologias que delas decorrem serem sujeitas a muitas influências, merecendo constante avaliação de caráter ético. Por exemplo, foram governos e pessoas que, em determinado contexto, decidiram lançar uma bomba em Hiroxima — e não a Física; analogamente, o uso de armas químicas em guerras (como nas mundiais e na do Vietnã) foi consequência de decisões de grupos de pessoas e não da Química. Resta-nos fazer um esclarecimento importante. Não basta justapor ciência e história para que se obtenha História da Ciência. Esta é um campo de estudo institucionalizado há quase um século, cujas pesquisas, ancoradas na análise de documentos, explicitam interações de aspectos epistemológicos, historiográficos, sócio-históricos e culturais nos processos de elaboração, transmissão e transformação de conceitos científicos (Alfonso-Goldfarb & Ferraz, 2009). Assim definida, não se concebe que uma pesquisa em História da Ciência seja exclusivamente internalista ou exclusivamente externalista (Canguilhem, 2012). Por se tratar de uma obra didática, adotamos predominantemente uma perspectiva internalista ao tratar de aspectos históricos da Química. Essa perspectiva evidencia nitidamente para o aluno o fato de que uma ciência como a Química se constrói pela contribuição de inúmeras gerações de pesquisadores. Recorremos à perspectiva externalista com menos frequência, e o fazemos geralmente quando é possível associar fundamentadamente algum evento científico com uma circunstância histórica. É o caso, por exemplo, da seção Viagem no tempo do Volume 2 (capítulo 8) em que tratamos da influência da Primeira Guerra Mundial para a conquista da produção industrial de amônia pela Alemanha. Mesmo em casos desse tipo, porém, os processos químicos envolvidos são explicados com algum detalhamento. Além dos aspectos comentados anteriormente, a seção Viagem no tempo contempla também a relação entre ciência e ética. Caderno de Apoio Pedagógico

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O uso das Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs)

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Embora muitos de nós, professores, estejamos ainda pouco acostumados a usar muitos dos recursos pedagógicos viáveis com os avanços tecnológicos, esses recursos despertam grande interesse nos alunos, mesmo os que têm pouco acesso a computadores. Portanto, levando-se em conta o papel de integração de várias mídias e de interatividade, que são importantes como recurso de aprendizagem, é possível constatar que o uso das TICs pode motivar a aprendizagem dos jovens. Além disso, não há outras ferramentas de aprendizagem que conjuguem recursos tais como interatividade (fóruns, chats, etc.), a possibilidade de pesquisar em várias mídias, de organizar registros, de simular o mundo invisível de moléculas e átomos, como os computadores podem fazer. Entretanto, é fundamental que o uso das TICs seja bem planejado e orientado pelo professor, para que se torne um recurso eficiente no processo de aprendizagem. Muitos programas apenas transpõem para o computador aquilo que poderíamos fazer usando livros e lousa; outros infantilizam os adolescentes, criando resistência da parte deles. Ambas são formas de exploração limitadas frente ao potencial que a tecnologia oferece. Essas são questões que merecem atenção, permanente pesquisa e análise criteriosa por parte dos educadores diante dos objetivos que pretendem atingir: que os alunos sejam capazes de selecionar informações, analisar vídeos, imagens, textos, elaborar conceitos usando simulações, compartilhar ideias, entre tantas outros. Com a crescente inserção das tecnologias de informação no ensino, ocorrida nos últimos anos, constata-se que, se bem usadas, elas podem ser grandes aliadas do processo de ensino-aprendizagem. A utilização no ensino de softwares e de outras ferramentas tecnológicas é favorável para que o professor: integre a disciplina com outras áreas (interdisciplinaridade); recorra a informações para orientar os alunos quanto à escolha de sites, imagens, textos, vídeos, para o trabalho com projetos interdisciplinares e com temas geradores diversos (oriundos de eventos recentes, de problemas sociais e/ou ambientais propostos pelos alunos e/ou professor); auxilie o aluno no desenvolvimento do pensamento crítico e na proposição de soluções para muitos problemas. Um dos maiores desafios que o professor enfrenta é o de incorporar as tecnologias de informação (TI) em sua prática, o que, sem dúvida, exige uma mudança cultural no papel do professor e da escola. Isso pressupõe a valorização do papel do professor como orientador das atividades que podem ser feitas com o uso do computador, instruindo e supervisionando a aprendizagem dos alunos, ao mesmo tempo que alunos e comunidade possam entender que o professor não é o “detentor” do conhecimento, mas um orientador experiente que conhece mais a respeito do que ensina do que seus alunos, embora tenha sempre muito

a aprender. Assim, é essencial refletir sobre o papel da escola, fundamental no sentido de viabilizar ou impedir que a inovação, expressa por uma nova forma de ensinar, facilitada com o uso das TICs, incorpore-se à cultura escolar. Por isso, é importante combater a tendência ao isolamento e à fragmentação dos vários setores e das diversas tarefas que, como enfatizamos, costumam impregnar as instituições escolares. Segundo Valente (2003), a verdadeira função do aparato tecnológico não deve ser o ensino propriamente dito, mas sim a de criar condições de aprendizagem. Dessa forma, o professor não se restringe a um mero repassador de informação e passa a ser o facilitador do processo de aprendizagem do aluno. Mesmo que o professor esteja pouco familiarizado com o uso desse recurso, poderá começar por fazê-lo em algumas poucas atividades; sempre que possível, para ganhar confiança nesse uso, vale recorrer ao trabalho compartilhado com colegas de outras áreas, com alguma experiência na utilização pedagógica das TICs. O emprego de simulações em Química é particularmente instigante para os alunos, pois permite a realização de atividades interativas, propiciando, se bem utilizado, o avanço em relação à aprendizagem relativa ao mundo submicroscópico.

A experimentação A inclusão da experimentação no ensino de Química é justificada pela importância de seu papel investigativo e pedagógico de auxiliar o aluno no entendimento dos fenômenos e na construção dos conceitos. Para que os experimentos tenham importância no desenvolvimento cognitivo dos alunos é fundamental que eles integrem uma sequência didática (constituída de várias outras atividades) e que provoquem reflexões e discussões de ideias, norteando-os no sentido da compreensão de conceitos. Para Carvalho et al (1999), apud Suart, Marcondes, Carmo (2009), as atividades de caráter investigativo buscam uma questão problematizadora que, ao mesmo tempo, desperte a curiosidade e oriente a visão do aluno sobre as variáveis relevantes do fenômeno a ser estudado, fazendo com que eles levantem suas próprias hipóteses e proponham possíveis soluções. No caso dos livros desta coleção, os experimentos ocupam posições variáveis na sequência de cada capítulo. Em alguns casos eles contribuem para que os alunos encontrem respostas a questões propostas no início do capítulo (na seção Para situá-lo), em outros, o experimento se inicia com uma questão que será esclarecida com as reflexões a respeito das observações realizadas. Em diversos casos, o experimento proposto antecede explicações teóricas, de modo que, por ter certo caráter investigativo, permite aos alunos atingir habilidades cognitivas de nível mais alto (Suart; Marcondes; Carmo, 2009). No entanto, fica a critério do professor, diante da estratégia adotada e da motivação dos alunos, a opção por utilizá-lo no momento que julgar mais oportuno. Na seção Química: prática e reflexão, a sugestão é que os experimentos sejam feitos em grupos (o ideal é que

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tenham, no máximo, cinco alunos). Isso porque, mais importante que a própria manipulação de materiais e coleta de observações, é a troca de opiniões, a cooperação entre os elementos do grupo em busca de explicações. Por essa razão, no caso de experimentos que demandem drogas de laboratório, há sugestões que constam das Orientações para o professor, a fim de que eles sejam realizados de modo demonstrativo, sem que, no entanto, se perca a oportunidade de discutir com a classe as hipóteses explicativas propostas pelos alunos. Isso também pode ser feito com vídeos de experimentos obtidos na internet ou até mesmo com a análise de dados ligados à descrição de experimentos. Ou seja, as atividades experimentais, além de permitirem a aquisição de habilidades relativas à manipulação de materiais, têm a função pedagógica de “propiciar oportunidade para que os alunos elaborem hipóteses, testem-nas, organizem os resultados obtidos, reflitam sobre o significado de resultados esperados e, sobretudo, o dos inesperados e usem as conclusões para a construção do conceito pretendido.” (PCN+, 2002, p. 52).

Material para os experimentos e segurança É bom lembrar que a utilização de aulas com demonstrações constitui-se em importante instrumento para despertar o interesse dos estudantes pelo fenômeno exibido e que algumas atividades que envolvem experimentos não precisam de salas especiais, podendo ocorrer em salas de aulas regulares quando a escolar apresenta problemas estruturais, como a falta de um laboratório, sempre privilegiando a segurança dos alunos. Também é necessário considerar a hipótese de o professor não contar com recursos e drogas de laboratório; nesses casos, para a realização dos experimentos propostos nos livros-texto, são necessários apenas materiais caseiros e/ou comprados em farmácias, supermercados, casas de materiais de construção, etc. No caso de haver dificuldade de comprar alguns materiais no comércio local, é possível adquiri-los via internet. Tanto na realização de experimentos em sala de aula quanto no laboratório — e, neste último caso, isso se torna mais importante —, é fundamental que o professor favoreça um ambiente de responsabilidade pela segurança de todos, propiciando que os alunos entendam que a falta de seriedade pode causar riscos. Investigações reforçam as já conhecidas constatações de que demonstrações em ciências podem se constituir em cenários que priorizam aspectos emocionais dos estudantes, potencializando-os para aprender conceitos. As aulas com demonstrações objetivam a transposição dos limites frios do ensino formal, descritivo e axiomático, em direção a um cenário rico em estímulo e interativo. As observações iniciais têm indicado que os estudantes participantes deste ensino apresentam maiores interesses na busca de explicações e dos significados subjacentes aos fenômenos demonstrados. Os principais elementos presentes nas demonstrações costumam ser: o inesperado, o

curioso, o desafio a ser vencido, a quebra e/ou substituição de paradigmas, o inacreditável, o mágico/lúdico e o previsível (Saad, 2005). A realização de experimentos geralmente desperta nos estudantes um maior interesse pelo estudo de Ciências. É importante associar o “saber fazer” com o “explorar/ compreender” os fenômenos ou princípios científicos (Saad, 2005). No caso de o professor usar drogas de laboratório para a realização de experimentos, valem algumas recomendações: ▸ Use todas as substâncias na menor quantidade possível.

Procure armazenar sobras de reagentes para posterior reutilização em outros experimentos. Evite desperdícios.

▸ Siga as normas de segurança. Mantendo o cuidado, os

acidentes são raríssimos!

▸ De início, considere todas as substâncias químicas uti-

lizadas nos experimentos como sendo potencialmente tóxicas e venenosas. Em caso de dúvida, antes de realizá-los, procure em sites confiáveis, como o da Cetesb, por exemplo, maneiras adequadas de armazenamento e descarte, as incompatibilidades entre substâncias, informando-se sobre as medidas de segurança necessárias para todas as substâncias envolvidas no experimento.

▸ Conheça bem a localização de extintores de incêndios,

verificando em que casos eles possam ser úteis. A água, por exemplo, não é igualmente eficaz para extinguir incêndios provocados por diferentes substâncias químicas.

▸ Em caso de acidentes, procure atendimento médico.

Sem orientação médica, não administre à vítima medicamentos ou outras substâncias, mesmo que você acredite que elas façam bem. Leve a vítima a local ventilado. Em linhas gerais (normalmente), o que se deve fazer é: ▸ Não induzir vômitos; remover roupas e sapatos que

tenham sido atingidos por reagentes.

▸ Enxaguar continuamente com bastante água e sabão

a região da pele afetada.

▸ No caso de contato com os olhos, manter as pálpebras

abertas e enxaguar com bastante água, por cerca de 15 minutos, pelo menos.

▸ Nunca coloque sabão e outras substâncias detergen-

tes nos olhos.

▸ Agentes oxidantes podem explodir por ocasião de uma

batida ou de exposição a calor, chama ou atrito. Também podem agir como fonte de iniciação para explosões de pó ou de vapor. O contato com substâncias oxidáveis pode causar combustão violenta.

▸ Não se provocam aquecimentos em sistemas fechados.

O aumento da pressão interna, causada pelo aquecimento, pode fazer com que os componentes do sistema se rompam com violência.

▸ Durante os experimentos, se necessário, sempre verta

ácidos ou bases sobre a água e não o contrário. Na página seguinte, estão alguns símbolos internacionais que serão usados para classificar as substâncias que requerem maior cuidado de quem as manipula. Caderno de Apoio Pedagógico

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Tóxico ou muito tóxico NE N

Risco ao meio ambiente

A avaliação A ideia de avaliação escolar, predominante em nossa cultura, é a associada a resultados “finais” da aprendizagem N de um aluno, seja de um período do ano escolar (bimestre, trimestre) seja de todo o ano (ou ciclo); esses resultados são mais frequentemente usados para decidir se um aluno pode ser promovido para o ano seguinte, se deve ficar em recuperação (geralmente limitada ao final de um ano letivo), ou se deve ser reprovado. Há décadas, trabalhos de pesquisadores que estudam a questão (Luckesi, 1998; Hoffmann, 1994, 1995) apontam que o que mais se pratica na escola, como se fosse avaliação, é a simples verificação da aprendizagem, um processo estático, sem que qualquer ação no sentido de auxiliar o aluno a progredir em seu processo de aprendizagem seja tomada. Para esclarecer essa diferença, Luckesi faz uma analogia entre a concepção escolar mais comum de “avaliação” — na verdade, verificação, porque habitualmente fica restrita à atribuição de uma nota a um aluno — e a simples medida da temperatura de uma pessoa; no caso, se após a constatação da febre, não se tomar qualquer providência para a realização de um diagnóstico e posterior tratamento médico adequado, do que terá valido essa medida de temperatura? A analogia pretende evidenciar que a avaliação é processo que pressupõe a possibilidade de o professor realizar adequações em seu próprio planejamento didático quando as dificuldades forem da maior parte dos alunos e/ou para orientar ações que possam auxiliar grupos de alunos com dificuldades de aprendizagem. Muitas vezes, para que se consiga reverter situações mais complexas, é fundamental a ação conjunta da equipe de professores e/ou da escola como um todo — o que implica a necessidade de caminharmos para mudanças na cultura escolar que avalia o aluno de forma fragmentada. A avaliação é um instrumento fundamental para obter informações sobre o andamento do processo de ensino-aprendizagem, ou seja, deve ser compreendida como um meio de orientação do processo. Isso porque é uma das principais formas pela qual se pode reconhecer a validade do método didático-pedagógico adotado pelo professor. O processo em que o professor avalia e realiza correções de rota em seu planejamento é parte de uma das competências que, segundo Perrenoud (2000, p. 30-36), quem ensina deve possuir. Uma autoavaliação por parte do docente, subsidiada pelo pedido de avaliação anônima de seu trabalho pelos alunos, em conjunto com o estabelecimento de compromissos entre

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©SHUTTERSTOCK/BARDOCZ PETER

Xn ou Xi

professor resultados costumam ajudar E e alunos por melhores T ou T+ E o professor a replanejar o trabalho e a atingir esses objetivos. T ou T+ E Além do processo de avaliação promovido pelo professor, é de fundamental importância que o aluno realize pelo menos uma autoavaliação bimestral. O objetivo desse instrumento de avaliação é verificar a visão que o aluno tem de si mesmo, como pensa seu processo de aprendizagem e se consegue estabelecer estratégias para avançar nos conteúdos. Essas concepções de avaliação estão em consonância com os PCNEM: (Brasil, 1999, p. 53) A avaliação pode assumir um caráter eminentemente formativo, favorecedor do progresso pessoal e da autonomia do aluno, integrada ao processo ensino-aprendizagem, para permitir ao aluno consciência de seu próprio caminhar em relação ao conhecimento e permitir ao professor controlar e melhorar a sua prática pedagógica [...]. Para que a avaliação cumpra esse caráter formativo, é imprescindível articulá-la às competências e habilidades pelas quais se orienta o processo de ensino-aprendizagem. Algumas sugestões feitas na Parte Específica deste CAP constituem elementos úteis a fim de auxiliar o professor a encontrar caminhos para efetivar essa prática de avaliação formativa. A avaliação pode ser aplicada em diferentes momentos do ensino: ▸▸ Avaliação inicial — para que o professor adapte seu curso

às necessidades dos estudantes, tendo em vista os conceitos que eles já possuem (conhecimentos prévios). Em boa parte, essa avaliação pode ser feita a partir da participação oral ou escrita das respostas às questões que constam das seções Para situá-lo, no início de cada capítulo.

▸▸ Avaliação ao longo do processo — permite detectar obs-

táculos que os alunos encontram durante o processo e serve para reorientar o trabalho. No início ou final das aulas, podem ser feitas pequenas