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Helvio Nicolau Moisés

9° ano

QUÍMICA E FÍSICA: a matéria e a energia da Terra

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ENSINO FUNDAMENTAL

CIÊNCIAS

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Helvio Nicolau Moisés

CIÊNCIAS - ENSINO FUNDAMENTAL Helvio Nicolau Moisés Mestre em Educação pela Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo. Bacharel e licenciado em Ciências Biológicas pelo Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo. Professor de Ciências e Biologia em escolas públicas e particulares. Coordenador de projetos visando ao desenvolvimento sustentável local e regional. Autor de coleções didáticas de Biologia para o Ensino Médio e de artigos sobre políticas públicas, gestão ambiental e sustentabilidade.

3a edição São Paulo - 2012

QUÍMICA E FÍSICA: a matéria e a energia da Terra

9

0 ano

MANUAL DO PROFESSOR

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Coleção Ciências da Natureza Química e Física: a matéria e a energia da Terra – 9o ano © IBEP, 2012

Diretor superintendente Gerente editorial Editor Assistente editorial Preparação e revisão Produção editorial Produção gráfica Assistente de produção gráfica Coordenadora de iconografia Assistente de iconografia Coordenadora de Arte Assistente de Arte Ilustrações Projeto gráfico Capa Diagramação

Jorge Yunes Célia de Assis Célia de Assis Mariana R. Penteado Maria Inez de Souza Elizabeth Oliveira Paula Calvielo José Antonio Ferraz Eliane M. M. Ferreira Maria do Céu Pires Passuello Adriana Neves Karina Monteiro Marilia Vilela Tomás Troppmair Cícero Soares Luis Moura Ulhôa Cintra Comunicação Visual e Arquitetura Departamento de arte IBEP N-Publicações

CIP BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ M724q 3.ed. Moisés, Helvio Nicolau Química e física : a matéria e a energia da Terra : 9o ano / Helvio Nicolau Moisés. 3.ed. - São Paulo : IBEP, 2012. il. ; 28 cm. (Ciências da natureza) ISBN 978-85-342-3106-0 (aluno) - 978-85-342-3110-7 (mestre) 1. Ciências - Estudo e ensino (Ensino fundamental). I. Título. II. Série. 12-1834.

CDD: 372.35 CDU: 373.3.016:5 034254

23.03.12 04.04.12

3a edição – São Paulo – 2012 Todos os direitos reservados

Av. Alexandre Mackenzie, 619 – Jaguaré São Paulo – SP – 05322-000 – Brasil – Tel.: (11) 2799-7799 www.ibep-nacional.com.br

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editoras@ibep-nacional.com.br

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Prezado estudante

Uma das metas deste livro é relacionar a Física e a Química com o nosso dia a dia. Para tanto, um grande número de fenômenos, inclusive os ecológicos, será explicado com conceitos químicos ou físicos. Espero com isso que você tenha uma boa iniciação nessas ciências tão importantes e cujas aplicações revolucionaram nosso modo de vida.

O autor

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Como é o seu livro

Unidades e capítulos Este livro é formado por unidades e estas são dividas em capítulos. Em cada capítulo, há várias seções.

Trocando ideais Nesta seção você encontrará perguntas que vão conduzir à troca de ideias com seus colegas e o professor ou professora. Anote suas respostas e volte a elas quando terminar o capítulo, para ver o que aprendeu.

Pense e responda No decorrer do capítulo, você encontrará perguntas para reflexão. Você deve resolver a questão antes de prosseguir.

Saiba mais São momentos de leitura com informações sobre o meio ambiente, saúde, novas descobertas tecnológicas etc.

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Analise (a foto, a tabela, a ilustração, o gráfico)

Investigue e relate Esta seção propõe uma

Analisando gráficos,

pesquisa para você

tabelas, ilustrações e

obter dados por meio de

fotos, você aprenderá

experiências, observações

muitas coisas.

do ambiente, entrevistas, levantamento de opinião.

Em outras palavras Nesta seção, você vai encontrar palavras cujo significado, talvez, você não conheça.

Aplique seus conhecimentos

Revise seus conhecimentos Nesta seção, você vai responder a questões sobre os assuntos do capítulo.

para você aplicar seus

Trabalhe com seus colegas

conhecimentos para

Você pode trabalhar

Esta seção é um convite

resolver uma questão em uma nova situação.

com seus colegas de equipe sempre que quiser. Mas, nesta seção, você terá sempre de trabalhar em grupo.

Olhar de cidadania Ao final de cada unidade, propomos atividades para analisar a qualidade de vida na escola, no bairro, em sua cidade e na sua casa. Chame a atenção dos alunos para estes fatos: 1. O tamanho dos seres vivos geralmente está escrito na legenda. 2. Nos esquemas, as figuras não são proporcionais ao tamanho real, e as cores são fantasia, isto é, não correspondem às cores reais.

No final do livro, a seção

Ciência em revista trata mais a fundo um assunto da atualidade. Você também encontrará uma lista de livros para sua leitura.

UNIDADE 1 • ESTRUTURA DA MATÉRIA

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Sumário Unidade I. Estrutura da matéria Capítulo 1.

Capítulo 2.

Capítulo 3.

Capítulo 4.

Capítulo 5. Capítulo 6.

Capítulo 7.

Matéria: uma visão inicial ................................................................. 10 O que é matéria?....................................................................................... 11 Fenômenos físicos e fenômenos químicos .............................................. 15 Propriedades físicas da matéria ....................................................... 17 Estados físicos ...........................................................................................18 Mudanças de estado ................................................................................ 22 Outras propriedades físicas da matéria .................................................. 26 Estrutura do átomo ........................................................................... 33 A radioatividade e o elétron ................................................................... 34 O modelo atômico de Rutherford ........................................................... 35 Os elementos químicos ..................................................................... 39 Prótons, elétrons e nêutrons ................................................................... 40 Número atômico e elemento químico .................................................... 40 Número de massa ..................................................................................... 42 Isótopos, isóbaros e isótonos ................................................................... 42 A organização da eletrosfera ........................................................... 46 Modelo atômico de Bohr ......................................................................... 47 A distribuição de elétrons ........................................................................ 48 A classificação periódica dos elementos ......................................... 52 Estrutura geral .......................................................................................... 55 Metais, não metais ................................................................................... 57 Os elementos artificiais ............................................................................ 59 Os elementos radioativos ........................................................................ 60 As ligações químicas ......................................................................... 64 Os átomos se ligam .................................................................................. 65 As fórmulas das substâncias .................................................................... 69 A ligação metálica .................................................................................... 70 Ligação iônica ou covalente? .................................................................. 72

Unidade 2. Os sistemas químicos e as funções Capítulo 8.

Capítulo 9.

Os sistemas químicos ........................................................................ 78 Substâncias puras e misturas ................................................................... 79 Substâncias simples e substâncias compostas ........................................ 81 Sistemas homogêneos e sistemas heterogêneos .................................... 82 Separação de misturas ............................................................................. 83 As funções químicas .......................................................................... 89 A dissociação iônica e a ionização .......................................................... 90 Ácidos ........................................................................................................ 91 Bases .......................................................................................................... 93 Sais ............................................................................................................ 95 Óxidos ....................................................................................................... 96

Unidade 3. As reações químicas Capítulo 10. Reações químicas e suas equações ................................................ 104 Mistura e reação: qual a diferença? ...................................................... 105 Representando as reações: a equação química .................................... 106 O balanceamento da equação química ................................................ 107 Capítulo 11. Tipos de reações e suas leis ............................................................ 111 Neutralização ......................................................................................... 112 Combustão .............................................................................................. 113 Decomposição e síntese ......................................................................... 113 Substituição e dupla troca ..................................................................... 114 Leis ponderais ......................................................................................... 115

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Unidade 4. Cinemática Capítulo 12. Repouso e movimento .................................................................... 124 O estudo do movimento ........................................................................ 125 Capítulo 13. Movimentos ..................................................................................... 133 Movimento uniforme ............................................................................. 134 Movimentos variados ............................................................................. 134

Unidade 5. Dinâmica Capítulo 14. Forças ............................................................................................... 142 Representação e medidas ...................................................................... 143 Capítulo 15. Leis da dinâmica .............................................................................. 150 Lei da Inércia .......................................................................................... 152 Lei da Ação e Reação .............................................................................. 154 Lei Fundamental da Dinâmica ............................................................... 155 Capítulo 16. Força gravitacional .......................................................................... 157 Lei da Gravitação Universal ................................................................... 158 Massa e peso: qual a diferença? ............................................................ 159 Queda no ar ............................................................................................ 160

Unidade 6. Energia Capítulo 17. O que é energia ............................................................................... 166 Trabalho e energia ................................................................................. 167 Formas de energia e suas transformações ............................................ 169 Potência .................................................................................................. 170 Máquinas simples ................................................................................... 171 Capítulo 18. Eletricidade estática ........................................................................ 177 Uma rápida história sobre cargas elétricas ........................................... 178 Corpos neutros e eletrizados ................................................................. 178 Capítulo 19. A eletricidade dinâmica ou eletrodinâmica ................................... 183 Corrente elétrica .................................................................................... 184 Capítulo 20. Magnetismo e eletromagnetismo .................................................. 194 Os ímãs .................................................................................................... 195 O magnetismo terrestre ......................................................................... 196 O campo magnético ............................................................................... 198 O eletromagnetismo .............................................................................. 198

Unidade 7. Ondas Capítulo 21. O som e as ondas ........................................................................... 204 Como são as ondas ................................................................................. 205 Elementos da onda ................................................................................ 206 Som ......................................................................................................... 208 A audição humana ................................................................................. 209 Capítulo 22. A luz e as ondas .............................................................................. 213 A luz é um tipo de onda ........................................................................ 213 Reflexão da luz ....................................................................................... 216 Refração e absorção da luz..................................................................... 218 As cores ................................................................................................... 219 Capítulo 23. Espelhos e lentes ............................................................................. 222 Reflexão em espelhos planos ............................................................... 223 Lentes .......................................................................................................224 Óptica da visão humana ........................................................................ 225 Capítulo 24. Energia térmica ............................................................................... 228 Temperatura ........................................................................................... 229 Calor ........................................................................................................ 231

Indicação de leituras complementares ............................................... 248 Sites ............................................................................................................................. 248 Museus e centros de Ciências .................................................................... 251 Referências bibliográficas ............................................................................ 254

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O Alquimista, de David Teniers, Séc XVII. Óleo sobre painel, 26,6 x 37,5 cm.

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Unidade

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Estrutura da matéria

O cientista é uma pessoa curiosa olhando a natureza pelo buraco da fechadura, tentando descobrir o que está acontecendo.

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AbleStock

Real Galeria de Pinturas de Maurishuits, Holanda

Marie Curie

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Capítulo

1

Matéria: uma visão inicial

Fabio Colombini

Desde pequenos nos perguntamos sobre o mundo físico que nos rodeia e do qual somos parte. Como explicar o que acontece nesse mundo: a queda de um objeto, o fogo, o derretimento do gelo, uma bola chutada rolando, o movimento do sol e da lua? Do que as coisas são feitas? Qual sua origem? Para responder a essas perguntas, um jeito interessante é verificar quais foram as explicações dadas por diferentes civilizações em épocas diversas. Na Grécia antiga, por exemplo, um dos principais pensadores que trataram desses assuntos foi Aristóteles, no século IV a.C. A partir de ideias formuladas por filósofos mais antigos e aceitas por muitos do povo, dizia que o Universo é esférico e finito, com a Terra ao centro. Tudo que existe seria uma composição de quatro elementos: terra (frio e seco), água (frio e úmido), fogo (quente e seco) e ar (quente e úmido). E, nos céus, haveria um quinto elemento, o éter, que formaria os corpos celestes. Ele julgava que cada elemento tinha seu próprio lugar e explicava o movimento como resultado da tendência dos elementos buscarem seus lugares naturais. O elemento terra estaria embaixo, a água acima dela, o ar acima da água e o fogo acima de todos. Assim, as coisas compostas de muito ar e fogo tenderiam a subir e as compostas de mais terra e água, a cair. Essa explicação foi a mais aceita na Europa durante séculos, e só houve alguma mudança a partir do século XV.

Nascente do rio Sucuri, em Bonito, no Mato Grosso do Sul.

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Trocando ideias

!

Para Aristóteles, qual dos quatro elementos estaria em maior quantidade numa pedra? Como você explicaria a queda da pedra, com base nas explicações de Aristóteles? Como você explica a queda de uma pedra? Qual a composição de uma pedra de granito? Dê exemplos de matéria física. O que você conhece que não é matéria?

O que é matéria? Observe vários objetos ao seu redor: caneta, livro, cadeira, seu colega... O que há de comum entre todos eles? Note que todos ocupam um determinado lugar no espaço. O espaço ocupado é chamado de volume. E note que todos apresentam maior ou menor quantidade de substância, de massa. Neste curso de ciências naturais, tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço será chamado de matéria.

Analise a ilustração

Cícero Soares

As ilustrações que seguem mostram dois recipientes com medidas de volume em mililitros (ml). Nos dois foi colocada a mesma quantidade de água. Depois, uma pedra foi colocada dentro de um deles.

ml

150

ml

150

100

100

50

50

1. O que aconteceu com o nível da água no recipiente com a pedra? Subiu. 2. Por que houve variação no nível da água? Porque na água foi colocada a pedra, que possui volume e ocupa lugar no espaço.

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Fotos: Mortari

Obseve as fotos a seguir. A primeira mostra que o êmbolo foi empurrado até o bico da seringa. A segunda mostra que o bico da seringa foi tampado e o êmbolo, empurrado, mas parou na metade da seringa.

1. Por que não conseguimos mover o êmbolo além de um certo ponto? 2. O ar ocupa espaço? Sim. 3. Podemos dizer que o ar é matéria? Sim.

Porque a seringa está cheia de ar.

Substância e molécula

Fotos: AbleStock

A matéria é formada por uma ou mais substâncias. A água da piscina, por exemplo, é constituída por substâncias: água, sais (sal comum, por exemplo) e gases dissolvidos (gás oxigênio, gás carbônico). A água de torneira é uma mistura de água, sais, gás oxigênio etc. A água destilada, encontrada em farmácias e postos de gasolina, é formada apenas pela substância água. Podemos dizer, portanto, que ela é uma substância pura. Se dividirmos a água pura em porções cada vez menores, chegaremos à menor porção chamada molécula. A molécula de água é formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio e representada pela fórmula H2O.

A água da piscina é uma mistura de substâncias.

Um copo com água pura contém um número surpreendente de moléculas.

A Química tem como uma de suas metas o estudo das moléculas das substâncias. Assim, se quisermos pesquisar, por exemplo, a ação da aspirina em nosso organismo, como diminui as dores, por que causa problemas no estômago, precisaremos conhecer qual a estrutura da molécula da aspirina, quais e quantos átomos nela estão presentes.

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Keydisc

Massa Matéria é tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço. Massa é a quantidade de matéria presente em um determinado corpo. Um copo cheio de leite tem maior quantidade de matéria que um copo vazio. Logo, maior massa que o copo vazio. Podemos afirmar, portanto, que, quanto maior a quantidade de matéria de um corpo, maior será sua massa e, quanto maior a massa, mais difícil é deslocar, empurrar, puxar e carregar esse corpo.

Quanto maior a massa, maior o esforço para deslocá-la. Ilustração fora de escala de tamanho. Cores-fantasia.

Saiba mais Como se mede a massa de um corpo? Edson Sato/Pulsar Imagens

Para saber se um objeto tem mais, menos ou igual massa que outro, é só colocá-los numa balança e comparar os valores, que geralmente são medidos em gramas ou quilogramas. O conceito científico de peso é diferente de massa, pois o peso depende da quantidade de matéria do objeto (massa), mas também da atração da gravidade. Você compreenderá isso melhor mais à frente. Os tomates são matéria. Ocupam espaço e podemos medir seu peso em uma balança.

Energia

Fotos: AbleStock

A luz do sol nos aquece, o alimento nos dá energia para correr, a eletricidade acende a lâmpada e move os aparelhos elétricos, um jogador de futebol gasta energia durante uma partida. Essas são maneiras de perceber o que é energia.

A luz solar é uma forma de energia.

Os alimentos fornecem energia para os seres vivos. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Fotos: AbleStock

A eletricidade é uma forma de energia.

O jogador de futebol gasta energia em seus movimentos.

A Física define energia como a capacidade de realizar trabalho. Em outras palavras, energia é tudo o que pode modificar a matéria: provocar ou alterar o movimento de um corpo, causar deformação, alterar sua temperatura e composição etc.

Pense e responda

?! Fotos: AbleStock

Todos os fenômenos que ocorrem no Universo envolvem energia e obedecem à lei fundamental: a energia não pode ser criada ou destruída, pode apenas ser transformada. As transformações de energia estão presentes em todos os fenômenos que nos cercam. Veja se você descobre que transformações de energia ocorrem nos exemplos abaixo.

O motor move o trator que anda e lavra a terra. Energia química em energia cinética.

O vento bate nas velas e o barco se move. Energia eólica em cinética.

O motor faz circular as hélices do ventilador para refrescar. Energia elétrica em energia cinética.

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Fenômenos físicos e fenômenos químicos Tudo o que ocorre na natureza é fenômeno. A chuva, a digestão, um jogo de futebol, a explosão de uma estrela são exemplos de fenômenos. Existem dois tipos fundamentais de fenômenos: os físicos e os químicos. Ao derreter um pedaço de gelo, a água sólida se transforma em água líquida. Não há alteração da matéria, e essa é a principal característica do fenômeno físico. Nele, a composição da matéria é preservada e permanece a mesma antes e depois da ocorrência do fenômeno. No fenômeno químico a matéria é alterada. Assim, se você quebrar um palito de fósforo, estará realizando um fenômeno físico. Se, porém, acender o fósforo, o fenômeno passará a ser químico. Fenômeno químico é aquele no qual algumas substâncias desaparecem e outras são formadas. Podemos dizer então que a digestão de alimentos, a fermentação da uva que origina o vinho, a formação de ferrugem, o cozimento de alimentos e a combustão são alguns dos mui-

Fotos: AbleStock

tos fenômenos químicos que ocorrem.

A mudança de estado físico de gelo para água é um exemplo de fenômeno físico: a composição da matéria é preservada.

A queima de um fósforo é um exemplo de fenômeno químico: a composição da matéria é alterada.

Investigue e relate Pegue dois balões de festa vazios. Encha um deles de água. Sopre o outro até ele ficar do mesmo tamanho do balão com água. Sinta o peso dos balões. 1. Qual balão tem mais massa? O balão com água. 2. Qual ocupa o maior volume? Os volumes dos balões são iguais.

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Em outras palavras

“”

fenômenos: modificações operadas nos corpos a partir de agentes físicos ou químicos. lei: lei científica é uma afirmação geral sobre um fenômeno que acontece com regularidade, tal como a lei da gravidade e a lei da oferta e procura.

Revise seus conhecimentos ar dentro dos pneus, 1. Pesquise um exemplo prático que demonstre que o ar ocupa espaço. Exemplos: ar dentro de balões etc. 2. Em sua sala de aula, onde você poderia encontrar as substâncias: oxigênio, gás carbônico, celulose, ferro e grafite? Oxigênio: no ar; gás carbônico: no ar; celulose: na madeira; ferro: na tesoura; grafite: no lápis. porque é uma mistura de várias 3. A água de torneira possui um único tipo de molécula? Por quê? Não, substâncias. 4. Por que é mais fácil empurrar uma mesa do que uma locomotiva? Porque a mesa tem massa menor. 5. Classifique cada fenômeno a seguir como físico ou químico: a) amassar papel; b) queimar papel; c) a digestão de um alimento. a) físico; b) químico; c) químico. 6. Einstein disse: “Energia é tudo!”. Se você pensar bem, nada ocorre com você ou à sua volta que não necessite de energia. De onde vem a energia que sustenta um ser vivo? Dos alimentos e da luz solar. 7. Dê exemplo de um objeto ou de uma situação que envolva: a. energia elétrica; Lâmpada acesa. b. energia química (queima, por exemplo); Combustão da gasolina, respiração celular. c. energia térmica (envolve calor). Chuveiro elétrico, aquecimento da água ao sol. 8. No Universo, a energia pode transformar-se de um tipo em outro. Dê um exemplo de: a. energia elétrica transformando-se em energia térmica; Chuveiro elétrico. a explosão, de b. energia química transformando-se em energia do movimento (cinética). Motor, um carro

Aplique seus conhecimentos Se deixarmos alimentos expostos por algum tempo, eles apodrecem. O apodrecimento é uma transformação química ou física? É principalmente químico, pois há decomposição de substâncias e formação de outras.

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Capítulo

2

Propriedades físicas da matéria

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A água na natureza se apresenta em três diferentes estados físicos: sólido, líquido e gasoso. No estado sólido ela se apresenta como gelo. Cerca de 2% (2 litros em cada 100 litros) da água total do planeta se apresenta nessa forma. Encontra-se água na forma de gelo em regiões de clima muito frio e a grandes altitudes. A maior parte da água do planeta se apresenta em forma líquida e representa aproximadamente 98% de todo o seu volume na Terra. É nessa forma que a água é usada por todos os organismos vivos, e sua maior parte está presente nos mares e oceanos. O restante (cerca de 1%) é constituído pelas águas armazenadas nos continentes, que podem ser superficiais ou subterrâneas. As águas superficiais estão presentes nos rios, lagos e lagoas. As subterrâneas estão depositadas em reservatórios chamados lençóis freáticos. A água em estado gasoso representa apenas 0,005% do total de água na Terra. Ela é encontrada sob forma de vapor na atmosfera e em alguns depósitos subterrâneos próximos a vulcões. Apesar de representar uma pequena quantidade, a água em estado gasoso é muito importante, especialmente a que está presente na atmosfera, pois influencia o clima e a temperatura, entre outras coisas.

Na foto, a água está nos três estados físicos. No estado sólido como o iceberg, líquido como a água do mar e no estado gasoso, como o vapor de água, que é invisível. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Trocando ideias

!

Observe as coisas a seu redor. Em quais estados físicos elas estão? Sólido, líquido e gasoso. Que estados físicos da água você vê no seu dia a dia?

Sólido, líquido e gasoso.

Estados físicos O estado físico é uma das propriedades físicas da matéria. Outros exemplos são: temperatura, densidade, pressão e volume. Os estados físicos da matéria são sólido, líquido e gasoso. Uma substância pode ser encontrada em vários estados físicos.

O estado sólido

NYT Photos

Fabio Colombini

A uma dada temperatura, os sólidos apresentam forma e volume bem definidos. É como se comporta este livro, a mesa, o telefone, uma pedra. Embora a forma e o volume de um sólido possam mudar por atrito ou impacto, o estado desses objetos permanece sólido. É o caso em que se retira uma folha do livro ou um pedaço da pedra. Considerando que os materiais são formados por partículas muitíssimo pequenas, podemos imaginar que no estado sólido essas partículas encontram-se organizadas em posições bem definidas, lado a lado.

Fotos: AbleStock

Golpes fortes mudaram a forma da esmeralda bruta (foto à esquerda) para esmeralda lapidada (foto da direita)

Uma pedra grande pode ser transformada em pedras pequenas. Cada pedaço é um sólido.

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O estado líquido Diferente do sólido, o líquido adquire a forma do recipiente em que está contido. E pode ser derramado, pois é fluido. E o volume? Quando transferimos um litro de água de um jarro para um bule, a forma muda, mas o volume continua sendo um litro, quando a temperatura não é alterada. Para explicar essas características, podemos imaginar que no estado líquido haja menos atração entre as partículas e elas ficam, então, se movendo de um lugar a outro, deslizando umas sobre as outras.

Jupiterimages

Forma de um líquido em diferentes recipientes

O estado gasoso AbleStock

Um material no estado gasoso é denominado gás ou vapor. O ar atmosférico, por exemplo, é uma mistura de vários gases: oxigênio, nitrogênio, gás carbônico, argônio etc. Um gás passa facilmente de um lugar para outro, isto é, um gás possui alta fluidez, maior que a de um líquido. Uma importante característica de um gás está no fato de ele ocupar sempre todo o volume do recipiente onde estiver contido. Logo, um gás não possui forma e volume próprios. No estado gasoso então as partículas apresentam movimentos mais intensos que no líquido ou no sólido.

Os ventos mostram que os gases do ar se movem de um lugar para outro. As fotos da página foram reproduzidas em escalas diferentes de tamanho.

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Analise a tabela A tabela seguinte apresenta a distribuição da água no planeta em cada um de seus estados físicos e quanto em 100 litros corresponderia cada um deles. Estado físico Tipos

Correspondente em 100 L de água no planeta

Sólido

Calotas de gelo e geleiras

2,150 L

Líquido

Oceanos e mares

97,210 L

Águas subterrâneas

0,626 L

Águas superficiais

0,009 L

Vapor atmosférico

0,005 L

Gasoso

Moléculas de gás se chocando com a parede do recipiente

quanto maior a massa, maior a pressão

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Fabio Colombini

Aumento da pressão pelo aumento da massa do gás

Na figura, cada bolinha representa uma molécula.

Cícero Soares

As moléculas de um gás estão em constante agitação e colidem com as paredes do frasco que o contém. Essas colisões causam o que chamamos de pressão do gás. Todos os fatores que aumentarem o número de colisões provocarão aumento da pressão do gás. Assim, a pressão depende da massa, do volume e da temperatura do gás. Quanto maior for a massa de um gás, maior será a pressão. Isso vale quando o volume e a temperatura permanecem fixos durante a experiência.

Cícero Soares

Imagine um terreno com a mesma distribuição de água da Terra. Levando em consideração a tabela anterior e supondo que o volume total de água do terreno fosse 1 000 litros, qual seria o volume de água doce e salgada na fase líquida? 978,45 L

Quanto maior a massa de ar, maior será a pressão no interior do pneu.

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Cícero Soares

Aumento da pressão pela compressão de um gás

Iara Venanzi/kino.com.br

Quando uma certa massa de gás, a uma certa temperatura, é comprimida, o número de colisões aumenta. Logo, a pressão do gás aumenta.

Gás

No compressor de ar, o ar comprimido apresenta alta pressão. quanto menor o volume, maior a pressão

Cícero Soares

Aumento da pressão pelo aumento da temperatura

Iara Venanzi/kino.com.br

O aumento da temperatura provoca maior agitação das moléculas do gás. Se o recipiente for feito de paredes rígidas (balão de vidro, botijão), teremos aumento do número de colisões e, portanto, maior pressão do gás.

O aumento da temperatura pode provocar a explosão do botijão de gás. quanto maior a temperatura, maior a pressão

Compare as principais propriedades dos três estados físicos.

Estado físico

Nível de organização das moléculas

Volume próprio

Forma própria

Fluidez

Sólido

Muito alto

Sim

Sim

Não é fluido

Líquido

Baixo

Sim

Não

Alta

Gasoso

Muito baixo

Não

Não

Muito alta UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Mudanças de estado Quando o gelo derrete e a água ferve, acontecem mudanças de estado físico. A maioria das substâncias sofre essas mudanças, bastando que ocorram alterações na temperatura ou na pressão. As mudanças de estado físico recebem nomes especiais.

estado líquido

estado gasoso

estado sólido condensação liquefação

solidificação

Cícero Soares

Mudanças de estado físico

vaporização

fusão

sublimação ressublimação

diminuição de temperatura

Fusão

AbleStock

Conforme uma substância sólida é aquecida, suas moléculas ficam mais agitadas e o corpo vai passando para o estado líquido: ocorre a fusão.

Gelo derretendo.

A temperatura em que ocorre a fusão denomina-se temperatura (ou ponto) de fusão (PF). Durante a fusão de uma substância, a temperatura permanece constante. Na fusão do gelo ao nível do mar, a temperatura permanecerá igual a 0° C enquanto houver uma porção de gelo transformando-se em água líquida.

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t

t

Cícero Soares

Ponto de fusão (tF) da água = 0º C t

gelo tF = 0° C

tF = 0° C

tF = 0° C

água líquida

aquecimento

Vaporização

AbleStock

Fabio Colombini

Aquecendo um líquido, as moléculas mais agitadas passam para o estado gasoso. É o fenômeno da vaporização. A vaporização pode ocorrer através da ebulição ou da evaporação. Na evaporação, que ocorre inclusive à temperatura ambiente, o líquido passa para o estado gasoso lentamente e sem turbulência. Na ebulição, temos passagem rápida e turbulenta do estado líquido para o gasoso. A formação de bolhas é típica da ebulição.

Quanto mais elevada for a temperatura e maior a superfície de contato entre o líquido e o ar, mais rápida será a evaporação.

A temperatura em que ocorre a ebulição denomina-se temperatura (ou ponto) de ebulição (tE). Durante a ebulição, a temperatura também se mantém constante, como ocorre na fusão. Enquanto a água, por exemplo, estiver em ebulição a temperatura será igual a 100° C (ao nível do mar).

Ponto de ebulição (tE) da água = 100º C

(ao nível do mar) t = 100° C

t = 100° C

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Cícero Soares

A ebulição é um processo violento.

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Analise a tabela Um químico, usando termômetro e cronômetro, anotou os seguintes dados durante o aquecimento de água pura. Tempo (minutos)

Temperatura (ºC)

Dados visuais

Zero

-20

Apenas sólido

4

Zero

Sólido+líquido

10

Zero

Sólido+líquido

18

100

Líquido fervendo

22

100

Líquido fervendo

24

120

Apenas vapor

Desenhe, em uma folha de papel quadriculado, dois eixos perpendiculares. No eixo horizontal anote o tempo. No eixo vertical anote os intervalos de temperatura. Seguindo a orientação de seu professor, construa o gráfico da variação da temperatura em função do tempo. Observando o gráfico e a tabela, responda: 1. Quando começou a fusão? 2. E a ebulição?

Quando a temperatura atingiu 0º C.

Quando a temperatura atingiu 100º C.

3. A temperatura ficou constante em algum ponto? Quando? 4. E quando ela aumentou?

Sim. Na fusão e na ebulição.

Depois dos pontos de fusão e ebulição. Professor: oriente os alunos como construir o gráfico.

Fabio Colombini

Condensação A condensação é o processo oposto à vaporização. Quando as moléculas no estado gasoso tornam-se menos agitadas, ficam mais juntas e passam a constituir o estado líquido. A redução da agitação corresponde a uma perda de energia e ocorre geralmente por esfriamento.

A água, no estado de vapor, ao entrar em contato com a superfície mais fria da tampa, passa para o estado líquido.

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As medidas experimentais mostram que processos opostos ocorrem na mesma temperatura. A água, por exemplo, ferve a 100° C e começa a condensar também a 100° C. A água, entretanto, pode condensar a temperaturas inferiores a 100° C, como você observa quando um vidro fica embaçado.

Saiba mais Condensação ou liquefação? Se você comprimir vapor de água em uma seringa, obterá água líquida, mas, se comprimir gás oxigênio, nunca obterá oxigênio líquido! Essa é a diferença entre gás e vapor: um gás não se transforma em líquido por simples compressão; temos também que diminuir a temperatura. Na mudança de estado gasoso para estado líquido, é comum os cientistas falarem em condensação de um vapor e liquefação de um gás, para indicar se o estado gasoso inicial era vapor ou gás. Assim, na temperatura ambiente, temos gás oxigênio e vapor de água.

Solidificação Solidificação é o processo oposto ao da fusão. Deve ocorrer, portanto, à mesma temperatura. A água, por exemplo, funde a 0° C e volta a solidificar também a 0° C.

Sublimação

Fabio Colombini

A sublimação é a passagem direta do estado sólido para o estado de vapor sem a formação de líquido.

A naftalina sublima, ou seja, passa direto do estado sólido para o gasoso.

Ressublimação A ressublimação é a passagem direta do estado sólido para o estado de vapor. É o que acontece com o gelo seco. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Outras propriedades físicas da matéria Densidade (d) Chamamos de densidade de um material uma relação entre sua massa e o volume que essa massa ocupa. densidade = massa volume

ou, em símbolos: d = m V

Ricardo Azoury/Pulsar

Fabio Colombini

A água tem densidade de 1,0 g/cm3. Ou seja, a água que cabe num cubo que tem 1 centímetro de largura, 1 centímetro de profundidade e 1 centímetro de altura, tem massa de 1 grama.

Quando a densidade global do submarino é menor que a da água, ele emerge.

O óleo é menos denso que a água.

Pense e responda

?!

Desenhe em seu caderno um cubo com 10 centímetros de lado. Suponha que ele tem massa de 200 g. O volume desse cubo é V = (lado)3= (10 cm)3 = 1 000 cm3 g 0,2 grama por centímetro cúbico. d = 0,2 g/cm Qual é a densidade desse cubo? d = 200 1 000 cm Colocado sobre água, esse cubo flutuaria ou afundaria? Flutuaria 3

3

Podemos usar a densidade para saber se os ovos são frescos ou não. Pomos o ovo numa vasilha com água. O ovo “estragado” é menos denso que a água, pois está cheio de gás; por isso flutua. Mas o ovo fresco, mais denso do que a água, vai para o fundo da vasilha. 26

Keydisc

Saiba mais

ovo fresco

ovo estragado

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Veja o que ocorre quando um termômetro de mercúrio é Dilatação do mercúrio pela temperatura aquecido. A maioria dos instrumentos inventados para medir a temaquecimento peratura faz uso da proprie30° C dade de dilatação e contração 20° C dos corpos. Como a maioria dos líquidos, o mercúrio se expande esfriamento conforme a temperatura aumenta. Isso pode ser explicado Cores-fantasia. pela maior agitação de suas partículas, que se afastam mais umas das outras. O inverso ocorre quando ele esfria. Também sólidos e gases tendem a expandir seu volume, conforme se eleva sua temperatura. A variação do volume de um corpo, entretanto, pode também ser provocada pela variação da pressão. Veja as ilustrações adiante, em que as moléculas de um gás, representadas por bolinhas, ocupam maior ou menor volume de um êmbolo, conforme variam de temperatura e pressão. Ilustrações: Cícero Soares

Contração e dilatação pela variação da temperatura do gás

Ilustrações: Cícero Soares

Dilatação e contração

dilatação (aquecimento)

contração (esfriamento)

Contração e dilatação pela variação da pressão do gás

redução da pressão

aumento da pressão Cores-fantasia. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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AbleStock

Fabio Colombini

No caso da panela de pressão, em que o volume é constante, o fornecimento continuado de calor eleva muito a temperatura e a pressão em seu interior, fazendo a água alcançar cerca de 120 graus Celsius. E no caso dos balões e da bola?

O aumento de temperatura dilata os gases, a densidade do balão fica menor do que a da atmosfera e ele sobe.

Quanto mais ar é colocado dentro da bola, maior pressão ele exerce sobre suas paredes.

Dureza

CC Studio/Stock Photos

AbleStock

O giz é mais mole que a lousa. O giz se desgasta e a superfície da lousa, não. Podemos generalizar dizendo que o material mais duro corta, desgasta ou risca o material mais mole. Dureza é a resistência que o material oferece ao risco ou ao corte.

Uma faca é mais dura que a manteiga, por isso é capaz de cortá-la.

O giz é mais mole do que a lousa.

A Tabela de Dureza, conhecida como Escala de Mohs, serve para avaliar a dureza de um material. Nessa escala o material de menor dureza é o talco e o de maior dureza é o diamante. Assim, se um material possui dureza 7, significa que é riscado por topázio, coríndon e diamante. Mas ele risca (é mais duro que) o feldspato, a apatita e o talco.

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Tabela de Dureza 1. Talco 2. Gipsita 3. Calcita 4. Fluorita 5. Apatita

Dureza aumenta

6. Feldspato 7. Quartzo 8. Topázio 9. Coríndon 10. Diamante

Diamantes lapidados.

Saiba mais Identificando e diferenciando as espécies de matéria Desde a antiguidade o homem utilizava materiais transformando-o em objetos. As escavações realizadas em várias partes da terra mostram utensílios domésticos, ferramentas, colares e outros objetos feitos de pedra, argila, ouro, prata e cobre. O homem da antigüidade fazia essas transformações usando técnicas rudimentares. Até o século XVIII, os metais conhecidos eram o ouro, prata, cobre, ferro, estanho, zinco e chumbo. Isto porque a tecnologia para obtê-los era muito rudimentar e, portanto, eram os únicos disponíveis para a fabricação de ornamentos, utensílios e ferramentas. Foi só com o desenvolvimento tecnológico que outros metais foram extraídos e isolados. O alumínio, que é abundante na natureza e mais barato que muitos outros metais como o ouro, a prata e o cobre, só foi utilizado para produção de objetos no fim do século XIX porque sua separação do minério chamado bauxita era muito difícil. Essa extração requer a fusão do minério e a extração do alumínio usando a corrente elétrica, numa operação conhecida como eletrólise ígnea. A influência do desenvolvimento tecnológico é decisiva na utilização de um material para produção de objetos. Você já notou que para produzir calçados usa-se couro, napa, tecido, plástico e por que não se usa ferro, chumbo e outros metais? Para produção de utensílios domésticos, como pratos, panelas, canecas usa-se porcelana, ferro, alumínio, vidro, plástico e não se usa tecido, couro, napa, papel? UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Pode-se perceber que a utilização de um determinado material na produção de objetos depende do estado físico do material e das propriedades características deste, sendo essas chamadas propriedades específicas.

Fotos: Getty Images

Fonte: Disponível em: <http://educar.sc.usp.br/ciencias/quimica/qm1.htm>. Acesso em Março/2012.

Na criação de embalagens conjugam-se as propridades características e especificas dos materiais – plástico, alumínio, papelão etc – às necessidades de acondicionamento e transporte, dentre outras, dos produtos.

Investigue e relate Coloque água em um copo e depois uma pedra de gelo. Em outro copo, coloque um pouco de água, a mesma quantidade de óleo de cozinha e uma moeda. Observe o que acontece e compare a densidade desses materiais em cada copo. Teste a densidade de outros materiais e faça uma tabela do mais denso para o menos denso. Copo 1: gelo menos denso do que a água. Copo 2: óleo menos denso do que a água, água e óleo menos densos do que a moeda.

Em outras palavras

“”

característica: propriedade importante, atributo que distingue, que torna típico. fluido: que corre ou se expande como líquido.

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Revise seus conhecimentos

Ilha do Mel, PR, 2009.

Geraldo Costa

Luiz Fernando Souza Fernandes

1. A forma de um líquido não depende do volume do líquido. Discuta essa frase. A forma do líquido depende da forma do recipiente onde ele está contido. Sólido, e 2. Dentro de uma geladeira, a água poderá ser encontrada em quais estados físicos? líquido gasoso. 3. Em um carro em movimento, o atrito com o solo aquece os pneus. O que ocorre com a pressão do ar contido nos pneus? A pressão aumenta. Porque o gás possui alta 4. Por que o gás contido em um botijão escapa quando se abre a válvula? fluidez e está sob pressão. o volume da água (vapor) e a pressão aumentam 5. Por que uma panela de pressão pode explodir? Porque com o aquecimento. 6. Por que uma bexiga de ar estoura se a enchermos muito? Porque a pressão aumenta à medida que se coloca mais ar. 7. Sendo S = estado sólido, L = estado líquido e G = estado gasoso, quais os nomes de cada mudança de estado físico? a) S – L ; b) L – G; c) G – L; d) L – S; e) S – G; f) G – S. a) Fusão b) Vaporização c) Condensação d) Solidificação e) Sublimação f) Sublimação. 8. O fenômeno: naftalina (sólido) à naftalina (vapor) é físico ou químico? Por quê? Físico, porque não houve alteração da matéria. 9. O aquecimento faz com que as partículas da substância se afastem umas das outras. Essa frase se aplica para quais mudanças de estado físico? Vaporização, sublimação. 10. O que evapora mais rápido: água em um copo ou água espalhada no chão? Por quê? A água espalhada no chão, porque a superfície de contato é maior. 11. O gelo seco é gás carbônico sólido e passa direto para o estado gasoso. Como se chama essa mudança de estado? Sublimação. 12. Quanto maior a pressão atmosférica, mais difícil é a ebulição de um líquido e maior será o ponto de ebulição. Com relação a essa informação, onde a água ferve a uma temperatura maior: na praia ou na montanha? Na praia.

Montanha em Angra dos Reis, RJ, 2011.

13. Comprimindo um material no estado gasoso, ou seja, diminuindo seu volume, poderemos obter um líquido. a. Como se chama essa mudança de estado físico? Condensação. b. No isqueiro a gás, encontramos um líquido! Explique esse fato. Porque esse gás sofreu um aumento de pressão e se liquefez. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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14. 15. 16. 17. 18. 19.

A ebulição e a evaporação são denominadas vaporização. Por quê? Porque ambas referem-se a mudança do estado líquido para o gasoso. Por que a água evapora mais rápido em dias quentes? Quanto maior a temperatura, maior a agitação das moléculas, mais rápida será a evaporação. Por que a roupa seca mais rápido no varal? Quanto maior a superfície de contato entre o líquido e o ar, mais fácil será a evaporação. Por que nos dias frios os vidros das janelas ficam embaçados? Isso se deve à condensação de vapor de água existente no ar, em contato com o vidro frio. Explique o que é ponto de ebulição. É a temperatura em que ocorre a ebulição de uma substância. O gelo funde a 0° C ao nível do mar. Um químico aquece uma mistura de água líquida e água sólida ao nível do mar. Que valores de temperatura são observados no termômetro? Sempre 0 C, para uma substância pura a temperatura mantém-se constante durante as mudanças de estados físicos. Por que uma esponja absorve água sem aumentar de volume? Porque ela possui espaços com ar em seu interior, que são ocupados pela água. No termômetro comum, o nível do mercúrio sobe quando aumenta a temperatura, ou desce quando a temperatura abaixa. Como se chamam essas deformações do líquido? Dilatações. A densidade do ouro é 19,3 g/cm3. Sabendo que um litro é igual a 1 000 cm3, qual a massa de um litro de ouro maciço? 19,300 g Uma certa bola de ferro oca possui um volume total de 10 cm3e massa igual a 5,0 g. Ao ser jogada num copo com água ela afundará ou flutuará? (Obs.: a densidade da água é 1 g/cm3) Ela flutuará. A densidade da bola é 0,5 g/cm , portanto ela é menos densa que a água. Sempre que um navio derrama petróleo no mar, ocorre um grande desastre ecológico em virtude das substâncias que ficam na superfície da água. Por que o petróleo flutua? Porque ele é menos denso que a água. Uma bola com massa 30 gramas possui volume de 15 mililitros. Calcule a densidade da bola em gramas por mililitro. 2,0 g/mL o

20. 21. 22. 23.

3

24. 25.

A grafite do lápis risca o caderno ou é o caderno que risca a grafite? Justifique sua conclusão.

AbleStock

Aplique seus conhecimentos

O caderno risca a grafite porque é mais duro do que ele.

Trabalhe com seus colegas Pesquisem em livros, revistas, jornais e na internet sobre os diamantes. Descubram o que é a grafite e o diamante, e para que os diamantes são usados.

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Capítulo

3

Sobre a natureza da matéria, há duas possibilidades: ou a matéria é contínua ou é descontínua. Uma imagem de continuidade é uma linha que se estende ao infinito, e de descontinuidade é uma linha formada por traços ou pontos. O atomismo, como se chama a posição favorável à descontinuidade da matéria (a: não, tomo: divisão = indivisível), foi formulado e defendido por pensadores de diversas tradições antigas. Entre os filósofos gregos, sabe-se que Leucipo e seu discípulo Demócrito já defendiam o atomismo no século V antes de Cristo, há mais do que dois mil e quatrocentos anos. Para Demócrito, o universo é composto de átomos e do espaço vazio entre eles, o vácuo. O que faz um átomo ter as características que tem, diferente dos outros, é sua forma e seu volume. Estão em constante movimento, e os diversos corpos seriam formados por agrupamentos diferentes de átomos. Essas hipóteses não eram originárias de experiências, mas de deduções filosóficas. No início do século XIX, experimentos de diversos cientistas iluminaram a questão e deram força para a hipótese da descontinuidade da matéria. Nessa época, um modelo de átomo foi proposto por Dalton, um cientista inglês. Ele imaginou cada tipo de átomo como uma pequena partícula sólida, indivisível, com as características próprias do elemento químico por ele representado. Supôs, ainda, que a diferença entre os diversos tipos de átomos estaria nas diferenças de massa entre eles. Esse modelo era suficiente para a explicação racional de muitos fenômenos naturais, mas não resistiu aos resultados John Dalton. de outros experimentos.

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Estrutura do átomo

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!

Trocando ideias

Você acha importante a pesquisa científica? Por quê? Por que os cientistas fazem experimentos? Para comprovar hipóteses. O que um cientista descobre é definitivo ou pode mudar com novos experimentos? A ciência está mudando continuamente.

O que é um elemento químico no conceito de Dalton?

Stock Photos

A radioatividade e o elétron

As radiações do urânio manchavam uma chapa fotográfica.

Duas descobertas, a radioatividade e o elétron, influenciaram fortemente as ideias sobre a natureza da matéria. Em 1896, o francês Henri Becquerel observou que rochas contendo urânio produzem manchas escuras em filmes fotográficos. Concluiu, então, que o urânio emite radiações, e o fenômeno foi chamado de radioatividade. Pouco tempo depois, Marie Curie anunciava a descoberta de outros materiais radioativos: o rádio e o polônio. Atualmente são conhecidos cerca de trinta tipos de átomos radioativos. A análise dos vários materiais radioativos mostrou que há três tipos de radiação: alfa, beta e gama.

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Radiação

Características

Alfa ()

Partículas positivas. São pouco penetrantes; não atravessam uma folha de papel.

Beta ()

Partículas negativas. Conseguem atravessar placas de alumínio com 5 mm de espessura.

Gama ()

São radiações do mesmo tipo das ondas de rádio, TV, raios X etc. São muito penetrantes e podem atravessar uma chapa de aço com cerca de 10 cm de espessura.

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Em 1898, o inglês J. J. Thomson comunicou o resultado de suas experiências: qualquer tipo de matéria apresenta partículas com carga negativa, que foram chamadas de elétrons. Thomson propôs um modelo atômico em que o átomo era uma esfera de matéria positiva, dentro da qual circulavam inúmeros elétrons. Se fosse possível tirar uma foto instantânea dele, pareceria com um “pudim de uvas passas” (ou com um “panetone”), em que as frutas seriam os elétrons. A descoberta da radioatividade e a do elétron mostraram, claramente, que o átomo era divisível, ou seja, formado de várias partículas, e não uma bolinha sólida e indivisível, como pensava Dalton.

Saiba mais Humanities & Social Sciences Library/Stock Photos

Marie S. Curie (1867-1934) Marie Curie executou estudos pioneiros com a radioatividade (nome dado por ela ao fenômeno descoberto por Becquerel), desenvolveu um método para medir a radioatividade em conjunto com seu marido (Pierre Curie), descobriu dois novos elementos químicos (o rádio e o polônio), isolou e desenvolveu um método de isolamento do rádio, entre outras contribuições que marcaram e fizeram surgir uma nova área da física: a Radioatividade. Por seus trabalhos com a radioatividade e pela descoberta de novos elementos químicos, ela ganhou dois prêmios Nobel: um em Física, em 1903, e outro em Química, em 1911. Extraído de: < http://ifm.ufpel.edu.br/histfis/abert_c.htm>. Acesso em: Março/2012.

Marie Curie.

O modelo atômico de Rutherford Em 1909, sob a supervisão de Rutherford, Hans Geiger e Ernest Marsden lançaram um feixe de partículas alfa contra uma fina placa de ouro com apenas alguns átomos de espessura. Esta passou a ser chamada de experiência de Geiger-Marsden, da folha de ouro ou de Rutherford. Se a folha de ouro tivesse átomos como propostos por Thomson, as partículas alfa deveriam atravessar a lâmina com poucos e leves desvios de sua trajetória. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Mas não foi o que Rutherford e seus colaboradores registraram. Embora a maioria das partículas alfa atravessasse a lâmina de ouro como o esperado, uma quantidade maior do que o suposto se desviava do caminho, e muito. Cícero Soares

Experiência de Rutherford bloco de chumbo

Cores-fantasia.

lâminas finíssimas de ouro

feixe de partículas  material radioativo

tela fluorescente

Os desvios faziam supor que o átomo tivesse um núcleo pequeno e positivo contendo praticamente toda a sua massa. Cícero Soares

Resultado da experiência de Rutherford placa de ouro

feixes de partículas 

trajetória das partículas

Rutherford propôs um modelo em que os elétrons, negativos, giravam ao redor do núcleo, como planetas ao redor do Sol.

Modelo atômico de Rutherford elétron

Próton e nêutron Rutherford propôs, mais tarde, que a carga positiva do núcleo se deve a pequenas partículas denominadas prótons. O modelo de Rutherford apresentava um grande problema: por que o núcleo se mantinha estável com prótons positivos? Ou seja, por que aparentemente não havia repulsão entre esses prótons?

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Cícero Soares

Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

núcleo

elétron

Cores-fantasia.

eletrosfera

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Para esclarecer esses fatos foi sugerida a existência de outra partícula nuclear neutra que, estando entre prótons, eliminaria a repulsão. Daí a ideia da existência do nêutron. No entanto, somente em 1932 o nêutron foi experimentalmente confirmado pelo inglês George W. Chadwick em seus trabalhos com transformações nucleares. Atualmente são conhecidas dezenas de partículas componentes do átomo, denominadas genericamente de partículas subatômicas, mas as três fundamentais continuam sendo o próton, o nêutron e o elétron.

Estrutura do átomo

Cícero Soares

Modelo de Rutherford

Partículas existentes Núcleo Positivo, pequeno, contendo quase toda a massa do átomo.

Prótons (positivos) Nêutrons (sem carga)

Eletrosfera Região negativa; 10 mil vezes maior que o núcleo. Praticamente não possui massa.

Elétrons (negativos) próton

nêutron elétron Cores-fantasia.

Rutherford (1871–1937)

Prof. Peter Fowler/Stock Photos

Saiba mais A partir de 1902, Rutherfod realizou os trabalhos que levaram à demonstração de que o urânio e o tório se modificam no processo radiativo, originando outros elementos. Cada nova forma assim originada permanece estável por certo tempo, o que o levou a formular o conceito de meia-vida de um isótopo radiativo. Com o alemão Hans Geiger, mostrou que os raios alfa são átomos de hélio desprovidos de elétrons. Essa constatação o levou a propor, em 1914, que os átomos também contêm partículas positivas, a que chamou de prótons. Essas partículas contrabalançam a carga negativa dos elétrons. Ernest Rutherford. Em 1908, Rutherford realizou a experiência, descrita anteriormente, na qual bombardeou com partículas alfa uma folha de ouro delgadíssima. Nesse ano, recebeu o Prêmio Nobel de Química por seus trabalhos. Tempos depois, ele transmutou um elemento em outro (nitrogênio em oxigênio). Apesar de seus trabalhos, Rutherford não acreditava que a energia contida no núcleo atômico pudesse vir a ser utilizada. Dois anos após sua morte, porém, o alemão Otto Han descobriu o processo para efetuar a fissão controlada do urânio.

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Em outras palavras

“”

denominado: todo aquele que recebe um nome. hipótese: suposição, conjectura. vácuo: que nada contém; absolutamente vazio, oco.

Revise seus conhecimentos 1. Quais são as duas principais regiões do átomo? Que partículas existem em cada região? Núcleo e eletrosfera. Núcleo: prótons e nêutrons. Eletrosfera: elétrons.

2. Pesquise no texto e desenhe os modelos atômicos de Dalton, Thomson e Rutherford-Chadwick. J.J. Thomson.

Mark Garlick/Stock Photos

3. Qual cientista propôs a natureza elétrica da matéria?

Aplique seus conhecimentos Os modelos propostos pela teoria atômica foram se modificando. Você acha que essas mudanças atrapalharam o estudo do átomo? Faz parte da ciência questionar e mudar se for preciso? O que é necessário para criar uma teoria científica? Respostas no Manual do Professor.

Representação da estrutura de um átomo. Ilustração fora de escala de tamanho. Cores-fantasia

Trabalhe com seus colegas Façam uma pesquisa sobre o programa nuclear brasileiro e as usinas nucleares. Da pesquisa deve constar uma explicação sobre o que é esse programa, quais são e onde estão as usinas nucleares brasileiras, e qual a utilidade dessas usinas para o nosso país.

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Capítulo

4

Dos quase 100 elementos que existem na natureza – 91 para ser exato –, apenas 21 fazem parte do corpo humano e mais de 60% da massa do nosso corpo é de oxigênio. Temos 95% do nosso corpo formado por 4 elementos: oxigênio, carbono, hidrogênio e nitrogênio. Os outros elementos se apresentam em quantidades bem menores, mas não são menos importantes para o funcionamento do corpo. Um bom exemplo é o ferro, que compõe apenas 0,005% do corpo humano, mas é essencial para seu funcionamento, principalmente no sangue. O cálcio que forma, por exemplo, os ossos e os dentes. O iodo, que regula o funcionamento da tireoide. Existem também elementos do tipo “penetras”, que entram em nosso corpo, mas não desenvolvem nenhuma função útil. O alumínio é um dos mais comuns. Traços deste elemento entram em nosso corpo através do uso da panela na hora de cozinhar os alimentos. São eliminados pela urina, em poucas horas ou dias. Muitos dos elementos “penetras” são perigosos, como é o caso dos metais pesados (chumbo, mercúrio etc.). Estes entram no corpo e não são eliminados, podendo (dependendo da quantia) desencadear graves doenças.

Dmitriy Norov

Os elementos químicos

A água, um dos componentes fundamentais dos seres vivos, é formada por dois elementos químicos: oxigênio e hidrogênio. Água, faísca em uma fonte, Rússia, 2010.

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Trocando ideias

!

Quais são os quatro elementos químicos que mais aparecem na composição do corpo humano? Oxigênio, hidrogienio, carbono e nitrogênio. Grande parte do oxigênio de nosso corpo está combinada com hidrogênio, formando uma substância que representa cerca de 60% da massa corporal. Que substância é essa? Água. eles entram no corpo e se Por que os metais pesados podem causar doenças? Porque acumulam, pois não são eliminados.

Prótons, elétrons e nêutrons Para melhor compreender a estrutura de um átomo, é necessário conhecer algumas relações entre prótons, elétrons e nêutrons. O próton e o elétron apresentam cargas iguais e de sinal contrário. O nêutron não possui carga. Assim, admitindo-se para o próton uma carga unitária (+1), o elétron terá carga (–1). Um átomo neutro terá o mesmo número de prótons e elétrons. A carga do núcleo é devida unicamente ao número de prótons. Assim, se o número de prótons for 2, a carga do núcleo será 2 também. A massa do elétron é desprezível em relação à massa do próton. Assim, a massa do átomo está praticamente concentrada no núcleo. A massa da eletrosfera é desprezível em relação à massa do núcleo. As medidas mostram que a massa do elétron é cerca de 1 836 vezes menor que a do próton. Ou seja, a massa de um átomo, com ou sem elétrons, é a mesma. Seria como comparar a massa de uma laranja com a de um carro: a massa de um carro seria praticamente a mesma se a pesagem fosse feita com ou sem uma laranja no porta-malas.

Número atômico e elemento químico Os químicos perceberam, por volta de 1912, que a principal característica de um átomo é o seu número de prótons, que foi chamado de número atômico e recebeu o símbolo Z. O número atômico (Z) é o número de prótons existentes no núcleo do átomo. O número atômico também indica qual é a carga do núcleo. Elemento químico é o conjunto de átomos com o mesmo número atômico (Z). Cada elemento químico é caracterizado por um único número atômico. Por exemplo, o elemento Número de Carga do Átomo Z químico oxigênio é Z = 8. Porprótons núcleo tanto, ele é o conjunto univerHidrogênio 1 1 +1 sal de todos os átomos com 8 prótons no núcleo. Em outros Oxigênio 8 8 +8 termos, qualquer átomo no Sódio 11 11 +11 Universo que possua 8 prótons é um átomo de oxigênio, Cloro 17 17 +17 ou seja, pertence ao elemento Urânio 92 92 +92 químico oxigênio.

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Já qualquer átomo com 26 prótons será um átomo de ferro, ou seja, pertencente ao elemento químico ferro. Como elemento químico é um tipo de átomo caracterizado por um valor de Z, o nome de um átomo é igual ao do elemento químico correspondente.

Símbolos dos elementos químicos Os elementos químicos são identificados com símbolos. Geralmente o símbolo do elemento corresponde à letra inicial maiúscula de seu nome. Exemplos: hidrogênio (H), oxigênio (O), carbono (C ). Quando necessário, para evitar confusões, coloca-se também uma segunda letra minúscula. Por exemplo: hélio (He), cloro (Cl) . Alguns símbolos são derivados de seus nomes em latim, língua usada nos antigos trabalhos científicos. O símbolo do elemento é o mesmo do átomo correspondente. Assim, o símbolo S indica o elemento químico enxofre e o átomo de enxofre. Afinal, lembre sempre que “elemento químico” nada mais é do que “um tipo de átomo”!

Elemento

Nome de origem

Símbolo

Antimônio

Stibium

Sb

Chumbo

Plumbum

Pb

Cobre

Cuprum

Cu

Enxofre

Sulfur

S

Estanho

Stannum

Sn

Estrôncio

Strontium

Sr

Fósforo

Phosphorus

P

Mercúrio

Hydrargyrus

Hg

Ouro

Aurum

Au

Potássio

Kalium

K

Prata

Argentum

Ag

Sódio

Natrium

Na

Saiba mais Stock Photo

Jöns Jacob Berzelius, químico sueco, nasceu em 1779 e morreu em 1848. É considerado um dos fundadores da Química moderna. Formou-se em Medicina e em 1822 ingressou no Instituto de França ocupando-se com a classificação dos minerais segundo a respectiva composição química. Em seus estudos determinou os pesos atômicos de cerca de 43 elementos. Isolou o cálcio, o bário, o estrôncio, o silício, o titânio, o zircônio e descobriu o selênio, o tório e o césio.

O químico sueco J. J. Berzelius.

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Número de massa Número de massa (A) é a soma do número de prótons com o número de nêutrons. Ele não indica massa. Indica a quantidade de partículas existentes no núcleo.

Átomo

p = número de prótons

n = número de nêutrons

A = número de massa A=p+n

Sódio

11

12

A = 11 + 12 = 23

Cloro

17

20

A = 17 + 20 = 37

Urânio

92

143

A = 92 + 143 = 235

Os valores Z (número atômico) e A (número de massa) podem ser identificados da seguinte maneira:

Conhecendo os valores de Z e A, podemos calcular o número de prótons, elétrons e nêutrons do átomo correspondente.

Pense e responda

?!

Em um átomo eletricamente neutro o número de prótons é igual ao número de elétrons. Por que se define o número atômico pelo número de prótons e não de elétrons? Porque o número de prótons em um átomo não muda, enquanto o número de elétrons pode variar.

Isótopos, isóbaros e isótonos Muitos elementos químicos apresentam átomos com massas diferentes: são os isótopos do elemento. Os isótopos apresentam igual número atômico (Z) e diferente número de nêutrons. Logo, isótopos de um elemento químico possuem igual número atômico (Z), mas diferente número de massa (A). Em cada 1000 átomos de oxigênio, 998 são átomos 168 O. Esse isótopo é o mais abundante na natureza. Em cada 100 átomos de cloro, 75 são correspondentes ao 35 Cl . isótopo 17

42

Elemento

Isótopos

Oxigênio

Oxigênio – 16 Oxigênio – 17 Oxigênio – 18

Cloro

Cloro – 35 Cloro – 37

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Os isótopos são indicados pelo nome do elemento e o número de massa.

Isótopos do elemento oxigênio (Z = 8) 16 8

O

17 8

8 prótons 8 nêutrons

O

18 8

O

8 prótons 10 nêutrons

8 prótons 9 nêutrons

Isótopos do elemento cloro (Z = 17) 35 17

CI

17 prótons 18 nêutrons

37 17

CI

17 prótons 20 nêutrons

Isóbaros são átomos de elementos diferentes, mas com mesmo número de massa. 40 19

K é isóbaro de 40 Ca 20

14 6

C é isóbaro de 147 N

Isótonos são átomos de elementos diferentes, mas com mesmo número de nêutron. Exemplos: 19 9

Ne F é isótono de 20 10

Em outras palavras

“”

catálise: fenômeno em que uma substância age como catalisador, acelerando uma reação química.

Revise seus conhecimentos 1. Anote em seu caderno as afirmativas que estão erradas, corrigindo-as. • O próton e o elétron possuem cargas iguais e de sinais contrários. • O elétron é mais pesado que o próton.

O elétron é mais leve que o próton.

• O próton é mais pesado que o nêutron. O próton e o nêutron possuem massas praticamente iguais.

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2.

• Toda a massa do átomo praticamente se situa no núcleo. tem massa menor do • A eletrosfera tem massa maior do que a massa do núcleo. Aqueeletrosfera a do núcleo. • Um átomo neutro tem sempre o mesmo número de prótons e elétrons. • A carga do núcleo é devida aos elétrons. A carga do núcleo é devida aos prótons. O núcleo de um átomo possui 5 prótons e 6 nêutrons. Determine o número atômico (Z) e o número de massa (A). Z = 5 e A = 11 3. Escreva o símbolo dos seguintes elementos: hidrogênio; oxigênio; carbono; sódio; cloro; H; oxigênio: O; carbono: C; sódio: Na; cloro: Cl; ferro: Fe; ferro; nitrogênio; flúor; enxofre. hidrogênio: nitrogênio: N; flúor: F; enxofre: S. 4. Determine o número de prótons, elétrons e nêutrons para cada átomo: a.

1 1

H

b.

2 1

H

14

c.

7

N

d.

14 6

C

e.

39 19

K

f.

12 6

C

g.

24 12

Mg

a) 1, 1, 0 b) 1, 1, 1 c) 7, 7, 7 d) 6, 6, 8 e) 19, 19, 20 f) 6, 6, 6 g) 12, 12, 12.

5. Indique quais são os átomos isótopos entre si existentes na questão anterior.

H e 21H ; 146 C e 126 C

1 1

6. O que significa a notação “urânio-235”? Qual o significado do número 235? Significa que é o isótopo do urânio que possui número de massa 235. E 235 é o número de massa.

7. A representação da molécula do açúcar comum (sacarose) é C12 H22 011. a) Quantos elementos químicos existem na molécula? 3 b) Quantos átomos existem de cada elemento na molécula?

C=12; H=22; O=11.

8. Os elementos mais abundantes no Universo são o hidrogênio e o hélio. Consulte uma tabela e responda: qual deles possui maior número de prótons? O hélio, porque ele possui 2 prótons. 9. Um átomo neutro possui 17 elétrons e 18 nêutrons. Determine o número atômico (Z) e o número de massa (A). Em seguida, consulte uma tabela e dê o nome e o símbolo do elemento químico correspondente. Z = 17; A = 35. Nome = cloro , símbolo = Cl. 10. Faça o mesmo para os átomos neutros com: a) 20 elétrons e 20 nêutrons

Z = 20; A = 40. Nome = cálcio, símbolo = Ca.

b) 15 elétrons e 16 nêutrons Z = 15; A = 31. Nome = fósforo, símbolo = P. 11. Um átomo apresenta 53 prótons e 74 nêutrons. Determine Z e A. 12. Qual a principal característica de um elemento químico?

Z = 53; A = 127

É o seu número atômico (Z).

13. As letras A, B, C, D, E, F são símbolos fictícios (não verdadeiros) de alguns átomos. Agrupe os isótopos. A e D e F ; B e E: isótopos 16 8

16 8

A

35 17

B

17 8

18 8

35 17

20 10

C

37 17

17 8

D

37 17

E

18 8

F

14. O isótopo 11H possui quantos elétrons, prótons e nêutrons? Esse é o átomo mais simples que existe! 1 próton, 1 elétron e não possui nêutrons. 15. Os isótopos 128 I e 131 I são usados no tratamento da glândula tireoide. Quantos elétrons, 53 53 prótons e nêutrons possui cada isótopo? I : 53, 53, 75. I: 53, 53, 78. 128 53

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131 53

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Aplique seus conhecimentos Observe a paisagem da foto. Ela é feita de muitos tipos de materiais. Que materiais não têm vida? Água, ar, solo.

Cite duas substâncias que compõem esses materiais. Água, gás oxigênio, gás nitrogênio, argila etc.

Cite também dois elementos químicos que compõem essas substâncias.

Tim McMahan

Oxigênio, hidrogênio, nitrogênio etc.

Paisagem na beira do rio Amazonas.

Trabalhe com seus colegas Os isótopos são muito úteis nas pesquisas científicas. O carbono-14, por exemplo, é usado para medir a idade de objetos antigos. Façam uma pesquisa sobre outras aplicações dos isótopos. Pesquisem o que são isótopos radioativos, naturais e artificiais.

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Capítulo

5

A organização da eletrosfera

A luz emitida por uma lanterna acesa é contínua ou descontínua? O que vemos parece um fluxo ininterrupto de luz. Para a teoria quântica, porém, a energia tem estrutura descontínua e flui como se fosse composta por grãos, pequenos pacotes elementares e indivisíveis de energia, chamados de quantum (o plural, em latim, é quanta). No caso da luz, é chamado de fóton. Essa foi a teoria que serviu de inspiração para Gilberto Gil, ao compor a letra de Quanta.

"Quanta" Gilberto Gil

Quanta do latim Plural de quantum Quando quase não há Quantidade que se medir Qualidade que se expressar Fragmento infinitésimo Quase que apenas mental Quantum granulado no mel Quantum ondulado do sal Mel de urânio, sal de rádio Qualquer coisa quase ideal Cântico dos cânticos Quântico dos quânticos Canto de louvor De amor ao vento Vento arte do ar Balançando o corpo da flor Levando o veleiro pro mar

Vento de calor De pensamento em chamas Inspiração Arte de criar o saber Arte, descoberta, invenção Teoria em grego quer dizer O ser em contemplação Cântico dos cânticos Quântico dos quânticos Sei que a arte é irmã da ciência Ambas filhas de um Deus fugaz Que faz num momento E no mesmo momento desfaz Esse vago Deus por trás do mundo Por detrás do detrás Cântico dos cânticos Quântico dos quânticos

©Warner Music, 1997.

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Trocando ideias

!

Por que diz o poeta “Quando quase não há quantidade que se medir, qualidade que se expressar”? Será que o fóton da luz vermelha é igual ou diferente do fóton da luz azul? No caso da luz branca, os fótons são todos iguais? E no caso da luz laser?

Modelo atômico de Bohr No modelo atômico de Rutherford, os elétrons giram ao redor do núcleo como planetas em torno do Sol. Dois anos após essas ideias, Bohr sugeriu que a eletrosfera também deveria apresentar uma certa organização. De acordo com Bohr, a eletrosfera está dividida em níveis de energia ou camadas. São sete níveis de energia, numerados de 1 a 7 ou designados pelas letras K, L, M, N, O, P, Q. Essas camadas ficam ao redor do núcleo, sendo a camada K a mais próxima do núcleo.

Cícero Soares

Níveis de energia

Cores-fantasia.

As análises de Bohr levaram à conclusão de que cada nível de energia possui um número máximo de elétrons: K = 2; L = 8; M = 18; N = 32; O = 32; P = 18; Q = 2. De acordo com Bohr, na ativação de um átomo, por exemplo com calor, o elétron absorve esse calor e salta para níveis mais externos. Ao retornar ao nível de origem, libera essa energia sob a forma de luz.

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Saiba mais Teste de chama

Ablestock

O experimento conhecido por “teste de chama” torna visível a liberação de energia pelo aquecimento. Numa das extremidades de um fio de níquel-cromo, dotada de uma pequena alça, colocamos um pouco de cloreto de sódio (NaCl) e o levamos a uma chama. Observamos que a chama passa de azul-claro para amarelo forte. Ao repetirmos o experimento com outros compostos de sódio, observamos a mesma cor amarela. Isso ocorre porque a cor amarela vem do elemento químico sódio. O teste da chama realizado com outros elementos faz com que apareçam outras cores, que você pode ver na tabela.

Teste da chama do sódio.

Elemento

Cor

Lítio

Carmim

Potássio

Violeta

Cálcio

Vermelho-tijolo

Estrôncio

Vermelho

Bário

Verde

Cobre

Azul

Chumbo

Azul-claro

A distribuição de elétrons

elétron

Átomo de Hélio (He) elétron

Cícero Soares

Átomo de Hidrogênio (H)

Cícero Soares

Para organizar os elétrons de um átomo nas camadas definidas no modelo atômico de Bohr, devemos seguir algumas regras: • Preencher o nível K, depois o nível L, o M e assim por diante. • Nunca ultrapassar o número máximo de elétrons em cada nível. • O último nível de um átomo não pode ter mais que 8 elétrons. Veja alguns exemplos de distribuição eletrônica:

nêutron próton

nível K

elétron

nível K

Figuras não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

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Cícero Soares

Veja agora a sequência completa de Z = 1 a Z = 10.

Átomo de Lítio (Li) elétron

elétron

3 prótons nível K

elétron

nível L

próton nêutron

Elemento

Símbolo Z

Eletrosfera Número de elétrons no nível K

Número de elétrons no nível L

Hidrogênio

H

1

1

-

Hélio

He

2

2

-

Lítio

Li

3

2

1

Berílio

Be

4

2

2

Boro

B

5

2

3

Carbono

C

6

2

4

Nitrogênio

N

7

2

5

Oxigênio

O

8

2

6

Flúor

F

9

2

7

Neônio

Ne

10

2

8

Figuras não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

Saiba mais Niels Bohr NYT Photos

Niels Bohr nasceu na Dinamarca, em 1885. Obteve seu doutorado em 1911 e logo a seguir foi para a Inglaterra onde trabalhou inicialmente com J. J. Thomson e depois com Ernest Rutherford. A partir do modelo criado por Rutherford, Bohr desenvolveu um modelo de átomo que logo alcançou ampla aceitação na comunidade de físicos e químicos. A partir desse modelo, a chamada Teoria Quântica se expandiu com os trabalhos de Heisenberg e outros. Por esse trabalho Bohr ganhou o Prêmio Nobel de 1922.

Niels Bohr.

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Aplique seus conhecimentos Química desvenda segredos da arte As falsificações de obras de arte estão com os dias contados. Um sistema desenvolvido na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) é capaz de identificar os pigmentos originais usados pelo artista, revelando, assim, falsificações, e ainda distinguir retoques em pinturas. Para isso, os quadros e artefatos não precisam nem mesmo sair do museu: o aparelho é portátil e viabiliza a análise de obras cujo tamanho ou raridade dificultariam o transporte a um laboratório. (...) A técnica é a fluorescência de raios X, que não causa dano ao material analisado. O equipamento é colocado a uma distância aproximada de um dedo da obra de arte ou do objeto arqueológico. Um tubo emite um feixe de raios X que, ao entrar em contato com a obra, provoca a emissão de novos raios X, captados por um detector que gera um gráfico com base na energia correspondente a cada um desses novos raios X. Como cada elemento químico tem uma energia característica, a análise do gráfico permite identificar os elementos presentes em cada ponto da pintura e, assim, descobrir quais foram os pigmentos usados pelo artista. Se em uma parte azul da pintura é encontrado ferro, por exemplo, já se sabe que se trata do azul da Prússia, porque esse é o único pigmento azul que contém ferro. Em cada quadro, diversos pontos são analisados. Um quadro pequeno pode ter cerca de 50 pontos estudados, enquanto em uma obra grande e com diversidade de cores esse número pode chegar a 500.

AbleStock

Disponível em: <http://cienciahoje.uol.com.br/noticias/tecnologia/quimica-desvenda-segredos-da-arte>. Acesso em: Março/2012.

Os pigmentos usados nas tintas têm elementos químicos que emitem energia característica.

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Faça um resumo da notícia e escreva qual a importância desse teste para o mundo da arte. O experimento do teste da chama torna visível a liberação de energia de uma substância colocada no fogo. No teste para avaliar a falsificação de uma pintura como a energia do elemento químico é liberada? Um feixe de raios X entra em contato com a obra e provoca a emissão de novos raios X. A Química está presente em nossa vida. Cite alguns exemplos que justifiquem essa afirmação.

Revise seus conhecimentos 1. Quais são as camadas ou níveis em que se distribuem os elétrons na eletrosfera? K, L, M, N, O, P, Q.

2. Faça a distribuição dos elétrons nos níveis de energia para os átomos: 3Li, 4Be, 18Ar, 7N, Cl, 10Ne, 19K, 20Ca, 35Br, 2He. Resposta no Manual do Professor. 17 3. Um átomo possui 13 prótons e 14 nêutrons. a) Qual o valor do número atômico (Z)? 13 b) Qual o valor do número de massa (A)? 27 c) Qual o número de elétrons? 13 d) Qual a distribuição eletrônica? K = 2; L = 8; M = 3 4. Quantos elétrons existem na última camada de átomos com: Z = 16, Z = 19

6e1

Trabalhe com seus colegas Alguns seres vivos emitem luz própria num fenômeno chamado de bioluminescência. É o caso dos vaga-lumes. Junte seu grupo para pesquisar sobre esse fenômeno. Na pesquisa vocês deverão explicar o processo pelo qual é realizada a bioluminescência, descobrir outros seres vivos que realizam tal fenômeno e qual a utilidade da bioluminescência para esses seres vivos. Escrevam um relatório sobre as descobertas e comparem a pesquisa com a de seus colegas. Façam um mural com fotos ou desenhos dos seres vivos explicando o fenômeno da bioluminescência.

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Capítulo

6

A classificação periódica dos elementos

Dikk Wiersma/Stock Photos

Laurence lawry/Stock Photos

Os elementos químicos são tão diferentes! A primeira descrição de um elemento químico, o fósforo, ocorreu em 1669. Cento e vinte anos depois, em 1789, eram 30 elementos. Mas, será que seria possível classificá-los conforme semelhanças e diferenças? Haveria características comuns a apenas uma parte deles? Lavoisier, respondendo a essa pergunta, classificou-os em quatro categorias: gases, não metais, metais e elementos terrosos. Por volta de 1870, já eram mais de 50 elementos descritos. E, nessa época, se percebeu que algumas propriedades dos elementos variavam de maneira regular, formando períodos.

Andrew Lambert Photography/Stock Photos

Cobre. Charles D. Wirter/Stock Photos

Mercúrio.

Zinco.

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Enxofre.

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Massa atômica

Nome

1,0

Símbolo

Número atômico

232,0

[227]

Semimetais

140,1

138,9

[262]

[261]

[226]

[223]

50,9

180,9

132,9

88,9

47,9

178,5

87,6

85,5

45,0

137,3

40,1

39,1

92,9

24,3

23,0

91,2

9,0

6,9

1,0

231,0

140,9

[266]

183,8

95,9

52,0

238,0

144,2

[264]

186,2

[98]

54,9

[237]

[145]

[277]

190,2

101,1

55,8

[244]

150,4

[271]

195,1

102,9

58,9

[243]

152,0

[277]

190,2

106,4

58,7

[247]

157,3

[272]

197,0

107,9

63,5

[247]

158,9

200,6

112,4

65,4

[251]

162,5

204,4

114,8

69,7

27,0

10,8

Numeração dos grupos de acordo com a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) Numeração antiga dos grupos, NÃO recomendada pela IUPAC

[252]

164,9

207,2

118,7

72,6

28,1

12,0

[257]

167,3

209,0

121,8

74,9

31,0

14,0

[258]

168,9

[209]

127,6

79,0

32,1

16,0

[259]

173,0

[210]

126,9

79,9

35,5

19,0

[262]

175,0

[222]

131,3

83,8

39,9

20,2

4,0

Ulhôa Cintra


Trocando ideias

!

Quantos elementos são hoje conhecidos? A sequência dos elementos na tabela periódica atual se baseia em qual característica dos elementos? Qual a importância da tabela periódica, em sua opinião?

Desde os primórdios, os químicos são responsáveis pela evolução do conceito de periodicidade química. Periodicidade significa ocorrer regularmente ou intermitentemente. O alemão Lothar Meyer e o russo Dimitri Mendeleev fizeram mais do que quaisquer outros, posicionando-a sobre um firme fundamento experimental. Trabalhando independentemente, eles descobriram a lei periódica e publicaram a tabela periódica dos elementos. Meyer publicou primeiro em 1864 e em 1869 expandiu sua tabela para mais de 50 elementos. Ele demonstrou a variação de propriedades periódicas, como o ponto de ebulição e a dureza, como uma função da massa atômica. No mesmo ano Mendeleev publicou os resultados de seu trabalho, incluindo sua própria versão da tabela periódica. Com esta Dimitri Mendeleev (1834-1907). tabela, ele previu a existência dos elementos gálio e germânio e estimou suas propriedades com grande exatidão. Demonstrou-se assim o valor da tabela periódica na organização do conhecimento químico. Em suas tabelas periódicas, Meyer e Mendeleev listaram os elementos em ordem crescente de massa atômica. Nesta época, as massas atômicas eram conhecidas, mas os números atômicos não. Atualmente, sabemos que a periodicidade é mais facilmente visualizada se a listagem for feita em ordem crescente do número atômico. 54

Novosti/Stock Photos

Saiba mais

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Estrutura geral Os períodos Período é cada fila horizontal da tabela.

1

Ulhôa Cintra

Períodos

1,0

2 3 4 5 6 7

6,9

9,0

23,0

24,3

39,1

40,1

45,0

47,9

50,9

52,0

54,9

55,8

58,9

58,7

85,5

87,6

88,9

91,2

92,9

95,9

[98]

101,1

102,9

106,4

132,9

137,3

178,5

180,9

183,8

186,2

190,2

195,1

190,2

[223]

[226]

[261]

[262]

[266]

[264]

[277]

[271]

[277]

São sete períodos, e lembre que um átomo possui, no máximo, sete camadas. Não é coincidência. Cada período corresponde a um número de camadas. Em outros termos, todos os átomos de um período apresentam o mesmo número de camadas. Número do período

Átomos com elétrons em

Exemplos

1o período

1 camada

H, He

2o período

2 camadas

Li, Be, Ne

3o período

3 camadas

Na, Mg, Ar

.

.

.

.

.

.

.

.

.

7o período

7 camadas

Fr, Ra

As famílias ou grupos Existem 18 colunas na tabela periódica, essas colunas são chamadas de grupos ou famílias. Atualmente, as famílias são identificadas por números, por exemplo a família 1A é identificada pelo número 1, a família 7A pelo número 17 etc. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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55

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Os elementos das famílias A são chamados de elementos representativos, os elementos das famílias B são chamados elementos de transição, os elementos das duas linhas separadas da tabela periódica (lantanídios e actinídios) são chamados de elementos de transição interna. Algumas famílias recebem nomes especiais, que estão na tabela ao lado.

Família

Nome especial

1 ou 1 A

Metais alcalinos

2 ou 2 A

Metais alcalinos terrosos

16 ou 6A

Calcogênios ou chalcogênios

17 ou 7A

Halogênios

18 ou 8A

Gases nobres

Saiba mais Os nomes especiais das famílias foram dados por motivos históricos. Metais alcalinos: a palavra álcali é derivada de um antigo termo árabe, que significa “cinzas das plantas”. Metais alcalino-terrosos: a palavra terroso provém de um antigo termo da alquimia, utilizado para referir-se a qualquer substância pouco solúvel em água e estável sob altas temperaturas. Calcogênios: derivada do grego, essa palavra significa “formadores de cobre”, pois os elementos dessa família eram encontrados em minérios de cobre. Halogênios: derivada do grego, essa palavra significa “formadores de sais”.

Mendeleev e Meyer montaram as famílias baseando-se no seguinte critério: os elementos químicos de uma família deveriam ter propriedades químicas semelhantes. Muitos anos depois, descobriu-se que os átomos de uma família apresentam o mesmo número de elétrons na última camada. A última camada de um átomo foi chamada de camada de valência. Os elétrons dessa camada seriam os elétrons de valência.

Veja alguns exemplos: Família 1 ou 1A – Metais alcalinos Elemento

56

Z

Família 17 ou 7A – Halogênios

Níveis

Elemento

K

L

M

Lítio (Li)

3

2

1

Sódio (Na)

11

2

8

1

Potássio (K)

19

2

8

8

Z

N

1

Níveis K

L

M

Flúor (F)

9

2

7

Cloro (Cl)

17

2

8

7

Bromo (Br)

35

2

8

18

N

7

Todos os demais alcalinos apresentam um elétron

Todos os demais halogênios apresentam 7 elétrons no

no último nível (1 elétron de valência).

último nível (7 elétrons de valência).

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Família 18 ou 8A – Gases nobres Elemento

Z

K

Hélio (He)

2

2

Neônio (Ne)

10

2

8

Argônio (Ar)

18

2

8

8

Criptônio (Kr)

36

2

8

18

8

Xenônio (Xe)

54

2

8

18

18

8

Radônio (Rn)

86

2

8

18

32

18

Com exceção do hélio (He), todos os gases nobres possuem 8 elétrons na última camada (8 elétrons de valência). Esse fato vai ser muito importante no estudo das ligações entre átomos. Nas famílias de 1A a 7A, o número da família indica o número de elétrons de valência, ou seja, a quantidade de elétrons existentes na última camada.

L

M

N

O

P

8

Família

Número de elétrons de valência

1 ou 1A

1

2 ou 2A

2

13 ou 3A

3

14 ou 4A

4

15 ou 5A

5

16 ou 6A

6

17 ou 7A

7

Metais, não metais Ulhôa Cintra

Classificação dos elementos – Metais

não metais metais

metais metais UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Pela posição do elemento na tabela, poderemos classificá-lo em metal ou não metal. Mas atenção: • O hidrogênio é um elemento anômalo, não se enquadra na classificação de representativo de metais, tendo comportamento próximo ao dos não metais. Existe ainda uma terceira classificação: os semimetais (B, Si, Ge, As, Sb, Te e Po). Esses elementos apresentam propriedades intermediárias entre os metais e os não metais e podem, dependendo dos critérios utilizados, ser classificados em qualquer um dos grupos.

Ulhôa Cintra

Classificação dos elementos – semimetais

10,8

28,1

72,6

74,9

121,8

127,6

[209]

Semimetais

Propriedades dos metais A 25° C, todos os metais são sólidos, com exceção do mercúrio (Hg). Todos os metais são bons condutores de calor e eletricidade. Os metais são maleáveis, isto é, podem ser transformados em lâminas. Os metais são dúcteis, ou seja, podem ser transformados em fios.

O fio elétrico usado nas casas é feito de cobre.

58

AbleStock

Fabio Colombini

• • • •

Os metais são maleáveis, como o ouro.

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Saiba mais O ouro e o mercúrio O ouro é um metal usado desde a Antiguidade para ostentar riqueza e poder. No mercado moderno financeiro, é usado para garantir reservas monetárias e se tornou uma das formas de aplicação de capital utilizadas pelos investidores. É usado em moedas, joalheria e outros ornamentos. O ouro puro não costuma ser usado em joias, justamente porque é muito maleável e se deforma com grande facilidade. Geralmente o que se faz é misturá-lo com cobre e/ou prata, a fim de obter um material menos sujeito à deformação. Embora o mercúrio seja mais raro que o ouro, suas fontes são mais concentradas, o que torna sua obtenção um pouco mais fácil. Amostras de mercúrio foram encontradas em sepulturas do século XVI a.C. O filósofo grego Aristóteles, em IV a.C., já o chamava de “prata líquida” – em grego, hydrárgyros, de hydro, água, e árgyros, prata, daí o símbolo químico do mercúrio: Hg. Dos mais de 2 mil usos do mercúrio já relatados, os mais conhecidos são em termômetros, barômetros, obturações dentárias, pilhas de mercúrio, pequenas e ideais para aparelhos de surdez, relógios e calculadoras de bolso. Eduardo Leite Canto. Minerais, minérios e metais. São Paulo: Editora Moderna.

Propriedades dos não metais e dos semimetais

Os não metais (ou ametais) geralmente se apresentam no estado sólido ou gasoso, a 25° C. O bromo é o único não metal que está no estado líquido. Os não metais, com exceção da grafite, são maus condutores elétricos. Os semimetais são todos sólidos a 25° C e apresentam algumas propriedades intermediárias entre os metais e os não metais. Por exemplo, o silício é mau condutor de eletricidade a 25° C, mas sua condutividade aumenta com o aumento da temperatura.

Os elementos artificiais

Fabio Colombini

A grafite é um exemplo de não metal.

A partir da década de 1940, os cientistas começaram a produzir elementos que não existem na Terra e, provavelmente, no restante do Universo. Isso foi conseguido pelo bombardeamento entre átomos, com o uso de aparelhos denominados aceleradores nucleares. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Fotos: Fermilab/Stock Photos

Na tabela periódica, todos os elementos situados após o urânio (Z = 92) são artificiais. Antes do urânio, quatro elementos são considerados artificiais: frâncio – Fr (Z = 87), astato – At (Z = 85), tecnécio – Tc (Z = 43) e promécio – Pm (Z = 61).

Os círculos assinalam a posição dos túneis que abrigam os aceleradores de partículas do Fermilab, nos arredores da cidade de Chicago, nos EUA.

No total, são cerca de 6,3 km de túneis que abrigam os aceleradores.

Geoff Tompkinson/Stock Photos

Saiba mais A síntese artificial de elementos químicos trouxe contribuições para a saúde. Substâncias formadas por átomos de tecnécio são muito utilizadas na medicina nuclear. Pequenas quantidades de átomos desse elemento radioativo são injetadas no paciente e se fixam no órgão a ser estudado, permitindo a obtenção de imagens com grande detalhamento.

Médicos examinam imagens que usam o tecnécio para ajudar no diagnóstico de doenças.

Os elementos radioativos A radioatividade é um fenômeno que ocorre no núcleo de alguns tipos de átomo. Os átomos radioativos possuem núcleos instáveis, que podem emitir radiações de três tipos e com diferentes efeitos para o ser humano: • • •

60

radiação alfa – partículas positivas, menos perigosas; radiação beta – partículas negativas, muito energéticas e perigosas; radiação gama – ondas de alta energia, extremamente nocivas. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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As emissões radioativas, quando bem dosadas, são úteis em medicina, bioquímica e na indústria. Na tabela periódica os elementos radioativos situam-se do polônio (Z = 84) em diante. Ou seja, são elementos radioativos os de número atômico superior a 84.

Aplique seus conhecimentos História da tabela periódica Um pré-requisito necessário para construção da tabela periódica foi a descoberta individual dos elementos químicos. Embora os elementos, tais como ouro (Au), prata (Ag), estanho (Sn), cobre (Cu), chumbo (Pb) e mercúrio (Hg) fossem conhecidos desde a antiguidade. A primeira descoberta científica de um elemento ocorreu em 1669, quando o alquimista Henning Brand descobriu o fósforo. Durante os 200 anos seguintes, um grande volume de conhecimento relativo às propriedades dos elementos e seus compostos foram adquiridos pelos químicos. Com o aumento do número de elementos descobertos, os cientistas iniciaram a investigação de modelos para reconhecer as propriedades e desenvolver esquemas de classificação. A primeira classificação foi a divisão dos elementos em metais e não-metais. Isso possibilitou a antecipação das propriedades de outros elementos, determinando assim, se seriam ou não metálicos. [...] Na segunda metade do século XIX, Dimitri Ivanovitch Mendeleyev apresentou uma classificação que é a base da classificação periódica moderna, colocando os elementos em ordem crescente de suas massas atômicas, distribuídos em oito colunas verticais e doze faixas horizontais. Verificou que as propriedades variavam periodicamente à medida que aumentava a massa atômica. Um dos méritos de Mendeleev ao aperfeiçoar a Tabela Periódica foi a previsão da existência de alguns elementos. Mendeleev classificou 60 elementos, e ficaram alguns vazios que seriam preenchidos por elementos descobertos posteriormente. Mendeleev pôde até prever algumas propriedades desses elementos então desconhecidos. A classificação de Mendeleev, no entanto, apresentava alguns problemas. Por exemplo, o cobalto e o níquel ficariam em posições contrárias às atuais, se fossem colocados em ordem crescente de massa atômica. Mendeleev inclusive afirmou que outro critério de classificação ainda iria ser criado para sanar essas falhas. Com efeito, em 1913, Moseley lançou o conceito de número atômico, e a tabela de Mendeleev foi reorganizada. Os elementos foram dispostos em ordem crescente de número atômico, e então praticamente chegou-se à tabela atual. Fonte: http://www.dqi.ufms.br/~lp4/ELEMENTOS.PDF>. Acesso em Março/2012.

Como Mendeleev conseguiu prever as propriedades de elementos que não existiam? Ele usou como base as propriedades dos elementos vizinhos. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Em outras palavras

“”

anômalo: diferente do normal; anormal, estranho, irregular. injetadas: introduzidas sob pressão.

Tabela Periódica

Ulhôa Cintra

Revise seus conhecimentos

As questões de 1 a 7 referem-se à tabela periódica exibida, na qual as letras não correspondem aos símbolos reais dos elementos químicos. 1. Como se denominam as famílias 1, 17 e 18? Metais alcalinos, halogênios e gases nobres. 2. Quais são os átomos com menor número de elétrons de valência (elétrons que estão no último nível de energia)? A, B e C. 3. Quais são os átomos com maior número de elétrons na camada de valência? K e L. eles possuem o mesmo 4. Quanto ao número de camadas, que podemos afirmar sobre D, F, G e I? Que número de camadas. 5. Qual a relação entre o número do período e o número de camadas de um elemento desse período? Todos os átomos de um período possuem o mesmo número de camadas. 6. Entre os elementos dessa tabela, quais possuem maior número de níveis de energia (camadas)? C e L. 7. Quantos elétrons D e E possuem na última camada? 2 62

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8. Considere a tabela: Ulhôa Cintra

Tabela Periódica H

Região C Região B Região A

9. 10.

a) O que encontraremos na região A? Metais. b) O que encontraremos na região B? Semimetais. c) O que encontraremos na região C? Não metais. Mencione duas características dos metais. Bons condutores de calor e eletricidade. Na família 1 (alcalinos), faça a distribuição dos elétrons nos átomos: a) 3Li e 11Na; Li: K = 2 L = 1 e Na: K = 2 L = 8 M = 1 b) A partir da distribuição diga quantos elétrons existem na última camada dos elementos da família 1. 1 Na família 17 (halogênios), faça a distribuição eletrônica para os átomos a) 9F e 17Cl; ; F: K = 2 L = 7 e Cl: K = 2 L = 8 M = 7 b) E na família 17 quantos átomos estão presentes na última camada? 7 Qual o elemento natural com maior valor de número atômico? Urânio (Z = 92) Como são denominados os elementos das famílias 3 a 12? Elementos de transição. 3

11.

9

12. 13.

11

17

Trabalhe com seus colegas A tabela periódica é rica de informações. Você e seu grupo irão pesquisar várias tabelas. Para isso, descubram outros modelos de tabela e tragam para a sala de aula para compartilhar as informações. Se possível, tragam tabelas antigas e comparem com as atuais. Toda tabela periódica tem uma legenda. Descubra que tipos de informação estão contidos nessa legenda. Algumas tabelas apresentam outras informações, observe quais são elas.

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Capítulo

7

As ligações químicas

Dennis Di Cicco/Stock Photos

A água é composta pelos elementos hidrogênio e oxigênio. O sal de cozinha é formado por átomos de sódio e cloro. O açúcar, o álcool, a manteiga, a gelatina e milhões de substâncias orgânicas são formados principalmente por quatro elementos: carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Como é possível haver tantos materiais diferentes com tão poucos elementos? Uma das metas da Química é justamente descobrir quantos átomos existem em cada composto químico, de que forma estão ligados e que relação isso tem com as propriedades de cada substância.

A maior parte do Universo é formada por átomos de hidrogênio e de hélio.

64

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!

Trocando ideias

Que elemento químico você acha que está presente em maior quantidade no corpo humano? O oxigênio (65%). Quais elementos químicos você acha que são os mais abundantes na Terra? Na crosta terrestre: O (49,5%), Si (25,7%), Al (7,5%), Fe (4,7%) e Ca (3,5%).

Os átomos se ligam As pesquisas mostram que dois átomos, para se combinar, se aproximam um do outro. Como a eletrosfera constitui a parte externa dos átomos, ela desempenha papel fundamental no processo de união entre eles.

eletrosfera

eletrosfera

núcleo

núcleo

átomo isolado

átomo isolado Cores-fantasia.

Pense e responda

núcleo

Ilustrações: Cícero Soares

Átomos combinados (ligados)

Átomos isolados

núcleo

Imagens não proporcionais entre si.

?!

Se a eletrosfera é fundamental no processo de união dos átomos, quais partículas fazem parte das ligações químicas? Os elétrons.

Estabilidade e a regra do octeto Estabilidade é uma propriedade relacionada à variação de um elemento ou sistema. Estável é o que mantém seus atributos ao longo do tempo. É o que não varia, ou pouco se altera. Quando um sistema é estável ou alcança a estabilidade, tende a permanecer estável. Os gases nobres se destacam entre todos os elementos químicos por apresentarem uma forte estabilidade. Assim, se apresentam normalmente como átomos isolados, pois apenas em condições extraordinárias reagem com outros átomos e se ligam a eles.

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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O que estes gases têm em comum? Analise o quadro abaixo. Estrutura atômica dos gases nobres Gás nobre

Z

Distribuição dos elétrons nas camadas K K

L

M

N

O

Hélio

2

2

Neônio

10

2

8

Argônio

18

2

8

8

Criptônio

36

2

8

18

8

Xenônio

54

2

8

18

18

8

Radônio

86

2

8

18

32

18

P

Q

8

AbleStock

Note que os gases nobres apresentam o número completo de elétrons no último nível de energia de sua eletrosfera. Com base nessa constatação, em 1923 os cientistas G. Lewis e W. Kossel propuseram que um átomo qualquer pode adquirir a estabilidade de um gás nobre, se ele tiver a última camada de sua eletrosfera completa, com oito elétrons (exceto o Hélio). Assim, os átomos tendem a combinar-se de modo a ter, cada um, oito elétrons em sua última camada (ou dois, quando a última camada é a primeira, como no Hélio). Essa ideia ficou conhecida como regra do octeto. A maioria dos elementos de transição, no entanto, não adquire configuração de gás nobre em seus compostos. Por isso, a regra do octeto não pode ser considerada uma lei. Cícero Soares

Regra do Octeto

átomo isolado (instável)

átomo isolado (instável)

átomos ligados (estáveis) Cores-fantasia.

66

O hélio, usado nos dirigíveis e em balões de festa, é um gás nobre. Nesse gás, os átomos estão isolados, não ligados entre si.

Kossel e Lewis propuseram duas formas fundamentais de ligação: ligação iônica com transferência de elétrons e ligação covalente com compartilhamento de elétrons. Um átomo sempre se liga através de seu nível de energia mais externo (nível ou camada de valência).

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Ligação iônica A ligação iônica ocorre, por exemplo, entre átomos de sódio e cloro, no sal comum (cloreto de sódio). Para compreender como ela ocorre, vamos estudar os átomos neutros. 11Na

Nível K

Nível L

Nível M

11 elétrons

2 elétrons

8 elétrons

1 elétron

17Cl

Nível K

Nível L

Nível M

2 elétrons

8 elétrons

7 elétrons

11 prótons

17 prótons

De acordo com a Regra do Octeto, o átomo de sódio perde um elétron e fica com 8 elétrons no nível L, como o gás nobre neônio. Com a saída de um elétron, o átomo de sódio adquire um excesso de carga positiva (+ 1), pois terá um próton a mais em relação ao número de elétrons. Todo átomo ou grupo de átomos com carga positiva denomina-se íon positivo ou cátion.

Na

Perde

(2-8-1) 11 elétrons

1 elétron

CI

10 elétrons 11 prótons

Recebe

(2-8-7) 17 prótons

de 1 elétron Na

Na+

De acordo com a Regra do Octeto, o átomo de cloro recebe 1 elétron, que entrará no nível M. Com um elétron a mais em relação ao número de prótons, o átomo de cloro adquire um excesso de carga negativa (-1). Todo átomo ou grupo de átomos com carga negativa denomina-se íon negativo ou ânion.

17 elétrons

transferência

(2-8)

11 prótons

Cl

Ligação iônica Cícero Soares

17 elétrons

CI– (2-8-8)

1 elétron

17 elétrons 18 prótons

Na+

CI–

cátion ânion íons

Cores-fantasia.

No sal de cozinha há ligação iônica entre sódio e cloro. Esses íons se unem, e teremos a ligação iônica entre sódio e cloro. As substâncias constituídas por íons são chamadas de substâncias iônicas: são sempre sólidos de alto ponto de fusão, porque as ligações iônicas são muito fortes. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Ligação covalente Para entender esse tipo de ligação, vamos analisar elétron elétron os casos do gás hidrogênio e o do oxigênio. O átomo de hidrogênio é muito instável e tem um núcleo núcleo elétron em sua única camada. Se tivesse mais um elé(próton) (próton) tron nela, ficaria muito semelhante (“por fora”) ao átomo H átomo H isolado isolado átomo de Hélio, que tem dois elétrons e é estável. (instável) (instável) Como explicar, então, a ligação que há entre dois átomos de hidrogênio na formação do gás hidrogênio? É de se imaginar que a ligação entre os átomos ocorra pelo compartilhamento de seus únicos elétrons, que passam a orbitar em torno dos dois núcleos. Cada um dos átomos fica, assim, como se tivesse dois elétrons circulando seu núcleo. Como resultado, ganham mais estabilidade. molécula H (2 átomos estáveis) par eletrônico O átomo de oxigênio tem 6 elétrons na última camada. Se tivesse mais dois elétrons, ficaria semelhante ao elemento Neônio - um gás nobre, estável. O gás oxigênio é uma molécula composta por dois átomos de oxigênio, fortemente ligados. Assim como no caso do hidrogênio, podemos explicar a ligação entre dois átomos de oxigênio pelo compartilhamento de elétrons. Neste caso, de 2 elétrons.

Cícero Soares

Ligação covalente

2

Existem duas maneiras de representar o par de elétrons compartilhado por dois átomos:

1a forma

Fórmula eletrônica ou Fórmula Lewis

2a forma

Fórmula estrutural plana ou Fórmula de Couper

H • • H

Cada elétron é representado por um ponto. Somente os elétrons da última camada são representados.

H–H

O par eletrônico é simbolizado por um traço.

Pense e responda

?!

Trabalhando com um colega, faça a fórmula eletrônica e a fórmula estrutural da ligação entre o hidrogênio e o cloro. Depois, faça a ligação entre o hidrogênio e o oxigênio para formar a molécula de água.

Do ponto de vista de ligações químicas, molécula é um conjunto bem definido de átomos unidos por ligação covalente. 68

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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A substância formada por moléculas é denominada substância molecular.

Cícero Soares

Representação das moléculas de hidrogênio, oxigênio, água e gás carbônico

Oxigênio (O2)

Hidrogênio (H2)

Gás carbônico (CO2) Água (H2O)

oxigênio hidrogênio carbono

Imagens não proporcionais entre si.

Cores-fantasia.

Retículo cristalino da substância iônica NaCl (sal comum). Do mesmo modo que os átomos são representados por símbolos, as substâncias são representadas por fórmulas. As substâncias iônicas não possuem moléculas: são aglomerados de íons (cátions e ânions) que formam retículos cristalinos. A fórmula da substância iônica indica a proporção entre átomos existentes no retículo cristalino e denomina-se fórmula iônica.

Cícero Soares

As fórmulas das substâncias

Cl-

Na+

Cores-fantasia.

UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Para montar uma fórmula iônica, devemos escrever o cátion à esquerda; o cátion e o ânion devem ser acompanhados de índices, de modo que a fórmula fique neutra. Veja o esquema geral:

[Cx+]y [Ay-]x índices A fórmula deve resultar neutra, isto é:

x + • y = y– • x No sal comum (cloreto de sódio) os átomos estão na proporção 1:1. A fórmula é:

[Na+]1 [CI–]1 ou NaCI No cloreto de cálcio, os átomos de cálcio e cloro estarão na proporção 1:2, respectivamente.

[Ca2+]1 [CI-]2 ou CaCI2 Note que o índice 1 não é escrito. Para as substâncias moleculares, a fórmula da substância é a fórmula da molécula; por isso é denominada fórmula molecular.

Exemplos:

H20: fórmula da molécula de água e representa a substância água. NH3: fórmula da molécula de amônia e representa a substância amônia. C6H1206: fórmula da molécula de glicose e representa a substância glicose.

A ligação metálica A ligação metálica explica por que os metais conduzem eletricidade. Ela é intermediária entre a ligação iônica e a covalente. Um átomo de metal apresenta geralmente 1, 2 ou 3 elétrons na última camada. Logo, em uma barra metálica, todos os átomos possuem tendência de ceder elétrons. Admite-se que esses elétrons de valência saiam dos átomos e formem um “mar de elétrons”, que envolve os cátions metálicos. Em um metal, os átomos estão unidos pela ligação metálica. O átomo de alumínio, por exemplo, possui 3 elétrons na última camada. Todos os átomos de alumínio de uma barra metálica perdem 3 elétrons, formando cátions Al3+. Os cátions ficam fixos na barra metálica e são envolvidos por um “mar de elétrons” formado pelos elétrons perdidos por todos os átomos.

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Condutividade elétrica

elétrons

elétrons pilha

Cícero Soares Cícero Soares

A l

3

O “mar de elétrons”, desBarra metálica locando-se de um lado para outro, seria o responsável pela eeeecondutividade elétrica. eeeeRepresentando os elétrons eeeemar de por pequenas setas, o “mar eleeelétrons etrônico” estaria totalmente deAl3+ eeeeAl3+ sorganizado na barra metálica. eeMas, ao ligarmos essa bareeera metálica a um circuito eléeeeeeetrico, o gerador (pilha, por eeeAl3+ exemplo) forçaria o ”mar eleeeAl3+ eetrônico“ a deslocar-se em um eeeCores-fantasia. único sentido. Isso constitui a corrente elétrica. Os elétrons que saem da barra são imediatamente substituídos por outros que chegam do gerador (pilha).

Cores-fantasia.

Saiba mais Ligas metálicas Ligas metálicas são materiais com propriedades metálicas, compostos de dois ou mais elementos químicos, sendo um deles um metal. O uso de ligas metálicas se deve ao fato de não ser possível o uso do material no estado puro, visando sobretudo diminuir os custo da proteção. As ligas são empregadas na indústria automobilística, aeronáutica, naval e de construção civil. Também são importantes para o setor eletrônico e de comunicações. As ligas possuem propriedades semelhantes às dos metais, mas diferentes dos elementos que as originam. Algumas dessas propriedades são a diminuição ou o aumento do ponto de fusão, aumento da dureza e aumento da resistência mecânica. UNIDADE 1 • EstrUtUra da matéria

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Ligação iônica ou covalente? Conhecendo algumas poucas regras, você será capaz de prever o tipo de ligação química e a fórmula de um grande número de substâncias. •

Geralmente a ligação entre metal e não metal é iônica. Os metais possuem 1, 2 ou 3 elétrons na última camada e tendem a perder elétrons. Os não metais possuem 5, 6 ou 7 elétrons na última camada e tendem a receber elétrons. Os átomos com 4 elétrons no último nível de energia apresentam comportamentos variados. De modo geral, o carbono (não metal), o silício (semimetal) e o germânio (semimetal) participam das ligações covalentes. O estanho (metal) e o chumbo (metal) participam das ligações covalentes e iônicas. A ligação covalente geralmente ocorre entre átomos que preferem receber elétrons (hidrogênio, não metais e semimetais). Como exemplos temos as moléculas de hidrogênio (H2) e de água (H20).

Aplique seus conhecimentos Observando a tabela a seguir e lembrando-se da regra de ligação de metais e não metais, conclua quais famílias perdem elétrons e quais famílias recebem elétrons. Metais (famílias 1, 2, 13)

Tendência

Cátions (positivos)

Tendência

Ânions (negativos)

1, 2, 3 elétrons na última camada Não metais (famílias 15, 16, 17) 5, 6 ,7 elétrons na última camada

Revise seus conhecimentos 1. Leia a frase: “Íon é o nome genérico que se dá ao cátion e ao ânion.” Pesquise no texto do capítulo e é todo átomo que perdeu elétrons e tornou-se um íon positivo. responda: o que é cátion? O que é ânion? Cátion Ânion é todo átomo que ganhou elétrons e tornou-se um íon negativo. 72

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2. Por que os gases nobres são estáveis?

Porque eles apresentam o último nível de energia completo.

3. O que diz a Regra do Octeto? Os átomos se unem para poder ficar com o último nível de energia completo. 4. Qual o tipo de ligação entre lítio 3Li e flúor 9F? Qual a fórmula da substância? Ligação iônica. LiF.

5. Um átomo neutro com 12 elétrons tende a formar cátion ou ânion? E com qual carga? Ele tende a formar um cátion, com carga 2+.

6. Um átomo neutro com 17 elétrons tende a formar cátion ou ânion? E com qual carga? Ele tende a formar um ânion, com carga 1- .

7. Esquematize a ligação iônica entre: Na e F, Na e O, Ca e Cl, Ca e S, Al e O. Resposta no Manual do Professor.

8. Representando o cátion por X e o ânion por Y, construa as fórmulas entre X+e Y-, X2+ e Y2-, X+ e Y2-, X3+ e Y2-, X2+ e Y3-, X2+ e Y-. XY, XY, X Y, X Y , X Y e XY 2

2

3

3

2

2

9. Saiba que “compartilhar significa usar ao mesmo tempo”. Agora, faça um resumo discutindo a seguinte afirmação: “A ligação covalente ocorre entre dois átomos que precisam receber elétrons. Esses átomos acabam por compartilhar um ou mais pares eletrônicos”. Resposta no Manual do Professor. 10. Escreva a fórmula eletrônica, estrutural plana e molecular das seguintes ligações: 1H e F; 9F e 9F; 1H e 16S; 1H e 7N; 1H e 6C. Resposta no Manual do Professor. 9 11. Que tipo de ligação química poderia ser previsto para átomos das famílias: 1 e 17; 2 e 17; 16 e 17; 17 e 17. Ligação iônica, ligação iônica, ligação covalente e ligação covalente.

12. O que é substância iônica? Dê um exemplo.

É aquela que apresenta ligação iônica entre seus átomos. Exemplo: NaCl.

13. O que é substância molecular? Dê um exemplo. É aquela que apresenta somente ligações covalentes entre seus átomos. Exemplo: H2O.

14. Assinale as substâncias iônicas da seguinte relação: NaCl, CO2, NH3, CH4.

NaCl

Trabalhe com seus colegas Junte seus colegas e façam uma pesquisa sobre ligas metálicas. Divida o grupo conforme os assuntos relacionados a seguir: história, composição, tipos e aplicação tecnológica. Depois escolham as ligas que vocês consideram mais importantes, recolham fotos e façam desenhos de materiais que usam tais ligas. Colem as imagens no mural da sala.

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Saiba mais Reciclando elementos da Terra O alumínio é o terceiro elemento mais abundante, depois do oxigênio e do silício, e representa 8% da crosta terrestre. Assim, esse metal está presente em nossas vidas de diversas formas, sejam naturais ou manufaturadas, pois estamos expostos ao alumínio do solo, da água, do ar, nos alimentos e em alguns remédios prescritos para o tratamento de úlceras gástricas. A reciclagem de alumínio no Brasil é uma atividade muito antiga e se confunde com a implantação da indústria do alumínio. Na década de 20, data dos primeiros registros de produção de utensílios de alumínio no país, o setor utilizava como matéria-prima a sucata importada de vários países. Nos anos 90, com o início da produção das latas no Brasil, a reciclagem do metal foi intensificada, registrando volumes cada vez maiores. A sucata de alumínio pode ser empregada na fabricação de itens para vários segmentos, como os de embalagens, construção civil, indústria automotiva, indústria siderúrgica e bens de consumo (cinzeiros, porta-lápis etc). Essa é a grande vantagem do alumínio, que sai da cadeia depois de utilizado e pode ser reaplicado em diferentes segmentos, gerando ganhos para todo o ciclo. Em 2010, o Brasil reciclou 439 mil toneladas de alumínio. Na reciclagem de latas de alumínio para bebidas, o País reciclou 239,1 mil toneladas de sucata, o que corresponde a 17,7 bilhões de unidades, ou 48,5 milhões por dia ou 2 milhões por hora. Pelo décimo ano consecutivo, o país lidera a reciclagem de latas de alumínio para bebidas, entre os países em que a atividade não é obrigatória por lei – como no Japão, que em 2010 reciclou 92,6% de latas; Argentina (91,1%) e Estados Unidos (58,1%) – e entre países europeus, cuja legislação sobre reciclagem de materiais é bastante rígida, e apresentaram um índice médio de 57,7%.

Daniel Augusto / Pulsar Imagens

Disponível em: <http://www.abal.org.br/alusaude/introducao.asp>. Acesso em: Março/2012.

Compactação de latas para reciclagem de alumínio. São Paulo, 1995.

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Olhar de cidadania A energia nuclear é responsável por 16% da eletricidade consumida no mundo — e também por alguns dos piores pesadelos da humanidade. A concretização de um deles, o acidente na usina de Chernobyl, na Ucrânia, colocou o mundo em choque em 1986. Agora, o planeta novamente assiste com apreensão aos vazamentos nucleares no Japão, que tiveram início após o devastador terremoto que atingiu o país na última sexta-feira. As usinas nucleares são consideradas uma fonte de energia limpa porque emitem pouco carbono e, por isso, não contribuem para o aquecimento global – mas é impossível ignorar os riscos que elas representam aos países que as abrigam. As usinas nucleares chegaram ao Brasil na década de 1970. A usina de Angra 1 fora comprada praticamente pronta, em 1969, da americana Westinghouse. O objetivo era que iniciasse o fornecimento comercial de energia elétrica em 1977, com um custo total de construção de 300 milhões de dólares. Porém, Angra 1 só entrou em funcionamento seis anos mais tarde, após ter consumido 1,8 bilhão de dólares. Em 2000, foi inaugurada a Angra 2, que levou mais de 20 anos para ser construída. Já a construção da usina nuclear Angra 3 sofre, há mais de trinta anos, de paralisia crônica. Como se nota na reação da comunidade internacional em relação à crise nuclear japonesa, acidentes em usinas fazem os países repensar o uso de energia atômica. A tragédia no Japão ocorre justamente num momento de retomada dos investimentos em energia nuclear. O renascimento da energia nuclear é explicado por uma conjunção de fatores. O primeiro é econômico. A disparada do preço do petróleo e do gás natural, que juntos respondem por 25% da eletricidade produzida no planeta, torna cada A vez mais cara a energia B obtida desses combustíveis fósseis. O segundo fator que impulsiona o renascimento da energia nuclear é o combate ao aquecimento global, uma causa que mobiliza goUsina nuclear Angra I (A); Angra II (B), Praia de Itaorna, Angra do Reis, RJ. vernos e opinião pública. [Fotos reproduzidas em escalas diferentes.]

Luciano Candisani / kino.com.br

Energia nuclear: riscos – e vantagens – das usinas atômicas 16/03/2011

Fonte: <www.veja.abril.com.br/blog/acervo-digital/ambiente/energia-nuclear-riscos-e-vantagens-dasusinas-atomicas/>. Acesso em: Março/2012.

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Purificação da prata. Gravura do século XV mostrando trabalhadores usando fornos para separar a prata do minério.

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Unidade

2

Os sistemas químicos e as funções A Ciência não tem fronteiras porque o saber pertence à humanidade.

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Science, Industry & Business Library/Stock Photos

George Bernad/Stock Photos

Louis Pasteur

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Capítulo

Os sistemas químicos

Simon Fraser/ Stock Photos

Usamos a palavra sistema em diversas situações. Falamos em sistema circulatório, ecossistema, sistema solar, sistema econômico etc. De uma forma geral, sistema é um todo organizado, formado por um conjunto de elementos que se relacionam. Um sistema pode ser homogêneo, se apresenta as mesmas propriedades em qualquer parte em que seja examinado. Ou heterogêneo, se apresenta propriedades diferentes. E pode exibir fases. Fases são as diferentes porções homogêneas que constituem um sistema heterogêneo.

Ave coberta de petróleo devido ao derramamento de petróleo nas costas do País de Gales em 1996.

Trocando ideias

!

Use as definições citadas para descrever o que acontece quando você mistura água e óleo. E se você agitar essa mistura? Eles são miscíveis? Se você adicionar detergente nesta mistura e agitá-la, o que ocorre? E quando você mistura água e açúcar, o resultado é diferente? O que acontece?

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UNIDADE 2 • OS SISTEMAS QUÍMICOS E AS FUNÇÕES

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Substâncias puras e misturas Um sistema químico pode ser uma substância pura, como a água ou o gás hidrogênio, e pode ser uma mistura, como a água com óleo. A substância pura pode ser simples ou composta. O gás hidrogênio é uma substância simples, feita apenas de átomos de hidrogênio. Já a água é composta de hidrogênio e oxigênio, que são tipos diferentes de átomos. A mistura pode ser heterogênea, como a água e o óleo. Ou então, pode ser homogênea, como a água e o açúcar. Praticamente todos os materiais que nos cercam são misturas: ar, objetos metálicos, madeira, tecidos, plásticos, vidros, alimentos, cosméticos etc. A água dos rios e mares é uma mistura de água com sais minerais. Matéria

Mistura

Substância pura

Composta

Simples

Heterogênea

Homogênea

Na ilustração estão duas substâncias puras: a água e o sal de cozinha. Substância pura composta: cloreto de sódio Cl-

H2O

H2O

Cores-fantasia.

Na+

H 2O

H2O

Cores-fantasia.

UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Ilustrações: Cícero Soares

Substância pura composta: água

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Diferenças entre substâncias puras e misturas

O granito é uma mistura cujos componentes são observáveis.

AbleStock

AbleStock

Algumas misturas podem ser identificadas a olho nu. Por exemplo, o granito é formado por uma parte escura (mica), uma branca (quartzo) e uma cinzenta (feldspato). Mas a água do mar é uma mistura de vários sais, e esse fato não pode ser observado nem com um microscópio!

A água do mar é uma mistura cujos componentes não são observáveis.

Compare as diferenças entre substância pura e mistura. Substância pura

Mistura

Exemplo: água pura

Exemplo: água do mar

Temperatura constante nas mudanças de estado físico

Temperatura variável nas mudanças de estado físico

Composição fixa

Composição variável

Densidade constante

Densidade variável

Possui uma fórmula (exemplo: H2O)

Não possui fórmula

Veja na tabela seguinte algumas características da água pura: temperatura de ebulição, de congelamento, densidade (d), composição de 100 g de água. Temperatura de ebulição = 100o C

Água pura (H 2O)

80

}

(ao nível do mar) Temperatura de congelamento = 0o C d = 1 g/mL 100 g → 89 g de oxigênio e 11 g de hidrogênio

UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Substâncias simples e substâncias compostas Uma substância pode ter um elemento químico ou vários. Se tiver apenas um elemento químico, é uma substância simples. Se tiver mais de um elemento químico, é uma substância composta (composto químico). Exemplos: Um elemento químico: hidrogênio H2

Molécula com 2 átomos Nome: gás hidrogênio Dois elementos químicos: hidrogênio e oxigênio

H 2O

Molécula com 3 átomos Nome: água

Atenção: As substâncias simples correspondentes aos gases nobres são representadas com apenas um átomo na fórmula: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. O mesmo acontece com os metais: Fe, Al, Zn, Na.

Saiba mais Grafite e diamante: a mesma coisa?

Os diamantes estão entre as substâncias mais duras do mundo.

Estrutura da grafite

Cícero Soares

Cores-fantasia.

Fabio Colombini

A grafite como a do lápis é macia e fácil de quebrar.

Estrutura do diamante

Cícero Soares

AbleStock

O mesmo elemento químico pode formar substâncias simples diferentes. Esse é o fenômeno da alotropia. A grafite e o diamante são estados alotrópicos do elemento carbono. A diferença fundamental está na estrutura de cada material, o que explica as diferentes propriedades: a grafite é mole e o diamante é o material mais duro que existe.

Cores-fantasia.

UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Sistemas homogêneos e sistemas heterogêneos

A água de torneira é uma mistura homogênea, pois não se consegue enxergar os sais dissolvidos.

Jerry Mason/Stock Photos

Gabor Nemes/kino.com.br

O sistema homogêneo tem uma fase e o sistema heterogêneo tem mais que uma fase. Fase é cada parte do sistema que apresenta propriedades iguais em todos os seus pontos. Na mistura de água com sal, por exemplo, todos os pontos têm as mesmas propriedades: densidade, ponto de ebulição, composição química etc. Na mistura de água com óleo temos duas fases, cada uma com suas propriedades.

Água e óleo formam uma mistura heterogênea, pois apresentam aspecto diferente. Fotos reproduzidas em escalas diferentes.

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Mistura heterogênea

fase óleo

água

Ilustrações: Cícero Soares

Um sistema homogêneo a Mistura homogênea olho nu pode apresentar-se he1 fase terogêneo quando observado ao microscópio. O leite é um bom exemplo. A olho nu, ele pode ser classificado como sistema homogêneo. No entanto, ao microságua + sal cópio, observam-se gotículas de gordura espalhadas no líquido. Nessas condições, o leite deve ser classificado como sistema heteroCores-fantasia. gêneo: a classificação de um sistema segundo sua homogeneidade pode depender de como o cientista o observou. Qualquer mistura gasosa é homogênea.

fase

Cores-fantasia.

UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Mistura

Classificação da mistura

Número de fases

Ar atmosférico

Homogênea (solução gasosa)

1 fase

Água do mar filtrada

Homogênea (solução)

1 fase

Água com açúcar dissolvido

Homogênea (solução)

1 fase

Água + açúcar dissolvido + açúcar não dissolvido

Heterogênea

2 fases Água + açúcar dissolvido

Ilustrações: Cícero SoaresI

Veja exemplos de sistemas homogêneos e heterogêneos:

Açúcar não dissolvido Arroz + feijão

Heterogênea

2 fases Arroz Feijão

Água + areia + óleo

Heterogênea

3 fases Água Areia Óleo Cores-fantasia.

Separação de misturas

Filtração

Sedimentação da água

Decantação de óleo com água

Ilustrações: Cícero SoaresI

Misturas heterogêneas podem ser separadas, por exemplo, por filtração e decantação. A filtração é a que usamos, por exemplo, para separar água de areia. Passando essa mistura por um filtro, a areia fica retida e a água passa pelo filtro. A decantação é a separação de fases por repouso. No caso de uma das fases ser sólida, pode-se falar em sedimentação.

óleo

água

Cores-fantasia.

UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Delfim Martins/Pulsar

Na estação de tratamento de água, em uma das etapas do tratamento, adiciona-se sulfato de alumínio à água. Ele aglutina as partículas, que depois se depositam por decantação.

Tanques de decantação, em estação de tratamento de água.

Destilação simples termômetro

saída de água de resfriamento

A água do balão entra em ebulição. Os sais ficam no balão. Os vapores atingem o condensador, e a água volta para o estado líquido, no estado puro.

Cícero Soares

As substâncias de uma mistura homogênea podem ser separadas por destilação. A destilação simples é usada para separar o líquido puro de uma mistura homogênea. A água destilada a partir de água da torneira, por exemplo.

condensador balão de destilação

água com sais tela de aquecimento entrada de água de resfriamento

água destilada

bico de Bunsen

Cores-fantasia.

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UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Cícero Soares

A destilação fracionada separa um líquido de outro líquido. Imagine uma mistura homogênea de dois líquidos, A e B, sendo o ponto de ebulição de A: 40° C e o ponto de ebulição de B: 70° C. Por volta de 40° C, ferve o líquido A. Seus vapores passam pela coluna, condensam e o líquido A, puro, será recolhido no béquer. Enquanto isso, os vapores de B condensam na coluna de fracionamento e o líquido B retorna para o balão. Destilação fracionada O petróleo, líquido oleoso e escuro, coluna de fracionamento sofre destilação fracionada nas refinarias para obtenção de seus componentes. HO 2

líquido mais volátil que já destilou

mistura H 2O

Intervalo de destilação (ºC)

Gás

Até 40

Gasolina

40–180

Querosene

180–230

Óleo diesel

230–300

Óleos combustíveis

300–400

Óleos lubrificantes

400–520

Resíduo final: asfalto

AbleStock

Cores-fantasia.

Fração

Refinaria de petróleo. UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Outros métodos de separação de misturas

Método

Tipo de mistura

Exemplo

Técnica

Tamisação (peneiração)

Heterogênea sólido + sólido

Areia com pedras

Por agitação, os grãos menores passam pelas malhas da peneira.

Catação

Heterogênea sólido + sólido

Vidro com papel

Separação manual. É uma das fases do beneficiamento do lixo, por exemplo.

Separação magnética

Heterogênea sólido + sólido

Ferro com enxofre

Com um ímã, separa-se o ferro.

Ventilação

Heterogênea sólido + sólido

Palha com grãos de café

Por correntes de ar, separa-se a palha dos grãos.

Levigação

Heterogênea sólido + sólido

Ouro com areia

Com a bateia, o garimpeiro vai separando a areia; o ouro (mais denso) fica no fundo.

Fusão fracionada

Homogênea sólido + sólido

Liga cobre-ouro

Por aquecimento, um metal funde e o outro permanece sólido.

Liquefação fracionada

Homogênea gás + gás

Ar com H20 (vapor)

Por resfriamento, a água passa para o estado líquido e o ar permanece na fase gasosa.

Flotação

Heterogênea sólido + sólido

Serragem com areia

Adicionando-se água, a serragem (menos densa) flutua e a areia (mais densa) se deposita.

Investigue e relate Em um copo com água coloque um punhado de terra e misture bem. Observe o resultado: a mistura é homogênea ou heterogênea? Heterogênea. uma decantação, a terra se deposita no fundo Deixe a mistura em repouso e observe o que acontece. Ocorre do copo. Que processo de separação você usaria para separar a água da terra? Filtração.

Em outras palavras

“”

miscível: que se mistura; passível de se misturar. cosmético: produto para higiene e beleza. olho nu: observação sem nenhum instrumento para aumento do que se quer ver. 86

UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Revise seus conhecimentos 1. Classifique as seguintes fórmulas em substância simples ou substância composta: O2, NO2, S8, Fe, H2S, HNO3, P4. Substâncias simples: O , S , Fe, P . Substâncias compostas: NO , H S, HNO . 2. O ar atmosférico contém principalmente duas substâncias: O2 e N2. O ar é uma mistura ou Mistura. Substâncias uma substância composta? O O2 e N2 são substâncias simples ou compostas? simples. 3. "Eu olhei para a fórmula e achei apenas um símbolo de elemento químico". Essa afirmação de aluno garante que a substância correspondente era simples ou composta? Substância simples. 4. "Quando o sal de cozinha é jogado em água, ele se espalha de maneira uniforme por todo o volume do líquido". A afirmação acima garante que a mistura é homogenia, isto é, apreFase é cada parte do sistema que apresenta senta uma única fase. Como você conceituaria "fase"? propriedades iguais em todos os seus pontos. É aquele que apresenta duas ou mais 5. O que significa "sistema heterogêneo"? propriedades em todos os pontos. fases e não apresenta as mesmas 6. No caderno, classifique os sistemas abaixo em homogêneo e heterogêneo e dê o número de fases da água pura, da água com pouco açúcar e da água com muito açúcar. Sistema homogêneo: 1 fase, sistema homogêneo: 1 fase e sistema heterogêneo; 2 fases, respectivamente. 7. Classifique o sistema homogêneo ou heterogêneo e dê o número de fases: a) H2O (líquido) + H2O (sólido) + H2O (vapor); Heterogêneo, 3 fases. b) água líquida + 4 pedaços de gelo Heterogêneo, 2 fases. 8. "Qualquer mistura de gases sempre será homogênea, porque os gases se misturam uniformemente uns nos outros". Com relação a esse texto quantas fases terá a mistura: H2O (líquida) + H2O (vapor) + ar? 2 fases. (H O vapor + ar formam 1 fase). 9. "Sólidos com estruturas diferentes? Fases diferentes!" Com relação à frase, quantas fases existem nos sistemas: a) gelo + areia; gelo + areia + água pura; gelo + areia + água (líquida) + sal dissolvido; gelo + areia + ferro (pó) + água (líquida) + sal dissolvido + sal não-dissolvido? 10. O que é alotropia? Alotropia é quando um mesmo elemento químico pode formar substâncias simples diferentes. 11. Qual a diferença entre substância composta e mistura homogênea? Uma é formada por 2 ou mais elementos químicos, enquanto a outra é formada por duas ou mais substâncias que apresentam apenas 1 fase. 12. Escreva o processo de separação empregado em cada caso a seguir: coar café, separar os componentes da mistura "água + óleo", obter água pura a partir da água do mar, separar a mistura "sal + areia". Filtração, funil de decantação, destilação simples e dissolução fracionada. 13. Como transformar sal úmido em sal seco? Através do processo de evaporação. 14. Nas salinas, como é obtido sal a partir da água do mar? Evaporação. 15. Observe a mistura abaixo e escreva como separar as fases desse sistema. Resposta no Manual do Professor. 16. Como podemos separar uma mistura de açúcar e ferro em pó? Por separação magnética. Mistura 17. O aspirador de pó e as máscaras contra poeira são filtros? Por quê? Sim, porque filtram o ar, retirando partículas de poeira. 18. Nitrogênio, oxigênio e argônio são obtidos industrialmente através de destilação fracionada do ar liquefeióleo água + sal to. As temperaturas de ebulição são respectivamente, dissolvido –196 ºC, –183 ºC, –183 ºC. Qual das três substâncias areia será obtida, em primeiro lugar, através da destilacão pois é o que tem Cores-fantasia. fracionada? Nitrogênio, menor ponto de ebulição. 2

8

4

2

2

3

Cícero Soares

2

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Água e gelo

A ilustração ao lado representa um vidro com água e gelo.

Cícero Soares

Aplique seus conhecimentos 1. Quantas fases tem essa mistura?

Um copo contendo água com gelo apresenta duas fases visíveis: água líquida, uma fase, e água sólida, a outra fase.

2. Classifique cada sistema a seguir em substância pura ou mistura. Nos desenhos, bolinhas diferentes indicam átomos diferentes. Cada grupo de bolinhas representa uma molécula. Sistema A

Sistema B

Substância pura Ilustrações: Cícero Soares

Substância pura

Sistema C

Sistema D

Substância pura

Mistura

Cores-fantasia.

Trabalhe com seus colegas O trabalho desta vez é sobre a poluição das águas. Da água do mar às águas dos mananciais. Façam uma pesquisa sobre as causas da poluição das águas e procurem soluções para resolver esse problema. Depois da pesquisa, façam cartazes com fotos de revistas ou jornais e desenhos. Coloque-os em diversos locais da escola para conscientizar os colegas que devemos cuidar do meio ambiente. 88

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Capítulo

9

As funções químicas

Chuva ácida Wagner Santos/Kino

A água da chuva torna-se normalmente pouco ácida pela dissolução de dióxido de carbono da atmosfera, que reage com a água e forma o ácido carbônico. O dióxido de nitrogênio e o dióxido de enxofre podem reagir com substâncias da atmosfera produzindo ácidos fortes que se dissolvem em gotas de chuva e precipitam-se em forma de chuva ou neve. A chuva ácida pode se formar em locais distantes da produção de óxidos de enxofre e nitrogênio. Ela é um problema da atualidade porque grandes quantidades de óxidos ácidos são formados pela atividade humana e colocados na atmosfera. Quando a chuva ácida cai em um local que não pode tolerar a acidez, sérios problemas ambientais podem ocorrer. Estátua do escultor Aleijadinho desgastada pelos efeitos da chuva ácida.

Trocando ideias

!

Você acha que em sua cidade a chuva é ácida? Por que a chuva ácida danifica alguns monumentos?

Porque ela corrói os materiais que estão presentes nesses monumentos, como o mármore e a pedra-sabão.

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A dissociação iônica e a ionização

Na+

Cícero Soares

Dissociação iônica Cl-

Quando uma substância se dissolve em outra, temos formação de uma solução, com dois tipos de componentes: a substância dissolvida

sal comum

(soluto) e o solvente. Por exemplo,

água

solução aquosa de cloreto de sódio, que é água com sal. O sal comum é uma substância iônica, ou seja, um sólido formado + Cl- Na

por íons. Quando adicionamos sal à água, ocorre a separação dos íons, que ficam livres e espalham-se uniformemente pelo solvente. Portanto, dissociação iônica ou eletrolítica é a separação de íons. A substância de fórmula HCl é molecular, com ligação covalente. Quando

adicionamos

Cícero Soares

Solução eletrolítica pilha

moléculas

HCI à água, ocorre uma quebra da ligação covalente, com formação de íons. Esse processo denomina-se Quando uma solução contém íons

ânion

cátion

ionização. ânion

cátion

cátion

ânion

ânion

cátion

livres, originados por dissociação ou ionização, ela conduz corrente elétrica. É uma solução eletrolítica ou Solução não eletrolítica

Cícero Soares

iônica. As soluções aquosas de NaCl e HCl são eletrolíticas. Quando uma solução não conduz eletricidade, ela é não eletrolítica ou

pilha

molecular. É o que ocorre na solução de água com açúcar.

molécula molécula

molécula

Cores-fantasia.

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Ácidos Expressões como sal e ácido foram criadas pelos químicos para indicar grupos de substâncias com características semelhantes. Função química é um grupo de substâncias com propriedades químicas semelhantes tais como: ácidos, bases, sais e óxidos. Ácido é toda substância que, dissolvida em água, sofre ionização e produz um único tipo de cátion: H+. O cátion (H+) é o principal agente dos ácidos, sendo o responsável por suas características. Esse conceito de ácido foi proposto por Arrhenius, cientista sueco, em 1887.

HCl

Em água Ionização

H++ Cl–

H2SO4

Em água Ionização

2H++ SO24

Observação: O íon H+, quando em contato com água, produz o íon H30+, que é o cátion chamado hidroxônio ou hidrônio. Por simplificação, representamos o íon hidroxônio apenas por H+. Com a tabela de ânions, podemos montar a fórmula e dar nome aos ácidos. Para isso, use as seguintes regras práticas: 1. Monte a fórmula do ácido, colocando tantos íons H+quantas forem as cargas negativas do ânion. Exemplos:

Cl– SO42-

colocando 1 H+ colocando 2H

+

HCl

CO32-

H2SO4

PO43-

colocando 2 H+ colocando 3 H+

H2CO3 H3PO4

2. O nome do ácido deve ser dado de acordo com a tabela:

Ânion Sufixo do nome... ATO ETO ITO

Ácido Sufixo do nome... ICO ÍDRICO OSO

Exemplos: Do ânion Cl– cloreto, deriva o HCl ácido clorídrico; do SO32- sulfito, deriva o H2SO3, ácido sulfuroso; do SO42- sulfato, deriva o H2SO4 ácido sulfúrico.

Ânion SO2-4 sulfato Clcloreto SO2-3 sulfito

Ácido H2SO4 ácido sulfúrico HCl ácido clorídrico H2SO3 ácido sulfuroso UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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• •

• •

Os ácidos têm várias propriedades particulares: As soluções ácidas apresentam um característico sabor azedo. Os ácidos atacam alguns metais, ocorrendo às vezes desprendimento de gás hidrogênio (H2). Alguns ácidos chamados fortes, como HCl, H2SO4e HNO3, atacam roupas e metais e provocam sérias queimaduras! As soluções ácidas (água + ácido) conduzem eletricidade, o que mostra a existência de íons livres. Na presença de um ácido, o papel de tornassol (indicador) fica avermelhado. A fenolftaleína é um indicador que permanece incolor na presença de um ácido. Observação:

Fabio Colombini

Condutividade elétrica em solução ácida

Cícero Soares

Indicador é uma substância que mostra se um material é ácido, básico ou neutro.

H2O + ácido Cores-fantasia.

Investigue e relate

AbleStock

Em razão de suas propriedades vários ácidos têm aplicação industrial e em nossa vida. O ácido clorídrico, que na forma impura tem o nome comercial de ácido muriático, é usado como agente de limpeza de pisos. Já o ácido sulfúrico está no líquido da bateria do automóvel e é componente da chuva ácida. O ácido acético é componente do vinagre, o ácido cítrico está presente em frutos ácidos, como a laranja e o limão, e o ácido fosfórico faz parte de muitos refrigerantes.

Papel de tornassol tornando-se vermelho em solução ácida.

O limão tem ácido na sua composição.

Neste experimento você irá perceber o efeito que a chuva ácida causa nas plantas. Para executá-lo você precisa de terra, sementes de feijão, vinagre e água. Plante os feijões em copos e regue alguns com água e outros com água misturada ao vinagre. Compare o desenvolvimento das plantas e anote suas observações. 92

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Svante Arrhenius, físico e químico sueco, foi quem propôs em 1884 que substâncias como o cloreto de sódio (NaCl) existem como íons em solução aquosa. Essa proposta era revolucionária, pois não se compreendia como os átomos de cloro e sódio podiam adquirir carga. Além de outros estudos que ligam a física e a química, relacionou a importância do CO2 atmosférico para o clima. Em 1903 ele foi agraciado com o Prêmio Nobel.

Stock Photos

Saiba mais

O químico ganhador do Prêmio Nobel Svante Arrhenius (1859-1927).

Bases As bases, ou substâncias alcalinas, são conhecidas há centenas de anos. Os antigos alquimistas denominavam álcalis as substâncias que podiam neutralizar os ácidos. O conceito de base foi proposto por Arrhenius (1887): base é toda substância que, dissolvida em água, produz um único tipo de ânion: hidróxido (OH–). Exemplo:

NaOH

Em água

Na++ OH–

Esse é um processo de dissociação (separação) de íons. As bases são substâncias iônicas, isto é, possuem íons no estado puro. A maioria das bases obedece à fórmula geral:

[Mex+][OH–]x Onde Mex+ = cátion de metal. Para montar a fórmula de uma base, basta escolher o cátion metálico e colocar um número de íons OH-igual à carga do metal. Exemplos: Na+colocando um OH– ⇒ NaOH Mg2+colocando dois OH– ⇒ Mg(OH)2 Para nomear usam-se duas regras práticas: a) Quando o metal que forma a base possui apenas uma carga, usa-se: Hidróxido de (nome do metal) Exemplos: NaOH: hidróxido de sódio, Mg(OH)2: hidróxido de magnésio. b) Quando o metal que forma a base tem duas cargas, usa-se: Hidróxido de (nome do metal) e em algarismo romano sua carga. Exemplos: Fe(OH)2 : hidróxido de ferro II e Fe(OH)3: hidróxido de ferro III. Neste caso pode-se também usar: Carga maior ⇒ ico Carga menor ⇒ oso Fe3 ⇒ Fe(OH)3= hidróxido férrico Fe2+ ⇒ Fe(OH)2 = hidróxido ferroso UNIDADE 2 • os sistemas químicos e as funções

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Veja abaixo algumas propriedades que caracterizam as bases: sabor adstringente típico das bases (semelhante a uma banana verde, que “amarra” a boca); dissolvidas em água, conduzem eletricidade devido à existência de íons livres; o papel de tornassol fica azul e a fenolftaleína, rosa, na presença de bases.

Fabio Colombini

• • •

O papel de tornassol permanece azul em solução básica.

Devido a suas propriedades, as bases têm algumas aplicações práticas. A soda cáustica tem como componente principal o hidróxido de sódio, é usada para fabricar sabão, na indústria de papel e para refinação de açúcar. É corrosiva e perigosa. O leite de magnésia tem como componente principal o hidróxido de magnésio, é usado como laxante. O amoníaco é uma solução aquosa de amônia (NH3 + H2O ⇒ NH4OH), é usado como agente de limpeza.

Investigue e relate Indicador de acidez é uma substância que apresenta uma determinada coloração em meio ácido e outra em meio básico. Neste experimento você vai trabalhar com indicadores. Para isso vai precisar de folhas de repolho roxo, água, vinagre branco, limão, leite de magnésia, sabão em pó, limpador com amoníaco e vitamina C. Corte em pedaços pequenos as folhas de repolho roxo, coloque os pedaços em água e ferva por cerca de 10 minutos. (Peça a ajuda de um adulto.) Espere a solução esfriar e filtre. O filtrado será seu indicador. Coloque dois dedos de água em vários copos e faça as soluções de vinagre branco, de suco de limão, leite de magnésia, sabão em pó e de limpador com amoníaco. 94

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Em cada solução pingue gotas do indicador de repolho roxo e observe o que acontece. Anote os resultados no seu caderno construindo uma tabela com as seguintes informações: • número da solução e os componentes; • cor da solução antes de pingar o indicador; • cor observada depois; • sua conclusão do porquê da mudança de cores. Esse indicador irá adquirir coloração avermelhada em contato com ácidos e coloração verde em contato com bases. (Obs.: dependendo da quantidade de indicador utilizado, em vez da coloração verde, poderá surgir coloração amarela.)

Sais Sais são substâncias iônicas formadas por cátions diferentes de H+e ânions diferentes de OH-. São encontradas em todos os seres vivos, no solo e na água (mares, rios e lagos). A nomenclatura dos sais obedece a esta estrutura: (nome do ânion) e (nome do cátion). Veja as tabelas com os nomes de cátions e ânions ao final deste capítulo. Observações: a) Com exceção de NH4+(cátion amônio), os demais cátions possuem o nome do metal correspondente: NaCl = cloreto de sódio. b) Quando o metal forma vários cátions, a carga é indicada por numeração romana (I, II, III etc.): FeCl2 = cloreto de ferro II; FeCl3 = cloreto de ferro III. Nesse caso, pode-se usar também: FeCl2 = cloreto ferroso (oso = carga menor), FeCl3 = cloreto férrico (ico = carga maior). Veja: A carga do cátion (x+) será índice do ânion. [Cx+]y [Ay–]x A carga do ânion (y–) será índice do cátion. Exemplos: Entre Al3+ e S2–:

[Al3+]2 [S2–]3

Al2S3

Entre Fe2+ e S2–: Quando as cargas forem iguais, a proporção será 1:1. Portanto a fórmula fica FeS. De fato, aplicando a regra teríamos: Simplificando ÷2

FeS

Sais apresentam propriedades características. • A maioria tem sabor aproximado ao do sal de cozinha (NaCl), mas alguns podem ser amargos, como MgSO4 (sal amargo). Quando a quantidade de sais é pequena, podemos não sentir o sabor salgado, como acontece com a água potável. • Os sais solúveis em água sofrem dissociação, produzindo cátions e ânions livres, que são responsáveis pela condutividade elétrica.

Condutividade elétrica nos sais

Na+ Na+

Cl– Cl– Cores-fantasia.

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Cícero Soares

Fe2S2

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Simon Fraser/Stock Photos

CPG

Por causa dessas propriedades, os sais apresentam várias aplicações práticas. O sal de cozinha, que tem como componente principal o cloreto de sódio, é usado no preparo dos alimentos. O bicarbonato de sódio é usado como antiácido.

O gesso contém sulfato de cálcio.

O carbonato de cálcio está presente no mármore.

Óxidos Óxido é uma substância formada por dois elementos, sendo um deles o oxigênio. Os óxidos dos elementos metálicos são iônicos e obedecem à seguinte fórmula geral: [Mex+]2[O2-]x Exemplos: [Na+]2[O2-]; [Fe3+]2[O2-]3 O índice 1 não é escrito. Quando possível, simplificamos os índices: [Fe2+][O2-] ou FeO; [Pb4+]2[O2-]4ou PbO2. K2O: óxido de potássio; MgO: óxido de magnésio ; FeO: óxido de ferro II. Os óxidos dos elementos não metálicos são moleculares e apresentam fórmulas variadas. Exemplos: CO: monóxido de carbono; CO2: dióxido de carbono. Os óxidos fazem parte de nossa vida diária. A água é um óxido de hidrogênio. O gás carbônico não tem cheiro e não é tóxico, aparece na respiração e como produto da combustão de madeira, álcool, derivados de petróleo (gás de cozinha, gasolina etc.). É o gás dos refrigerantes. O monóxido de carbono (CO), gás sem cheiro e extremamente tóxico, faz parte dos gases emitidos pelos automóveis e nas queimadas. É um dos principais poluentes do ar.

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Gusto/Stock Photos

As regras de nomenclatura são:

No estado sólido, o gás carbônico é o gelo seco, usado em refrigeração e extintores.

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Marcos Peron/kino.com.br

O óxido de silício (SiO2), presente na sílica e nos silicatos, é o principal componente da areia. Óxido de cálcio (CaO), sólido branco, conhecido como cal virgem, em contato com água produz a cal extinta, Ca(OH)2, com grande desprendimento de calor. Esse óxido é usado na construção civil, para fazer argamassa (cal + cimento + areia + água). A ferrugem é constituída de óxidos de ferro (FeO e Fe2O3). Anualmente, milhões de toneladas de estruturas metálicas são destruídas pela ferruCarros sob a ação da ferrugem. gem, que se forma quando o ferro é exposto ao ar úmido. Para o controle da ferrugem usam-se diversas formas de proteções aplicadas sobre o ferro, como a tinta zarcão (Pb3O4), por exemplo. Água oxigenada é uma mistura de água e H2O2, que pertence a uma classe derivada dos óxidos: os peróxidos. Muito instável, ela decompõe-se em água e gás oxigênio quando em presença de luz ou aquecimento. Devido a isso, a água oxigenada é guardada em frascos escuros e/ou opacos. Sendo forte bactericida, a água oxigenada é usada para desinfetar ferimentos, sendo rapidamente decomposta por uma enzima (catalase) presente nos tecidos orgânicos.

Saiba mais Chuva Ácida Em 1989 cientistas da Holanda noticiaram que um determinado pássaro canoro que habita as florestas daquele país estava produzindo ovos com a casca fina e porosa. Problema similar fora detectado nas décadas de 1960 e 1970, causado pelo inseticida DDT. Durante as investigações não foi encontrada nenhuma evidência de intoxicação. Os cientistas resolveram verificar então o suprimento de cálcio disponível para os pássaros na natureza e necessário para a formação de cascas resistentes nos ovos. Aqueles pássaros usavam normalmente como fonte de cálcio, caramujos que constituiam componente importante na dieta. Entretanto, os caramujos haviam praticamente desaparecido das florestas. O solo seco contém normalmente de 5 a 10 gramas de cálcio por quilograma. O cálcio daquela região havia caído para cerca de 0,3 grama por quilograma de solo, um nível muito baixo para que os caramujos sobrevivessem. Sem caramujos para comer, os pássaros passaram a se alimentar de sobras de alimentos de galinhas e de outros animais domésticos e sobras de pique-niques, muito comuns na Europa. A queda no conteúdo de cálcio do solo da Europa e dos Estados Unidos da América foi atribuída à ocorrência de chuva ácida, principalmente da que contem ácido sulfúrico.

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Este é um exemplo de como a poluição ambiental pode afetar a natureza, sem que as pessoas se deêm conta do problema. A chuva ácida é um fenômeno regional e ocorre na mesma região que gera os poluentes que a causa. Por isso mesmo a incidência é grande nas regiões altamente industrializadas e mais densamente povoadas A chuva ácida é causada pela presença de gases, principalmente óxidos ácidos de enxofre e nitrogênio, que saem das chaminés industriais e são solúveis em água. Misturados à água presente no ar, hidrolisam formando ácidos que caem sobre a terra juntamente com a chuva. A chuva não afetada pela atividade humana é pouco ácida. Os poluentes mais sérios na chuva ácida são os ácidos fortes. No Brasil o exemplo mais marcante de poluição ambiental por chuva ácida foi a destruição da Mata Atlântica na região de Cubatão, SP. Os gases de nitrogênio e enxofre liberados às toneladas pelas chaminés das indústrias locais, destruíram a vegetação. Neste caso, a relação de causa e efeito era óbvia. A região de Cubatão era uma das mais poluídas em todo o mundo. Após um enorme esforço, iniciado nos anos 1980, feito por parte da comunidade científica, das primeiras organizações não governamentais brasileiras preocupadas com o meio ambiente e da imprensa que se empenhou em denunciar e esclarecer os fatos, foi elaborada uma legislação e montado um sistema de fiscalização que passou a controlar as emissões, forçando as indústrias a tomarem cuidados óbvios com as emissões gasosas. Entretanto, não são apenas as indústrias que poluem com estes gases. As grandes cidades, com seus inúmeros carros, também são importantes produtoras de chuva ácida. Fonte: Francisco, Regina Helena Porto. Chuva Ácida, disponível em: <http://www.cdcc.sc.usp.br/quimica/ ciencia/chuva.html>. Acesso em: Março/2012.

Em outras palavras

“”

expressões: modos de dizer. opaco: que não deixa passar a luz. 98

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Revise seus conhecimentos 1. Quais destas fórmulas indicam ácido e quais indicam base? a) HNO3

água

H++ NO-3

ácido

b) KOH

água

K++ OH-

base

c) H2SO3

água

2H++ SO2-3

ácido

d) H2SO4

água

2H++ SO2-4

ácido

e) Mg(OH)2

água

Mg2++ 2OH-

f) Ca(OH)2

água

Ca2++ 2OH-

base base

2. Indique os processos de ionização completa dos ácidos HCl, H2S, H2SO4e H3PO4. Leia no Manual do Professor.

3. Usando os ânions: brometo (Br-), sulfato (SO42-), nitrato (NO3-) e carbonato (CO32-), monte as fórmulas e dê o nome dos ácidos correspondentes. HBr ácido bromídrico, H2SO4 ácido sulfúrico, HNO3 ácido nítrico e H2CO3 ácido carbônico.

4. Escreva a fórmula do ácido que ocorre em grande quantidade: nos refrigerantes; na bate ria de automóvel; no agente de limpeza denominado ácido muriático. H3PO4; H2SO4 e HCl respectivamente.

5. Como você poderá perceber se uma fruta é ácida? Se o sabor dela for azedo.

6. Escreva, no seu caderno, as fórmulas de ácidos a partir dos ânions: Cl-, NO2-, S2- e SO32. HCl, HNO2 , H2S e H2SO3, respectivamente.

7. Dê nome aos ácidos a partir do ânion: Cl-(cloreto); F-(fluoreto); CN-(cianeto); SO42- (sulfato); NO3-(nitrato); ClO3-(clorato); ClO4-(perclorato); SO32-(sulfito). Ácido clorídrico, ácido fluorídrico, ácido cianídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido clórico, ácido perclórico e ácido sulfuroso.

8. “As substâncias básicas (ou alcalinas) possuem sabor adstringente (‘amarram a boca’).” Anote no seu caderno quais substâncias podem ser classificadas de acordo com o texto: HCI, NaOH, NaCl, KOH, Al(OH)3 NaOH, KOH e Al(OH)3 .

9. Monte as fórmulas gerais das bases dos cátions genéricos X+, X2+ e X3+. XOH, X(OH)2 e X(OH)3 .

10. Escreva o nome e dê a fórmula da base principal encontrada: na soda cáustica, no leite de magnésia e no amoníaco. NaOH, Mg(OH)2 e NH4OH.

11. Complete os processos de dissociação iônica: KOH; LiOH; Mg(OH)2; Al(OH)3. 12. Dados os cátions: Cu1+, Cu2+, Cr2+e Cr3+, monte as fórmulas e escreva os nomes das bases. CuOH hidróxido de cobre I, Cu(OH)2 hidróxido de cobre II, Cr(OH)2 hidróxido de cromo II, Cr(OH)3 hidróxido de cromo III.

13. Óxido é uma classe de substâncias compostas (compostos químicos) em que existem apenas dois elementos. Qual é o elemento com presença obrigatória em um óxido? Oxigênio.

14. Entre os seguintes processos, qual corresponde ao conceito de ácido, base e sal? a) AI(OH)3

água

AI3++ 3OH-

base

b) H3PO4

água

3H+ + PO3-2

ácido

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15. Construa as fórmulas dos óxidos correspondentes aos cátions: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Al3+, Fe2+ e Fe3+. Dê também os nomes. Na2O óxido de sódio, K2O óxido de potássio, MgO óxido de magnésio, CaO óxido de cálcio, Al2O3 óxido de alumínio, FeO óxido de ferro II, Fe3O2 óxido de ferro III. + 2+ 3+

16. Escreva a fórmula dos óxidos correspondentes aos cátions genéricos X , X , X . X2O; XO; X2O3.

17. Água e gás carbônico são óxidos? Por quê? Sim, porque ambos são formados por dois elementos químicos, sendo um deles o oxigênio.

18. Construa a fórmula e dê o nome dos sais formados entre Na+e cada um dos seguintes ânions: F-, NO-3, SO2-4 , PO3-4 . NaF fluoreto de sódio, NaNO3 nitrato de sódio, Na2SO4 sulfato de sódio, Na3PO4 fosfato de sódio.

Aplique seus conhecimentos Imagine que você colocou água oxigenada em um copo. Em seguida acrescentou algumas gotas de detergente e, a seguir, pedaços de batata crua (cortados na hora). Formou-se uma espuma. O que você acha que aconteceu para a água oxigenada formar espuma? A água oxigenada se decompôs e libertou oxigênio.

Trabalhe com seus colegas Você e seus colegas farão uma pesquisa sobre alguns produtos de uso doméstico. Investigarão para que servem, o que contêm, se são perigosos e o que fazer em caso de acidente. Depois da pesquisa, façam cartazes sobre a segurança doméstica. Esses cartazes devem informar sobre os perigos, cuidados e as providências a tomar para evitar acidentes com produtos químicos em casa.

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O acesso à água é uma necessidade primordial para os assentamentos humanos. Não por acaso, a maioria das vilas rurais e das cidades cresceram à margem de rios. Parece natural, então, lançar no rio tudo o que se gostaria de afastar das pessoas: esgotos e resíduos que não podiam ser acumulados. Transferem-se, assim, esses resíduos para os assentamentos adiante (à jusante). As águas do rio, entretanto, são capazes de depurar as substâncias lançadas. O esgoto doméstico é transformado em sais minerais, os microorganismos não sobrevivem sem o alimento orgânico, as substâncias diversas são diluídas até perder sua toxidez. Mas isso depende da quantidade do que é jogado no rio. O que está além da sua capacidade de depuração, é poluição. Antigamente, quando uma indústria se instalava numa cidade próxima a um rio, lançava seus resíduos diretamente nele. O que saía barato para ela, ficava caro para o ambiente e para as pessoas que faziam uso desse rio, para beber, regar plantios, pescar, se banhar etc. Atualmente, a legislação brasileira exige que as empresas e as grandes plantações tratem seus resíduos, e que as cidades coletem e tratem seus esgotos. A União e muitos estados e cidades brasileiras têm uma agência ambiental que licencia e fiscaliza os empreendimentos privados e públicos, e têm conselhos de meio ambiente e desenvolvimento sustentável com a participação de associações de cidadãos. Apesar disso, muitos rios brasileiros ainda fedem e são impróprios para qualquer uso humano. Verifique quais são e o que fazem as agências ambientais que atuam em seu estado e sua cidade. Descubra quando o conselho se reúne. As sessões são abertas e você pode participar delas. Observe um rio de sua cidade e descreva sua situação. Se houver poluição, participe de um movimento com outras pessoas interessadas e exija Protesto contra a poluição de um rio do Brasil. solução.

Robson Fernandes/AE

Olhar de cidadania

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Laborat贸rio de cientistas. Sobre a mesa, o destilador inventado por Lavoisier.

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Unidade

3

As reações químicas

A Religião, a Arte e a Ciência têm por objetivo melhorar a vida humana para além da existência física e levando os indivíduos para a liberdade.

Jean Loup Charmet/StockPhotos

AbleStock

Albert Einstein

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Microscópio antigo.

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10

Capítulo

Reações químicas e suas equações

Uma camada protetora envolve a Terra A Terra está envolta por uma camada de gás ozônio, que protege os seres vivos das radiações ultravioleta emitidas pelo Sol. Entre 25 e 30 km acima da superfície, o ozônio é um filtro a favor da vida. Sem ele, os raios ultravioleta poderiam aniquilar todas as formas de vida no planeta. Segundo os cientistas, a vida na terra firme só se desenvolveu depois da formação da camada de ozônio. Antes disso, a vida se desenvolveu no mar, protegida das radiações ultravioleta. Na atmosfera, a presença da radiação ultravioleta desencadeia um processo natural que leva à contínua formação e fragmentação do ozônio. No entanto, substâncias chamadas clorofluorcarbonetos (CFC) presentes em aerossóis, condicionadores de ar e sistemas de refrigeração estão destruindo a camada de ozônio. Em 1977, cientistas britânicos detectaram pela primeira vez a existência de um “buraco” na camada sobre a Antártida. Desde então, têm-se acumulado registros de que a camada está se tornando fina nas regiões próximas do Polo Sul e Polo Norte. A quebra dos gases CFCs é danosa ao processo natural de formação do ozônio. Quando um desses gases se fragmenta, um átomo de cloro é liberado e reage com o ozônio. O resultado é a formação de uma molécula de oxigênio e de uma molécula de monóxido de cloro. Depois de uma série de reações, um outro átomo de cloro será liberado e voltará novamente a desencadear a destruição do ozônio. O Protocolo de Montreal, firmado no Canadá em 1989, firmou um pacto entre as nações para a restrição do uso dos gases CFCs. Atualmente estão sendo sentidas as mudanças nessa camada, que está se refazendo.

Trocando ideias

!

Atualmente muitas embalagens de aerossóis, como inseticidas e desodorantes, têm a informação impressa no rótulo de que não contém CFC. O que isso significa? Que eles não contêm clorofluorcarbonetos e consequentemente não atacam a camada de ozônio. 104

UNIDADE 3 • AS REAÇÕES QUÍMICAS

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Mistura e reação: qual a diferença? Quando adicionamos açúcar à água, o resultado é uma mistura: nenhuma substância desaparece ou é formada. O recipiente conterá apenas a mistura de água e açúcar. Quando acendemos um isqueiro a gás, ocorre uma reação química entre o gás do isqueiro e o oxigênio do ar, com produção de gás carbônico e vapor d’água. Nesse exemplo, o gás butano e o gás O2 desaparecem e são formadas novas substâncias (CO2e H2O). O quadro a seguir resume as principais diferenças entre uma simples mistura e uma reação química.

Mistura

Reação química (combinação)

Exemplo: água + areia

Exemplo: queima de papel

Nenhuma substância se modifica. Não há aparecimento de novas substâncias.

Algumas substâncias reagem e novas substâncias são formadas.

Sempre será possível desfazer a mistura, recuperando-se os componentes no estado original. Para isso, basta usar técnicas de separação de misturas.

Em muitos casos é simplesmente impossível recuperar as substâncias iniciais. O papel, por exemplo, depois de queimado, não pode ser recuperado.

ESTE É UM FENÔMENO FÍSICO.

ESTE É UM FENÔMENO QUÍMICO.

AbleStock

Ivânia San’t Anna/Kino.com.br

As reações químicas estão ocorrendo a todo momento à nossa volta. O funcionamento do nosso organismo, a obtenção de novos materiais, o movimento de automóveis e ônibus ocorrem como consequência de reações químicas.

A queima é uma reação química.

No preparo de alimentos acontecem muitas reações químicas.

Reação química é qualquer fenômeno em que algumas substâncias desaparecem e outras surgem. Na queima de uma vela, a parafina reage com o oxigênio do ar. Nessa reação química são produzidas várias substâncias: fuligem (carvão), CO, CO2 e H2O. Na reação química as substâncias iniciais são denominadas reagentes. Após a reação, formam-se novas substâncias: são os produtos. Na queima da vela, por exemplo, teremos a parafina e o oxigênio como reagentes, enquanto a fuligem, o carvão, o gás carbônico, o monóxido de carbono e a água são os produtos dessa reação.

UNIDADE 3 • as reações químicas

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Representando as reações: a equação química Adicionando-se um pedaço de palha de aço a uma solução de ácido clorídrico observa-se que a palha de aço (ferro) modifica-se e há borbulhamento de gás. A reação química entre o ferro da palha de aço e o ácido clorídrico pode ser representada da seguinte forma: Fe + HCl

FeCl2 Cloreto de Ferro II

+

H2 Gás Hidrogênio

A seta indica em que sentido o processo ocorreu. As substâncias iniciais (Fe, HCl) são os reagentes e constituem o primeiro membro da equação química. As substâncias produzidas (FeCl2, H2) são os produtos e constituem o segundo membro da equação química. Atenção! O ácido corrói os tecidos e a pele.

Saiba mais Catalisador As reações químicas podem ser lentas ou rápidas. Algumas são tão lentas que os químicos consideram que praticamente não ocorrem. Exemplo: o simples contato entre H2 e O2 praticamente não produz reação. Mas, na presença do metal platina, o processo torna-se rápido, chegando a ser explosivo. Dizemos, então, que a platina é um catalisador dessa reação. 2 H 2 + O2 2 H2 + O2

sem platina

com platina

2H2O

reação lenta

2H2O

reação rápida

O catalisador é uma substância que modifica a velocidade de uma reação. Ele não é consumido, ou seja, no final da reação ele está intacto. As enzimas, que participam de muitas reações químicas nos seres vivos, funcionam como catalisadores orgânicos. Sem elas, as reações seriam muito lentas e ao acaso, tornando impossível a vida como a conhecemos.

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UNIDADE 3 • as reações químicas

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O balanceamento da equação química Em uma reação as substâncias formadas são diferentes das substâncias que reagiram, mas os átomos são os mesmos. Assim, para qualquer elemento químico participante de uma reação, o número total de seus átomos deverá ser o mesmo antes e depois da reação. Balancear uma reação significa colocar coeficientes nas fórmulas de reagentes e produtos, de modo que a lei citada seja satisfeita. Na reação de ferro com ácido clorídrico tínhamos a equação química: Fe + HCl

FeCl2 + H2

Note que a equação não está balanceada!

1o Membro (Reagentes)

2o Membro (Produtos)

Fe

1 átomo

1 átomo

H

1 átomo

2 átomos

Cl

1 átomo

2 átomos

A equação balanceada fica: Fe + 2HCl

• •

FeCl2 + H2

1o Membro (Reagentes)

2o Membro (Produtos)

Fe

1 átomo

1 átomo

H

2 átomos

2 átomos

Cl

2 átomos

2 átomos

Habitualmente não se escreve o coeficiente 1 (um). Os coeficientes indicam em qual proporção as moléculas (ou átomos dos elementos) participam da reação química. Exemplo: 2H2 + O2

2H2O

Os coeficientes 2, 1, 2 mostram que 2 moléculas de H2 reagem com 1 molécula de O2, produzindo 2 moléculas de H2O. Ou seja, a proporção de reação é de 2:1:2. • As expressões “balancear a equação” ou “acertar os coeficientes” ou ainda “ajustar os coe­ ficientes” são sinônimas. A determinação dos coeficientes pode ser feita pelo método das tentativas. Nesse método, procura-se balancear o número de átomos dos vários elementos na seguinte ordem: primeiro os metais (Na, Fe etc.), segundo os não metais (CI, N, S etc.) e por último hidrogênios ou oxigênios. Veja o caso seguinte: •

N2 + H2

NH3

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Como não há metais, colocamos coeficiente 2 no NH3 para balancear os átomos do elemento nitrogênio. Depois, colocamos coeficiente 3 no H2 para balancear os átomos de hidrogênio. N2 + H2

2NH3

N2 + 3 H2

2NH3

1o Membro (Reagentes)

2o Membro (Produtos)

N

2 átomos

6 átomos

H

2 átomos

6 átomos

Para você compreender melhor, veja este segundo exemplo: NaOH + H3 PO4

Na3PO4 + H2O

1o lugar: colocamos 3 NaOH, balanceando assim os átomos de metal (sódio). 3NaOH + H3 PO4

Na3PO4 + H2O

2o lugar: os átomos do não metal fósforo (P) já estão balanceados. 3o lugar: colocaremos 3 H2O para balancear, por exemplo, os átomos de hidrogênio. Note que os átomos de oxigênio ficam automaticamente balanceados. 3NaOH + H3 PO4

Na3PO4 + 3 H2O

1o Membro (Reagentes)

2o Membro (Produtos)

Na

3 átomos

3 átomos

P

1 átomo

1 átomo

H

6 átomos

6 átomos

O

7 átomos

7 átomos

Saiba mais Uma reação química perigosa Um milhão de acidentes por ano. Estes são os números de queimaduras que ocorrem no Brasil. Os dados são da Sociedade Brasileira de Queimados, que atesta ainda que 30% das vítimas são crianças. A prevenção é o melhor remédio, pois as queimaduras deixam cicatrizes que ficam para o resto da vida. Além das complicações físicas, as queimaduras trazem consequências sociais e psicológicas danosas às vítimas. Se a prevenção é o melhor remédio, ela deve começar na cozinha, que é o lugar mais perigoso da casa. É na cozinha que a criança está exposta a diversos perigos como fogo,

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líquidos quentes e superfícies aquecidas. O ideal é proibir a presença da criança na cozinha e ensiná-la a evitar esse ambiente. Outra fonte de acidentes é o uso de álcool líquido. Em 2002 a Anvisa (Agência Nacional de Vigilância Sanitária) proibiu a venda do produto. O resultado inicial foi uma redução de 60% dos casos de queimaduras com álcool. Segundo dados da Sociedade Brasileira de Queimados, 45 mil crianças se envolvem em queimaduras com álcool no Brasil. Uma forma de evitar os acidentes é não comprar o produto. Essa decisão de proibição da venda foi revertida, mas tramitam projetos na Câmada dos Deputados que pedem a proibição da comercialização do produto na forma líquida. Nos meses de junho e julho, o número de crianças vítimas de queimaduras aumenta cerca de 20%. Nesse período, as crianças ficam expostas aos fogos de artifício. Cabe aos pais proibir o uso de fogos e bombas, evitando assim os acidentes, que podem ser fatais. Dicas para evitar as queimaduras em casa: • Fogão – use as bocas de trás e vire o cabo das panelas para o centro do fogão. • Mantenha fósforos, isqueiros e álcool fora do alcance das crianças. • Comidas e bebidas quentes – muitas crianças até 14 anos atendidas em prontos-socorros são vítimas de queimaduras e escaldamentos. Comidas e bebidas quentes devem ficar longe das crianças.

Dida Sampaio/AE

Sociedade Brasileira de Queimaduras. ONG Criança Segura

Fique longe de fogos de artifício!

Em outras palavras restrição: proibição.

“” UNIDADE 3 • as reações químicas

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Revise seus conhecimentos

Significa colocar coeficientes nas fórmulas de reagentes e produtos, de forma a manter o mesmo número de átomos antes e depois da reação.

1. Lembrando que equação química é a representação de uma reação que ocorre na natureza, o que significa balancear (equilibrar, ajustar, acertar os coeficientes) uma equação química? 2. Faça o balanceamento das seguintes equações químicas: a) 1H2 + 1Cl2 ⇒ 2HCl;

f) 2Al + 1Fe2O3 ⇒ 2Fe + 1Al2O3;

b) 2H2 + 1O2 ⇒ 2H2O;

g) 2NaOH + 1H2SO4 ⇒ 1Na2SO4 + 2H2O;

c) 3H2 + 1N2 ⇒ 2NH3;

h) 1Ca + 2HBr ⇒ 1CaBr2 + 1H2 ;

d) 2Na + 2HCl ⇒ 2NaCl + 1H2;

i) H2SO4 + 2Al(OH)3 ⇒ 1Al2(SO4)3 + 6H2O;

e) 4Na + 1O2 ⇒ 2Na2O;

j) 1Fe2(SO4)3 + 3BaCl2 ⇒ 3BaSO4 + 2FeCl3;

3. Analise o texto: “O coeficiente não precisa obrigatoriamente ser um número inteiro”. Agora, utilizando coeficientes fracionários, faça os seguintes balanceamentos: a) 1Na + 1H2O ⇒ 1NaOH +1/2H2; b) 1SO2 +1/2O2 ⇒ 1SO3; c) 2Fe +3/2O2 ⇒ 1Fe2O3.

Aplique seus conhecimentos Analise e comente as seguintes afirmações: • Em qualquer fenômeno químico existe a ocorrência de alguma reação química. E vice-versa: toda reação química é um fenômeno químico. • Qualquer reação química pode ser encarada como sendo um simples reagrupamento de átomos.

Trabalhe com seus colegas Faça com seus colegas um levantamento de algumas reações químicas que ocorrem dentro de uma casa. Apresentem os resultados para a classe e compare-os com os resultados dos outros grupos. 110

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Capítulo

11

Tipos de reações e suas leis

Ônibus brasileiro movido a hidrogênio começa a rodar em São Paulo O primeiro ônibus brasileiro equipado com células de combustível a hidrogênio foi fabricado em Caxias do Sul e começará a rodar na cidade de São Paulo ainda neste mês de abril.

Ônibus sem poluentes

Sérgio Castro/AE

O hidrogênio é considerado o combustível mais promissor quando se estudam alternativas ao petróleo para uso em transportes. A célula de combustível é um dispositivo que utiliza hidrogênio para gerar eletricidade. A eletricidade alimenta os motores elétricos do veículo, emitindo apenas água como subproduto – não há poluentes. A tração elétrica do ônibus é alimentada de forma híbrida, usando tanto a energia de baterias recarregáveis quanto a elétrica provinda das células a combustível. A potência total do sistema é de 230 kW e o consumo de hidrogênio deverá ficar em cerca de 15 quilogramas para cada 100 quilômetros rodados. A autonomia do ônibus a hidrogênio é de 300 km.

Ônibus movido a hidrogênio, SP, 22/06/2010.

O combustível para o ônibus – o hidrogênio – será produzido em São Bernardo do Campo, por meio de uma parceria com a Petrobras. O hidrogênio é produzido por eletrolisadores da água, que tem a função de separar as moléculas de oxigênio e de hidrogênio, aproveitando este último como combustível. UNIDADE UNIDADE13• •esTruTura as reações Daquímicas maTÉria

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Hidrogênio de fontes sujas Outro grande problema dos veículos a hidrogênio. A eletrólise da água é um processo intensivo em energia, tornando o combustível caro demais e deixando negativo o balanço geral de consumo de energia dessa alternativa de combustível. Além disso, a maioria do hidrogênio produzido industrialmente hoje no mundo é fabricada a partir do gás natural, um combustível fóssil como o petróleo.

Ônibus nacional movido a hidrogênio O primeiro ônibus nacional movido a hidrogênio vai trafegar no Corredor Metropolitano ABD (São Mateus – Jabaquara), um ponto ideal para esse tipo de experimento devido à alta concentração de emissões.

Tecnologia nacional O projeto de construção de ônibus a hidrogênio no Brasil é uma iniciativa de Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD) e conta com a parceria da EMTU (Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos, de São Paulo), a GEF (Global Environment Facility) e da FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos). Redação do site Inovação Tecnológica – 08/04/2009 Disponível em: <www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=onibus-brasileiro-movido-a-hidrogeniocomeca-a-rodar-em-sao-paulo>. Acesso em: Março/2012.

Trocando ideias

!

Por que é importante a pesquisa de novos tipos de combustíveis? O que esse fato tem a ver com o efeito estufa? O que é o efeito estufa?

Neutralização

112

Cícero Soares Cores-fantasias.

Um dos tipos mais importantes de reação química é a de neutralização. Por exemplo: um ácido e uma base originando uma solução neutra, isto é, nem ácida nem básica. Esse processo ocorre porque os íons H+, produzidos pelos ácidos, neutralizam os íons OH–, produzidos pelas bases. A reação de H+ com OH– produz água. Na neutralização, além da água, também se forma um sal. O processo final fica: Ácido + base ⇒ Sal + água.

Reação de neutralização

HCl (ácido)

Ácido produz H+. Base produz OH–. HCl + NaOH

solução neutra

NaOH (base)

H++ OH–

neutralização

H2

NaCl + H2O sal

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Combustão

AbleStock

A combustão é uma reação violenta com oxigênio, sempre acompanhada de liberação de calor. Combustível: substância que sofre combustão. Comburente: substância que alimenta a combustão. É o gás oxigênio o principal responsável pela combustão. Exemplo de combustão é a queima do carvão. CO2 + calor C + O2

Na queima do carvão, o combustível é o carvão e o comburente é o oxigênio.

Na reação de decomposição, um único composto origina duas ou mais substâncias. Essa reação pode ocorrer por ação de vários fatores, tais como calor, luz, eletricidade etc. Em razão disso recebe nomes especiais. A pirólise é a decomposição térmica e ocorre por aquecimento de uma substância. Por exemplo, o calcário se decompõe quando aquecido, formando cal virgem e gás carbônico. A fotólise é a decomposição provocada pela luz. Os frascos de água oxigenada são escuros e opacos para dificultar a decomposição desse composto. Na eletrólise a decomposição é provocada por eletricidade. A água, por exemplo, se decompõe em gás e hidrogênio e gás oxigênio. Eletrólise da água O (gás) 2

CaCO3

CaO

fogo

+

CO2

Cal virgem

luz

2H2O2

H2 (gás)

Gás carbônico

Calcário

Cícero Soares

Decomposição e síntese

2H2O + O2

Água oxigenada pilhas

Água

eletricidade

2H2O

2H2 + O2

Cores-fantasias.

Na reação de síntese, duas ou mais substâncias formam um único produto. Exemplos: síntese da amônia (processo importante na fabricação de adubos) e síntese da água. 2H2 + O2 ⇒ 2H2O N2 + 3H2 ⇒ 2NH3 UNIDADE 3 • as reações químicas

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Substituição e dupla troca Na reação de substituição, uma substância simples (um elemento químico) reage com uma substância composta, ocorrendo uma troca de elementos químicos. Ela também é denominada reação de deslocamento: A + BC ⇒ AC + B. Genericamente: A trocou de posição com B. A substituiu B; A deslocou B. Veja o exemplo em que o ferro e o hidrogênio trocam de posição. Fe + 2 HCl ⇒ FeCl2 + H2 A dupla troca ocorre quando duas substâncias compostas trocam entre si dois elementos, formando duas novas substâncias compostas. Perceba que uma neutralização é reação de dupla troca. Um exemplo é a reação do bicarbonato de sódio em água, com formação de ácido carbônico, que se decompõe em gás carbônico e água, com efervescência característica.

Saiba mais

Stock Photos

NaHCO3 + HOH ⇒ NaOH + <H2CO3> água

As últimas décadas do século 18 foram palco de desenvolvimentos extraordinários e descobertas que propiciaram o surgimento da química moderna. A quantidade de fatos novos descobertos, novas reações e propriedades reconhecidas nas substâncias usadas, e o uso de métodos mais racionais, tanto qualitativos quanto quantitativamente, permitiram que o século 19 despontasse sob o efeito de uma revolução renovadora de ideias e conceitos. Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), com a descoberta experimental de que os fenômenos de combustão, amplamente estudados até então, estavam ligados à presença de um componente do ar levou os químicos a revisão de conceitos seculares arraigados. Lavoisier era um aristocrata rico, que tinha vida pública muito intensa, de esmerada educação científica, e extremamente bem inAntoine Lavoisier, o precursor da Química moderna. formado das descobertas e trabalhos europeus. Utilizava em seus estudos um enfoque conceitual e experimental típico dos físicos, dando ênfase aos aspectos quantitativos das experiências. O uso da balança foi fundamental para o sucesso das suas descobertas e a eclosão das novas ideias químicas. Recomendava o uso da balança para determinar a massa dos reagentes e dos produtos obtidos, evitando-se perdas. No seu livro Traité Élémentaire de Chimie (1789) recomenda o uso de cinco tipos diferentes de balanças e dá uma descrição completa dos equipamentos de um laboratório químico e seu uso. Suas experiências eram planejadas para estudar os aspectos fundamentais dos fenômenos e fornecer respostas concretas às perguntas formuladas. Em 1772 começou seus estudos de combustão e calcinação utilizando uma lente grande para concentrar raios solares nos materiais de interesse. A partir de suas concepções, a química rapidamente tornou-se uma ciência quantitativa, com expressão rigorosamente científica e com linguagem e metodologia próprias. 114

UNIDADE 3 • as reações químicas

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Pense e responda

?!

Por que a experimentação é importante em Química? Cite uma reação química que demonstra que essa lei de Lavoisier é obedecida. Será que, ao queimarmos uma vela, essa lei é obedecida?

Leis ponderais As leis ponderais envolvem as massas dos participantes da reação. São leis de muita utilidade prática na Química e apresentam grande importância histórica, pois através delas surgiu o primeiro modelo atômico científico (Dalton, 1808). A Lei da Conservação das Massas estabelecida por Lavoisier diz que: “Em uma reação, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos”. Quando Lavoisier formulou essa lei, a Ciência não soube explicá-la porque o átomo ainda não era conhecido. Hoje, conhecendo átomos e moléculas, fica fácil interpretar: em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos. Logo, se o número total de átomos permanece constante, a massa total do sistema deve permanecer a mesma. Se o número de átomos não varia, a massa se mantém constante antes e depois do processo.

2 H2

O2

Cícero Soares

Lei da Conservação das Massas

2 H2O

Cores-fantasia.

A Lei das Massas proporcionais foi idealizada por Joseph Proust (1754-1826), químico francês, possibilitando a criação de uma teoria atômica (Dalton, 1808). Proust afirmou que: “Uma substância, não importando como tenha sido produzida, apresenta sempre os mesmos elementos e na mesma proporção em massa”. A água, por exemplo, é sempre formada dos elementos hidrogênio e oxigênio e sempre na proporção: Hidrogênio = 11,1% e Oxigênio = 88,9% da massa da água. A glicose, obtida nas frutas ou artificialmente em laboratórios, sempre terá a composição: C6H12O6: Carbono = 40%, Hidrogênio = 6,7% e Oxigênio = 53,3%. UNIDADE 3 • as reações químicas

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A Lei de Proust permite outra interpretação, já que cada substância possui uma fórmula característica: “Em qualquer reação, as substâncias participam sempre na mesma proporção em massa”.

2 H2O

O2

2 H2

4g

Ilustrações: Cícero Soares

Lei das Massas Proporcionais

36g

32g

4 H2

2 O2

8g

4 H2O

64g

72g Cores-fantasia.

Saiba mais Há muitos séculos existiam práticas executadas por artesãos que possuíam um conhecimento principalmente prático de como transformar os materiais. Os egípcios, por exemplo, sabiam trabalhar muito bem o ouro, a prata e o vidro. Executavam destilações e sabiam extrair produtos naturais, isto é, substâncias contidas nas plantas. Eles foram capazes de preparar a liga metálica chamada bronze, que é uma mistura de cobre e estanho. O bronze é considerado a liga metálica mais antiga de que o homem tem conhecimento. A química da Antiguidade também era voltada para a técnica de fabricação de certos alimentos (por exemplo, bebidas fermentadas), medicamentos, vidro, sabão e perfumes.

Lena Untidt-Bonnier Publications/Stock Photos

Química: uma Ciência muito antiga

Criação artística de uma usina de bronze no antigo Egito. Nela, os artesãos estão derretendo o minério em vasilhas de argila.

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Tek Image/Stock Photos

Delfim Martins/Pulsar

Os povos antigos também tentavam compreender o que é matéria. Mas deste assunto ocupavam-se os filósofos, e não os artífices. Mas muitos séculos foram necessários para que a Química fosse considerada uma Ciência, ao lado da Física e da Biologia, formando as Ciências da Natureza, isto é, ciências que se dedicam ao estudo da estrutura e do funcionamento da natureza. A Química estuda as substâncias, sua constituição, suas propriedades e suas transformações em novas substâncias, além dos efeitos relacionados a tais transformações e dos modelos explicativos desses processos. Os cientistas dessa área procuram saber quais substâncias participam da constituição da madeira, da borracha, do vidro, do plástico etc. e estudar a combustão (queima), a oxidação dos metais (ferrugem, por exemplo), a ação química dos alimentos e medicamentos e mais uma enorme série de transformações dos materiais que nos cercam. Como em qualquer ciência natural, há na Química a pesquisa e a aplicação. Milhares de químicos no mundo inteiro buscam novas substâncias, novas teorias, visando ao conhecimento da Química em si, é o que chamamos de pesquisa pura, ou à resolução de grandes problemas, tais como a cura de doenças, a falta de alimentos e a obtenção de novos materiais para os setores de energia, plásticos, cosméticos, tintas etc. conhecida como pesquisa aplicada. Os benefícios da pesquisa são aproveitados pelas grandes populações através das indústrias químicas. Nesse campo, os engenheiros químicos desenvolvem novos métodos de produção, fazendo com que as indústrias químicas possam se tornar cada vez mais eficientes.

A pesquisa química é feita em laboratórios especiais e permite obter novas substâncias.

A indústria química busca produzir substâncias em grandes quantidades. UNIDADE 3 • as reações químicas

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Juca Martins/Olhar imagem

Marcos Michelim/AE

Um exemplo de indústria de base é a siderúrgica, que produz ferro e aço, usados para vários fins: construção civil, veículos, mobiliário.

Muitos produtos do nosso dia a dia dependem das indústrias de base.

As indústrias de base produzem metais, ácidos, sais, papéis, combustíveis, alimentos, remédios entre tantos materiais de origem química ou modificados quimicamente. Essas indústrias formam a retaguarda dos campos químicos mais sofisticados, ou seja, produzem matérias-primas necessárias para as indústrias de alimentos, medicamentos, construção, cosméticos, plásticos, vidros especiais. Com essa visão geral, você já pode perceber que a Química representa um excelente campo de trabalho, é geradora de empregos e um importante alicerce econômico e cultural para uma nação.

Em outras palavras

“”

autonomia: independência.

Revise seus conhecimentos 1. No seu caderno, classifique e faça o balanceamento das seguintes equações químicas: a) 1Ca(OH)2 + 2HBr ⇒ 1CaBr2 + 2H2O

Dupla troca.

b) 1Zn + 1Pb(NO3)2 ⇒ 1Zn(NO3)2 + 1Pb c) 2HCl ⇒ 1H2 + 1Cl2 118

Substituição.

Decomposição.

UNIDADE 3 • as reações químicas

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d) 1CaO + 1H2O ⇒ 1Ca(OH)2

Síntese.

e) Mg + 2HCl ⇒ 1MgCl2 + 1H2

Substituição.

f) 1AgNO3 + 1NaCl ⇒ 1AgCl + 1NaNO3 g) 3HCl + 1Al(OH)3 ⇒ 1AlCl3 + 3H2O

Dupla troca.

Dupla troca.

h) 2C2H6 + 7O2 ⇒ 4CO2 + 6H2O

Combustão.

i) 2Al + 3CuO ⇒ 1Al2O3 + 3Cu

Substituição.

j) 1NH3 + 1HCl ⇒ 1NH4Cl

Síntese.

2. “Na reação de neutralização o sal é formado pelo cátion da base e pelo ânion do ácido.” Vamos interpretar o texto com o exemplo: a) Indique a ionização do ácido clorídrico – HCl;

HCl ⇒ H+ + Cl–

b) Indique a dissociação iônica do hidróxido de bário – Ba(OH)2; c) H+ neutraliza OH– produzindo o quê?

Ba(OH)2 ⇒ Ba2+ + 2OH–

H2O

d) Construa a fórmula, sempre colocando o cátion à esquerda.

BaCl2

e) Escreva a equação química balanceada entre HCl e Ba(OH)2. 2HCl + 1Ba(OH)2

1BaCl2

+

2H2O

3. Complete, no seu caderno, as equações a seguir, efetuando também o acerto de coeficientes. a) 1HBr + 1KOH

⇒ 1KBr

+ 1H2O

b) 1H2SO4 + 1Ba(OH)2

⇒ 1BaSO4 + 2H2O

c) 2HNO3 + 1Mg(OH)2

⇒ 1Mg(NO3)2 + 2H2O

4. Classifique cada processo e faça o balanceamento dos coeficientes: NaNO3 ⇒ 2NaNO2 + 1O2

2

C + 1O2 ⇒ 1CO2

1

H2O2 ⇒ 1H2O +1/2O

decomposição

1

Síntese (ou combustão).

1

2

C +1/2O ⇒ 1CO 2

decomposição

síntese (ou combustão)

5. Em uma reação química os átomos são destruídos? Que relação há entre essa pergunta e Pela Lei de Lavoisier, em uma reação química a massa se mantém constante, então o número total a Lei de Lavoisier? Não. de átomos não varia. 6. Enuncie as leis de Lavoisier e de Proust. Lei de Lavoisier: “Em uma reação a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos”. Lei de Proust: “Uma substância, não importando como tenha sido produzida, apresenta sempre os mesmos elementos e na mesma proporção em massa”.

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Aplique seus conhecimentos 1. Na queima de uma vela qual é o combustível?

A parafina da vela.

2. Sobre uma vela acesa foi colocado um copo e a vela apagou. Explique por que isso ocorreu. Isso ocorreu porque o comburente (gás oxigênio) se esgotou. Ver Manual do Professor.

3. Uma lâmina de zinco (Zn) foi colocada em uma solução de sulfato de cobre II (CuSO4). Passado um tempo observou-se a formação de um depósito de cobre (Cu) na superfície da placa. Uma análise mostrou que ocorreu também a passagem de zinco, da placa para a solução, na forma de sulfato de zinco (ZnSO4). 4. Escreva a equação química e classifique-a.

Zn + CuSO4 ⇒ Cu + ZnSO4. É uma reação de substituição.

Trabalhe com seus colegas A fotossíntese é uma reação química que acontece nas folhas e outras partes verdes das plantas. Ela tem esse nome porque a energia que desencadeia essa reação provém da luz solar. Pesquise com seus colegas quais são os reagentes e os produtos dessa reação. luz clorofila

C6H12O6 + 6H2O + 6O2 reagentes: gás carbônico e água. Produtos: são glicose, água é gás oxigênio.

Boro Perisic

6CO2 + 12H2O

A luz solar fornece energia para a fotossíntese.

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UNIDADE 3 • as reações químicas

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Olhar de cidadania Cuidados especiais para lixos especiais Pilhas e baterias Por sua composição química, basicamente formada por cádmio, chumbo e mercúrio, as pilhas e baterias são extremamente perigosas se eliminadas de maneira incorreta. Se houver extravio da cápsula envolvente, o líquido tóxico do interior desses produtos pode atingir o solo e lençóis freáticos e causar, inclusive, prejuízos à saúde humana. Para evitar que isso aconteça, existem locais de coleta desses materiais nas principais cidades brasileiras, especialmente nos pontos de venda desses materiais. Se isso não ocorrer, devolver ao fabricante é a coisa certa a fazer.

Componentes eletrônicos Aquele computador já ultrapassado, que mais parece uma carroça, deve ser encaminhado a um local de reciclagem, nunca jogado na lata do lixo. Sua constituição semelhante à das pilhas e bateria impede que o descarte seja feito no lixo comum. ONGs e empresas preocupadas com a preservação do meio ambiente recolhem os resíduos e encaminham para o destino certo.

Medicamentos Na hora de descartar os remédios não consumidos ou fora do prazo de validade, o cuidado deve ser maior ainda. Se jogados no lixo comum ou simplesmente despejado na pia ou no vaso sanitário, as substâncias podem contaminar os rios e alimentos aproveitados por pessoas que não precisam do medicamento. O mais indicado, segundo a Vigilância Sanitária, é deixá-los em postos de saúde ou farmácias, que, normalmente possuem programas de descarte correto de medicamentos.

Óleo de cozinha Mais um produto que ameaça as águas do planeta. O óleo não deveria ser jogado na pia, embora esta seja a prática comum em qualquer residência. Um litro contamina um milhão de litros de água, o equivalente ao consumo de uma pessoa por 14 anos. Depois de utilizado, a substância deve ser armazenada em uma garrafa (PET) ou em um recipiente de vidro e encaminhada a um ponto de reciclagem, serviço geralmente oferecido por ONGs ou por órgãos de governo. Informe-se na região onde você mora sobre os programas existentes para o descarte seguro desses produtos. Divulgue essa informação para seus familiares e colegas.

UNIDADE 3 • as reações químicas

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Unidade

4

Cinemática

Ao transformar mistérios em desafios, a Ciência adiciona uma nova dimensão à nossa vida. Cada nova dimensão abre inúmeros caminhos para nosso crescimento e enriquecimento como indivíduo.

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Stock Photos

Locomotiva de 1844.

David Ducros/Stock Photos

Marcelo Gleiser

Máquina a vapor de 1769.

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Capítulo

12

Repouso e movimento

Fernando Favoretto

Maria adora brincar no gira­gira. Ela gosta de ver como as árvores, as casas, as pessoas e tudo que está à sua volta parece estar girando. Quando o gira­gira para, a me­ nina olha ao seu redor e tudo está parado. Um dia ela perguntou ao pai: — Por que as casas, as árvores e até os cachorros parecem estar girando quando rodo no gira­gira?

Criança em um gira-gira.

T r ocando ideias

!

O que você responderia para a menina? Resposta pessoal. Pedro está sentado, vendo televisão: ele está parado ou em movimento? Antônio está guiando um carro: ele está parado ou em movimento? Nos dois casos, depende do referencial.

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UNIDADE 4 • CINEMÁTICA

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A cinemática estuda o repouso e os movimentos de um corpo. Quando andamos de automóvel, o que vemos pa­ rece estar em movimento. No entanto, as árvores e as casas estão paradas. Então podemos considerar que as coisas que vemos de um carro em movimento estão em movimento, mas, ao mesmo tempo, estão paradas. Na verdade, um corpo está parado ou em movimento, dependendo da maneira como é observado. Diremos, então, que o repouso ou o movimento dependem de um ponto de referência, também chamado de sistema de referência. Todo corpo em movimento é um móvel: um avião A pessoa está correndo, mas o que está em volta dela está parado, embora ela tenha a que se desloca no céu, um carro que passa em uma sensação de que está em movimento. estrada, a Terra que gira ao redor do Sol, uma flecha disparada por um arqueiro. Ao se deslocar, um móvel faz uma trajetória, que é o conjunto de pontos ocupados por ele ao longo do tempo. Automóveis que percorrem um trecho sem curva de uma estrada têm uma trajetória retilínea. Uma flecha lançada de um arco descreve uma trajetória curvilínea.

Em sua trajetória os aviões deixam um rastro de fumaça.

AbleStock

Cores-fantasia.

AbleStock

Cícero Soares

Trajetória de uma flecha

AbleStock

O estudo do movimento

Os trilhos por onde passa um trem marcam sua trajetória. UNIDADE 4 • cinemática

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Analise a ilustração Luis Moura

Lustre caindo no trem

Cores-fantasia.

A trajetória de um móvel depende do referencial. Para compreender o que vem a ser um referencial, imagine que uma pessoa está sentada no trem e o lustre se desprende do teto. uma reta do teto Como ele vê a trajetória do lustre: como uma reta ou como uma curva? Como ao chão. Que referencial ele usou para chegar a essa conclusão? O referencial é a própria pessoa ou outras coisas que estão dentro do trem.

Outra pessoa que está na estação enquanto o trem passa vê a trajetória da lâmpada como uma curva. Que referencial ela usou? A si mesma.

Deslocamento escalar Uma formiga que anda em linha reta do ponto A para o ponto B muda de posição. Ela rea­ liza um deslocamento escalar (∆S), ou seja, um deslocamento que pode ser medido com um número e uma unidade.

Luis Moura

Deslocamento escalar

S (cm)

(∆S) = 7 cm – 2 cm = 5 cm

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UNIDADE 4 • cinemática

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Luis Moura

Um carro que realiza um des­ Trecho de trajetória locamento entre o ponto A e o ponto B de uma estrada fornece ao guarda rodoviário duas refe­ rências da estrada para ele esta­ belecer o deslocamento. t = 20s O deslocamento de um corpo corresponde a um trecho da traje­ t = 5s b tória, situado entre a posição final ponto de e a posição inicial do movimento. referência a ponto de Sabendo o valor desse des­ referência locamento e medindo o tempo em seu cronômetro, o guarda será capaz de determinar a ve­ Cores-fantasia. locidade do carro e decidir se aplica ou não uma multa. O policial inicia a contagem no cronômetro ao ver o veículo. Quando o veículo passa pelo ponto A, o cronômetro marca 5 s, e, pelo ponto B, ele está marcando 20 s. Portanto, o deslocamento entre A e B durou 15 s. Esse foi o intervalo de tempo do desloca­ mento do carro de um ponto a outro. O guarda calculou que o tempo de deslocamento foi Δt = 20 s – 5 s = 15 s. Mas qual seria a velocidade média do carro?

Velocidade média (vm) Velocidade é a grandeza que nos informa com qual rapidez um móvel muda de posição em relação a um ponto de referência. Vamos supor que um carro está indo de São Paulo para o Rio de Janeiro. O motorista leva cinco horas para percorrer os 400 km que separam essas cidades. O carro foi lento nas subidas e muito rápido nos outros trechos, podendo até ter parado em algum lugar para o motorista tomar um café. Qual foi a velocidade média do carro? Isso pode ser calculado verificando­se quantos quilômetros, em média, foram percorridos em cada hora. 5h

400 km

1h

x

x = 1h . 400 km = 80 km 5h

Logo, a velocidade média foi igual a 80 km por hora. Escreve­se assim: vm = 80 km/h. Para calcular direto, basta dividir o deslocamento escalar pelo tempo gasto. vm =

ΔS Δt

vm = velocidade média, ΔS = deslocamento escalar, Δt = intervalo de tempo. Aplicando a fórmula para o movimento do carro, teremos que ele percorreu 80 km em cada hora de viagem.

x=

400 km

= 80 km/h

5h UNIDADE 4 • cinemática

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Analise o texto Velocímetro: para que serve?

Ivânia Sant‘ Anna/Kino

O velocímetro indica a velocidade do móvel a cada instante do movimento, ou seja, indica a velocidade instantânea do movimento. Assim, você pode concluir que, enquanto o ponteiro estiver parado indicando um certo valor (exemplo: 100 km/h), o carro estará com velocidade constante. Embora os velocímetros estejam em todos os carros, nem todos obedecem aos limites que as estradas indicam. Os acidentes de trânsito geram 100 mil mortes, mais de um milhão de vítimas feridas e US$ 30 bilhões em perdas ecoVelocímetro mede a velocidade instantânea do automóvel. nômicas por ano na América Latina e no Caribe, com cerca de 1/3 das perdas ocorrendo no Brasil. Excesso de velocidade é uma das causas principais dos acidentes mais graves. O controle efetivo da velocidade, reduzindo ou eliminando o excesso, resulta na diminuição significativa dos números de mortos e feridos, e na redução da gravidade dos ferimentos. A fiscalização eletrônica é comprovadamente um dos meios mais eficientes para se conseguir esses resultados. Entre os acidentes de trânsito, os causados pelo excesso de velocidade constituem um grupo especial por duas razões: primeiro, por serem os mais numerosos; segundo, por terem grande energia cinética, a “energia do movimento”, que se transforma em amassamentos nos veículos e lesões nos seres humanos. Os organismos de segurança de trânsito conhecem bem esses riscos. Por isso, em todo o mundo, os programas que visam a reduzir acidentes de trânsito colocam como prioridade essencial o controle de velocidade. 1. É necessário estabelecer limite de velocidade nas estradas e nas ruas das cidades? Sim, pois é necessário informar os motoristas sobre a velocidade segura em cada trecho.

2. Que velocidade média você acha adequada para diminuir os riscos de acidente? A velocidade média não é importante. A velocidade instantânea é que deve ser obedecida e adequada ao trajeto.

3. Você é a favor ou contra o uso de radares para controle de velocidade?

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Resposta pessoal.

UNIDADE 4 • cinemática

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Unidades de velocidade O deslocamento de um móvel geralmente é dado em quilômetros (km) ou em metros (m). O tempo gasto habitualmente é medido em horas (h) ou em segundos (s). As unidades de velocidade mais frequentes são km/h (quilômetro por hora) e m/s (metros por segundo). As conversões de unidades de velocidade podem ser feitas através de proporcionalidade direta (regra de três) ou por regras práticas. Uma regra prática muito utilizada é: • Para a transformação de km/h para m/s ⇒ divide­se o número que representa a velocidade por 3,6. • Para a transformação de m/s para km/h ⇒ multiplica­se o número que representa a velocida­ de por 3,6.

Pense e responda

?!

1. Um móvel realiza um movimento com velocidade igual a 36 quilômetros por hora. Qual sua velocidade em metros por segundo? 10 m/s 2. Um guarda rodoviário verifica que um carro percorreu 300 m em 12 s. Sabendo que a velocidade máxima permitida era 100 km/h, o motorista cometeu infração? 25 m/s = 90 km/h. O motorista não cometeu infração.

Saiba mais Ano-luz Ano-luz é uma unidade de comprimento utilizada em astronomia e corresponde à distância percorrida pela luz em um ano, no vácuo. Seu plural é anos-luz. Em inglês, costuma-se abreviá-lo por “ly”, de “light-year”. Para se calcular o valor de 1 ano-luz em quilômetros é necessário saber que a velocidade da luz no vácuo é de 299 792,458 quilômetros por segundo (km/s) e que o tempo utilizado na definição é o chamado Ano Gregoriano Médio (ver calendário gregoriano) com 365,2425 dias. Assim temos que o ano-luz vale 9 460 536 207 068,016 km (aproximadamente 9,46 trilhões de quilômetros); ou também 63241 UA (Unidade Astronômica) que corresponde à distância média entre a Terra e o Sol. Admite subunidades, menos utilizadas, tais como dia-luz, hora-luz, minuto-luz, segundo-luz etc. Todas essas unidades de comprimento baseadas no espaço percorrido pela luz em determinado tempo podem ser chamadas de tempo-luz. Extraído de: < http://pt.wikipedia.org/wiki/Ano_luz>. Acesso em: Março/2012. UNIDADE 4 • cinemática

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Investigue e relate Marque o tempo que você leva entre sua casa e a escola. Descubra a distância percorrida em metros ou quilômetros. Faça um mapa simplificado de sua trajetória. Qual a velocidade média que você manteve nessa trajetória? Compare com a velocidade de seus colegas que fazem o mesmo caminho. Leia no Manual do Professor.

Analise o texto Um elevador está com movimento uniforme e com velocidade igual a 2 m/s. Qual a distância que o elevador percorrerá em 15 s? 30 m. Se cada andar do edifício tem 3 m de altura, quantos andares serão percorridos naquele intervalo de tempo? 10 andares.

Em outras palavras

“”

cronômetro: instrumento de precisão capaz de medir o tempo em frações de segundo. curvilínea: em forma de curva.

Revise seus conhecimentos 1. Transforme em km/h: 10 m/s; 30 m/s; 75 m/s; 200 m/s; 340 m/s. 36 km/h; 108 km/h; 270 km/h; 720 km/h; 1 224 km/h.

2. Transforme em m/s: 0,9 km/h; 18,0 km/h; 27,0 km/h; 7,2 km/h. 0,25 m/s; 5,0 m/s; 7,5 m/s; 2,0 m/s.

3. Um carro de Fórmula 1, em uma reta, atingiu 360 km/h. Naquele instante, qual era sua velocidade em m/s? 100 m/s.

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UNIDADE 4 • cinemática

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AbleStock AbleStock

4. A lousa de sua escola está em repouso ou em movimento? Depende sempre do referencial. 5. Uma pessoa está andando de roda-gigante enquanto outra assiste, no solo. a) A pessoa que está andando de roda-gigante está parada ou em movimento em relação ao banco onde está sentada? A pessoa está parada (em repouso). b) Qual o tipo de trajetória da pessoa que está na roda-gigante em relação à que está assistindo? Trajetória circular. 6. Na famosa prova dos 100 metros rasos (sem barreiras), um ótimo atleta realizou o percurso em 10 s. Discuta: a) Qual o tipo de trajetória do atleta? Retilínea. b) Qual o deslocamento? 100 m. c) Qual o valor da velocidade média em km/h e em m/s? 36 km/h ou 10 m/s. 7. Sentado em um ônibus em movimento uniforme, você atira uma moeda verticalmente para cima. Responda: a) A moeda volta para sua mão? Sim. Roda-gigante. b) Qual o tipo de trajetória da moeda em relação a você? Retilínea. c) Qual o tipo de trajetória da moeda para um observador fora do ônibus? Curvilínea. 8. Em um prédio, um elevador percorreu 24 m em 30 s. Qual a velocidade média do elevador? 0,8 m/s ou 2,88 km/h. 9. Um ônibus parte da cidade A e, após percorrer 200 km, chega à cidade B, gastando 4 h nesse percurso. Após ficar parado durante 1 h, o ônibus parte para a cidade C, onde chega 5 h depois. Sabendo que a distância entre A e C é igual a 600 km, determine: a) a velocidade média entre A e B; 50 km/h. b) a velocidade média entre B e C; 80 km/h. c) a velocidade média entre A e C. 60 km/h. 10. A velocidade média de translação da Terra é de 30 km/s. O que significa isso em km/h? 108 000 km/h. Velocistas na prova dos 100 metros rasos. 11. Uma abelha está pousada em uma flor a 500 m da colmeia. Em seguida, ela parte, com velocidade constante de 5 km/h, em direção à colmeia. Quanto tempo ela levará nesse percurso? 0,1 h ou 6 minutos ou 360 s. 12. Um pedaço de madeira está flutuando em um rio cuja correnteza tem velocidade constante de 6 km/h. Qual a distância que o pedaço de madeira percorreria em 3 h? 18 km. 13. Uma tartaruga percorreu 1 m em 15 s. Qual foi sua velocidade em km/h? E em m/h? 0,24 km/h e 240 m/h.

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Aplique seus conhecimentos

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1. Um homem pula de paraquedas de um avião em movimento. Uma pessoa no chão assiste à cena. Agora, pense bem e responda: Qual a trajetória vista pelo homem no chão? Trajetória curvilínea. Qual a trajetória percebida pelo paraquedista? Retilínea. E a trajetória vista pelo piloto do avião? Trajetória retilínea.

2. Um corpo está em movimento em relação a um referencial quando sua posição se altera em relação ao referencial. Pensando nisso responda: Existe movimento ou repouso nos seguintes casos? • as paredes de sua escola em relação à rua; Repouso. • as paredes de sua escola em relação à Lua; Movimento. • um carro quebrado em relação a um poste; Repouso. • um piloto de Fórmula 1 em relação ao banco do carro, durante uma corrida. Repouso.

Trabalhe com seus colegas Quando os exploradores, viajantes e navegadores partem em suas viagens, um dos maiores problemas que enfrentam é descobrir sua posição e localização. Para resolver esses problemas, são utilizados mapas e bússolas e um instrumento: o GPS. Pesquisem o que é o GPS e como ele funciona. Qual é a relação entre ele e os satélites estacionários? Quais os profissionais que usam o GPS e para quê? Façam um cartaz com imagens relacionadas ao assunto. 132

UNIDADE 4 • cinemática

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Capítulo

13

Milhões de elevadores transportam pessoas e cargas em todo o mundo. Eles consistem basicamente num carro fechado, equilibra­ do por um contrapeso, que se move por meio de um cabo de aço impulsionado por um motor. Botões no carro e nos andares, acele­ ração e desaceleração automáticas, são coordenados por sistemas unificados de controle, capazes de prover serviços mais rápidos com um número mínimo de carros. Normalmente, os elevadores são contrabalançados por um contrapeso equivalente ao peso do carro vazio mais cerca de 40% de sua carga máxima. O contrapeso reduz a força necessária para elevar o carro, fornecendo também uma certa desaceleração que serve para auxiliar o controle da velocidade na descida. Alguns elevadores modernos são equipados com dispositivos Elevador, uma solução da sensíveis ao peso do carro, que o impedem de atender chamadas engenharia para o problema de transporte em alturas. quando já está com sua lotação máxima. Outro importante equi­ pamento de segurança é o sistema de travamento das portas, que impede o movimento do carro até que elas se fechem completamente.

T r ocando ideias

Bob Sacha/Corbis-Stock Photos

Movimentos

!

Você já sentiu os efeitos da aceleração e desaceleração quando o elevador parte de um andar para outro? Resposta pessoal. O prédio mais alto do mundo fica em Dubai e mede 828 metros. Você acha que existiriam pois, sem eles, o acesso aos andares mais altos seria prédios tão altos se não houvesse elevadores? Não, muito difícil. A aceleração é sempre provocada pela aplicação de uma força? Sim. Dê outros exemplos de casos de aceleração ou desaceleração que você conhece. Aceleração: um barco zarpando, um avião decolando etc. Desaceleração: um carro brecando, um avião pousando etc.

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Movimento uniforme No movimento uniforme a velocidade escalar é constante (e não nula). Logo, podemos pre­ ver que deslocamentos iguais serão percorridos sempre no mesmo intervalo de tempo. Assim, se um carro está com velocidade constante e igual a 60 km/h, podemos afirmar com certeza que ele realmente percorrerá 60 km a cada hora. Então é válido dizer que passada uma hora o carro percorreu 60 km, passadas duas horas o carro terá percorrido 120 km, após três horas o percurso será 180 km e assim por diante. Note que a razão entre o deslocamento percorrido e o tempo correspondente é constante e será igual à velocidade escalar do carro. Essa é a equação da velocidade do movimento uniforme.

v=

ΔS

60 km

Δt

1h

=

120 km

180 km

=

= 60 km / h

3h

2h

Movimentos variados A maioria dos movimentos que observamos à nossa volta ocorre com velocidade variável. Um ônibus freando, um trem acelerando ou até nossos próprios gestos são bons exemplos de movimentos em que a velocidade aumenta ou diminui ao longo do tempo. Esses movimentos com velocidade variável são denominados movimentos variados. Nos movimentos variados, a rapidez das mudanças de velocidade são medidas por uma grandeza chamada aceleração escalar. Aceleração escalar é a grandeza que indica como varia a velocidade escalar em um certo in­ tervalo de tempo. Quando o movimento apresentar velocidade constante, a aceleração será nula. A aceleração escalar média é dada pela expressão:

am =

v final – v inicial

=

Δv Δt

t final – t inicial

No Sistema Internacional (SI) teremos as seguintes unidades: velocidade = m/s; tempo = s. Δv Δt

x

m/s

ou m / s2

s

Nasa

Logo: am =

Durante o pouso, o ônibus espacial realiza um movimento variado de desaceleração. O paraquedas ajuda a reduzir a velocidade da aeronave. No lançamento, a velocidade do ônibus espacial aumenta.

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Saiba mais Velocistas da Natureza O animal terrestre mais veloz é o guepardo, que acelera de 0 a 72 km/h em 2 s. Ele atinge nada menos que 115 km/h em distâncias de até 500 m. A velocidade é muito importante quando se trata de apanhar outros animais em busca de alimento. Por isso, os predadores estão entre os bichos mais rápidos da natureza. O leão, por exemplo, bem mais pesado, é menos ágil que o guepardo, e atinge 65 km/h – velocidade pouco maior que a alcançada por um cachorro de corrida e ligeiramente abaixo da de um cavalo puro-sangue. É claro que os animais caçados também se defendem fugindo velozmente dos predadores. A gazela africana, por exemplo, chega a correr 80 km/h, e, o que é mais importante, aguenta esse ritmo por mais tempo que qualquer felino de grande porte.

AbleStock

Extraído de: <http://www.coladaweb.com/fisica/mecanica/cinematica-escalar.htm>. Acesso em: Março/2012.

O guepardo é o animal terrestre mais rápido.

Uma abelha passa pelo ponto A com velocidade de 3 m/s e após quatro segundos passa pelo ponto B com velocidade de 11 m/s. Qual é a aceleração escalar média da abelha nesse movimento?

A

Luis Moura

Analise a ilustração

B

Cores-fantasia.

am = 2 m/s2 do ponto A ao B. Isso significa que a velocidade da abelha aumentou, em média, 2 m/s a cada segundo do movimento. UNIDADE 4 • cinemática

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Tipos de movimentos variados

Movimento retardado

Luis Moura

Movimento acelerado

Velocidade aumentando

Luis Moura

Um móvel pode ter movimento acelerado, retardado, uniforme ou uniformemente variado. Assim, se esse móvel for um carro, ele poderá ter movimento: • acelerado se o motorista ficar apertando o acelerador de um carro; a velocidade aumenta ao longo do tempo e o valor da aceleração é positivo. • retardado se o motorista frear; o valor da velocidade diminui, o valor da aceleração é nega­ tivo e o movimento é desacelerado. • uniformemente variado se a aceleração for constante e diferente de zero; nesse caso a ve­ locidade está variando de modo uniforme.

Velocidade diminuindo

Cores-fantasia.

Analise a tabela O quadro a seguir mostra as velocidades de um carro e os respectivos instantes de tempo do movimento. Tempo (s)

Velocidade medida (m/s)

0

0

1

4

2

8

3

12

4

16

Usando a tabela anterior calcule a aceleração do carro nos seguintes intervalos de tempo: 0 a 1 s; 1 s a 2 s; 2 s a 3 s. A aceleração encontrada em todos os intervalos é de 4 m/s2. A aceleração está aumentando? A velocidade está aumentando, mas a aceleração é constante. Esse tipo de movimento é uniforme? Não, porque neste movimento a velocidade não é constante. Que tipo de movimento é esse? Esse é um movimento uniformemente variado. 136

UNIDADE 4 • cinemática

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Em outras palavras

“”

contrapeso: peso que serve para contrabalançar, compensar ou moderar uma força oposta ou um outro peso. contrabalançar: fazer com que (coisas opostas) venham a ter peso similar.

Revise seus conhecimentos 1. A tabela a seguir indica as velocidades assinaladas em um foguete espacial e os correspondentes instantes de tempo. Responda: a) No início da contagem do tempo, o foguete estava em repouso? Justifique. Porque sua velocidade era nula.

b) Depois que iniciou o movimento ele era acelerado ou uniforme? Justifique. O movimento é acelerado, pois a velocidade não é constante.

c) Qual a aceleração escalar média entre os instantes t = 5 s e t = 10 s? 12 m/s2.

Tempo (s)

Velocidade (m/s)

0

0

2

10

5

20

8

60

10

80

2006 Embraer S.A. Todos os Direitos Reservados.

2. Um avião parte do repouso e prepara-se para decolar. Supondo que tenha aceleração cons-tante e igual a 10 m/s2, após quanto tempo atingirá a velocidade de 100 m/s? 10 s.

Avião em decolagem. UNIDADE 4 • cinemática

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Aplique seus conhecimentos O quadro a seguir indica as velocidades assinaladas no velocímetro de um carro e os respectivos instantes de tempo. Tempo (s)

0

5

10

15

16

17

20

30

Velocidade (km/h)

0

30

60

100

100

100

80

40

Indique em qual intervalo de tempo o movimento é acelerado, em qual é uniforme e em qual intervalo de tempo o carro estaria freando (movimento retardado). Justifique suas respostas. Acelerado de 0 a 15 s – em razão do aumento da velocidade; constante de 15 a 17 s – velocidade constante de 100 km/h e retardado de 17 a 30 s, por causa do decréscimo da velocidade.

Trabalhe com seus colegas Com seus colegas, faça uma pesquisa para descobrir os nomes de alguns carros velozes. Além dos nomes, façam fichas contendo as seguintes informações: as velocidades máximas alcançadas, as marcas e o país de procedência desses carros.

Olhar de cidadania Mobilidade, qualidade de vida e cidadania O direito de todos os cidadãos de ir e vir, de ocupar o espaço público e de conviver socialmente nesse espaço são princípios fundamentais para compreender a dimensão do significado expresso na palavra trânsito. Tal abordagem, ampliando a visão sobre o trânsito, considera-o como um processo histórico-social que envolve, principalmente, as relações estabelecidas entre as pessoas e o espaço, assim como as relações das pessoas entre si.

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UNIDADE 4 • cinemática

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A violência no trânsito e a drástica redução da qualidade de vida no meio urbano, consequência direta dos problemas de mobilidade e ordenamento, leva à necessidade de adoção de novos modelos de desenvolvimento urbano e de transporte, e da introdução, nas políticas públicas, dos preceitos de sustentabilidade e desenvolvimento. Longe dos grandes centros, também vivem pessoas que se locomovem, muitas vezes em condições precárias, sobre lombos de animais, em carrocerias de pequenos veículos, a pé, em vias inadequadas, muitas vezes sem condições mínimas de segurança.

A cidadania, a participação e a comunicação com a sociedade Historicamente, o trânsito foi tratado como uma questão policial e de comportamento individual dos usuários, carecendo de um tratamento no campo da engenharia, da administração do comportamento e da participação social. Um trânsito ruim e no limite criminoso, por falta de consciência dos seus perigos e por falta de punição, aproxima-nos da barbárie e do caos. Por outro lado, um trânsito calmo e previsível estabelece um ambiente de civilidade e de respeito às leis, mostrando a internalização da norma básica da convivência democrática: todos são iguais perante a lei e, em contrapartida, obedecê-la é dever de todos. O conceito de cidadania implica conflitos, já que, de um lado, está a ideia fundamental de indivíduo, e de outro, regras universais – um sistema de leis válido para todos em todo e qualquer espaço social. Assim considerando, é fundamental destacar a dimensão de cidadania inserida no trânsito, uma vez que este configura uma situação básica de diferença, diversidade, equidade, tolerância e de direitos humanos. Diferentemente de algumas normas sociais, que podem ser rompidas ou ignoradas sem que ninguém perceba, as normas de trânsito produzem um efeito imediato, levando, sua obediência ou não, à manutenção da qualidade de vida do cidadão e da coletividade, ou a resultados desastrosos. Com isso, o trânsito configura-se em uma notável escola de e para a democracia. No sentido do exercício democrático é que se coloca a pertinência e a legitimidade da participação da sociedade na discussão e na proposição de ações referentes ao trânsito, tido como fenômeno resultante da mobilidade dos cidadãos. É crescente a movimentação da coletividade buscando organizar-se. Por sua vez, os governos, nos diversos níveis, paulatinamente, vêm abrindo espaços e oportunidades à participação popular. Priorizar e incentivar a participação da sociedade e promover a produção e a veiculação de informações claras, coerentes e objetivas, significa, assim, construir um ambiente favorável à implantação de uma nova cultura, orientada ao exercício do trânsito cidadão e da qualidade de vida. Fonte: Conselho Nacional de Trânsito – CONTRAN Resolução no166 de 15 de setembro de 2004. Aprova as diretrizes da Política de Trânsito.

UNIDADE 4 • cinemática

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O inĂ­cio do uso do telefone inventado por Granhan Bell. Cerca de 1879.

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Unidade

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Dinâmica

Se fui capaz de ver longe ĂŠ porque subi nos ombros de gigantes. Isaac Newton

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Sheila Terry / Stock Photos

Getty Images

O transmissor do telefone de Bell.

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14

Capítulo

O guindaste nos impressiona por sua capacidade de mover grandes objetos. Esse instrumento de trabalho é uma invenção muito antiga. A maior parte do conhecimento sobre os guindastes antigos vem dos escritos de Vitrúvio (século I a.C.) e de Héron de Alexandria (século I d.C.). O mais simples dos guindastes descritos dessa época era uma estaca fincada no chão. Era sustentada por um par de cabos amarrados em sua extremidade superior. Em seu topo, prendia-se à roldana por onde corria a corda utilizada para suspender os materiais. Essa corda era normalmente operada por um molinete fixo num dos lados da estaca, junto à base. Os guindastes romanos apresentavam sérias limitações. A carga era levantada verticalmente, mas o ângulo em que ela podia girar, à direita ou à esquerda, sem o guindaste se desequilibrar, era muito restrito. A carga só poderia ser erguida até a altura das estacas. Outro problema era a imobilidade do equipamento, que precisava ser desmontado a cada etapa da construção. Os construtores medievais conseguiram superar a maioria desses problemas. Mas a força utilizada para fazer funcionar o molinete permaneceu a força Um guindaste ou grua pode carregar humana, até a invenção da máquina a vapor. pesos a grandes alturas.

T r ocando ideias

Ingram Publishing

Forças

! As gruas utilizadas na construção de edifícios, pontes rolantes, os guindastes dos portos marítimos etc.

Podemos classificar como guindastes as máquinas que elevam uma carga, pequenas ou grandes. Cite alguns exemplos de guindastes existentes em sua cidade. A maioria dos guindastes modernos funcionam com cabos de aço e ganchos, que elevam a carga para as operações de carga, Como os guindastes que você citou funcionam? descarga ou para o transporte de mercadorias. Eles são acionados por energia elétrica, por motor a combustão ou manuais? De modo geral, os guindastes fixos são acionados por energia elétrica; os móveis ou sobre rodas são movidos por motor a combustão. É raro nos dias de hoje encontrar guindastes manuais nas grandes cidades.

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UNIDADE 5 • DINÂMICA

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Representação e medidas

Luis Moura

A ideia de força na vida diária está muitas vezes relacionada a atos como levantar, empurrar e puxar objetos. As forças podem, portanto, provocar alterações no estado de movimento ou repouso de corpos (fazê-los se movimentar ou cessar o movimento), deformá-los (como amassar uma lata) ou equilibrar outras forças atuantes nos corpos. Agora, pense em um jogador de futebol. Antes de chutar, ele deve decidir a direção, o sentido e a intensidade da força a ser aplicada à bola. A direção corresponde à da reta na qual a força agirá, que pode ser vertical, horizontal etc. O sentido é a orientação da força na reta da direção. Por exemplo, em uma reta de direção horizontal, o jogador pode chutar a bola no sentido para a direita ou para a esquerda. Já a intensidade da força corresponde à quantidade de força a ser aplicada à bola, quer dizer, chutar a bola com mais força ou menos força. Para definir a força através de direção, sentido e intensidade, utilizamos a representação vetorial dessa grandeza. O vetor é uma seta, na qual a parte reta mostra a direção da força e a ponta mostra o sentido. Outras grandezas na física, além da força, que são grandezas vetoriais, são velocidade e aceleração.

direção (reta)

direção sentido para a direita

direção sentido para a esquerda

direção

intensidade sentido Cores-fantasia.

A direção da força aplicada às bolas é horizontal. O sentido da segunda bola é para a direita e o da terceira é para a esquerda. A seta maior na última figura representa uma maior intensidade da força aplicada para deslocar a bola. UNIDADE 5 • Dinâmica

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AbleStock

Fabio Colombini

As forças são agrupadas em dois tipos principais: forças de contato e forças de campo. As forças de contato ocorrem nas colisões ou quando se puxa ou empurra alguma coisa. Quando dois jogadores de futebol colidem, por exemplo, as forças atuantes são de contato. Mas, quando pregos são atraídos por um ímã, as forças são de campo, que agem a distância. Atrações e repulsões são exemplos de forças de campo.

O ímã tem atrações e repulsões, que são forças de campo.

No Sistema Internacional, as forças Dinamômetro são medidas na unidade newton (N), que é definido como a intensidade da força necessária para se imprimir a um corpo de massa 1 kg a aceleração de 1 m/s2. 0 Um newton (N) é, aproximadamente, 1 0 a intensidade da força que fazemos para 1 2 segurar um objeto de 100 gramas. 3 2 As forças são medidas por dinamôme4 3 5 4 tros. No dinamômetro mais comum existe 5 uma mola que se deforma sob ação de uma força. A mola está interligada com uma escala que mostra a relação entre a força aplicada e a deformação provocada F1 F2 na mola. Quanto maior a força, maior a deformação da mola. Quando várias forças agem sobre um (3N) corpo, dizemos que existe um sistema de (5N) forças atuando. Esse sistema de forças Cores-fantasia. pode ser substituído por uma única força, chamada força resultante ou apenas resultante (R ). Qualquer sistema de forças pode ser substituído por uma força resultante. Essa força, agindo sozinha, causa os mesmos efeitos que o sistema de forças correspondente.

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Luis Moura

Dois jogadores colidem: a força é de contato.

UNIDADE 5 • Dinâmica

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Luis Moura

Sistema de forças

F2 F1

R

R = F1 + F2

Quando as forças têm a mesma direção e sentido, a intensidade da resultante (R ) será a soma das intensidades das forças do sistema. O sentido da resultante é o mesmo das forças que constituem o sistema.

R = F1 + F2

Luis Moura

Forças de mesmo sentido e direção

R = F1 + F2

R = 10 N + 20 N

F1

R = 30 N

F2

R

F1 = 10N F2 = 20N R = força resultante

Quando as forças têm a mesma direção e sentidos contrários, a resultante será a diferença entre as duas forças. O sentido da resultante será o mesmo da força de maior intensidade.

Quando as forças têm a mesma direção, sentidos contrários e a mesma intensidade, a resultante será nula. Podemos dizer que o jogo empatou!

R = F1 — F2 R = 10 N – 7 N R =3N

F1

F1 = 10N

Luis Moura

Forças que se anulam Luis Moura

Forças de mesma direção e sentidos contrários

F2

F1

F2 = 7N

F1 = 10N

F2

F2 = 10N

UNIDADE 5 • Dinâmica

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Quando as forças são concorrentes e não estão na mesma direção, a resultante (R ) pode ser encontrada pelo método do paralelogramo. Método do paralelogramo

a

F

1

Forças concorrentes

Luis Moura

F1

Pa ra le la

F1

R

P

la le ra Pa a

F2

F2

F2

Cores-fantasia.

Pense e responda

?!

Para determinar graficamente a resultante no sistema de forças concorrentes, traçamos um paralelogramo a partir dos vetores que representam as duas forças. A diagonal desse paralelogramo será a resultante desse sistema. Para construir o paralelogramo, traçamos uma paralela a cada vetor, a partir da extremidade do outro vetor, até que as duas se encontrem. A diagonal desse paralelogramo representa a resultante, cujo sentido vai do ponto de aplicação para o ponto de encontro das paralelas traçadas. Podemos usar a determinação gráfica para calcular a intensidade da resultante. Para isso podemos usar uma escala na qual cada centímetro equivale a 1 newton. Supondo que uma força F1 tenha 3 cm e uma força F2 tenha 4 cm, calcule a intensidade da resultante, usando a regra do paralelogramo e a escala 1 cm = 1 N. Resposta: 5 cm = 5 N Ver Manual do Professor.

Forças de atrito Quando observamos os movimentos das coisas que nos rodeiam, concluímos que se movem porque há uma força atuando sobre elas e param quando a força cessa. Essa percepção, bastante razoável, foi aceita por muito tempo. Foi Galileu Galilei, no século XII, que mudou esse modo de interpretar os movimentos. Segundo ele, não é necessário força alguma para manter um corpo em movimento. Se a superfície for perfeitamente plana e lisa, nada detém o corpo e ele se move indefinidamente, sem parar, sempre com velocidade constante. Para isso, portanto, é necessário eliminar as forças de atrito.

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Quando você vê uma estrela cadente meteoro, é sinal de que um meteoroide se incendiou. O meteoroide é um corpo celeste de grande massa que caminha no espaço, onde não há ar. Ele entra na atmosfera terrestre com grande velocidade, atraído pela força da gravidade. No entanto, uma força age contra ele. Que força é essa? Estrela cadente rasgando o céu. é o atrito. A resistência do ar provoca forte atrito no meteoroide, que Por que meteoroide se incendeia? Ase força aquece até a combustão e produz um meteoro, uma estrela cadente.

Detlev Van Ravenswaay/Stock Photos

Analise a foto

Saiba mais A que forças está submetido um objeto que cai no ar? Uma parte está na força de atração da Terra, o peso, e outra na força de resistência que o ar exerce. Podemos considerar o peso constante para as alturas em questão. A resistência do ar, no entanto, depende da velocidade de queda. Quanto maior for a altura, maior será a resistência que o ar exerce sobre a queda do objeto. No momento em que a resistência do ar igualar o peso, a força resultante será nula e, a partir de então, a velocidade se mantém constante. A esta velocidade denominamos velocidade-limite ou terminal. Uma vez que o objeto alcança a velocidade-limite, já não importa o tempo que continua caindo, chegará ao chão com essa velocidade. Pode-se verificar que a altura de 50 m é suficiente para que uma pessoa alcance a velocidade-limite; portanto, cair de uma altura maior não implicará nenhum aumento de velocidade com que se chega ao chão. Pedro Alvarenga Extraído de: <http://masaahdafisica.zip.net>. Acesso em: Março/2012.

Em outras palavras

“”

implicará: causará. molinete: instrumento com uma haste que movemos para enrolar uma corda. UNIDADE 5 • Dinâmica

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Revise seus conhecimentos 1. Para cada situação seguinte, indique se a força principal é de contato ou de campo: subir uma ladeira; força existente entre a Terra e a Lua; carregar uma mochila; empurrar um carro. Contato, campo, contato, contato. 2. Qual equipe está vencendo o cabo de guerra? O cabo de guerra está empatado.

7N

8N

9N

6N

Luis Moura

Cores-fantasia.

Cabo de guerra

3. Discuta a razão principal que explica os seguintes fenômenos: atrito do vento batendo na superfície da a) Com bom vento, uma pipa se mantém facilmente no ar. Opipa a mantém no ar. b) Colocando um saco de pano embaixo dos pés de um armário, fica mais fácil empurrá-lo. Porque o atrito entre o pano e o piso é c) É mais fácil empurrar uma geladeira que tenha rodas. b) menor do que o atrito entre o pé do armário O atrito entre as rodas e o piso é menor que a da geladeira e o piso, facilitando o esforço de movê-la.

e o piso.

Fabio Colombini

Aplique seus conhecimentos Em estradas enlameadas, os motoristas usam correntes nos pneus do carro. Para aumentar atrito entre os Por que eles agem dessa maneira? opneus e o solo. Como isso pode ajudar na movimentação do correntes aumentarão o atrito e com isso evitarão que o veículo? As carro fique atolado ou derrape. O que acontecerá nessa situação se os pneus estiverem sem correntes, gastos e lisos? O atrito entre o solo e esses pneus será pequeno, isso fará com que o veículo derrape ou fique atolado na lama.

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Os sulcos dos pneus aumentam o atrito e evitam as derrapagens.

UNIDADE 5 • Dinâmica

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Trabalhe com seus colegas

CPG

Cozzare/Kino

As fotos a seguir mostram várias situações em que o atrito está presente. Analisem cada uma delas, troquem ideias, pesquisem e identifiquem onde está ocorrendo o atrito, que materiais estão atritando, se o atrito está ajudando ou atrapalhando.

Asa delta. Há atrito entre o ar e as asas do equipamento, que diminui a velocidade ao mesmo tempo que auxilia no controle das manobras.

Motos de corrida.

Wally McNamee/Stock Photos

Michael Kevin Daly/Stock Photos

Os sulcos dos pneus aumentam o atrito e evitam derrapagens.

Jogador de futebol chutando uma bola. As travas de uma chuteira aumentam o atrito. Sem elas o atleta escorregaria facilmente.

Patinadores no gelo. Há pouco atrito entre os patins e o gelo. Assim, os patinadores deslizam. UNIDADE 5 • Dinâmica

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Capítulo

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Leis da dinâmica

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A primeira lei do movimento de Newton afirma que, na ausência de forças, um corpo permanece em repouso ou em movimento uniforme ao longo de uma linha reta. Pense no espaço além da atmosfera: nele as coisas se movem sem que nada as detenha. Quando Newton formulou essa lei, as viagens espaciais não eram sequer imaginadas. E, se fossem imaginadas, seriam consideradas impossíveis, pois, para chegar à Lua, seria necessário um tanque de combustível imenso. Ora, com essa lei basta levar a nave espacial para fora da atmosfera com um foguete com trajetória traçada para cruzar a da Lua ou de outro planeta e ela percorrerá todo o trajeto, em linha reta e com velocidade constante sem necessitar de uma única gota de combustível.

O homem chegou à Lua com bem menos combustível do que a maioria das pessoas pensa. Depois de lançada para fora da atmosfera, a nave segue o seu curso, sem o atrito do ar para detê-la.

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T r ocando ideias

! Para uma mesma velocidade, o caminhão é mais difícil de parar, em razão da sua maior massa e, portanto, maior inércia.

O que é mais difícil de parar: um caminhão ou um carro? Quando você está no carro que freia, você é jogado para a frente ou para trás? Explique. Cite pelo menos dois exemplos que podem ser descritos segundo a primeira Lei de Newton. Todos os casos de aceleração ou desaceleração são exemplos: um carro acelerando, um avião decolando, um carro numa curva etc.

Para a frente, pois nosso corpo continua em movimento (Lei da Inércia).

Isaac Newton nasceu na Inglaterra em 1643 e morreu em 1727. Foi químico, físico, mecânico e matemático. Algumas de suas descobertas foram conseguidas em 1665, ano em que foi obrigado a permanecer em casa por causa de uma doença que se alastrava por toda a Europa. Na fazenda onde morava, fez pesquisas e chegou a descobertas importantes que mudaram o rumo da ciência, como a lei da gravitação e a natureza das cores. Há três leis fundamentais da Física que levam seu nome: A primeira Lei de Newton, ou Lei da Inércia: se nenhuma força atuar sobre um corpo, ele permanece em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme. A segunda Lei de Newton: a aceleração que um corpo adquire é diretamente proporcional à força Isaac Newton (1643-1727). que atua sobre ele. A terceira Lei de Newton: a toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade e direção, mas de sentido contrário. Newton sempre esteve envolvido com questões filosóficas, religiosas e teológicas, e suas obras mostravam seu conhecimento a respeito desses assuntos. De temperamento tranquilo, dedicava-se ao trabalho e deixava até de se alimentar e dormir quando perseguia uma ideia. A frase que abre esta unidade mostra que se considerava uma continuidade do pensamento de outros que o antecederam: “Se fui capaz de ver tão longe, é porque subi no ombro de gigantes.” Newton sabia que a Ciência se deve a todos que se dedicam ao conhecimento para ampliar nossos horizontes.

Bettmann/Corbis-Stock Photos

Saiba mais

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A sonda Cassini-Huygens foi criada para explorar o planeta Saturno.

Freada

Ilustrações: Luis Moura

Uma sonda espacial lançada fora do Sistema Solar tende a fazer uma viagem de muitos séculos em movimento retilíneo uniforme, com velocidade constante e igual à do lançamento, sem necessidade de usar seus motores! Está livre da ação de qualquer força e por isso tende a permanecer em movimento. Já uma bola esquecida no gramado ali permanecerá em repouso. Quando um carro dá uma freada, uma força é aplicada na carroceria do veículo, fazendo-o parar. Mas essa força não é acionada sobre o motorista. Resultado: o motorista é lançado contra o para-brisa. Para que a força aplicada pelo freio sobre a carcaça do veículo seja transmitida também para o motorista, ele deveria estar amarrado a ela. Essa é a função do cinto de segurança. Por outro lado, se um passageiro estiver na carroceria do caminhão e este der uma arrancada, o passageiro tenderá a ficar em repouso e poderá cair. Inércia é a tendência que um corpo possui, quando livre da ação de qualquer força, de ficar em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. A inércia de um corpo está diretamente ligada à sua massa. Quanto maior a massa de um corpo, maior será a sua inércia. Quando tentamos empurrar um corpo, quanto maior for a massa, maior será a dificuldade para colocá-lo em movimento. Diremos, então, que maior será a inércia do corpo. A Lei da Inércia é consequência do conceito de inércia. Ela afirma que todo corpo tende a permanecer em repouso ou em MRU, a menos que uma força externa o obrigue a sair desse estado. Também é conhecida como Primeira Lei de Newton.

David Ducros/Stock Photos

Lei da Inércia

Arrancada

Cores-fantasia.

UNIDADE 5 • Dinâmica

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Saiba mais Air bag Em uma colisão frontal, o motorista e os passageiros de um carro são arremessados para a frente e podem se ferir gravemente ao se chocarem com o volante, o painel ou o para-brisa. Os air bags, ou almofadas infláveis, protegem as pessoas nos casos de acidente: ejetados do volante ou do painel, se enchem de nitrogênio instantaneamente. O sistema de air bag é formado por sensores eletrônicos, um inflator para produzir nitrogênio e a almofada em si. Os sensores são programados para ignorar as colisões a menos de 16 a 22 km/h. Em um choque forte, a almofada se infla por completo em 1/20 de segundo. Para as pessoas poderem sair, a almofada se esvazia assim que absorve o impacto. Os air bags podem salvar vidas, mas apenas em colisões frontais, sem substituir os cintos de segurança e as ombreiras. Ao receber os sinais do sensor de colisão, um gerador de calor inflama substâncias químicas para produzir o nitrogênio, que infla o air bag. Completamente cheio, o air bag absorve o impacto inicial do corpo do motorista, quando este é lançado para a frente. Tendo protegido o corpo do motorista, o air bag se esvazia, suavizando o impacto. Dois orifícios na parte traseira da almofada deixam escapar o gás. Extraído de: < www.geocities.ws/saladefisica7/funciona/airbag.html> Acesso em: Março/2012.

Pela Lei da Inércia, um corpo estará em equilíbrio quando a resultante das forças que agem sobre ele é nula. Uma pedra em um jardim é um exemplo de um corpo em repouso, em equilíbrio estático, pois a resultante das forças sobre ela é nula. Sobre uma nave espacial que viaja com os motores desligados pelo espaço em velocidade constante também age uma resultante. O equilíbrio estático pode ser estável, instável ou indiferente. Uma régua sobre a mesa está em equilíbrio esA bola estará em equilíbrio em qualquer ponto do tável. Agora, uma régua equilibrada sobre a palma solo. Seu equilíbrio é indiferente. da nossa mão é menos estável, e temos de realizar menos trabalho para tirá-la da posição de equilíbrio. Ela está em equilíbrio instável. No equilíbrio estável, cessada a causa da perturbação, o sistema volta automaticamente para o ponto de equilíbrio. No equilíbrio instável, se o corpo sair do estado de equilíbrio, não voltará espontaneamente a esse estado. No equilíbrio indiferente o corpo está em equilíbrio em qualquer situação. UNIDADE 5 • Dinâmica

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AbleStock

O equilíbrio dos corpos

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Lei da Ação e Reação

Joel W. Rogers/Stock Photos

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A ação e a reação são forças de mesma intensidade, sentidos opostos e nunca são aplicadas no mesmo corpo. A toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade e de sentido contrário. Essas forças se aplicam em corpos diferentes e nunca se anulam. Essa é a Lei da Ação e Reação, também conhecida como Terceira Lei de Newton. Uma das ideias mais importantes contidas nessa lei é que essas forças sempre se manifestam aos pares: não há ação sem reação. Ao andar, uma pessoa empurra o chão com o pé. É a ação. E recebe uma reação que a impulsiona para a frente. Quando uma pessoa escorrega, ela não consegue empurrar o chão, não recebe a reação para a frente e não consegue andar. O mesmo ocorre quando um carro derrapa na lama. Perceba, portanto, como o atrito é fundamental para você andar ou para um carro se movimentar.

Um foguete impressiona por sua força de propulsão e se move expelindo gases de combustão por queimadores situados em sua parte traseira. Difere de um motor a jato por transportar seu próprio oxidante, o que lhe permite operar na ausência de um suprimento de ar. Por isso, é usado em voos espaciais para colocar um satélite ou uma nave espacial fora da órbita da Terra. Mas também é usado para movimentar mísseis, aeroplanos e automóveis. O princípio básico para a propulsão de um foguete é a Terceira Lei de Newton: para cada ação há uma reação igual e oposta. Esse efeito pode ser observado em uma mangueira: a água escapa com força pelo bocal e a mangueira é impulsionada para trás. Reduzindo-se o diâmetro de saída, esse empuxo será ainda mais forte.

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As hélices empurram o ar para trás (ação). O avião anda para a frente (reação). O mesmo ocorre com um barco a motor.

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Os remos empurram a água (ação). O barco anda (reação).

O foguete exerce uma força (ação) sobre os gases que dele são expulsos, e esses gases exercem sobre o foguete uma força (reação) de mesma intensidade e direção e sentido contrários.

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No foguete, quando os gases queimados escapam em um jato forte através de um bocal comprimido, o engenho é impulsionado na direção oposta. A magnitude do empuxo depende da massa e da velocidade dos gases expelidos. Os motores de foguetes podem utilizar combustível sólido ou líquido. O oxigênio e o hidrogênio liquefeitos são os combustíveis líquidos mais comuns.

Lei Fundamental da Dinâmica Quando você empurra um carrinho, existe uma relação entre a força que você emprega, a massa do carrinho e a aceleração que ele adquire. Quanto maior a força aplicada, maior a aceleração do carrinho. Se dois carrinhos tiverem de adquirir a mesma aceleração, quanto maior a massa, maior a força que você deverá aplicar. A relação é dada pela expressão da Lei Fundamental da Dinâmica, também conhecida como Segunda Lei de Newton. F=m·a força (F) = newton (N) massa (m) = quilograma (kg) aceleração (a) = m/s2

Em outras palavras

“”

formular: enunciar de forma precisa; exprimir, emitir. deter: parar.

Revise seus conhecimentos

4. O movimento dos remos exerce uma ação na superfície da água. A força de reação, igual e de sentido contrário, faz o barco se movimentar para frente.

1. Você está andando de skate, meio distraído, e de repente bate em uma pedra. O skate para e você continua o movimento. Qual a lei que explica isso? Primeira Lei de Newton, a inércia. 2. Viajando em pé em um ônibus, você tem de se segurar quando ele entra em uma curva. Por quê? Por causa da Lei da Inércia, a Primeira Lei de Newton. toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade e de sentido contrário. 3. O que diz a Lei da Ação e Reação? AEssas forças se aplicam em corpos diferentes e nunca se anulam. 4. Aplicando a Lei da Ação e Reação, explique como o remador impulsiona um barco a remo. 5. Por que é mais fácil empurrar um carrinho de brinquedo que um caminhão? Porque o carrinho de brinquedo possui menor inércia (menor massa).

UNIDADE 5 • Dinâmica

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Aplique seus conhecimentos Imagine uma mesa, com uma toalha e um copo em cima dela. Uma pessoa puxa a toalha rapidamente. A toalha desliza por debaixo do copo e este não sai do lugar. Como podemos explicar esse acontecimento usando a Lei da Inércia? O copo tende a manter sua posição em razão da inércia, isto é, ele permanecerá em repouso.

Ilustrações: Luis Moura

Copo em repouso

Cores-fantasia.

Quando um carro faz uma curva em alta velocidade, pode perder o controle e “sair pela tangente”, isto é, continuar em movimento retilíneo e sair da estrada. A Lei da Inércia pode explicar esse acontecimento? Justifique.

Carro saindo da estrada

Sim. Inércia é a tendência do corpo de permanecer em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme, a menos que uma força atue sobre ele.

Cores-fantasia.

Trabalhe com seus colegas A todo instante estamos fazendo uso das Leis da Ação e Reação e da Inércia. Junte seu grupo e faça a seguinte pesquisa: observando sua sala de aula, seus amigos na rua, façam uma lista com situações do dia a dia que representem essas leis. Justifique cada uma aplicando as leis. Compare as justificativas de seu grupo com as dos outros grupos. Leia o Manual do Professor. 156

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Capítulo

16

Força gravitacional

J-L Charmet/Stock Phots

Depois do almoço um rapaz resolve tirar um cochilo encostado em uma árvore e... tchum! Cai uma maçã na sua cabeça. Ele poderia ter tido várias reações diferentes: reclamar, chorar, querer entender o que aconteceu ou comer a maçã. Quando isso aconteceu com Isaac Newton, o inglês, sempre muito curioso, fez de tudo para descobrir o que houve. E foi assim que surgiu a sua teoria da gravitação universal... Na verdade, essa história é apenas uma lenda. O fato é que ela permite explicar a teoria de Newton. Tente responder: por que os objetos caem no chão quando soltos no ar? Por que não caímos da Terra enquanto ela gira em torno do Sol? Ao tentar responder a perguntas como essas, Newton concluiu que existe algo que atrai os corpos para baixo, como no Newton e a sua famosa maçã. caso da maçã: a força da gravidade. Ela também é uma força invisível, que atua em todos os objetos e pessoas. Embora a gravitas – nos tempos de Newton, a força da gravidade recebia esse nome – fosse conhecida desde a Antiguidade, Newton foi a primeira pessoa a compreendê-la corretamente: ela é intensa o bastante para nos manter “presos” em nosso planeta enquanto ele se move pelo espaço sideral. Se a força da gravidade na Terra fosse menor, as pessoas e os objetos poderiam flutuar, como acontece nas naves espaciais. A gravidade está relacionada com a massa e com o raio de um dado planeta, se o imaginarmos como uma bola esférica. A massa da Terra, por exemplo, é cerca de oitenta vezes maior que a da Lua, e o raio da Terra é pouco menor de quatro vezes maior que o da Lua. Por isso os astronautas na Lua podem dar pulos bem longos sem grande esforço. Isaac Newton descobriu que a mesma força, a chamada força gravitacional, poderia explicar tanto a queda da maçã de uma árvore como a atração que o Sol exerce sobre os

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planetas e vice-versa e a atração entre satélites e planetas, que mantém um girando em torno do outro. O astrônomo alemão Johannes Kepler havia descoberto antes que os planetas se movem em torno do Sol formando uma elipse (basta você inclinar um copo d’água para ver que a superfície da água em contato com o copo forma uma elipse). Usando a sua segunda lei, Newton descobriu uma força que fazia com que as órbitas dos planetas em torno do Sol fossem as elipses de Kepler. Essa força, segundo Newton, dependia da massa do planeta e de sua distância ao Sol. Newton sempre reconheceu a importância do trabalho de seus antecessores, dizendo que se pôde ver mais longe é porque havia “se apoiado nos ombros de gigantes”. Você deve estar imaginando que há algo errado! E a terceira lei de Newton? Se a Terra atrai a maçã e a maçã atrai a Terra com igual força, o que acontece com a Terra? É muito simples! A maçã tem uma massa bem menor que a da Terra, daí o efeito da gravidade ser maior sobre ela do que sobre o nosso planeta. É a mesma história do carro e do caminhão. Que sorte Newton ter pensado em solucionar o enigma da maçã em vez de ter reclamado ou simplesmente comido o fruto, não acha? Aline Pereira. Ciência Hoje das Crianças. 5/dez./2001.

T r ocando ideias

!

Por que a Lua permanece em órbita ao redor da Terra?

Lei da Gravitação Universal Há milênios sabe-se que, abandonando um corpo, ele tende a cair no solo. Mas foi Newton (1667) quem estabeleceu uma lei a respeito, concluindo que dois corpos sempre se atraem. Essa força de atração entre dois corpos será tanto maior: • quanto maiores forem as massas dos corpos; • quanto menor for a distância entre eles. Essas conclusões ficaram conhecidas como Lei da Gravitação Universal, e as forças envolvidas foram denominadas forças gravitacionais. Essa lei permite várias interpretações muito interessantes. • Qualquer corpo na superfície do planeta está preso pela força gravitacional. Um corpo cai devido à atração gravitacional da Terra (força da gravidade). • Entre corpos com massas pequenas, desprezíveis em relação à do planeta, a força gravitacional pode ser considerada nula.

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O Sol atrai a Terra. A Terra atrai a Lua e outros satélites. São forças gravitacionais. Massa atrai massa. Isso é sempre verdade, mas é um fenômeno que só tem aplicação prática quando pelo menos uma das massas é muito grande. A Terra atrai a Lua. A Lua atrai a Terra. Os dois corpos se atraem ao mesmo tempo: é a Lei da Ação e Reação!

Forças gravitacionais

Luis Moura

satélite Terrat

Lua

Sol Ilustração fora de escala de tamanho.

Pense e responda

Cores-fantasia.

?!

A Terra apresenta movimento de rotação. Você já parou para pensar por que não somos arremessados para o espaço? A força gravitacional da Terra nos mantém presos à superfície. Use seus conhecimentos e explique por quê. Nos movemos solidariamente com ela.

Quando um corpo é solto próximo à superfície da Terra, a atração gravitacional faz com que ele caia com velocidade crescente, mas com aceleração constante, denominada aceleração da gravidade. A força responsável por essa aceleração é chamada força-peso ou, simplesmente, peso do corpo. A Lei Fundamental da Dinâmica diz que F = m · a. Considerando que a força que age sobre o corpo é a força-peso e a aceleração é a aceleração da gravidade medida em m/s2, a expressão fica assim: P = m · g. Peso e aceleração da gravidade são grandezas vetoriais dirigidas verticalmente para o centro da Terra. A força-peso (P) é sempre orientada para o centro da Terra e a aceleração da gravidade varia com a latitude e a altitude. Portanto podemos dizer que massa é uma grandeza escalar definida por um número e uma unidade. Por exemplo: 70 kg.

Força–Peso P

P

P

P P

Figuras não proporcionais entre si. Cores-fantasia. UNIDADE 5 • Dinâmica

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Luis Moura

Massa e peso: qual a diferença?

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Pense e responda

Balança de dois pratos

m = 1 kg

m = 1 kg

Ilustrações: Luis Moura

Já o peso é uma grandeza vetorial definida por P = m · g. Assim, podemos dizer que em uma balança de dois pratos o equilíbrio indica forças-pesos iguais. Como a aceleração da gravidade (g) também é a mesma, concluímos que as massas nos dois pratos devem ser iguais, portanto, balança de dois pratos mede massa. A balança de farmácia ou a doméstica são, na verdade, um dinamômetro com uma mola que se deforma de acordo com a força-peso do objeto. Esse tipo de balança mede peso.

Cores-fantasia.

?!

Calcule seu peso na Lua levando em consideração que a gravidade na Lua é um sexto da gravidade da Terra. Compare o seu peso na Terra e o seu peso na Lua. (Admita gravidade da Terra g = 10 m/s2 ) Exemplo: se o peso do aluno é 530 N, seu peso na Lua será 88 N. Em 1969, o astronauta Neil Armstrong realizou uma experiência na Lua. Ele soltou simultaneamente um martelo e uma pena. Ambos chegaram ao solo no mesmo instante. na Terra temos que considerar a resistência do ar. Isso não acontece na superfície da Terra. Por quê? Porque Com isso, a pena levará mais tempo para atingir o solo.

Queda no ar Quando soltamos da mesma altura do solo corpos diferentes em um tubo no qual existe vácuo (ausência de ar), os corpos atingem o fundo no mesmo instante, não importando quais sejam suas massas. Diz-se que os corpos estão em queda livre. Ambos estão submetidos à aceleração da gravidade (g) e percorrem a mesma distância (Dh). Para o fenômeno de queda livre, no vácuo, os físicos deduziram a expressão: Dh = 1 g ·Dt2 2 Dh = altura da qual foi lançado o corpo g = aceleração da gravidade Dt = tempo de duração da queda

Demonstração da queda livre no vácuo (ausência de ar) bola de aço

pena

Dh

Cores-fantasia.

A bola de aço e a pena atingem o solo no mesmo instante.

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de ausência de peso (imponderabilidade), que é a mesma que você sente quando um elevador desce muito rapidamente. Essa também é a sensação que o astronauta tem quando está em órbita no espaço. Quando você atira uma bola verticalmente para cima, ela sobe até parar. No ponto mais alto, sua velocidade é igual a zero. Então, a bola começa a cair. Se a resistência do ar for desprezível, a bola chega à sua mão com a mesma velocidade com que foi lançada.

v=o h

h

David Madison-Zefa/Stock Photos Luis Moura

Se a bola de aço e a pena percorrem a mesma distância (Dh) e o valor de g é o mesmo, os dois objetos atingem o fundo do recipiente ao mesmo tempo e isso não depende de suas massas. No entanto, se a queda do corpo ocorrer no ar, a resistência do ar passará a ter um papel importante. Você já viu um paraquedista fazendo exibições com o paraquedas fechado? Ele está caindo com velocidade constante. Por que a velocidade não aumenta continuamente? Quando um corpo cai livremente na atmosfera, fica submetido também à resistência do ar, que aumenta à medida que o corpo vai ganhando velocidade. A partir do momento em que as duas forças se igualam, o corpo entra em equilíbrio dinâmico e O paraquedista cai com velocidade constante. passa a cair com velocidade constante. Isso é uma aplicação da Lei da Inércia. Arremesso Nessas condições, a pessoa terá a sensação

Cores-fantasia.

Investigue e relate Um experimento simples, mas que ajuda a demonstrar algumas das coisas aprendidas no capítulo. Pegue uma folha de papel e uma borracha pequena. Levante-os e solte-os. Qual deles chegou primeiro ao chão? Agora amasse bem a folha de papel. Faça a mesma coisa, levante a bolinha de papel e a borracha. Solte-os. Qual deles chegou primeiro ao chão? Faça a mesma experiência com outras coisas e observe o que acontece. Anote os resultados de todas as experiências. Compare com seus colegas. A borracha chega primeiro ao chão. Quando o papel é amassado, eles poderão chegar ao mesmo tempo. Esse experimento demonstra que a resistência aplicada pelo ar dependerá da forma do objeto.

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Revise seus conhecimentos

2. A atração gravitacional fará com que ela caia com velocidade crescente e aceleração constante. 5. Entre corpos com massas pequenas, desprezíveis em relação à do planeta, a força gravitacional pode ser considerada nula.

1. A força com que os astros se atraem é do mesmo tipo da que prende você à Terra. Como se chama essa força? Força gravitacional ou de gravidade. 2. Se você soltar uma bola (considere que ela esteja perto do solo) em direção ao solo, ela cairá com velocidade constante, crescente ou decrescente? E a aceleração? 3. É muito comum a confusão entre massa e peso. Você saberia dar uma diferença fundaé constante em todos os lugares. O peso (força) varia com a ação da gravidade, mental entre essas grandezas? Aoumassa seja, seu valor depende da gravidade local. 4. Considere que um astronauta, completamente equipado, tenha massa igual a 60 kg. Terra, 600 N, na Lua, 96 N e no Lembrando que P = m · g, qual seria o peso desse astronauta: Na planeta com g = 0,3 seria de 18 N. a) na Terra (g = 10 m/s2)? b) na Lua (g = 1,6 m/s2)? c) em um planeta com g = 0,3 m/s2? 5. Por que as forças gravitacionais praticamente não existem entre você e sua carteira? 6. “As forças da gravidade são do tipo ação e reação. Isso significa, por exemplo, que a Terra e a Lua se atraem com forças iguais e de sentidos contrários.” De acordo com o texto, é massa sempre atrai massa. Isso é sempre verdade, mas é um correto dizer que a Terra atrai o Sol? Sim, fenômeno que só tem aplicação prática quando pelo menos uma das massas é muito grande.

Aplique seus conhecimentos Entre as forças existentes na natureza há as que surgem durante o contato dos corpos, denominadas forças de contato, e as que atuam a distância, chamadas forças de campo. Ao soltar uma pedra de uma certa altura do chão, notamos que a velocidade dela vai aumentando. Ou seja, a pedra está acelerando. Há alguma força agindo sobre a pedra? Sim. Essa força é de contato ou de campo? Essa é uma força de campo. Qual o nome da força que a Terra exerce sobre todos os corpos? Força de atração gravitacional.

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Trabalhe com seus colegas Vocês deverão fazer uma pesquisa sobre Galileu Galilei. A pesquisa deverá conter as principais descobertas científicas e os acontecimentos que marcaram a vida desse cientista. Vocês deverão montar um cartaz sobre a pesquisa realizada e afixar no mural da classe.

Olhar de cidadania O cinto de segurança é um dispositivo que protege a vida das pessoas e diminui as consequências dos acidentes. Ele impede que seu corpo se choque contra o volante, painel e para-brisa, ou que seja projetado para fora do carro se houver uma freada brusca ou colisão. Em uma colisão de veículos a apenas 40 km/h, o motorista pode ser atirado violentamente contra o para-brisa ou arremessado para fora do carro. Alguns motoristas pensam que podem amortecer o choque segurando firmemente no volante. Isto é impossível: a força dos braços só é eficaz a uma velocidade de até 10 km/h. Em caso de colisão, tombamento ou capotamento, primeiro o veículo bate num obstáculo, e, em seguida, os passageiros são projetados contra o painel, o para-brisas, ou uns contra os outros. O cinto evita essa segunda colisão, segurando e mantendo motorista e passageiros no banco. O acidente gera uma carga que é uniformemente distribuída ao longo de toda a área de contato do cinto sobre o corpo humano. Essas áreas são os nossos pontos mais fortes. O próprio cinto absorve parte do impacto. Além de usar o cinto, que é obrigatório por lei, é importante sentar-se corretamente no banco e com a coluna bem reta. O cinto abdominal deve ser colocado na região dos quadris e não na barriga. O cinto diagonal deve passar pelo ombro. O cinto não deve estar torcido nem com folgas. Um dos principais argumentos das pessoas que não gostam de usar cinto é de que ele pode machucar e provocar lesões. Mas nos poucos casos em que isso aconteceu foi porque o choque violento causou danos que seriam ainda maiores sem cinto ou porque este não estava sendo usado adequadamente. Um cidadão consciente evita acidentes. Além de usar o cinto no banco da frente, usa-o também no banco de trás. E também não transporta crianças no banco da frente: somente atrás e com cinto. Bebês devem ser colocados em cadeiras feitas especialmente para eles.

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Unidade Energia

A melhor maneira de ter boas ideias é ter sempre muitas ideias.

Gravura de 1891 mostrando físicos realizando experimentos.

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Science, Industry & Business Library

Sheila Terry/StockPhotos

Linus Pauling

Ilustração da pilha feita pelo físico italiano Alessandro Volta em 1800.

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Capítulo

17

O fogo foi a primeira fonte de energia que os antepassados humanos utilizaram, além de sua própria força, há mais de 500 mil anos. A partir do ano 1000 d.C. dá-se início à exploração mais intensa do carvão mineral, e com a Revolução Industrial, século XVIII, surgem importantes inovações, como a invenção da máquina a vapor. Nos séculos XIX e XX verificou-se o aparecimento e desenvolvimento dos motores de combustão interna a gasolina e demais derivados de petróleo, bem como o uso da eletricidade. O petróleo passou então a imperar como a principal fonte energética, e a economia mundial moldou-se à produção e comercialização dos derivados de petróleo. No futuro próximo, um dos maiores desafios da humanidade será descobrir o caminho para mudar seu modo de produção e consumo da energia, de maneira que esse uso não degrade o meio ambiente. O modelo de geração de energia vinda do petróleo é considerado “sujo”, pois afeta o clima e gera poluição. Por isso, hoje investe-se mais do que nunca nas inúmeras possibilidades de utilização em larga escala de fontes de energia alternativas e menos prejudiciais ao meio ambiente, como a energia solar, a energia eólica, do hidrogênio e de outras fontes. Acredita-se que no próximo século deverão coexistir várias fontes de energia renováveis e pouco poluentes, o que determinará um quadro econômico global completamente diferente daquele em que vivemos nos últimos cem As pás dos cata-ventos captam a energia limpa anos, sob a total dependência do petróleo. dos ventos e a transformam em energia elétrica.

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AbleStock

O que é energia

UNIDADE 6 • ENERGIA

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T r ocando ideias

! A energia é necessária para o mundo moderno. Você já imaginou um mundo sem eletricidade, sem gasolina ou sem gás de cozinha? Portanto, é necessário encontrar novas formas de energia que não poluam o ambiente e que atendam às necessidades de hoje e futuras.

Você acha importante descobrirmos novas formas de energia? Por quê? eletricidade, energia química conseguida pela queima de Quais formas de energia você conhece? Exemplos: combustível fóssil (gasolina, diesel), nuclear etc. Por meio da alimentação. Sem comida não haveria Como você consegue energia para correr, brincar e estudar? como produzir a energia necessária para a vida.

Trabalho e energia Na vida diária, trabalho é sinônimo de atividades física e mental necessárias para alcançar uma finalidade. Assim, quando empurramos o carrinho do supermercado, mudamos móveis de lugar ou subimos uma escada, estamos realizando um trabalho. Essas atividades requerem energia, o que nos faz concluir que há uma forte relação entre trabalho e energia. Vamos supor um homem empurrando um carro. Suponha que ele aplique uma força horizontal e constante no mesmo sentido do movimento.

Luis Moura

Trabalho Ds

F

Cores-fantasia.

A energia envolvida pode ser medida por uma grandeza chamada trabalho da força ou apenas trabalho, que costuma ser simbolizado pela letra grega tau (τ). Define-se trabalho pela expressão: τ = F · Ds em que F é a intensidade da força aplicada e Ds, o deslocamento (a distância percorrida pelo corpo). Essa expressão é válida quando a força e o deslocamento possuem a mesma direção. Agora imagine uma fila de caixas de fósforo e que a primeira caixa seja empurrada. Todas as caixas caem porque a energia aplicada na primeira caixa é transferida para a segunda por colisão. A segunda, também por colisão, transfere energia para a terceira, e assim por diante. Portanto, a energia que você imprimiu à primeira caixa realizou um trabalho (o movimento), que se transferiu para as outras. UNIDADE 6 • energia

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Ilustrações: Luis Moura

Transferência de energia

Cores-fantasia.

Temos, então, o conceito mais geral de energia: é a capacidade de produzir trabalho (movimento). No Sistema Internacional, o trabalho e a energia são medidos na unidade joule (J), que equivale ao trabalho realizado por uma força de 1 newton (N) para deslocar um corpo em 1 metro (m). A representação matemática disso é 1 J = 1 N · 1m. A energia não pode ser criada ou destruída, pode apenas ser transformada ou transferida. A energia do Universo é constante. Essa é a chamada Lei da Conservação da Energia.

Pense no assunto

!

A

Luis Moura

Cores-fantasia.

Trampolim energia de posição

energia do movimento

B A B

O que aconteceu para que o homem B fosse lançado ao ar? O homem A pulou sobre a tábua. Em termos físicos, o que o homem A realizou? O homem A realizou um trabalho. 168

UNIDADE 6 • energia

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Pense e responda

?!

O jogador transfere energia para a bola.

AbleStock

Stacy Barnett

Existem basicamente dois tipos de energia: cinética e potencial. A energia cinética é a energia dos corpos em movimento. A Terra, o Sol, as águas de um rio, tudo o que se move, enfim, possui energia cinética. A energia cinética depende da massa e da velocidade do corpo. Imagine um caminhão carregado em velocidade e uma bicicleta em movimento numa rua. A energia cinética deles não é de mesma magnitude: a capacidade de o caminhão realizar trabalho é muito maior do que da bicicleta. Quanto maior a massa e a velocidade, então, maior a energia. Energia potencial se refere à capacidade latente que um sistema tem de realizar trabalho. É como se Se houver movimento, haverá energia cinética. essa energia ficasse armazenada no sistema. Como exemplo, pense numa pedra sendo elevada a 1 metro de altura. Conforme a pedra é levantada, a energia cinética vai sendo transformada em potencial. Aumenta, assim, a energia potencial do sistema pedra-Terra (gravidade). Quanto mais alto for colocada a pedra e maior for sua massa, maior será a energia potencial do sistema. Ao ser largada a pedra, a energia potencial “armazenada” no sistema se transforma em energia cinética e realiza trabalho. Outros casos exemplares de transformação da energia ocorrem em aquecedores solares térmicos (energia luminosa em térmica), motores a combustão (energia química do combustível em mecânica), fotossíntese (energia luminosa em química, da glicose), hidrelétricas (cinética em elétrica), termoelétricas (térmica em elétrica) etc. Sempre que há transferência de energia, a energia global se mantém. Essa afirmação corresponde à Lei da Conservação da Energia, segundo a qual a quantidade total de energia em um sistema isolado permanece constante. Em outras palavras, a energia não pode ser criada nem destruída, pode apenas transformar-se.

J. F. Diório/AE

Formas de energia e suas transformações

Na combustão a energia química se transforma em energia térmica.

• Entre as frases a seguir, alguma é falsa? • Energia é um estado e força é uma ação: “eu tenho energia” e “eu fiz uma força”. • Só podemos medir a energia quando ocorre alguma variação em seu valor, justamente devido à ocorrência de algum processo de transformação ou transferência. • Em todas as transformações energéticas que ocorrem em um sistema isolado, a forma pela qual se apresenta a energia mas não muda a quantidade total de energia. • Tanto o calor quanto o trabalho não são formas de energia, mas sim processos de transferência de energia. • O trabalho de uma força é a medida da quantidade de energia que esta força forneceu a um dado objeto na realização de um dado movimento. Não, são todas corretas. UNIDADE 6 • energia

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Potência Se duas pessoas levantam a mesma massa com velocidades diferentes, isto é, em intervalos de tempo diferentes, a pessoa que gastou menos tempo possui maior potência. Potência é a grandeza que mede a rapidez com que varia a energia do sistema. A potência pode ser entendida como energia transferida em uma dada unidade de tempo. Isto é, no mesmo intervalo de tempo, o sistema que transferir mais energia será o mais potente. τ = A potência (p) pode ser dada pela expressão: Potência (D) = trabalho tempo gasto Dt No Sistema Internacional, a potência é medida em watts (W), que corresponde à troca de 1 joule (J) por segundo (s). O símbolo é homenagem ao cientista escocês James Watt (1736-1819). Assim, quando dizemos que uma lâmpada tem potência de 60 watts, significa que a lâmpada pode emitir 60 joules (energia luminosa) em cada segundo. Na sua casa, a energia elétrica é medida em quilowatt-hora (kWh), isto é, 1 000 watts a cada hora.

Pense e responda

?!

Um chuveiro tem potência de 4 kW. Se esse chuveiro for usado 2 h por dia, qual a energia energia mensal será obtida pela multiplicação da potência do aparelho consumida em kWh em um mês (30 dias)? Apelas horas mensais de utilização, ou seja: 4kW x 2h/dia x 30 dias = 240 kWh. Se uma pessoa ingere o correspondente a 2 000 quilocalorias (Cal) por dia, consome o equivalente a uma lâmpada de 100 Watts. Se o coração é responsável pelo gasto de cerca de 10% da energia que consumimos e o cérebro por 20% da energia, quantos Watts eles consomem? O coração consome 10 W e o cérebro 20 W.

Saiba mais As lâmpadas fluorescentes A “lâmpada de bulbo” também conhecida como “lâmpada incandescente” tem um filamento de tungstênio muito fino dentro de um bulbo. A ideia básica por trás dessas lâmpadas é simples. A corrente elétrica passa pelo filamento e, como ele é bem fino, oferece resistência à passagem da corrente. Essa resistência transforma a energia elétrica em calor. O calor faz o filamento aquecido emitir luz. O filamento literalmente emite luz por causa do calor. O problema com as lâmpadas incandescentes é que o calor desperdiça muita eletricidade. Calor não é luz, e o propósito da lâmpada incandescente é emitir luz. Assim, toda a energia gasta criando calor é um desperdício. Lâmpadas incandescentes são assim muito ineficientes. Elas produzem aproximadamente 15 lúmens por watt gasto. Uma lâmpada fluorescente usa um método completamente diferente para produzir luz. Em um tubo fluorescente há eletrodos nas extremidades do tubo e um gás que contém argônio e vapor de mercúrio. Um fluxo de elétrons atravessa o gás de um eletrodo para o outro. Esses elétrons batem nos átomos de mercúrio e os excitam. Quando os átomos de mercúrio retornam ao estado não excitado, eles emitem radiações ultravioleta que incidem no fósforo que reveste o interior do tubo fluorescente, e este fósforo emite luz visível. Uma lâmpada fluorescente produz menos calor e por isso é muito mais eficiente. Uma lâmpada fluorescente pode produzir entre 50 e 100 lúmens por watt. Isto torna as lâmpadas fluorescentes 4 a 6 vezes mais eficientes que as incandescentes. Por isso uma lâmpada fluorescente de 15 watts pode produzir a mesma intensidade luminosa que uma lâmpada de 60 watts incandescente. 170

UNIDADE 6 • energia

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Máquinas simples Qualquer instrumento que ajude ou substitua a força humana em alguma tarefa denomina-se máquina. As máquinas podem ser simples, como um machado de pedra, ou complexas, como um computador. Entre o machado de pedra e o computador, há um longo caminho e muitas outras máquinas simples e complexas. A alavanca, o plano inclinado e a roldana são exemplos de máquinas simples, e as máquinas complexas são combinações de máquinas simples.

Alavanca A alavanca é uma barra que se movimenta em torno de um ponto de apoio. Elementos da alavanca

Descrição

Apoio (A)

Ponto onde se apoia a alavanca.

Força de potência (FP) ou apenas potência

Força que aplicamos à alavanca.

Força de resistência (FR) ou apenas resistência

Força que se opõe à força de potência.

Braço da potência (BP)

Distância do apoio ao ponto de aplicação da força de potência.

Braço da resistência (BR)

Distância do apoio ao ponto de aplicação da força de resistência.

Ilustrações: Luis Moura

Alavanca interfixa: o ponto de apoio está situado entre os pontos de aplicação da potência e da resistência.

Alavanca interpotente: o ponto de aplicação da potência está situado entre o apoio e a resistência.

A

FP BP

FR BR

Alavanca interpotente Cores-fantasia.

Cores-fantasia.

Alavancas interfixas

FR

FP

BP

A

BR UNIDADE 6 • energia

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Alavanca inter-resistente: o ponto de aplicação da resistência situa-se entre o apoio e a potência. Luis Moura

Alavancas inter-resistentes

BP FR

BR

A

FP

Cores-fantasia.

Levantando um peso sem alavanca

Levantando o mesmo peso com alavanca FR = 200 N

FP

200 N

Ilustrações: Luis Moura

A relação entre os vários elementos da alavanca é dada pela equação: FP · BP = FR · BR Para suspender um objeto de massa 20 kg, você teria de exercer uma força um pouco maior que 200 N. De fato, o peso do objeto é dado por: P = m · g P = 20 kg · 10 m/s2 = 200 N Agora usando uma alavanca. BR = 0,3 m BP = 1,0 m FP · BP = FR · BR FP · 1,0 m = 200 N · 0.3 m FP = 60 N Você só aplicará uma força um pouco maior que 60 N e levantará um objeto de peso igual a 200 N. E o mais interessante é o seguinte: quanto maior o braço da potência (BP), menos força você terá de exercer. Veja, vamos dobrar a distância BP : BP = 2,0 m Temos: FP · BP = FR · BR Substituindo: FP · 2,0 m = 200 N · 0,3 m FP = 30 N

A BP BR

apoio

20 kg

20 kg Cores-fantasia.

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Pense e responda

?!

Para movimentar uma enorme pedra com o menor esforço possível, usando uma alavanca e um ponto de apoio, qual situação você escolherá: ponto de apoio próximo à pedra e uma longa alavanca ou ponto de apoio afastado da pedra e uma alavanca curta? A alavanca mais longa e o ponto de apoio mais próximo exigirão menos esforço para mover a pedra.

Roldana A roldana é uma roda com um sulco, por onde passa um fio. Ela pode ser fixa ou móvel. Na fixa, o deslocamento de um corpo exige uma força igual ao peso do corpo. A roldana fixa interligada a uma polia móvel faz com que o esforço para levantar um objeto seja menor. Com duas polias, o homem fará menos força para levantar um objeto. Quanto maior o número de polias móveis, menor será a força necessária para levantar um corpo.

Ilustrações: Luis Moura

Roldana fixa

F F

Cores-fantasia.

F 2

F 2 F 2

F 4

F 4

F 2

F 4

Ilustrações: Luis Moura

Polias móveis

F 2 F

F

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Plano inclinado: facilita a elevação de cargas a uma dada altura do solo. Com o plano inclinado, o esforço é menor. As pirâmides do Egito foram construídas 3 500 anos antes do nascimento de Cristo. São feitas de imensos blocos de pedra que foram empilhados, e levaram para ficar prontas cerca de 40 anos, com o trabalho de milhares de escravos. Para levar os blocos para cima, eram usadas rampas por onde deslizavam os blocos de pedra puxados por cordas.

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O plano inclinado

O plano inclinado ajudou a construir as pirâmides, que eram usadas como túmulos dos faraós e observatórios astronômicos.

O parafuso tem uma rosca que na realidade é um plano inclinado em volta de um cilindro, como se fosse uma rampa em caracol. Ele fixa uma peça em outra. A cada volta, aperta ainda mais a junção. A roda dentada é uma roda com dentes. Ligada a outras rodas formam-se as engrenagens usadas em bicicletas, motores, ferramentas. As rodas dentadas das engrenagens transmitem movimentos e mudam forças. A bicicleta com marchas tem várias engrenagens. Quando acionadas, elas ajudam a subir ladeiras, pois fazem a bicicleta ficar com menos velocidade e mais força.

Fotos: Fabio Colombini

Parafuso e roda dentada

O parafuso e a roda dentada facilitam nosso trabalho.

Investigue e relate Alavanca Você vai precisar de um cabo de vassoura, um apoio (uma pedra por exemplo), um monte de livros e um barbante bem forte. Amarre bem firmemente todos os livros com o barbante. Primeiro tente sozinho levantar O aluno sentirá dificuldade os livros. O que você sentiu? Foi difícil ou fácil? Anote suas impressões. para levantar os livros. Coloque o cabo de vassoura sobre o apoio, ele deverá ficar no meio do cabo. Numa das extremidades amarre os livros e na outra faça força para baixo. O que você observou? Ficou mais fácil ou mais difícil? Nesta situação a força aplicada será a mesma, porém ficará mais fácil levantar os livros. 174

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Agora varie a posição do apoio. Coloque-o mais próximo dos livros amarrados. Ficou mais fácil ou mais difícil? Nesta situação a força aplicada será menor que as anteriores. Agora coloque o apoio mais próximo do ponto onde você fará força. E então? Como foi? Você fez mais força? A força aplicada para mover os livros é maior que as anteriores. Veja Manual do Professor.

Roldana Você irá precisar de um cabo de vassoura, um barbante, um copo de plástico e pedras. Primeiro encha o copo de pedras. Levante-o com a mão. Ficou pesado? Anote a sua impressão. Sim, pois foi necessário ao aluno aplicar uma força equivalente ao peso do copo com as pedras. Apoie o cabo da vassoura entre duas cadeiras. Amarre o copo vazio com o barbante. Passe o barbante sobre o cabo da vassoura. Puxe o copo pela extremidade do barbante. Ele subirá e descerá. Encha o copo com as pedras e puxe. Você o sente mais leve ou mais pesado do que esforço foi o mesmo, porém foi mais quando você o levantou com a mão? Anote suas observações. Ocômodo para o aluno erguer o copo.

Em outras palavras

“”

afeta: atinge. degrade: rebaixe. lúmen: unidade de fluxo luminoso do Sistema Internacional.

Revise seus conhecimentos 1. Classifique cada fenômeno seguinte de acordo com sua energia mais característica: cinética ou potencial. a) mola esticada ou comprimida; potencial b) rotação da Terra; cinética c) energia de uma pilha nova de lanterna. potencial 2. Em cada fenômeno a seguir, qual transformação de energia está ocorrendo? (Exemplo: energia cinética em energia potencial.) a) elevador descendo; energia potencial em cinética. b) liquidificador funcionando; energia elétrica em cinética. c) ferro elétrico funcionando; energia elétrica em térmica. UNIDADE 6 • energia

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3. Lembrando que: Trabalho (τ) = força (F) · deslocamento (Ds), qual será o valor da grandeza τ nos seguintes casos: a) um cavalo puxa uma carroça e ela não sai do lugar. Nula ou 0J. b) uma bola de boliche rola 10 m com força constante e igual a 50 N. 500 J. 4. Imagine dois motores: o motor A realizou um trabalho de 100 J em 10 s e o motor B realizou um trabalho de 300 J em 5 s. Calcule a potência dos dois motores e diga qual é o motor mais potente. As potências são: motor A, 10 W e motor B, 60 W. O motor B possui maior potência. 5. Um homem puxa um burrico que está atrelado a uma carroça. A carroça não se move porque o jumento empacou e não quer andar. a) Qual o trabalho realizado em relação à carroça? O trabalho é nulo. Não houve deslocamento. b) Mas, se a carroça andar 5 metros e o burro fizer uma força equivalente a 1 000 newtons, Neste caso o trabalho será de 5 000 J. qual o trabalho realizado?

Aplique seus conhecimentos Observe na figura a seguir a tesoura, o abridor de latas e o quebra-nozes. Aplicando o que aprendeu, identifique cada tipo de alavanca como interfixa ou inter-resistente. Tesoura: interfixa; abridor de latas: inter-resistente; quebra-nozes: inter-resistente. Luis Moura

Alavancas

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Trabalhe com seus colegas Todos os aparelhos elétricos possuem uma etiqueta informando qual é sua potência expressa em watts (W). Pesquisem alguns aparelhos e suas respectivas potências. Façam um cartaz colocando desenhos ou fotos deles, separando-os em três grupos: os de maior potência, os de potência intermediária e os de pequena potência. 176

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Capítulo

18

Pense como ficaria uma cidade sem energia elétrica durante algumas horas de uma noite. Esse tipo de apagão já aconteceu em grandes cidades, como Nova York e São Paulo. Sem eletricidade, a confusão se instala. Param os elevadores em cada andar. Apagam-se todas as luzes. Os semáforos não funcionam. Todos os eletrodomésticos ficam desligados. Em muitos lugares, como hospitais e grandes lojas, geradores entram imediatamente em funcionamento. Mesmo assim, a cidade para. A eletricidade possibilitou grandes avanços tecnológicos e aumentou o conforto das pessoas. Hoje, dependemos dela para quase tudo.

T r ocando ideias

Fabio Colombini

Eletricidade estática

A eletricidade alimenta a vida nas cidades.

!

Pense como ficaria sua cidade e sua vida sem energia elétrica. Faça uma lista de alguns equipamentos que não poderíamos usar sem energia elétrica.

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Uma rápida história sobre cargas elétricas As primeiras experiências com cargas elétricas parecem ter ocorrido na Grécia, por volta de 600 a.C., quando Tales de Mileto observou que alguns materiais, quando atritados com pele de gato, atraíam pequenos pedaços de madeira ou de tecido. Em 1600, William Gilbert, médico, publicou um livro em que aparecia, pela primeira vez, a palavra eletricidade, derivada do grego Élektron (âmbar). Também se verificou que alguns materiais, por atrito, poderiam adquirir dois tipos de carga, que obedeciam a uma lei importante: cargas diferentes se atraem, cargas iguais se repelem. Por volta de 1750, Benjamin Franklin, norte-americano, estabeleceu uma convenção: o vidro, quando atritado, teria carga positiva; o âmbar, quando atritado, teria carga negativa. Entre 1897 e 1919, descobriu-se que o átomo era formado por elétrons, prótons e nêutrons, e convencionou-se que os elétrons teriam carga negativa, prótons cargas positivas e os nêutrons não teriam carga alguma. Verificou-se que prótons e elétrons obedeciam às leis de atração e repulsão, em que cargas diferentes se atraem (prótons e elétrons se atraem) e cargas opostas se repelem (próton repele próton e elétron repele elétron). Em resumo, a matéria é densamente povoada por cargas elétricas, e a eletricidade é a parte da Física que estuda muitos dos fenômenos relativos àquelas cargas.

Corpos neutros e eletrizados

Corpo sendo eletrizado

Corpo sendo eletrizado

perdendo elétrons

ganhando elétrons

corpo neutro Legenda:

próton elétron

corpo eletrizado (positivo)

corpo neutro

Luis Moura

Sabe-se que o átomo é eletricamente neutro, ou seja, o número de prótons é igual ao número de elétrons. As experiências no campo atômico mostram que um corpo não perde prótons, já que estes estão aprisionados nos núcleos atômicos, mas pode facilmente perder ou ganhar elétrons. A eletrização pode ser resumida na seguinte teoria: um corpo eletrizado ganhou ou perdeu elétrons. Nesse corpo a carga total não é nula. Em síntese, os corpos neutros têm carga geral nula, enquanto os corpos eletrizados têm carga geral positiva ou negativa.

corpo eletrizado (negativo) Cores-fantasia.

Ao atritarmos um pedaço de vidro em um tecido, o vidro cederá elétrons e ficará com carga positiva e o tecido ficará negativo. Já o plástico recebe elétrons quando atritado em um tecido, ficando negativo. O tecido ficará carregado positivamente.

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vidro

Luis Moura

Eletricidade estática plástico

o

stic

plá ro

vid Cores-fantasia.

Pense e responda

Imagens não proporcionais entre si.

?!

Um corpo pode se eletrizar através do atrito com uma massa de ar. Isso poderá ser evitado se houver um fio metálico ligado ao corpo e encostado no solo (fio-terra). Esse fio metálico permite o escoamento de cargas em excesso entre o corpo e o solo. 1. Após um certo tempo em movimento, o carro pode eletrizar-se Agora responda: por atrito com o ar, o que causa o choque elétrico. 1. Você já levou um choque ao tocar na porta de um carro? O que pode ter acontecido? 2. Caminhões-tanque e aviões, durante o abastecimento, possuem correntes metálicas ou Para evitar que eventuais eletrizações possam cabos que ficam encostados ao solo. Por que se faz isso? causar incêndio. A corrente metálica permite o escoamento de cargas em excesso do veículo para o solo.

Analise o experimento Observe o seguinte experimento: Um pêndulo elétrico é construído com uma bolinha de papel-alumínio preso a uma haste por um fio de náilon. Em seguida, aproximamos um bastão de vidro ou de plástico e notamos que a bolinha não se move. Depois, atritamos o bastão com um tecido (seda, lã etc.) e o aproximamos novamente do pêndulo. UNIDADE 6 • energia

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Pêndulo elétrico

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Ilustrações: Luis Moura

A bolinha será atraída pelo bastão.

Explique em seu caderno o que acontece e compare sua explicação com a de seu colega. Na primeira aproximação a bolinha de alumínio e o bastão não se atraem, pois possuem a mesma carga. Com o atrito, o bastão de vidro ficou eletrizado e atraiu a bolinha.

Saiba mais Os raios Os raios são descargas elétricas que ocorrem em certos tipos de nuvens e, quando atingem o solo, podem causar prejuízos e ferir as pessoas. Nas descargas, os raios movem-se tão rapidamente que fazem o ar ao seu redor se iluminar formando um clarão, que é o relâmpago. O ar se aquece e o resultado é um estrondo, o trovão. O Brasil é o país com maior incidência de raios do mundo: cerca de 57 milhões de raios em 10 anos. Os estados mais atingidos por raios são: Amazonas, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul e Minas Gerais, nesta ordem. As 12 cidades com maior incidência de raios são Porto Real, São Caetano do Sul, Barra Mansa, Volta Redonda, Itaquaquecetuba, Diadema, Ferraz de Vasconcelos, Belford Roxo, Poá, Quatis, Pinheiral e Mauá. Segundo o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, o fenômeno causa grandes prejuízos ao Brasil. Os raios afetam as linhas de transmissão de energia, de telefonia, as indústrias, além disso causam incêndios florestais e matam pessoas e animais. Ao atingir uma pessoa, o raio pode causar sérias queimaduras e outros danos ao coração, pulmões, sistema nervoso central e outras partes do corpo, através do aquecimento e de uma variedade de reações eletroquímicas. A chance de sobreviver é de apenas 2%. As pessoas também podem ser atingidas por correntes elétricas que se propagam no solo, a partir do ponto que o raio atingiu. Por trabalhar a céu aberto, o agricultor está mais sujeito aos raios do que os moradores das cidades que, por ocasião das tempestades, podem abrigar-se em suas casas. A principal recomendação para evitar acidentes com raios é não sair de casa durante as tempestades. 180

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Em outras palavras

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E se a chuva cair de surpresa? Se você estiver no campo, sem um abrigo próximo, e sentir seus pelos arrepiados ou sua pele coçar, indicando que um relâmpago (raio) está prestes a cair, ajoelhe-se e curve-se para a frente, colocando suas mãos nos joelhos e sua cabeça entre eles. Não se deite no chão, que é pior! Não segure objetos metálicos longos, como vara de pescar. Não fique próximo de árvores, cercas, trilhos, postes e linhas de energia elétrica, (que atraem os raios). Não use equipamentos elétricos ou telefone. Para evitar os raios, usa-se o para-raios, uma invenção que Benjamin Franklin testou pela primeira vez em 1725, nos Estados Unidos, empinando uma pipa. O para-raios é uma haste metálica colocada na parte mais alta das edificações. Ela está ligada a um fio condutor e a outra extremidade desse fio está enterrada no solo. Quando nas proximidades de uma nuvem eletrizada, a ponta do para-raios adquire cargas contrárias às da nuvem; ocorre então uma descarga elétrica entre a nuvem e a Terra. O raio se escoa através do para-raios, sem dano para o edifício. Os raios são espetáculos fascinantes e perigosos.

“”

apagão: falta geral de energia elétrica. danos: prejuízos.

Revise seus conhecimentos 1. 2. 3. 4.

2. Os prótons possuem cargas positivas e os elétrons, cargas negativas. Portanto, se atraem. 3. Um corpo eletrizado positivamente apresenta excesso de prótons.

Cargas diferentes se atraem ou se repelem? Cargas diferentes se atraem. Considerando sua resposta à questão anterior, o que ocorre entre prótons e elétrons? Um corpo eletrizado positivamente apresenta excesso de prótons ou de elétrons? tem como função captar os raios e escoá-los no solo, Qual a função de um para-raios? Odepara-raios maneira segura e eficaz. UNIDADE 6 • energia

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Aplique seus conhecimentos Em um pêndulo elétrico o bastão eletrizado atrai a bolinha do pêndulo. Contudo, depois de um certo tempo de contato, a bolinha se afasta do bastão. Por que isso ocorre? Em contato com o bastão, a bolinha adquire cargas iguais às dele e isso provoca a repulsão.

Um bastão positivo atrai elétrons da bola.

– – –

+ + + +

– – – –

+ + + + +

+ + + + +

Luis Moura

Sistema de forças

Um bastão negativo atrai prótons da bola.

Quando há contato entre a bola e o bastão, a bola se afasta. Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

Trabalhe com seus colegas Vocês farão uma pesquisa histórica. Pesquisarão sobre Benjamin Franklin. Dividam a pesquisa segundo os seguintes temas: A época em que viveu. Sua história. Suas invenções. Sua importância para a história dos Estados Unidos. Façam um cartaz com desenhos ou fotos de algumas de suas invenções e afixem no mural da sala.

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Capítulo

19

Faz pouco mais de um século que a humanidade passou a usar a eletricidade no seu cotidiano. Desde então, a rotina humana, até então agrícola e baseada nos trabalhos das pessoas e dos animais, mudou radicalmente. A comunicação era lenta e dependia muitas vezes do uso de mensageiros ou portadores a pé, a cavalo ou de barco. Com a invenção do gerador elétrico, do telefone, da lâmpada e do motor elétrico, as atividades humanas se tornaram mais rápidas e eficientes. As pessoas podiam se sentir mais seguras para andar à noite nas ruas, comunicar-se com outras a quilômetros de distância. O trabalho ficou mais fácil. A eletricidade revolucionou o modo de vida humano.

T r ocando ideias

Getty Images

A eletricidade dinâmica ou eletrodinâmica

!

Alguns locais do Brasil não têm eletricidade. Descreva o que esses lugares não podem ter para facilitar a vida diária. Você seria capaz de abrir mão da eletricidade? O que você lamentaria mais perder?

Luz elétrica, eletrodomésticos, televisão etc.

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Corrente elétrica A maioria dos aparelhos que usamos na vida diária precisam da eletricidade para funcionar. Para tanto, devem ser ligados à tomada ou terem pilhas e baterias para poderem receber a corrente elétrica. A eletricidade dinâmica ou eletrodinâmica é um conjunto de fenômenos em que o agente principal é a corrente elétrica. No interior de um fio metálico imagine uma “nuvem” de elétrons livres e desorganizados. Lembre que os átomos dos metais tendem a liberar elétrons. Em ocasiões especiais, os elétrons livres adquirem organização e dirigem-se numa mesma direção e sentido. Temos um fluxo de elétrons denominado corrente elétrica. Corrente elétrica é um fluxo organizado de elétrons. Fluxo organizado de elétrons

Luis Moura

Elétrons desorganizados

Cores-fantasia.

Os condutores elétricos, como os metais, são materiais que permitem a passagem de fluxo de elétrons. Outros exemplos de condutores são a grafite e a água salgada. Os isolantes elétricos ou dielétricos são materiais que não permitem facilmente a passagem de elétrons. Exemplos: borracha, madeira, vidro, ar, água pura, lã, seda.

Investigue e relate

Circuito simples

Luis Moura

Em uma loja de materiais elétricos, compre um pedaço de fio cabinho, uma pilha, um soquete e uma pequena lâmpada de lanterna. Descasque um pouco a ponta do fio cabinho. Depois, monte um circuito fechado como o da ilustração ao lado. Peça a ajuda de um adulto. Teste vários materiais para descobrir quais são bons condutores e quais são isolantes. Para isso, coloque cada material entre a ponta do fio descascado e a pilha. Anote suas descobertas e faça um relatório com estes itens: material usado, como foi feito, o que ocorreu.

pilha comum

polo negativo

polo positivo

elétrons elétrons

elétrons

elétrons Cores-fantasia.

Veja Manual do Professor.

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A intensidade de corrente elétrica é uma grandeza relacionada com o número de elétrons que atravessam um certo ponto do condutor durante um determinado tempo. No Sistema Internacional, a unidade de carga elétrica é o coulomb, em homenagem ao francês Charles Augustin de Coulomb (1736- 1806). A unidade de intensidade de corrente elétrica é o ampère, em homenagem ao francês André-Marie Ampère (1775- 1836). Portanto a intensidade de corrente (i) mede a quantidade de carga (Q) que atravessa o fio condutor em uma certa unidade de tempo (t). A exO amperímetro mede a intensidade da corrente elétrica. pressão que relaciona essas grandezas é: Q = i · Dt. A corrente elétrica classifica-se em contínua e alternada. Corrente contínua é aquela em que os elétrons se movimentam sempre no mesmo sentido. É a corrente produzida pelas pilhas de lanterna e baterias de carro. Corrente alternada é aquela em que os elétrons mudam rapidamente de sentido. Exemplo: a corrente elétrica das tomadas caseiras muda de sentido 60 vezes por segundo.

Fabio Colombini

Intensidade da corrente elétrica

Efeitos da corrente elétrica Luis Moura

Efeito joule calor

calor Cores-fantasia.

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A passagem de elétrons provoca um aquecimento no condutor devido à colisão de partículas no seu interior. Esse efeito de aquecimento, também chamado de efeito joule, é encontrado em chuveiros, lâmpadas incandescentes, torradeiras, secadores de cabelo etc. O efeito da corrente elétrica nos seres vivos pode provocar queimaduras graves e danos ao sistema nervoso. O choque elétrico é particularmente perigoso quando, mesmo fraco, atravessa o coração. Esse órgão possui um centro nervoso próprio, que controla a frequência do batimento cardíaco e coordena a atividade de suas diversas partes. Se a corrente entrar por uma das mãos e sair pela outra, ao atravessar o coração ela poderá interferir nesse centro nervoso, provocando descoordenação da atividade cardíaca ou até mesmo a parada dos batimentos. É por essa razão que eletricistas experientes às vezes colocam uma das mãos no bolso quando mexem com a outra numa tomada. Observe que os fios condutores são protegidos com um isolante (plástico ou borracha) e que muitos aparelhos elétricos possuem fio-terra para nos proteger de choques.

Nas lâmpadas de néon, a corrente elétrica produz luminosidade no gás nobre neônio. Esse efeito é explorado nos luminosos coloridos. UNIDADE 6 • energia

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O fio-terra permite o escoamento, diretamente do aparelho elétrico para o solo, de cargas em excesso. A corrente elétrica também provoca efeitos químicos. Quando ela atravessa uma solução contendo cátions e ânions, provoca uma reação química chamada eletrólise. Os efeitos luminosos da corrente elétrica quando atravessa gases são conhecidos por todos. Ele provoca o aparecimento de luz nas lâmpadas fluorescentes e nos relâmpagos.

Saiba mais Lâmpada incandescente e chuveiro elétrico A primeira lâmpada, criada por Thomas A. Edison em 1879, possuía filamento de carvão. A lâmpada atual é feita com filamento de tungstênio (W), que é aquecido por efeito joule até ficar incandescente. A temperatura do filamento pode atingir até 2 800° C. Por isso, ela é conhecida como lâmpada incandescente. A vida útil da lâmpada varia de 1 000 a 6 000 horas.

filamento (dupla espiral)

Luis Moura

Lâmpada incandescente

argônio ou neônio (extraiu-se o oxigênio) hastes de tungstênio (temperatura de fusão: 3 395º C)

rosca metálica isolante elétrico (não metálico)

base metálica

rosca metálica material isolante

metal

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Chuveiro tomada

Luis Moura

No chuveiro elétrico, um fio enrolado, denominado resistência (R), é aquecido por efeito joule, e o calor é transferido para a água. A resistência tem a mesma função de aquecimento em secador de cabelos, torradeira e aquecedor de ambiente. Nesses aparelhos o ar é aquecido pela resistência. Como o chuveiro elétrico também funcionam a torneira elétrica, o aquecedor central elétrico e a cafeteira elétrica.

água fria resistência elétrica

água quente Cores-fantasia.

Circuitos elétricos Circuito elétrico é um conjunto de elementos elétricos e tem função de realizar alguma atividade. Apresenta como elementos principais: geradores, resistências e receptores. O circuito está aberto quando há uma interrupção e não há passagem de corrente. Circuito fechado é aquele onde passa corrente e está se realizando um trabalho.

gerador

Circuito fechado Ilustrações: Luis Moura

Circuito aberto

gerador

chave aberta chave fechada

Imagens não proporcionais entre si.

corrente

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Geradores É qualquer aparelho que transforma energia não elétrica em energia elétrica. As baterias de automóveis e as pilhas são geradores. Outros exemplos de geradores são o termoelétrico, o nuclear e o hidroelétrico. O gerador funciona como se fosse uma “bomba de elétrons”, que joga elétrons de um ponto de menor potencial elétrico para outro de maior potencial elétrico. Sem diferença de potencial, não há corrente elétrica. Logo, a função do gerador é manter a diferença de potencial (d.d.p.) no circuito, sem a qual não haveria corrente elétrica. A d.d.p. de um gerador também é chamada voltagem ou tensão. É usado o símbolo U para representar a diferença de potencial. No Sistema Internacional, a d.d.p. é medida em volts (V), uma homenagem ao italiano Alessandro Volta (1745-1827). Em 1827, Georg Ohm verificou experimentalmente que: U = constante = R i Onde: U = d.d.p. (volt) i = intensidade de corrente (ampère). A constante de proporcionalidade foi chamada de resistência (R) do circuito. Quando uma corrente elétrica atravessa um condutor, seus elétrons colidem com as partículas desse condutor. Isso causa uma dificuldade à passagem da corrente. Resistência elétrica é a grandeza que mede a dificuldade que os elétrons encontram para se mover dentro do condutor. No Sistema Internacional, a unidade de medida da resistência é o ohm (Ω = legra grega “ômega”).

Analise a ilustração

Gerador termoelétrico

energia térmica – energia cinética – energia elétrica

vapor d’água

Luis Moura

As figuras que seguem representam três tipos de gerador: termoelétrico, nuclear e hidroelétrico. No gerador termoelétrico a energia de partida é a energia térmica obtida pelo aquecimento. No gerador nuclear a energia de partida é a energia atômica de substâncias radioativas. No gerador hidroelétrico, a energia de partida é a energia potencial da água represada. Para cada um dos casos, escreva as transformações de energia envolvidas.

turbina água caldeira calor

gerador energia térmica

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energia atômica – energia cinética – energia elétrica

vapor d’água

Luis Moura

Gerador nuclear

turbina água

gerador

Gerador hidroelétrico energia potencial gravitacional – energia cinética – energia elétrica

Luis Moura

reator nuclear energia atômica

represa

turbina

energia potencial Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

Saiba mais Fusíveis e disjuntores Os fusíveis e disjuntores são dispositivos que protegem os circuitos elétricos contra danos causados por sobrecargas de corrente, que podem provocar até incêndios, explosões e eletrocutamentos. Os fusíveis são usados nos circuitos domésticos, automóveis, aparelho eletrônicos e na indústria leve. No fusível, quando a corrente atinge a intensidade máxima tolerável, o calor gerado derrete um componente e interrompe o circuito. O tipo mais simples é composto basicamente de um recipiente tipo soquete, em geral de porcelana, cujos terminais são ligados por um fio curto, que se derrete quando a corrente UNIDADE 6 • energia

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Fotos: Fabio Colombini

que passa por ele atinge determinada intensidade. O chumbo e o estanho são dois metais utilizados para esse fim. O chumbo se funde a 327 ºC e o estanho, a 232 ºC. Se a corrente for maior do que aquela que vem especificada no fusível – 10A, 20A, 30A etc. –, seu filamento se funde (derrete). Quanto maior for a corrente especificada pelo fabricante, maior a espessura do filamento. Assim, se a espessura do filamento do fusível suporta no máximo uma corrente de 10A e por um motivo qualquer a corrente exceder esse valor, a temperatura atingida pelo filamento será suficiente para derretê-lo, e desta forma a corrente é interrompida. Os fusíveis se encontram normalmente em dois lugares nas instalações elétricas de uma residência: no quadro de distribuição e junto do relógio medidor. Além disso, eles estão presentes no circuito elétrico dos aparelhos eletrônicos, no circuito elétrico do carro etc. O fusível de cartucho consiste de um corpo oco de vidro ou plástico, cujo elemento condutor está ligado interiormente a duas cápsulas de metal, os terminais, localizados nas extremidades. O disjuntor é uma chave magnética que se desliga automaticamente quando a intensidade da corrente supera certo valor. Tem sobre o fusível a vantagem de não precisar ser trocado. Uma vez resolvido o problema que provocou o desligamento, basta religá-lo para que a circulação da corrente se restabeleça.

Existem diversas formas de fusíveis.

Os disjuntores são soluções mais modernas para a prevenção de uma sobrecarga.

Luis Moura

Circuito em paralelo

co rr e

co rr e

corrente principal

nt

e

nt

e

pi lh

As lâmpadas em nossa casa estão ligadas em paralelo. A corrente elétrica principal se divide em várias secundárias, e cada lâmpada será atravessada por uma corrente independente. Podemos desligar uma lâmpada, mas as outras continuarão funcionando!

a

Em série ou em paralelo?

chave aberta Cores-fantasia.

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Outra maneira de instalar várias lâmpadas é o circuito em série. Nesse caso, todas as lâmpadas serão atravessadas pela mesma corrente. Se abrirmos o circuito, todas as lâmpadas se apagarão.

Luis Moura

Circuito em série

Potência elétrica Um chuveiro elétrico aquece rapidamente a água; logo, é um aparelho com muita potência. A potência elétrica é dada pela fórmula: P = U.i Cores-fantasia. No Sistema Internacional, a unidade de potência é o watt (W). O watt é a potência de uma corrente de 1A, em um condutor submetido a uma diferença de potencial de 1V. A unidade watt pode ser dada pela relação: potência =

trabalho (energia) tempo

Assim, 1 watt (1 W) é igual à relação entre 1 joule sobre 1 segundo. Uma lâmpada de 100 W consome uma energia de 100 J a cada segundo. O consumo de energia elétrica em nossa casa é dado em quilowatt-hora (kWh).

Em outras palavras

“”

agente: sujeito da ação, aquele que atrai. colisão: trombada. incandescente: que emite luz por aquecimento.

Revise seus conhecimentos 1. O metal é um bom condutor de corrente elétrica. O que você entende por corrente elétrica? Corrente elétrica é um fluxo organizado de elétrons.

2. O que significa dizer que um circuito está fechado?

Circuito fechado é aquele por onde passa corrente e está realizando um trabalho.

3. Qual a função principal de um gerador em um circuito elétrico? A função do gerador em um circuito elétrico é manter uma diferença de potencial (d.d.p.).

4. Quando uma corrente elétrica passa por um fio condutor, poderá provocar aquecimento desse fio. Como se chama esse fenômeno? Cite dois aparelhos eletrodomésticos que funcionam com base nesse princípio. O aquecimento do fio causado pela passagem de uma corrente elétrica se chama efeito joule. O chuveiro, a lâmpada incandescente, a torneira elétrica e aquecedores elétricos funcionam com base neste princípio.

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5. Na sua escola, quando se acende a luz de uma sala, as lâmpadas das demais salas não são afetadas. Elas estão ligadas em série ou em paralelo? As lâmpadas de residências, escolas etc. são normalmente ligadas em paralelo. Elas podem ser acesas ou apagadas independentemente umas das outras.

6. A água comum contém sais; isso a torna boa condutora de eletricidade. Qual a relação entre esse fato e um “choque elétrico”? Veja Manual do Professor. 7. A corrente elétrica, quando atravessa um gás, pode provocar luminosidade. Cite um fenômeno natural em que isso ocorre. Os raios durante as tempestades ocorrem entre as nuvens e o solo, aquecendo o ar durante sua passagem, produzindo luz intensa.

8. Lembrando que Q = i · Dt, calcule: a) a quantidade de carga que atravessa um circuito com i = 20 A durante 30 s; 600 C b) a intensidade de corrente em um circuito no qual, após 30 s, atravessou uma quantidade de carga de 750 C; 25 A c) o tempo necessário para que atravesse uma carga de 1 000 C com intensidade de corrente 40 A. 25 s 9. Em um circuito elétrico, qual a função de um receptor? Receptor é o aparelho que converte energia elétrica em qualquer outro tipo de energia.

Aplique seus conhecimentos Você e seu grupo devem fazer uma lista com a potência dos aparelhos elétricos e eletrônicos usados em casa. Como estudamos neste capítulo, o consumo de uma casa é dado em quilowatt-hora. Com a lista em mãos vocês deverão marcar durante uma semana quanto tempo os aparelhos ficaram ligados. Para facilitar, cada colega do grupo ficará responsável por um cômodo da casa. Por exemplo, um marca os aparelhos da cozinha; o outro, o do quarto; o outro, o da sala. Depois de anotado por quanto tempo foram usados os aparelhos, vocês deverão fazer um cálculo simples. 1 000 W de potência corresponde a 1 kW/h de energia. Seja, divida a potência de seu aparelho por 1 000 e multiplique pelo número de horas usadas durante a semana. Ex.: um aspirador com potência de 600 W, utilizado durante uma hora durante 7 dias, terá o seguinte cálculo: 600/1 000 x 7 = 4,2 kWh ao final de um mês. Anote na lista ao lado de cada aparelho o valor do consumo. Depois da lista pronta façam uma checagem de qual cômodo da casa gasta mais energia. Multipliquem os valores por 4 e vocês vão obter o consumo aproximado em um mês. Com esses valores nas mãos, discutam na sala com o professor e os outros grupos algumas soluções para economizar energia.

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Veja a seguir uma lista do consumo médio de alguns aparelhos elétricos: APARELHO

POTÊNCIA médIA Watts

NO dE dIAS dE uSO/mÊS

TEmPO médIO dE uSO/dIA

CONSumO médIO mENSAL

Aparelho de som

100

30

4h

12

Aspirador de pó

600

4

1h

0,41

Bomba d’água

300

30

2h

18

Chuveiro elétrico

4 400

30

40 min**

88

Computador

500

20

2h

30

Enceradeira

300

4

30 min

4,50

Ferro elétrico

1 000

8

2h

16

Forno de micro-ondas

1 300

30

20 min

13

Freezer

400

30

10h*

120

Geladeira simples

200

30

10h*

60

Lavadora de louças

1 500

30

40 min

30

Tanquinho

300

8

2h

4,8

TV/em cores – 20”

200

30

5h

30

Videocassete

100

15

2h

3

(*)

Tempo médio de utilização de 10h para geladeira e freezer se refere ao período em que o compressor fica ligado para manter o interior na temperatura desejada. (**) Considerando 5 (cinco) banhos de 8 (oito) minutos cada.

Trabalhe com seus colegas Façam uma pesquisa em livros e na internet para descobrir um pouco sobre a história da eletricidade. Descubram o nome dos principais cientistas relacionados com as pesquisas sobre a natureza da eletricidade e como chegaram a suas conclusões. Apresentem a pesquisa para a classe e depois elejam a melhor pesquisa. Exemplos de nomes: Tales de Mileto, William Gilbert, Benjamin Franklin, Charles Augustin de Coulomb, Alessandro Volta, Ampére, Ohm, Pouillet, Joule, Michael Faraday, Kirchhoff, Hans Christian Oersted etc.

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20

Capítulo

Magnetismo e eletromagnetismo

O físico e químico inglês Faraday era um homem curioso e fez muitas descobertas. Filho de um ferreiro, teve origem simples, por isso precisou trabalhar desde a infância, no ofício de encadernador. Mas já gostava de ciências e graças a isso foi trabalhar como ajudante no laboratório do cientista Humphry Davy. Anos mais tarde, Faraday substituiria Davy como professor de Química na instituição onde Davy tinha seu laboratório. Primeiramente, Faraday deteve-se no estudo da Química e fez importantes descobertas. Depois, passou para a Física e suas descobertas são sobre o eletromagnetismo. Em 1821, Faraday definiu o campo magnético existente ao redor dos condutores de eletricidade. Em 1831 determinou a existência do fenômeno da indução eletromagnética. Em seus experimentos, verificou que, quando uma corrente elétrica passava por uma bobina de fios condutores, esta induzia uma corrente similar em outras bobinas próximas. Assim, a corrente gerada nas outras bobinas era gerada pelo campo magnético da bobina inicial. Então, começou a pesquisar sobre a possibilidade da geração de eletricidade por uma bobina que se move em um campo magnético e, logo mais, projetou o primeiro gerador elétrico: o dínamo. Mais tarde, o mesmo princípio determinado por Faraday levaria à invenção do motor elétrico.

T r ocando ideias

!

Quais objetos que você usa possuem motores elétricos? Exemplos: geladeira, máquina de lavar roupas, bombas de água etc.

Que transformação de energia acontece nesses aparelhos? Nos motores elétricos ocorre a transformação de energia elétrica em mecânica.

Eles tornam mais confortável sua vida? Sim, facilitam muitos dos serviços domésticos e em geral.

Você acha que a tecnologia melhora a qualidade de vida das pessoas? Leia no Manual do Professor.

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Os ímãs Os antigos gregos descobriram, na cidade de Magnésia (Ásia Menor, hoje Turquia), que um minério de ferro atraía outros materiais. Esse minério de ferro, a magnetita, foi chamado de ímã, e o fenômeno, de magnetismo. Em meados do século XVIII, com a Revolução Industrial, começaram a ser produzidos os ímãs artificiais, geralmente com a forma de ferradura ou barra. Esses ímãs são obtidos atritando-se um pedaço de ferro com um ímã natural ou artificial. Nem todos os materiais são atraídos. Os que são recebem o nome de paramagnéticos e, se a atração for muito forte, o material é dito ferromagnético, como o ferro, o cobalto e o níquel. Um ímã possui polos. Colocando-se um ímã próximo de limalha de ferro, notamos que apenas suas extremidades atraem a limalha. Estes são os polos do ímã. Portanto, polo do ímã é a região onde as forças magnéticas agem mais intensamente. A região intermediária entre os polos não tem ação magnética. É uma região neutra. A ação magnética de um ímã diminui se ele for aquecido. Uma agulha imantada orienta-se na direção norte-sul da Terra. Os cientistas denominaram polo norte do ímã a extremidade voltada para o norte geográfico. A outra extremidade da agulha será seu polo sul. Nos ímãs comuns, o polo norte geralmente é pintado de vermelho. Os polos de um ímã são inseparáveis. Se cortarmos um ímã, obteremos dois ímãs. Se imaginarmos um grande número de cortes, chegaremos à conclusão de que cada átomo deve funcionar como um pequeno ímã, todos ordenados.

Ilustrações: Luis Moura

Ímãs artificiais

região neutra

polo norte

polo sul

polos

polos inseparáveis

norte e sul

norte

sul

cores-fantasia

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Analise a ilustração Penduramos uma barra imantada por um fio e dela aproximamos outra barra imantada. Luis Moura

Comportamento dos ímãs

Cores-fantasia.

Os polos contrários se atraem ou se repelem? Eles se atraem. Os polos iguais se atraem ou se repelem? Eles se repelem.

A bússola é um instrumento para encontrar direções. Consiste em um ponteiro magnetizado livre que se alinha de maneira precisa com o campo magnético da Terra. As bússolas indicam o sentido do norte magnético da magnetosfera do planeta. Qualquer instrumento com uma barra magnetizada ou agulha girando livremente sobre um pivô e apontando para o norte e o sul pode ser considerado uma bússola. Atribui-se sua origem aos chineses por volta do ano 2000 a.C., mas foi durante a época das navegações que ela começou a ser usada como instrumento principal de orientação marítima.

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O magnetismo terrestre

A bússola sempre aponta para o norte magnético da Terra.

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A agulha de uma bússola se orienta em relação à Terra. Isso significa que o próprio planeta funciona como um imenso ímã. Lembrando que polos contrários se atraem e que um ímã tem seu polo norte magnético dirigido para o Polo Norte geográfico, chegamos à conclusão de que o norte magnético da bússola se orienta para o sul magnético da Terra e o sul magnético da bússola se orienta para o norte magnético da Terra. (Observe as seguintes ilustrações.) Polos magnéticos terrestres Luis Moura

Polo Norte geográfico

polo magnético sul

Luis Moura

Magnetismo terrestre

sul magnético

S

N

ímã ura

nat l da

Terra

a Terr

ímã externo (agulha da bússola)

N Polo Sul geográfico

polo magnético norte

norte magnético

S

Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

Saiba mais Os pombos são capazes de viajar longas distâncias e sempre voltam para determinado lugar, sem nunca se perderem. Recentemente os cientistas descobriram que essas aves têm algo parecido com uma bússula no bico. São minúsculas partículas de ferro que permitem que essas aves se orientem pelo campo magnético da Terra. Para chegarem a essa conclusão, os cientistas colocaram imãs no bico superior dos pombos para saber se haveria alguma interferência da capacidade de orientação das aves. Resultado: em torno de si, dessa forma, as “agulhas” presentes no bico dos pombos-correio passavam a se orientar por este campo magnético e não pelo da Terra! Assim, as aves ficaram desorientadas.

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Com uma bússula no bico

Pombos.

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Linhas de força do campo magnético

Linhas de força do campo magnético da Terra norte geográfico

S

Fabio Colombini

Nós não vemos o campo magnético. Mas, quando colocamos uma folha de papel sobre um ímã e nessa folha jogamos limalha de ferro, podemos ver a atuação do ímã, ou seja, seu campo magnético, pois as limalhas se organizam acompanhando as linhas de força. (Observe a ilustração ao lado.) No planeta Terra, as linhas de força do campo magnético se orientam do Polo Norte para o Polo As linhas mostram a ação do campo magnético. Sul. As ações magnéticas são mais intensas nos polos, onde as linhas se concentram. (Observe as ilustrações em seguida.)

lustrações: Luis Moura

O campo magnético

N sul geográfico

Cores-fantasia.

Cores-fantasia.

No século XIX, Hans Christian Oersted descobriu que a passagem de corrente elétrica em um fio gera em torno dele um campo magnético. A agulha da bússola colocada perto do circuito elétrico sofre desvio porque a corrente elétrica cria um campo magnético no fio. Esse é o princípio básico do eletroímã. No eletroímã, temos um fio enrolado em uma barra de ferro chamada núcleo. Um gera dor produz corrente elétrica, e o campo magnético criado transforma a barra de ferro em um ímã. Quando o gerador é desligado, a barra de ferro de desmagnetiza. Os eletroímãs são muito usados em motores Eletromagnetismo elétricos, telefones, campainhas etc. S –

+

N

Luis Moura

Eletroímã

bússola

gerador (pilhas)

Luis Moura

O eletromagnetismo

circuito aberto

elétrons S

N

núcleo

circuito fechado Cores-fantasia.

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Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

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Investigue e relate Para esta investigação você vai precisar de um ímã, uma agulha, uma rolha e uma vasilha com água. Esfregue o ímã na agulha sempre no mesmo sentido durante alguns minutos. Verifique se a agulha ficou imantada encostando-a em uma superfície metálica: se ficar grudada, é sinal de que está bem imantada. Pegue a vasilha com água e sobre ela coloque a rolha (ou mesmo uma folha seca que aguente o peso da agulha). Coloque a agulha sobre a rolha e observe. A agulha irá girar até ficar alinhada com o norte. Verifique se a direção está correta com um mapa ou pela posição do Sol. Pinte o lado da rolha que aponta para o norte de vermelho. Experiente girar a vasilha e veja o que acontece com a agulha. A agulha retornará a apontar para o norte.

Em outras palavras dito: chamado. induzia: criava.

“”

Revise seus conhecimentos 1. Quais afirmativas a seguir estão incorretas? Anote-as e justifique sua resposta em seu caderno. a) Ímãs atraem ferro. correta b) Ímãs atraem madeira. incorreta c) Todo ímã possui polo norte e polo sul. correta d) O polo norte do ímã aponta para o Polo Norte geográfico da Terra. correta e) Entre dois ímãs, polos contrários se repelem. incorreta 2. O que ocorre se você aquecer um ímã? Sua ação magnética diminui. Cada parte se tornará um novo ímã com seus 3. Cortando um ímã ao meio, o que acontecerá? respectivos polos sul e norte. possui um ponteiro magnetizado livre, de maneira que se 4. Como funciona uma bússola? Ela alinha de forma precisa com o campo magnético da Terra. 5. Qual o princípio geral de funcionamento do eletroímã? Consiste em um fio enrolado em uma barra de ferro chamada núcleo. Um gerador produz corrente elétrica, e o campo magnético criado transforma a barra de ferro em um ímã. Quando a corrente cessa, a barra de ferro se desmagnetiza.

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Aplique seus conhecimentos

NG = Norte geográfico

NG

NM = Norte magnético

NM

Luis Moura

Observe a figura a seguir e decida se ela está correta. Confira na página 199.

N

ímã (agulha de uma bússola) SG = Sul geográfico SM = Sul magnético

SM

S

SG Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

Trabalhe com seus colegas O eletromagnetismo tem participado das inovações tecnológicas. Ele está presente nas comunicações, nos transportes, na saúde. Você e seus colegas deverão fazer uma pesquisa que mostre onde e como é aplicado o eletromagnetismo. Essa pesquisa tem que levar em conta os pontos positivos e os pontos negativos dessa aplicação. Façam um relatório e comparem com os dos outros grupos.

Olhar de cidadania No Brasil, a água é a principal fonte de energia elétrica. As usinas hidrelétricas produzem cerca de 74% da capacidade total de oferta. O restante da energia consumida no país provém de fontes termelétrica, eólica, solar, a óleo e gás. 200

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Itaipu Binacional/Divulgação

As fontes de energia podem ser classificadas em renováveis e não renováveis. As fontes não renováveis são as que se esgotam à medida que são utilizadas, como petróleo, carvão mineral, gás natural e a fonte nuclear. Já as fontes renováveis podem ser reutilizadas ou se renovam naturalmente, como a hidrelétrica, eólica, solar, biomassa e geotérmica. A maioria das fontes renováveis é vista como alternativa, pois, exceto as hidrelétricas, ainda não produzem muita eletricidade no planeta, o que está sendo cada vez mais pesquisado. Menos poluentes, as fontes renováveis preservam o meio ambiente. Embora seja considerada como um modo limpo de produzir energia, a hidrelétrica destrói o ambiente, pois a água Usina Hidrelétrica de Itaipu. represada nas barragens inunda grandes áreas, causando prejuízos à fauna, à flora e às pessoas que vivem nessas regiões. Por isso, quanto menos energia elétrica consumirmos, mais poupamos o ambiente. Quanto maior o desperdício de energia, maior é o preço que você e o meio ambiente pagam por ela. Ao usar a energia elétrica de maneira correta, você economiza na conta de luz e ainda ajuda o País a preservar suas reservas ecológicas e, consequentemente, a vida do planeta. Para economizar energia siga estas recomendações: • Nos dias quentes, coloque o chuveiro na posição “verão”. Nesta posição, o consumo será cerca de 30% menor do que na posição “inverno”. • Deixe o chuveiro ligado somente o tempo necessário para o banho. Os banhos demorados custam muito caro. • Limpe periodicamente os orifícios de saída de água do chuveiro. Nunca reaproveite uma resistência queimada. Isso provoca o aumento do consumo e coloca em risco sua segurança. • Evite acender qualquer lâmpada durante o dia, acostumando-se a usar mais a iluminação natural. • Abra janelas, cortinas, persianas e deixe a luz do dia iluminar sua casa. • Apague sempre as lâmpadas dos ambientes desocupados. • Utilize somente lâmpadas de 110, 127 ou 220 volts compatíveis com a voltagem da rede da sua cidade. Lâmpadas de voltagem menor do que a da rede duram menos e queimam com facilidade. • Limpe sempre lâmpadas, luminárias e lustres. • Instale a geladeira em local bem ventilado, desencostada de paredes ou móveis, longe de raios solares e fontes de calor, como fogões e estufas. • Guarde ou retire alimentos e bebidas de uma só vez. Assim, você não ficará abrindo a porta da geladeira sem necessidade. • Nunca coloque alimentos quentes ou recipientes com líquidos destampados na geladeira. • Não deixe o televisor ligado sem necessidade. • Ligue a máquina de lavar roupa quando houver roupas para a capacidade máxima de roupas indicada pelo fabricante. • O ferro elétrico deve ser usado quando houver roupas em quantidade suficiente para passá-las.

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Galileu Galilei e a observação dos astros, século XVII.

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Unidade

7

Ondas

A dúvida é a mãe da criatividade.

Getty Images

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Galileu Galilei

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Luneta antiga.

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Capítulo

21

O som e as ondas

Marcos D’Paula/AE

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É muito difícil encontrar um ambiente com silêncio completo, isto é, com total ausência de sons. Há ambientes com sons agradáveis, como um concerto de música, e outros desagradáveis, como a sirene de uma ambulância ou a broca do dentista. Existem sons que incomodam e nos deixam de mau humor. Outros podem afetar nossos tímpanos, como o som de uma explosão. Acústica é a parte da Física que estuda os sons. Fonte sonora é qualquer corpo que faz o ar vibrar com ondas de frequência e amplitude detectáveis pelos nossos ouvidos. As fontes mais variadas e ricas em sons são os instrumentos musicais: instrumentos de percussão (como tambor, atabaque, bongô, bateria e xilofone); instrumentos de corda (como violino, viola, contrabaixo, harpa, piano e violoncelo); instrumentos de sopro (como clarineta, flauta, flautim, oboé, fagote, órgão de sopro e saxofone). Cada instrumento musical emite notas com timbre diferente do dos demais instrumentos. Isso dá ao instrumento uma qualidade particular, que o torna único.

Para alguns, a orquestra sinfônica produz sons agradáveis, enquanto, para outros, os sons de uma banda são agradáveis.

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T r ocando ideias

!

Você sabia que o som é uma onda? O que é onda?

É uma forma de propagação de energia, sem transporte de matéria, provocada pela oscilação de uma fonte.

Que sons você acha agradáveis? Que sons são desagradáveis?

Música, canto dos pássaros etc.

Britadeira, som do trânsito, buzinas etc.

Quando você atira uma pedra em um lago, observa a formação de ondas. No choque, a energia cinética da pedra foi transmitida para a água. Houve uma perturbação, que se propaga pela superfície da água. É o que denominamos onda. Quando seguramos a extremidade de uma corda presa a uma parede e fazemos um movimento rápido com a mão, de cima para baixo, provocamos uma perturbação, com formação de uma onda, denominada pulso. O ponto inicial onde A ave provoca uma onda (perturbação) na superfície do lago. ocorre a perturbação se chama fonte. Não há transporte de matéria. Os pontos da corda apenas sobem e descem. A energia, no entanto, é transportada. A mão fornece energia cinética para a corda e essa energia se propaga na forma de uma onda. A onda foi provocada por um movimento oscilatório da fonte. Portanto, podemos dizer que uma onda é uma forma de propagação de energia, sem transporte de matéria, provocada pela oscilação de uma fonte.

Luis Moura

Formação de uma onda transversal

Fabio Colombini

Como são as ondas

fonte

pulso (onda)

pulso (onda)

pulso (onda) Cores-fantasia.

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Elementos da onda

Luis Moura Mehau Kulyk/Stock Photos

As ondas transversais apresentam osOndas longitudinais cilação perpendicular à direção de propagação da onda, como a onda produzida pela corda. Já nas ondas longitudinais, temos um pulso processo do tipo compressão-expansão: a onda vibra na mesma direção da propagação. O som é uma onda longitudinal. Há ondas que se propagam linepulso armente, como ocorre nas cordas. Há outras que se propagam em meios bidimensionais, isto é, numa superfície. Os círculos formados quando uma pedra cai pulso direção da propagação na água são as ondas que se propagam Cores-fantasia. bidimensionalmente. E existem também ondas que se propagam em um meio tridimensional, ou seja, no espaço. É o que ocorre quando uma fonte emite ondas eletromagnéticas (rádio, tevê, luz) ou som no ar. Elas se propagam em todas as direções do espaço.

Em um movimento ondulatório, poderemos identificar três elementos principais: comprimento de onda, frequência e período. O comprimento de onda é representado pela letra grega lambda (λ) e corresponde à distância entre duas cristas consecutivas ou dois vales consecutivos. As ondas de rádio são ondas tridimensionais.

Luis Moura

Comprimento de onda comprimento de onda λ crista

crista

vale λ

vale λ

Cores-fantasia.

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A frequência (f) é o número de ondas, ciclos, vibrações ou pulsos em um segundo. Mede-se a frequência contando o número de cristas ou vales em um espaço de tempo. Uma onda de baixa frequência tem comprimento longo, enquanto uma onda de alta frequência tem comprimento curto. A unidade de frequência no Sistema Internacional é o hertz (Hz), em homenagem ao físico alemão Heinrich Hertz (1854-1894). Assim, 1 Hz corresponde à passagem, por um dado ponto, de uma onda por segundo. Uma frequência de 50 Hz corresponderia a 50 ondas (ciclos) por segundo. O período de uma onda é o intervalo de tempo entre a passagem de duas ondas consecutivas. Corresponde também ao tempo gasto pela fonte para executar 1 vibração completa (1 pulso). Na ilustração seguinte, a fonte realizou uma vibração completa, ou seja, um ciclo completo. O tempo gasto é o período (T). Durante um intervalo de tempo correspondente a 2 períodos (T), a fonte executou 2 vibrações completas (2 pulsos). Isso permite concluir que período (T) é o tempo necessário para a onda percorrer uma distância igual ao seu comprimento de onda (λ). A frequência e o período estão correlacionados.

Ilustrações: Luis Moura

λ

1 pulso

1 pulso

1 pulso

Cores-fantasia.

Uma onda com frequência 20 Hz, ou seja, 20 ciclos/s, a cada segundo tem 20 vibrações. Logo, o intervalo de tempo gasto pela fonte para cada vibração será de 1/20 segundo.

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Portanto: T = 1 , sendo: T = período e f = frequência f

Contando o número de ondas do mar que passam, por exemplo, em um minuto, você obterá a frequência daquele movimento ondulatório. UNIDADE 7 • ondas

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Som

Propagação do som λ

λ

expansão

alto-falante

λ

Luis Moura

Qualquer tipo de som é uma onda longitudinal, do tipo “expansão-compressão”, que sensibiliza nossos tímpanos. Esse tipo de onda se propaga somente pela vibração das moléculas em um meio material. Na ausência delas não há som; ele não se propaga no vácuo. Assim, dizemos que uma fonte é sonora quando emite energia na forma de ondas longitudinais que podem impressionar nossos ouvidos. As características do som são as que seguem: • o som se propaga em todas as direções e é uma onda tridimensional; assim, uma música pode ser ouvida simultaneamente por milhares de pessoas; • sendo uma onda, o som necessita de matéria para se propagar; ele se propaga no ar, nos sólidos e na água, mas não se propaga no vácuo; • a propagação do som pode ser comparada com as ondas longitudinais de uma mola. A membrana de um alto-falante comprime e expande o ar, produzindo sons; • a velocidade de propagação do som depende do material por onde ele se transmite. O som se propaga mais rápido em meio sólido, sendo mais lento em meio líquido e muito mais lento em meio gasoso.

compressão

λ

λ

λ

Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

A reflexão do som na concha acústica provoca um reforço da onda sonora, chamado reverberação, tornando o som mais audível.

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Haroldo Palo Jr./Kino

Luciana Whitaker/Pulsar

• o som se reflete e por isso, quando estamos próximos de uma fonte sonora, podemos ouvir o som que sai da fonte e se propaga diretamente para nossos ouvidos, bem como o som que bate nas paredes, no chão, no teto e chega aos nossos ouvidos.

Um morcego, em seus voos noturnos, desvia-se até de fios metálicos. Para isso, ele emite ultrassons e recebe os sinais refletidos, como um sonar.

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Analise a tabela A tabela ao lado mostra a velocidade do som nos respectivos materiais.

Material à temperatura de 20° C

Velocidade do som (m/s)

Ar

340

Água pura

1 500

Água do mar

1 531

Alumínio

5 000

Ferro

5 120

Vidro

5 170

Como a densidade de um material influencia a velocidade de propaQuanto mais denso o material, gação do som? mais próximas estarão suas moléculas, facilitando a transmissão da onda.

Por que a velocidade é diferente na água pura e na água do mar?

Porque a água do mar é mais densa que a água pura.

A audição humana

Orelha humana canal ossículos moléculas em expansão

Luis Moura

A orelha humana é um detector de ondas sonoras na faixa de frequência de 20 Hz a 20 000 Hz. Nós não captamos sons abaixo de 20 hertz (infrassom), nem acima de 20 000 hertz (ultrassom). Alguns animais como os gatos ouvem até 50 000 Hz, as baleias até 100 000 Hz e os morcegos até 120 000 Hz. As ondas sonoras captadas pela orelha externa entram pelo canal da orelha e batem no tímpano. Ele vibra e transmite as vibrações para ossículos situados na orelha média, que por sua vez transmitem as vibrações para um líquido, e elas chegam até os nervos, que enviam os impulsos até o cérebro.

moléculas em compressão

fonte sonora

tímpano Cores-fantasia.

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Nós distinguimos sons fortes, fracos, graves, agudos, metálicos etc. Essas qualidades do som são fisiológicas, porque se relacionam diretamente com nossos tímpanos. Elas são classificadas em altura, timbre, intensidade. Altura é a qualidade associada à frequência do som, que pode ser grave ou agudo. Quanto mais baixa a frequência, mais grave o som. É o som da tuba e o da voz masculina, por exemplo. Quando se aumenta a frequência, o som se torna agudo. É o caso do violino e da voz feminina. Timbre é a qualidade que permite distinguir os sons de dois instrumentos diferentes, quando eles emitem a mesma nota musical. Intensidade é a qualidade que nos permite perceber quando um som é forte ou fraco. Intensidade não é altura. Uma pessoa gritando está emitindo um som forte, de alta intensidade. Mas o grito pode ser grave (baixa frequência, pequena altura) ou agudo (alta frequência).

Investigue e relate Este experimento lhe permitirá verificar a propagação do som. Você vai precisar dos seguintes materiais: • 2 copos descartáveis ou 2 latas de leite vazias; • 4 metros de barbante. Faça um furo na base do copo ou da lata e introduza o fio e prenda-o com um nó. Chame um colega e peça-lhe para pegar um dos copos, encostando-o no ouvido. Com o outro copo na mão, estique bem o fio. Fale alguma coisa. Seu colega deverá distinguir o que você está O copo vibrará com a fala. A vibração será transmitida para o fio (que deve sempre estar esticado), transmitindo a falando. vibração para o outro copo e consequentemente para o ouvido do colega. Leia no Manual do Professor.

A barreira do som O voo de um avião provoca uma onda de choque que se desloca com a velocidade do som no ar (340 m/s ou 1 224 km/h). Quando o avião está mais lento que o som, a onda de choque, mais rápida, estará sempre à sua frente. Mas, quando atinge a velocidade do som, ele colide com a onda de choque e ocorre um estrondo. Os aviões que podem romper a barreira do som são denominados supersônicos e possuem um formato pontiagudo para facilitar a passagem pelas ondas de choque. Em aeronáutica, usa-se a unidade mach para indicar a velocidade do som. Um mach equivale a 1 224 km/h. Essa unidade é uma homenagem ao físico e filósofo austríaco Ernest Mach (1838-1916), conhecido pelas brilhantes experiências em óptica e acústica. 210

Alexey Baskakov

Saiba mais

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Em outras palavras

“”

captadas: recebidas. perturbação: alteração aparentemente desordenada das características de um meio físico.

Revise seus conhecimentos 1. Onda é uma forma de propagação de energia. Classifique em transversal ou longitudinal: a) as ondas produzidas pela vibração das cordas de um violão; transversal b) as ondas produzidas quando uma mola sofre um processo de compressão-expansão; longitudinal c) o som; longitudinal d) a luz. transversal 2. Um marinheiro contou seis ondas de mar em 1 minuto. a) Qual a frequência (f) em ondas por segundo? 0,1 Hz. b) Qual o período (T) daquele fenômeno ondulatório? 10 s. 3. Transcreva em seu caderno as afirmativas incorretas, corrigindo-as. a) O som é uma onda transversal. Incorreto. Som é uma onda longitudinal. b) O som é uma onda longitudinal, do tipo compressão-expansão. Correto. c) O som se propaga facilmente no vácuo. Incorreto. O som não se propaga no vácuo. d) O som somente se propaga em meios materiais. Correto. 4. O som se propaga em uma única direção ou é uma onda tridimensional? Dê um exemplo é uma onda tridimensional, pois se propaga em todas as direções. Isso pode que demonstre sua resposta. Osersom notado, por exemplo, em um teatro, onde o som é ouvido em toda a plateia. 5. A velocidade do som no ar é igual a 340 m/s. Se você estivesse a 680 m de um cachorro, quanto tempo levaria para escutar o seu latido? 2 s. 6. Quando você observar um relâmpago e, 3 s após, escutar o trovão, a que distância estará da descarga elétrica? (Dado: velocidade do som no ar 340 m/s) A 1 020 metros. 7. Explique o que é reflexão do som e como funciona uma concha acústica. Leia no Manual do Professor.

8. Qual é a qualidade que nos permite distinguir um som agudo de um som grave? A altura, que é a qualidade fisiológica associada à frequência do som. Quanto mais baixa a frequência, mais grave o som. Quando se aumenta a frequência, o som se torna agudo.

9. Qual é a qualidade que nos permite identificar a fonte que emitiu o som? O timbre é a qualidade que permite distinguir os sons de fontes diferentes.

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Aplique seus conhecimentos 1. Eco é o fenômeno em que se ouve o som refletido por obstáculos. Para um som qualquer, o tempo de acomodação do nosso ouvido é de 0,1 s. Podemos perceber dois sons diferentes se o intervalo de recepção for maior que 0,1 s. Considere que a velocidade do som no ar seja de 350 m/s. Qual é a distância mínima que um homem deve estar de um objeto refletor para que ele Deve ficar situado no mínimo a 17,5 m do objeto refletor, para que o percurso possa ouvir o eco de sua voz? do som desde a emissão ao retorno seja de 35 m, que corresponde ao percurso do som em 0,1 s.

2. Para saber se o trem está chegando, o que é mais eficiente: esperar para ouvir o barulho que ele faz ou encostar a orelha no trilho?

AbleStock

Encostar a orelha no trilho.

O som das rodas do trem se propaga pelos trilhos.

Trabalhe com seus colegas Pesquise com seus colegas as aplicações do som na vida de todo dia. Levem em consideração o uso do som na medicina, na geologia, na comunicação, na diversão. Façam uma redação intitulada: os usos que fazemos dos sons. Sugestões: ultrassom, sonar etc.

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Capítulo

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A luz e as ondas

Daniel Esgro Photography/Getty Images

Os raios laser são feixes luminosos especiais capazes de percorrer longas distâncias sem se espalhar. Esses raios são muito energéticos e possuem aplicação em vários campos, como na medicina cirúrgica, em corte de materiais em indústrias etc. A palavra inglesa laser é uma sigla da expressão: light amplification by the stimulated emission of radiation (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação). O raio laser é um feixe de raios de luz concentrada.

T r ocando ideias

!

Você já viu um raio laser? O que é a luz visível? Existe visão sem luz? O que é o arco-íris?

A luz é um tipo de onda Enquanto o som se propaga por ondas mecânicas, que exigem um sólido, um líquido ou um gás para se propagar, o mesmo não acontece com a luz. A luz é uma onda eletromagnética. As ondas de rádio e da televisão, os raios infravermelhos, e ultravioleta, as micro-ondas, os raios X e os raios gama também são ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas são ondas transversais que se propagam em qualquer meio material (líquido, sólido ou gasoso), e até mesmo no vácuo. UNIDADE 7 • ondas

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As ondas são formas de propagação de energia produzidas por uma fonte oscilatória. As ondas eletromagnéticas são produzidas por oscilações de elétrons ou de núcleos atômicos. A velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo é de 300 mil km/s. Isso significa que um corpo à velocidade da luz percorreria 300 mil quilômetros, ou seja, aproximadamente 750 vezes a distância Rio-São Paulo, em apenas 1 segundo. A velocidade de 300 mil km/s é considerada como valor-limite, ou seja, nada no Universo consegue ultrapassar essa velocidade. Para medir distâncias em astronomia, foi criada uma unidade especial: o ano-luz. Ano-luz é a distância que a luz percorre, no vácuo, em um ano. A Via Láctea, por exemplo, tem diâmetro de 100 mil anos-luz. Isso significa que uma nave espacial, se pudesse viajar à velocidade da luz, levaria 100 mil anos para percorrer o diâmetro da galáxia! E os astrônomos falam com naturalidade em 50, 100, 200 milhões de anos-luz...

Pense e responda

?!

A distância entre o Sol e a Terra é de 150 000 000 km. Quanto tempo a luz do Sol leva para chegar à Terra? 500 s ou 8 minutos e 20 segundos.

O espectro eletromagnético Existem muitos tipos de ondas eletromagnéticas, com os mais variados valores de energia. O conjunto de ondas eletromagnéticas constitui o espectro eletromagnético.

Espectro das Ondas (Radiações) Eletromagnéticas Raios cósmicos (do espaço interestelar) Raios gama (dos materiais radioativos)

Frequência (Hz) aumenta Energia aumenta

Raios X Raios beta (dos materiais radioativos) Ultravioleta

Luz visível (luz branca)

Violeta Anil Azul Verde Amarelo Laranja Vermelho

Infravermelho (calor) Micro-ondas TV (UHF) TV (VHF) Ondas curtas Ondas médias (AM, FM) Ondas longas 214

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• • • • • •

Os rádios recebem ondas médias, com comprimentos de onda (λ) de 185 a 560 m. Os raios X, usados em radiografias, possuem λ ≅ 10-9cm, ou seja, 0,000 000 001 cm! Quanto menor o valor de λ, mais perigosa é a radiação. O calor do Sol chega até nós através das ondas infravermelhas (λ = 0,001 cm), que também podem ser produzidas por lâmpadas especiais. No forno de micro-ondas, temos radiação com λ = 0,1 cm, que agita as moléculas no ar, provocando o aquecimento do alimento. A parte visível da luz solar é constituída pelas sete cores do arco-íris. Quando esse conjunto de cores atinge nossa retina, temos a sensação da cor branca. Por isso a luz solar também é chamada de luz branca.

A parte da Física que estuda a luz denomina-se óptica. Nessa ciência, o raio de luz é a representação gráfica do caminho percorrido pela luz. Ele é representado por uma linha que indica a direção e o sentido de propagação da luz. O feixe de luz é um conjunto de raios de luz. Um feixe cilíndrico apresenta raios de luz paralelos. No feixe convergente, todos os raios de luz se dirigem para um mesmo ponto. E no feixe divergente, todos os raios de luz partiriam de um mesmo ponto.

Seymour/Stock Photos

Os raios e os feixes de luz

Arte em computador do espectro eletromagnético da luz. A faixa colorida representa a luz visível aos nossos olhos. A sequência representada é: ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X, raios gama.

representação representação

Cícero Soares

Feixes de luz

lupa

feixe cilíndrico

feixe convergente

representação

feixe divergente Cores-fantasia.

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O vidro claro é transparente.

AbleStock

AbleStock

Paul Chesley/Getty Images

Um corpo é transparente quando permite a passagem total da luz. A água, o ar e o vidro comum são exemplos de corpos transparentes. Os corpos transparentes permitem visão nítida através deles. Um corpo é translúcido quando permite a passagem de luz, mas não permite visão nítida através dele. Um corpo é opaco quando não podemos enxergar através dele.

Os vidros coloridos são translúcidos.

A parede é opaca.

Reflexão da luz

Reflexão regular da luz Esquema da reflexão regular da luz

Reflexão em espelho plano

N

a

plano de incidência

i

b

Cícero Soares

O Sol é uma fonte luminosa que emite raios de luz em todas as direções. Qualquer corpo que envia luz para o espaço é uma fonte luminosa. Assim como o Sol, o fogo e uma lâmpada acesa são corpos luminosos. Um corpo iluminado não possui luz própria e apenas devolve parte da luz recebida de alguma fonte luminosa. Quando a luz atinge um objeto, podem ocorrer quatro fenômenos: reflexão regular, reflexão difusa ou difusão, refração e absorção. Dependendo do objeto, podem ocorrer dois ou mais desses fenômenos ao mesmo tempo. A superfície que reflete a luz é lisa e polida. Em óptica, ela tem o nome de espelho. Chapas metálicas polidas, a superfície de um lago e o espelho comum são exemplos de espelho. A reflexão nos espelhos planos é a reflexão regular. Quando um raio de luz incide em um espelho plano, temos o ponto de incidência (P), o raio incidente (a), o raio refletido (b), o ângulo de incidência (i), o ângulo de reflexão (r). Chamamos de reta normal (N) aquela que é perpendicular ao espelho (N).

r

espelho P

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Cores-fantasia.

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A reflexão em espelhos planos obedece a duas leis: o raio incidente, o raio refletido e a normal pertencem ao mesmo plano; o ângulo de incidência tem a mesma medida que o ângulo de reflexão. Quando o raio incidente coincide com a normal, ou seja, forma ângulo reto com o espelho, ele se reflete na mesma direção, mas em sentido oposto. A reflexão difusa ou difusão ocorre quando os raios de luz atingem uma superfície rugosa. Teremos uma reflexão desorganizada, com os raios refletindo-se em todas as direções. O resultado é o que chamamos de luz difusa. Objetos opacos são visíveis devido à reflexão difusa em suas superfícies. A sensação de luminosidade homogênea de um ambiente é devida à difusão da luz nas paredes e no teto.

Saiba mais

Nos últimos anos surgiu uma tecnologia que está revolucionando as comunicações. São as fibras ópticas, que utilizam exatamente o fenômeno da refração que descrevemos. Uma fibra óptica é um fio muito fino e flexível, feito com um material extremamente transparente. O diâmetro usual de uma fibra óptica é de 50 mícrons, isto é, 0,05 milímetro. O material da fibra é, em geral, a sílica As fibras ópticas têm grandes aplicações para o homem. (óxido de silício, SiO2), pura ou misturada com outros materiais controlados. A sílica das fibras feitas atualmente tem um grau tão elevado de pureza e transparência que a luz passa por ela perdendo muito pouca intensidade. As fibras ópticas são muito usadas, hoje em dia, na medicina e nas telecomunicações, para transporte de voz e dados. Uma fibra é incomparavelmente mais eficiente para transporte de sinais de comunicação que um fio de cobre. Diferentemente de um fio de cobre, a fibra não sofre interferências de campos elétricos e magnéticos. Além disso, usando frequências ligeiramente diferentes, é possível transmitir milhares de sinais por uma única fibra, sem perigo de aparecer linha cruzada. Hoje em dia, todo o planeta está se transformando em uma enorme teia de fibras ópticas.

AbleStock

As fibras ópticas

Extraído de: <www.seara.ufc.br/tintim/fisica/refracao/refracao7.htm.>. Acesso em: Março/2012. UNIDADE 7 • ondas

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Refração e absorção da luz Um objeto mergulhado parcialmente em água parece estar quebrado. Esse é um dos muitos fenômenos explicáveis pela refração da luz. Quando a luz passa de um meio transparente para outro meio transparente, pode ocorrer mudança de velocidade da luz; como consequência, mudança na direção de propagação dos raios luminosos. Esse é o fenômeno de refração da luz.

Cícero Soares

Refração da luz Esquema gráfico da refração da luz

refração da luz

N a

luz solar i superfície ar

ar

S

água

água

r b

N = normal (perpendicular); a = raio incidente; i = ângulo de incidência; b = raio refratado; r = ângulo de refração Cores-fantasia.

Fabio Colmbini

A refração da luz faz com que a imagem de um objeto embaixo da água não corresponda à sua posição real. Quando a luz branca passa de um meio menos denso (ar) para um mais denso (água, vidro), seus vários componentes sofrem diferentes reduções de velocidade, o que ocasiona diferentes desvios. Com isso, a luz branca se decompõe nas sete cores do arco-íris. Esse fenômeno também recebe o nome de dispersão da luz. Quando um corpo recebe luz, geralmente transforma parte da energia luminosa em calor. Por isso os corpos se aquecem quando expostos ao Sol. Esse fenômeno se denomina absorção de luz. A ilusão da caneta quebrada é um efeito da refração da luz.

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AbleStock

Há materiais com alto poder de absorção de luz, como o asfalto, e outros com baixa absorção, como os espelhos, que refletem boa parte da luz que recebem.

As cores

Visibilidade objeto luminoso

Cícero Soares

O arco-íris é um fenômeno complexo, que envolve refração e reflexão da luz. Cada gota de chuva age como um pequeno prisma, separando a luz do Sol num espectro de sete cores.

visão direta

visão indireta

objeto iluminado

Figuras não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

AbleStock

Um objeto se torna visível para nós quando é luminoso ou quando reflete luz na direção de nossa retina. Na escuridão total, nada vemos porque não há raios de luz; logo, não há reflexão. A visão de um objeto ocorre de forma direta (objeto luminoso) ou indireta (objeto iluminado). A cor de um objeto corresponde à cor da luz que o objeto envia para nossos olhos. Por exemplo, a luz branca é uma mistura de sete cores. Se um objeto absorve seis cores e reflete a verde, veremos um objeto verde. Um objeto branco reflete todas as cores, enquanto um objeto negro absorve todas as cores da luz solar. Muitos se perguntam por que o céu é azul quando o dia está claro. Isso acontece porque as moléculas de gás do ar, principalmente nitrogênio e oxigênio, desviam uma parte da luz que vem do Sol, justamente a que tem cor azul. No fim do dia, a luz do Sol atravessa uma distância maior na atmosfera. Parte da luz de comprimento de onda intermediário é desviada pelas partículas que existem no ar, e o céu fica amarelo ou alaranjado. Num céu poluído, existem muitas partículas em suspensão no ar. Elas são maiores do que as moléculas que formam o ar e, no pôr do sol, conseguem espalhar até a luz vermelha. Por isso o céu dos centros urbanos é avermelhado ao pôr do sol.

Céu alaranjado do fim do dia. UNIDADE 7 • ondas

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Investigue e relate Isaac Newton, além de estudar a gravidade, foi um grande estudioso dos fenômenos luminosos. Você irá fazer um experimento chamado Disco de Newton. Pegue uma cartolina e recorte um disco de 10 cm de diâmetro. Divida-o em 21 partes iguais. Pinte cada parte de uma cor seguindo a ordem: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil, violeta. Complete o disco repetindo as cores na ordem. Faça um furo no centro do círculo e passe um lápis por ele. Prenda-o no centro com uma fita adesiva. Segurando-o pelo lápis, faça o disco girar bem rápido. Observe o que acontece com as cores no disco. Escreva em seu caderno um relatório explicando o que acontece. Leia no Manual do Professor.

Em outras palavras

“”

energético: que tem bastante energia. representação: que fica no lugar ou faz o papel de alguma coisa. sílica: mineral composto de silício e oxigênio.

Revise seus conhecimentos 1. Entre os fenômenos ondulatórios a seguir, quais são constituídos por ondas eletromagnéticas? a) luz; b) som; c) ondas de rádio; luz, ondas de rádio, raios X, ondas de TV. d) raios X; e) ondas do mar; f) ondas de TV; g) ondas em molas; 2. Explique como ocorre a dispersão da luz branca em um prisma de vidro. A luz, ao passar por um prisma, se decompõe em sete componentes coloridos, demonstrando que ela é policromática.

3. Transcreva em seu caderno as afirmativas incorretas, corrigindo-as. a) A luz, no ar, realiza uma trajetória curvilínea. Incorreto. A luz, no ar, realiza uma trajetória retilínea. b) A lâmpada acesa na sua sala de aula prova que a luz se propaga em uma única direção. c) O Sol é um corpo luminoso. Correto. Incorreto. A lâmpada acesa prova que a luz se propaga em todas as direções. d) A luz pode sofrer reflexão quando incide em um espelho. Correto. e) A Lua não possui luz própria. Correto. 220

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A reflexão é o retorno dos feixes luminosos para o meio do qual é proveniente ao atingir uma superfície. A refração é a passagem de um meio para outro.

4. Qual é a diferença fundamental entre reflexão da luz e refração da luz?

5. Por que vemos um objeto na cor verde, por exemplo, quando iluminado com luz branca? 6. Dois carros, um branco e um preto, estão lado a lado, ao sol. Qual deles deve estar mais carro preto deve estar mais aquecido, porque nele todo o espectro de luz visível é absorvido, gerando aquecido? Por quê? Ocalor, enquanto no branco ele é refletido. 7. O que você entende por espectro visível?

Os nossos olhos enxergam apenas uma faixa de frequência do espectro de ondas eletromagnéticas, a qual chamamos de espectro visível, que é constituído pelas sete cores do arco-íris. 5. Quando o objeto é iluminado, todas as cores são absorvidas, menos a cor verde, que se reflete e impressiona nossos sentidos.

Aplique seus conhecimentos Um astronauta, pousado na Lua, está conversando com sua base na Terra, a uma distância média de 360 mil quilômetros. Calcule o tempo que um sinal de rádio levará para vir da Lua até a Terra. 1,2 s. E se o astronauta estivesse a 60 milhões de quilômetros de distância? 200 segundos ou 3 minutos e 20 segundos.

Trabalhe com seus colegas

Frans Lemmes/Getty Images

Pesquisem sobre os tuaregues. Investiguem onde vive esse povo, quais são seus costumes, como sobrevivem no deserto e por que usam a cor branca ou azul em suas roupas.

Tuaregues. UNIDADE 7 • ondas

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Capítulo

23

Espelhos e lentes

Nasa

No dia 26 de abril de 1990, foi posto em órbita pela nave Discovery o sofisticado telescópio espacial Hubble. O telescópio tem massa de 11 toneladas e mede 13,3 m de comprimento. O corpo principal tem diâmetro de 4,26 m. Quando os painéis solares estão dobrados, o conjunto atinge 12 m de largura. Seu sistema óptico compreende um espelho primário côncavo de 2,4 m de diâmetro e um espelho secundário de 30 cm de diâmetro. Os raios luminosos provenientes dos astros, uma vez refletidos na superfície do espelho primário, são dirigidos ao espelho secundário, que, por sua vez, os envia para outros instrumentos, que convertem a luz captada em informações eletrônicas. O Hubble já fez imagens, até então inéditas, de estrelas e galáxias extremamente afastadas.

Telescópio espacial Hubble.

T r ocando ideias

!

Os telescópios são instrumentos de observação compostos por espelhos e lentes. retrovisor nos automóveis, periscópios em Você conhece alguma outra aplicação para espelhos? Espelho submarinos etc. E para as lentes? Óculos, lupas, binóculos etc. 222

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Reflexão em espelhos planos Os espelhos são superfícies polidas que refletem quase toda a luz que recebem. Quando olhamos para um espelho, vemos nossa imagem na posição inversa em que estamos e do mesmo tamanho. Tudo se passa como se nossa imagem fosse uma fonte de luz. Essa imagem formada atrás do espelho é uma imagem virtual.

Cícero Soares

Reflexão em espelho plano

P’ objeto ângulo de incidência ângulo de reflexão

observador

objeto i

imagem virtual i

r

r

espelho

observador

espelho

Cores-fantasia.

Fabio Colombini

Um corpo na frente de um espelho funciona como se fosse formado por infinitos objetos, cada um sendo uma fonte de luz e apresentando sua imagem virtual. Devido à simetria entre todos os pontos de um corpo e sua imagem, o objeto e a imagem são simétricos em relação ao plano do espelho, ponto por ponto. Quando um objeto é colocado entre dois espelhos planos, formam-se várias imagens.

Reflexões múltiplas em dois espelhos. UNIDADE 7 • ondas

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O número de imagens pode ser dado pela equação número de imagens = 360º – 1, â em que â é o ângulo entre os dois espelhos. Na foto, você observa três imagens porque os espelhos estão perpendiculares entre si. número de imagens = 360º – 1 = 4 – 1 = 3 90o

Lentes As lentes são objetos transparentes que refratam a luz e são limitados por duas superfícies esféricas ou uma esférica e outra plana. As lentes podem ser de bordas finas ou grossas. O nome de cada tipo de lente é dado indicando-se inicialmente o nome da face que apresenta maior raio de curvatura. Nesse critério, a face plana será sempre apresentada em primeiro lugar.

lentes de bordas grossas (região central mais fina)

Cores-fantasia.

lentes de bordas finas (região central mais espessa)

biconvexa

plano-convexa

côncavo-convexa

bicôncava

plano-côncava

Cícero Soares

Tipos de lentes

convexo-côncava

Os principais elementos de uma lente são o eixo óptico, que passa pelo foco (F) e pelo centro óptico (O), e os focos principais simétricos, situados no eixo óptico. As lentes podem ser convergentes ou divergentes. Na lente convergente, os raios refratados convergem para o foco. Já nas lentes divergentes, os raios refratados saem da lente, afastando-se uns dos outros. No ar, a lente de borda fina será sempre convergente, e a lente de borda grossa, sempre divergente. Uma lanterna comum possui um espelho côncavo e emite um feixe divergente. Quando se quer uma lanterna de feixe cilíndrico, coloca-se uma lente convergente, que fará com que todos os raios saiam paralelamente. As lentes convergentes são usadas em muitos outros aparelhos ópticos, tais como microscópios, lunetas, telescópios, máquinas fotográficas, projetores etc.

Cores-fantasia.

lente convergente

lente divergente

O

eixo óptico

F

F eixo óptico

Os raios refletidos convergem para o foco.

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Cícero Soares

Lentes convergente e divergente

Os raios refletivos afastam-se uns dos outros.

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Óptica da visão humana Basicamente, no olho humano temos uma lente convergente (lente) e um anteparo (retina). A imagem na retina é invertida em relação ao objeto, mas o cérebro corrige a posição da imagem. Ponto próximo é a distância mínima para enxergar nitidamente; no olho normal, mede 25 cm. A entrada da quantidade adequada de luz para dentro dos olhos é controlada pela íris, conforme a pupila dilata ou contrai. A luz passa pela córnea e depois pela lente, cuja forma se altera para ajustar o foco sobre a fóvea. Assim como o fotógrafo ajusta as lentas da câmera conforme se aproxima do objeto, o olho também ajusta sua lente tornando-a mais espessa. Esse processo é a acomodação visual. No olho normal a distância entre a retina e a lente faz com que a imagem se forme sobre a retina, que é um receptor de imagens. Os impulsos nervosos são levados pelo nervo óptico até o cérebro, e temos a sensação que chamamos de visão.

Cícero Soares

Olho humano células receptoras

fóvea

íris

retina eixo óptico nervo óptico

córnea

lente

pupila (abertura) esclera

coroide

Cores-fantasia.

Cícero Soares

Representação gráfica de um olho normal lente

objeto ponto próximo

25 cm

imagem

Cores-fantasia.

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Defeitos da visão Existem pessoas que não enxergam com nitidez, devido a vários problemas. A seguir, apresentamos dois exemplos.

Olho sadio

Olho hipermetrope

Ilustrações: Cícero Soares

Hipermetropia

Correção do olho hipermetrope

Na hipermetropia, ocorre o oposto. O globo ocular é curto, e a imagem se forma atrás da retina. Outra causa é a córnea ou a lente mais plana. Nesse caso a visão nítida ocorre além de 25 cm. Uma pessoa com hipermetropia afasta um livro para enxergá-lo com nitidez. A correção é feita com lentes convergentes.

Olho sadio

Olho míope

Ilustrações: Cícero Soares

Miopia

Correção do olho míope

Na miopia, o globo ocular alongado faz com que a imagem se forme antes da retina. Outra causa é a córnea ou a lente muito curva. O ponto próximo do míope é menor que 25 cm. A pessoa aproxima o objeto para enxergá-lo com nitidez. A correção é feita com lente divergente.

O astigmatismo é causado geralmente pela curvatura imperfeita da córnea. Na presbiopia, a lente perde a flexibilidade, tornando impossível a focalização.

Em outras palavras

“”

anteparo: qualquer objeto que se coloca diante de algo para resguardo ou proteção. 226

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Investigue e relate O periscópio usado em submarinos é formado pela associação de dois espelhos planos e paralelos entre si. Ele serve para observarmos coisas que não estão no mesmo nível dos olhos. Eis aqui a sua chance de construir um. Para isso você vai precisar de dois espelhos pequenos e de mesmo tamanho, tesoura, um pedaço de cartolina no formato de um triângulo retângulo cujo lado maior deverá ser igual ao tamanho do espelho, uma embalagem de leite de caixinha tipo longa vida vazia, um lápis. 1. Marque duas linhas diagonais em um dos lados da embalagem longa vida usando o triângulo de papel. Os dois lados devem ter o mesmo tamanho. 2. Vire a caixa e trace duas linhas na direção das outras duas e corte todas elas. Peça ajuda a um adulto. 3. Encaixe os espelhos nas fendas. O espelho que você colocar na parte de cima tem de estar com o lado espelhado para baixo, e o espelho que você colocar na parte de baixo da caixa tem de estar com o lado espelhado para cima. O periscópio é um instrumento ótico usado 4. Trace um quadrado em frente ao espelho de cima e recorte. em submarinos 5. Com um lápis, faça um pequeno furo no lado de trás da caixa, na mesma altura do espelho de baixo. 6. Agora olhe pelo furo. Leia no Manual do Professor.

Revise seus conhecimentos

Daniel Gale

Periscópio

4. A parte interna da colher é o espelho côncavo. A parte externa é o espelho convexo. 1. Significa que aos olhos do observador a imagem refletida tem origem de um ponto simétrico em relação ao espelho, ou seja, a imagem virtual tem a mesma distância do espelho que o observador.

1. O que significa a expressão: “Eu e minha imagem estamos em posições simétricas em relação a um espelho plano”? 2. Na reflexão regular em um espelho plano, qual é a relação entre os ângulos de incidência e de reflexão de um raio luminoso? O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. 3. No espelho plano, quando você levanta a mão direita, sua imagem, no espelho, levanta a mão esquerda. Como se chama esse fenômeno? Chama-se fenômeno da reversibilidade. 4. Em uma colher bem polida, qual é o espelho côncavo e qual é o convexo? Leia no Manual do 5. Descreva uma maneira de aquecer uma panela usando um espelho côncavo. Professor. lupa é uma lente convergente. Se uma folha de 6. Explique como fazer fogo usando uma lupa comum. Apapel, por exemplo, for colocada à distância focal da

lente, haverá uma concentração da luz incidente na lupa, que aquecerá um ponto do papel até incendiá-lo.

Trabalhe com seus colegas Os espelhos estão presentes há muito tempo na vida do homem. Eles apresentam diversos usos. Juntamente com seu grupo, você deverá descobrir os usos para esse objeto. Vocês deverão fazer cartazes demonstrando a utilidade do espelho. UNIDADE 7 • ondas

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Capítulo

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Energia térmica

Ricardo Azoury

O calor da Terra, exceto o obtido no interior dos átomos, vem do Sol. Além de aquecer a Terra, o Sol fornece a energia utilizada pelas plantas na síntese do alimento que fornece o combustível necessário às funções dos animais que o comem. O calor do Sol produz a evaporação da água dos oceanos, formando as nuvens que caem sob a forma de chuva sobre as montanhas e, descendo, correm para o mar. O homem coloca turbinas no caminho por onde passa a água, transformando sua energia em energia elétrica. Os demais combustíveis utilizados pelo homem como gás, petróleo, carvão, madeira são remanescentes ou produtos de organismos cuja energia original foi derivada do Sol. O carvão, o gás natural e o petróleo, chamados combustíveis fósseis, têm reservas limitadas. Talvez a solução do problema esteja diante de nós quando olhamos para o céu – o próprio Sol, que por milhões de anos nos tem fornecido sua energia. A luz solar proporciona ao Brasil em cada dois dias energia igual à de todas as reservas remanescentes de combustíveis fósseis. Como utilizar essa energia, entretanto, é que é o problema, uma vez que ela nos alcança de forma tão difusa. Para transformá-la numa fonte eficiente de energia, ela deve ser captada

Painel solar do Instituto Eco-Engenho, utilizado em galpão de irrigação hidropônica de pimentas, São José da Tapera, AL.

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e concentrada, como numa fornalha solar, processo este que custa muito caro. A escuridão e o mau tempo também causam interrupções constantes na recepção da irradiação regular da energia do Sol. Por conseguinte, as mais importantes aplicações industriais da força solar ainda estão bem distantes, mas em pequena escala ela já é utilizada com êxito. A energia solar pode ser usada de várias maneiras. A luz solar pode ser captada por espécies de estufas colocadas nos telhados das residências, que aquecem a água que passa por elas através de serpentinas. Pode ser aproveitada através de um forno solar, que concentra os raios solares por meio de espelhos curvos. Ou também por meio de células fotovoltaicas, que convertem diretamente a energia solar em energia elétrica. Esse processo tem grande aplicação em satélites artificiais.

T r ocando ideias

!

Como a comida é aquecida em sua casa? E a água?

Fogão a gás, fogão a lenha ou micro-ondas.

Energia elétrica, solar, aquecedor a gás ou o próprio fogão.

Em sua cidade existem casas ou outros locais que utilizem energia solar? Você conhece algum equipamento que utiliza energia solar?

Geralmente poucas.

Aquecedores.

Temperatura Energia térmica de um corpo é a energia interna relacionada ao movimento desordenado de seus átomos e moléculas. Esses movimentos estão diretamente relacionados à temperatura e à massa. Calor é a energia térmica em trânsito, entre corpos de diferentes temperaturas. O ramo da Física que estuda os fenômenos relacionados ao calor e temperatura denomina-se termologia. Em uma substância, qualquer que seja o estado físico, as moléculas possuem agitação, devido aos movimentos de vibração, rotação e translação. A intensidade da agitação molecular varia com o estado físico. Em um sólido, as moléculas apresentam vibração e rotação, mas não possuem translação. No estado líquido, as moléculas de uma substância também apresentam translação. No estado gasoso, todos os tipos de movimento são ainda mais intensos. Então, como regra, teremos que a agitação molecular é menor no estado sólido, aumentando ao passar para o estado líquido, até chegar a um estado total de agitação, no estado gasoso. A agitação das moléculas pode ser alterada por aquecimento ou esfriamento. Ao aquecê-las, há um aumento da agitação molecular. Ao resfriá-las, diminui a agitação molecular. A partir do conceito de agitação molecular, poderemos definir que temperatura é a grandeza que mede a agitação das moléculas de um corpo. Assim, quanto maior a agitação das UNIDADE 7 • ondas

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Um objeto frio possui temperatura menor que a do nosso corpo.

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Fabio Colombini

moléculas de um corpo, maior será sua temperatura. Agora podemos entender por que o aquecimento de uma substância pode aumentar sua temperatura. As diferentes temperaturas de um corpo, em relação à do corpo humano, fornecem as sensações de quente e frio.

Um objeto quente possui temperatura maior que a do nosso corpo.

Termômetro é o aparelho usado para medir temperaturas. Existem muitos tipos. O termômetro de mercúrio é o tipo mais comum. A temperatura é dada pela altura de uma coluna de mercúrio, que se dilata ou contrai, conforme a temperatura aumente ou diminua. O termômetro clínico tem graduação de 35° C a 42° C, e o mercúrio não retorna para o bulbo de forma automática. Isso facilita a leitura da temperatura correta do corpo humano. A marca no valor 36,5 indica a temperatura normal. O termômetro bimetálico é muito usado em automóveis e máquinas industriais. Trata-se de uma espiral constituída por dois metais ou ligas metálicas, que se dilatam de forma diferente com a variação da temperatura. Em alguns fornos industriais, há termômetros que acusam a temperatura baseando-se na luz emitida por esses fornos. Esse processo também é usado em astronomia: a luz emitida por uma estrela permite fazer uma estimativa sobre sua temperatura. Cada termômetro é calibrado em uma determinada escala termométrica. As escalas Celsius e Kelvin são as mais usadas na ciência. A escala Celsius foi criada em 1742 por Anders Celsius, sueco; essa escala faz a graduação de um termômetro baseando-se em dois estados

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Medida de temperatura

Termômetro de mercúrio.

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de referência: a mistura (água + gelo) e a água fervente ao nível do mar. Em seguida, o intervalo entre 0 e 100 é dividido em cem partes iguais. Cada parte, ou divisão, corresponde a 1 grau Celsius (10° C). Celsius adotou os valores 0 e 100 por convenção, por serem dois números muito práticos para a graduação de um termômetro. Então, temos que água com gelo equivale a zero grau Celsius (0° C) e água em ebulição (ao nível do mar) equivale a 100 graus Celsius (100° C). Com relação aos dois estados de referência, usando termômetros convenientes, poderemos medir qualquer temperatura. A escala Fahrenheit é usada em alguns países. Nela temos, por convenção, o intervalo entre 32 e 212 dividido em 180 partes iguais. Cada parte corresponde a 1 grau Fahrenheit (1° F). A conversão entre as escalas Celsius (C) e Fahrenheit (F) é dada pela expressão: C= 5 9

(F – 32)

Existe também a escala Kelvin, que foi apresentada em 1852 pelo cientista britânico William Thomson (lorde Kelvin). Ela é denominada absoluta, porque não depende de estados de referência. Através de dedução matemática, Kelvin calculou em qual temperatura Celsius a matéria não teria agitação molecular. Encontrou o valor de –273,15° C (valor aproximado –273° C). Então, a conversão entre a escala Kelvin e a escala Celsius é dada pela expressão K = C + 273, em que K é a temperatura na escala Kelvin e C, a temperatura na escala Celsius. Não devemos usar a expressão “grau Kelvin” ou o símbolo “° K”. Assim, o correto é T = 50 kelvin ou T = 50 K. É errado usar ”T = 50 graus kelvin” ou ”T = 50° K”.

Pense e responda

?!

Sabendo que o ponto de fusão da água é 0° C (ao nível do mar), a temperatura do corpo humano é, em média, 36,5° C e o ponto de ebulição da água é 100° C (ao nível do mar), calcule essas temperaturas em Fahrenheit e Kelvin. 0° C = 32° F = 273 K; 36,5° C = 97,7° F = 309,5 K; 100° C = 212° F = 373 K.

Calor A experiência mostra que uma fogueira, uma lâmpada acesa ou um ferro elétrico ligado fornecem calor para o nosso corpo. Mas um pedaço de gelo recebe calor de nosso corpo e sofre fusão. Em resumo, colocando-se dois corpos próximos um do outro, o mais quente fornece calor para o mais frio. Calor é a energia que um corpo transfere para outro, como consequência da diferença de temperatura entre eles. Perceba que o calor é uma energia em trânsito, isto é, um corpo nunca armazena calor. UNIDADE 7 • ondas

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Analise a ilustração Na ilustração a seguir representamos dois recipientes e suas respectivas temperaturas. Um deles continha água quente (80o C) e o outro, água fria (20o C), que foram misturadas e formaram a água morna (45o C). Conclusão: na mistura final ocorreu uma troca de calor, até que o equilíbrio térmico fosse atingido. Que água perdeu calor? A água quente. Que água ganhou calor? A água fria. Qual é a temperatura no equilíbrio térmico? 45° C. Cícero Soares

Equilíbrio térmico

80° C

45° C

20° C

quente

fria

morna

Cores-fantasia.

Calor e mudança de estado físico

sólido

Mudança de estado físico líquido fusão

vaporização

ganha calor

ganha calor

vapor

Cícero Soares

Quando um corpo ganha calor, ocorre aumento da agitação das moléculas e pode haver mudança de estado físico. Na fusão, as moléculas mais agitadas desprendem-se do sólido e passam a constituir o estado líquido. Já na vaporização, as moléculas mais agitadas deixam o líquido e passam para o estado de vapor. Se retirarmos calor, esfriando o sistema, podem ocorrer os processos inversos.

sublimação ganha calor Cores-fantasia.

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aquecimento

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Mudança de estado físico

Cícero Soares

sólido

vapor

líquido solidificação

condensação

perde calor

perde calor

sublimação perde calor resfriamento Cores-fantasia.

Saiba mais Atrito e calor Em um dia frio, esfregamos as mãos para aquecê-las. Um motor de carro, sem óleo lubrificante, funciona apenas dois minutos aproximadamente antes de fundir. Isto é, atrito gera calor. Quando dois corpos são atritados, as partículas das superfícies em contato ficam mais agitadas. Isso aumenta a temperatura dos corpos, e ocorre liberação de calor.

Ebulição e pressão externa Quanto maior for a pressão exercida sobre um líquido, maior será a temperatura necessária para ocorrer a ebulição. Quanto maior a altitude, menor será a pressão atmosférica e mais facilmente ocorrerá a ebulição. Portanto a temperatura de ebulição (tE) em uma cidade no alto da montanha, como São Paulo (tE = 98° C), é menor que a de uma cidade que fica na beira do mar, como Recife (tE = 100° C). No interior de uma panela de pressão, a quantidade de vapor de água é grande, e isso aumenta a pressão dentro da panela. Nessas condições, a água ferve em temperatura superior a 100° C, o que diminui o tempo necessário para cozinhar os alimentos. Sendo um recipiente praticamente fechado, a panela de pressão funciona com a mesma eficiência em qualquer altitude. Experimentalmente, verifica-se que o congelamento não depende da pressão exercida sobre o líquido. Em outros termos, a água congela a 0° C em qualquer altitude.

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Dilatação térmica

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Quando um corpo recebe calor, suas moléculas ficam mais agitadas. O aumento da agitação molecular aumenta o volume do corpo, provocando uma dilatação. Exemplo: quando aquecemos uma barra de ferro, estamos aumentando seu comprimento, sua área e seu volume. Líquidos, como o mercúrio, e gases também sofrem dilatação térmica. Geralmente um sólido é mais denso que o líquido correspondente. O chumbo sólido, por exemplo, afunda quando mergulhado em chumbo derretido. Esse fenômeno ocorre com a maioria das substâncias, mas com a água é diferente: o gelo flutua na água líquida. Quando a água congela, as moléculas se afastam, e ocorre um aumento de volume. Isso torna o sólido menos denso. Resultado: o gelo flutua. A força de expansão no congelamento da água é tão grande que pode arrebentar um recipiente onde ela está, como acontece com uma garrafa com água em um congelador.

O gelo flutua na água porque aumenta de volume e se torna menos denso.

Quantidade de calor Calor é uma forma de energia. A quantidade de calor que um corpo ganha ou perde é medida em joules (J) no Sistema Internacional de Medidas. Outra unidade usada é a caloria (cal). Caloria é a quantidade de energia necessária para elevar de 1° C a temperatura de 1 g de água (ao nível do mar). A relação entre caloria e joule é dada por 1 caloria = 4,18 joules. Um múltiplo de caloria muito usado é a quilocaloria (kcal). Uma quilocaloria (kcal) equivale a 1 000 calorias (cal).

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Saiba mais O valor energético dos alimentos

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Iara Venanzi/kino.com.br

A energia fornecida pelos alimentos é medida em quilocalorias por grama de alimento. O símbolo dessa unidade de medida é escrito de duas maneiras diferentes: kcal ou Cal. Muita gente confunde calorias (com c minúsculo) com Calorias. Escrita com inicial minúscula, apresenta uma quantidade mil vezes menor do que quando a inicial é maiúscula. Quando no pacote de um alimento está escrito que uma pessoa precisa de 2 500 kcal por dia, isso quer dizer que ela precisa de 2 500 000 calorias. Quando está escrito que uma porção alimentar possui 100 kcal, na verdade se quer dizer é que ela possui 100 000 calorias. Veja alguns exemplos de alimentos ricos em calorias.

Para emagrecer, as pessoas evitam alimentos ricos em calorias, como o chocolate e a linguiça. Fotos reproduzidas em escalas diferentes.

Calor específico (C) Aquecendo água e ferro, por exemplo, percebemos que o metal se aquece mais rapidamente do que a água. Ou seja, a mesma quantidade de calor provoca aumentos diferentes de temperatura nas substâncias. Calor específico (C) de uma substância é a quantidade de calor necessária para elevar em 1° C a temperatura de 1 g da substância. Por exemplo, o ferro tem calor específico igual a 0,11, o do alumínio é 0,22 e o da água é 1,00. Isso significa que, para elevar em 1° C a temperatura de 1 g de água, precisamos fornecer 1 cal. Para o ferro seria necessário apenas 0,11 cal.

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Quanto maior o calor específico de uma substância, mais lentamente ela aquece ou esfria. A água, por exemplo, possui calor específico alto, é um líquido que aquece ou esfria lentamente. Em uma praia, o calor do Sol aquece a areia mais rapidamente que a água. Por isso a água do mar fica mais fria que a areia. À noite, a areia esfria mais rapidamente que a água; então, a água do mar fica mais quente que a areia. A quantidade de calor perdida ou recebida por uma substância é dada pela equação Q = m · c · Δt Q é a quantidade de calor em calorias (cal), c é o calor específico (

cal

g°C

), m é massa da subs-

tância em gramas (g) e Δt é a variação da temperatura (tfinal – tinicial ) medido em graus Celsius (°C).

Pense e responda

?!

Sabendo que o calor específico da água é 1 cal/g .°C, calcule a quantidade de calor necessária para ferver 300 g de água a 25° C ao nível do mar. Temperatura de ebulição= 100° C. Variação de temperatura = 75° C. Portanto, o calor necessário é de 22 500 cal ou 22,5 kcal.

Propagação de calor Uma região mais quente transfere calor para uma região mais fria. Isso ocorre de três formas: condução térmica, convecção térmica, irradiação térmica. Na condução térmica: aquecendo-se a extremidade de uma barra metálica, após algum tempo a outra extremidade ficará quente. Houve condução de calor porque o calor da chama aumentou a agitação das partículas, e essa agitação se transmitiu pela barra através de vibrações. Nessa propagação de calor através de vibrações das partículas não há transporte de matéria de um ponto para outro. Os melhores condutores de calor são os metais. São maus condutores: madeira, amianto, vidro, cerâmica, plásticos, gases e líquidos em geral. Na convecção térmica, se colocarmos retalhos de pano no fundo de uma panela com água quente, os pedaços tendem a subir. Isso mostra que a massa de água aquecida tende a ir para a superfície. É o fenômeno da convecção: as moléculas de água que estão no fundo recebem calor, ficam mais agitadas e se afastam umas das outras, a região se torna menos densa e o líquido sobe. Ao mesmo tempo, uma certa quantidade de líquido mais frio desce para ocupar o lugar da massa que está subindo. Formam-se, assim, as correntes de convecção. Na convecção há transporte de matéria de um ponto para outro. Líquidos e gases propagam calor por convecção. Em um líquido, as correntes de convecção se dão pelo deslocamento do líquido mais frio para as regiões inferiores e do mais quente para as regiões superiores. O mesmo acontece nos gases.

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A condução térmica deve-se à vibração das moléculas. A convecção deve-se à translação das moléculas. Na condução, não há transporte de matéria, enquanto na convecção a matéria é transportada. Quanto à ocorrência, a condução é melhor nos metais (sólido com partículas pequenas), enquanto a convecção só aparece nos líquidos e gases. Podemos observar as correntes de convecção à beira-mar. Durante o dia, o ar sobre a terra está mais aquecido que o ar sobre o mar.

Luis Moura

Brisa marítima durante o dia

ar quente

ar frio

terra mais quente que o mar

mar mais frio do que a terra

Cores-fantasia.

Durante a noite, o ar sobre o mar está mais aquecido que o ar sobre a terra. Lembre-se de que a água se aquece ou esfria mais lentamente que a terra! Isso explica as correntes de convecção com sentidos contrários.

Luis Moura

Brisa marítima durante a noite ar frio

ar quente

terra mais fria que o mar mar mais quente do que a terra

Cores-fantasia.

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As correntes de convecção são uma das causas dos ventos existentes na nossa atmosfera.

Luis Moura

Correntes de convecção resfriamento

ar sobe

ar desce vento

temperatura menor

deslocamento do ar

temperatura maior

Imagens não proporcionais entre si. Cores-fantasia.

Nasa/Stock Photos

No vácuo não há matéria. Logo, o calor não se propaga por condução ou convecção. Como explicar então a transmissão de calor do Sol para a Terra? A luz é um conjunto de ondas eletromagnéticas que se propagam no vácuo. Portanto o Sol aquece a Terra através de ondas. É o fenômeno da irradiação térmica.

Mapa de infravermelho. As regiões mais avermelhadas correspondem às zonas mais quentes.

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Os raios solares que atingem a Terra aquecem os objetos, e estes irradiam calor. Essa radiação infravermelha de calor da superfície terrestre é refletida. Parte dela atravessa a atmosfera e vai para o espaço. A outra parte é refletida pela atmosfera e retorna à Terra. Esse é o efeito estufa, assim chamado porque é similar ao que acontece dentro de uma estufa de vidro usada para cultivar plantas. O efeito estufa é vital para a vida na Terra, pois graças a ele o aquecimento permanece mesmo durante a noite. O problema está no aumento do aquecimento provocado pelo excesso da quantidade de gases na atmosfera, principalmente o gás carbônico. Esse aquecimento tem ocasionado mudanças no clima, ocasionando desastres naturais como furacões.

Investigue e relate Se a roupa escura absorve melhor a energia dos raios solares, o ideal seria usá-las no frio. Mas as pessoas que vivem em clima frio, como os esquimós ou alpinistas, usam roupas brancas ou claras. Para entender esses fatos, embrulhe um copo com papel preto. Encha o copo com água e coloque-o na geladeira, ao lado de outro copo com água. Verifique em qual copo a água esfria mais rápido. Depois, retire os copos da geladeira. Verifique em qual a água esquenta mais rápido. Com base com no que foi apresentado, tente explicar o que aconteceu. Leia no Manual do Professor.

Em outras palavras

“”

estimativa: previsão. remanescente: aquilo que restou.

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Saiba mais Inversão térmica A inversão térmica é um fenômeno meteorológico que ocorre principalmente em metrópoles e principais centros urbanos. As radiações solares aquecem o solo, e o calor que nele fica retido irradia-se, aquecendo as camadas mais baixas da atmosfera. Essas camadas, que já estão quentes, ficam menos densas e tendem a subir, formando correntes de convecção do ar. Os poluentes sobem e irão dispersar-se nas camadas mais altas da atmosfera. Esse é o fenômeno normal. Mas quando o ar quente fica sobre o ar frio, forma-se uma capa que não deixa que os gases poluentes e tóxicos passem para as camadas mais altas da atmosfera. A isso se dá o nome de inversão térmica. Assim, esses gases dispersam-se na atmosfera, criando uma névoa sobre a cidade; essa névoa é composta de gases tóxicos e poluentes, que são prejudiciais a saúde. Ocorre geralmente nos dias frios do inverno. Quando há deslocamento horizontal dos ventos, a camada de ar frio é carregada e o ar quente desce, assim acabando com a inversão térmica. Os problemas de saúde causados pela inversão térmica são, entre outros: pneumonia, bronquite, enfisemas, agravamento das doenças cardíacas, mal-estares, irritação no olhos.

Clayton de Souza/AE

Extraído de: <http://ambiente.ambientebrasil.com.br/urbano/artigos-urbano/inversao-termica.html>. Acesso em: Março/2012.

Os grandes centros urbanos sofrem os efeitos da inversão térmica.

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Revise seus conhecimentos

1b. Incorreto. O calor passa de um corpo com maior temperatura para outro com menor temperatura.

1. Transcreva em seu caderno as afirmativas incorretas, corrigindo-as. a) O calor passa de um corpo mais quente para um mais frio. Correto b) O calor passa de um corpo com menor temperatura para outro com maior temperatura. c) Quanto maior a temperatura, maior tende a ser a agitação das moléculas de um corpo. Correto 2. Das transformações a seguir, copie em seu caderno aquelas em que precisamos aquecer. a) sólido – líquido; Aquecer. b) líquido – vapor; Aquecer. c) líquido – sólido; Resfriar. d) vapor – líquido; Resfriar. e) sólido – vapor; Aquecer. f) vapor – sólido; Resfriar. 3. Transforme as seguintes temperaturas para a escala Kelvin e para a escala Fahrenheit. a) t = 0° C = 32° F = 273 K ; b) t = 27° C = 80,6° F = 300 K; c) t = –30° C = –22° F = 243 K ; 4. Transforme para a escala Celsius: a) 400 K = 127° C; b) 0 K = –273° C ; c) 350 K = 77° C. 5. O motor de um carro precisa de óleo lubrificante em suas peças móveis. Por quê? 6. Por que a pizza, guardada dentro de uma embalagem de papelão ou isopor, esfria mais lentamente? Porque a embalagem de papelão ou isopor possui um calor específico alto. Portanto, a embalagem demora para aquecer e esfriar e, por isso, retém o calor em seu interior por mais tempo.

5. Porque essas partes móveis se atritam entre si. Sem um lubrificante, o atrito aumentaria muito, produzindo um aumento de temperatura, que poderia fundir essas partes.

Aplique seus conhecimentos Um cientista colocou, em um tubo de ensaio, gelo, um chumaço de algodão e depois água. O chumaço de algodão serviu apenas para evitar que o gelo boiasse na água. Depois levou o tubo para um bico de Bunsen onde aqueceu a água que estava na parte superior. O gelo permaneceu inalterado por algum tempo. A partir desse experimento explique se a água é boa ou má condutora de calor.

Trabalhe com seus colegas A vida em temperaturas extremas, quente ou fria, é impossível. No entanto, o ser humano está presente em diversas regiões do planeta. Muito frio e muito calor impossibilitam a sobrevivência do ser humano, mas mesmo assim existem pessoas morando nas cidades geladas do norte da Rússia e nas areias quentes do deserto do Saara. Reúna seu grupo e façam uma pesquisa sobre os meios que o homem criou para resistir às temperaturas mais altas e mais baixas. Explique como os nossos antepassados faziam para se proteger do frio. UNIDADE 7 • ondas

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Olhar de cidadania Experiências em acústica mostram claramente que, abaixo de certas intensidades, a onda sonora não afeta nosso ouvido, mesmo que a frequência se encontre na faixa de 20 Hz a 20 000 Hz. Por isso os físicos criaram uma grandeza denominada nível sonoro, apropriada para medir a sensibilidade do ouvido humano. O nível sonoro é medido na unidade decibel (dB). Veja com atenção a tabela a seguir, válida para o ouvido humano perfeito. Nível sonoro (decibéis)

Intensidade

Limite mínimo de audição

Zero

Muito fraco

Cochicho, som da respiração, folhas agitadas pelo vento

10–20

Fraco

Vozes normais

30–50

De fraco a moderado

Festa barulhenta, tráfego intenso, máquina de lavar roupa, aspirador de pó

60–80

Forte É o limite de segurança!

Trator, helicóptero, conjunto de rock

90–110

Excessivo, perigoso, pode causar dor

Aviões a jato decolando, quebra da barreira do som, explosões

120–140

Muito perigoso. Doloroso

Sons fortes e frequentes provocam angústia, mal-estar, dores e até neuroses. Em síntese, são estressantes. O limite de segurança é 80 decibéis. Acima de 80 decibéis, além de esgotamento, o som provoca uma degeneração dos nervos auditivos com perda de audição (parcial ou total). O ideal para nossos ouvidos são os sons até 60 decibéis. Sons fortes e ruídos são os principais agentes da poluição sonora. O ruído é uma mistura de sons, com várias frequências e intensidades, e pode ser bastante desagradável, mesmo que não seja muito forte. Exemplos: ruído de atritos entre metais, metal com cerâmica, metal com vidro, zumbidos: pernilongo, abelha, broca de dentista, geladeira etc. Como cidadãos, não devemos permitir que os sons perturbem nossa saúde. Em cada estado do Brasil existem leis para controlar os ruídos emitidos por fábricas, bares, construções. Pesquise quais são as leis antirruído do lugar onde você mora e faça uso delas.

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Ciência em revista

A Química e a Física do meio ambiente Os seres vivos vivem em condições químicas e físicas para as quais estão adaptados. Entre as condições químicas estão a umidade, a salinidade, a acidez e a presença ou ausência de certas substâncias essenciais ou venenosas. As condições físicas se referem à luz e ao escuro, ao som e silêncio, calor e frio, movimento e repouso. A Química e a Física auxiliam na compreensão das condições do ambiente, possibilitando julgar se elas estão adequadas ou se ele está poluído. A atenção dos químicos com o meio ambiente não é recente. Numa revista Nature do ano de 1872, um artigo científico já tratava da qualidade do ar nas cidades inglesas. Cem anos depois ocorreu a primeira Conferência das Nações Unidas para discutir a situação do meio ambiente humano e combinar o que fazer para frear a poluição e o esgotamento das reservas naturais, favorecendo o surgimento de dois novos campos de pesquisa: a química ambiental e a física ambiental. Desde então, leis e fiscalização têm inibido muitas das atividades potencialmente poluidoras. A tecnologia ambiental, um ramo moderno e muito ativo da tecnologia, tem desenvolvido inúmeros produtos e processos destinados à diminuição dos riscos ambientais. E a educação ambiental forma e informa as pessoas sobre esses riscos e os direitos e deveres da cidadania.

Populações rurais e urbanas estão sempre sob o risco de ter seu ambiente poluído por substâncias, energia ou microrganismos liberados por atividades permanentes ou por um acidente. As populações rurais são mais suscetíveis aos riscos de poluição por atividades agrícolas e de mineração, causadas por queimadas, uso de fertilizantes e inseticidas, armazenamento e descarte de embalagens de agrotóxicos, descarte de rejeitos, movimento de solo etc. As populações das cidades são mais atingidas pelas atividades industriais e urbanas: gases liberados pela queima de combustíveis, lanO uso de agrotóxicos afeta diretamente as populações rurais. çamento de esgotos em rios, ruídos, UNIDADE 7 • ondas

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Poluição do ar

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aquecimento, risco de vazamentos, descarte de resíduos sólidos, líquidos e gasosos etc. A área afetada pode ser restrita, como na poluição do solo causada pela disposição inadequada de lixo, mas pode se ampliar consideravelmente quando a conta minação atinge o lençol freático ou um rio, e pode atingir todo o planeta quando afeta a atmosfera. Nas grandes cidades, a maior responsabilidade pela emissão Muitas vezes é necessário fazer campanhas para a conscientização da população quanto aos problemas causados pela poluição. de poluentes atmosféricos recai sobre os veículos movidos a combustível líquido. O monóxido de carbono, um gás sem cheiro que se fixa à hemoglobina do sangue e não permite que ela transporte oxigênio e gás carbônico, é produzido pela combustão incompleta. É a causa da asfixia de pessoas que ficam com o automóvel ligado em garagens pouco ventiladas. O Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (Proconve), de 1986, promoveu a eliminação do chumbo da gasolina, a redução do teor de enxofre no diesel, a fixação da taxa percentual da mistura do álcool à gasolina, o uso de álcool combustível e a melhoria da carburação e da ignição eletrônica. Os óxidos de enxofre e nitrogênio lançados na atmosfera transformam-se em ácidos, como o sulfúrico e o nítrico, ao entrar em contato com umidade. Isso irrita os olhos e as vias aéreas e faz com que as chuvas fiquem mais ácidas do que já são normalmente, tanto no local de origem como a centenas de quilômetros de distância das fontes poluidoras. A chuva ácida provoca a corrosão de esculturas e construções que ficam expostas ao clima, a acidificação do solo e das águas de lagos e prejuízos na agricultura. As condições atmosféricas são favoráveis à dispersão dos poluentes quando há vento, que desloca a fumaça para longe, e quando a temperatura do ar é mais fria quanto maior a altitude, o que provoca o movimento da fumaça quente para cima. Quando as condições são desfavoráveis à dispersão, a saúde humana é logo afetada: ocorrem ardência nos olhos, tosse, alergias e doenças pulmonares. É o que ocorre quando há inversão térmica, frequente nas épocas mais frias do ano em cidades localizadas em depressões que dificultam a circulação do ar. Uma camada de ar frio fica abaixo da camada de ar quente e bloqueia a circulação do ar entre as camadas baixas e altas. Isso retém os poluentes na camada inferior, aumentando cada vez mais sua concentração exatamente na faixa em que estão as O envoltório cinza sobre a cidade revela a inversão térmica. pessoas e os animais. UNIDADE 7 • ondas

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Camada de ozônio

camada de ozônio

raios ultravioleta

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Camada de ozônio

30 km (aprox.)

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O ozônio é um gás instável formado por agrupamentos de três átomos de oxigênio (O3), encontrado na atmosfera. Nas partes mais baixas da atmosfera ele é um gás raro, sua concentração é maior na região da estratosfera situada entre 25 e 35 km de altura, na qual a energia ultravioleta provoca interações entre moléculas de gás oxigênio (O2) e gera a formação de moléculas de O3. Essa região, chamada de camada de ozônio, concentra 90% do ozônio atmosférico e tem a propriedade de filtrar grande parte dos raios ultravioleta do tipo B (UV-B) que chegam do Sol à Terra. A partir dos anos 1960, percebeu-se uma diminuição do conteúdo da camada de ozônio, relacionada aos chamados CFCs (clorofluorcarbonos), substâncias produzidas artificialmente e que foram muito úteis nos processos de refrigeração, em geladeira e ar-condicionado, principalmente. As moléculas de CFCs levam anos para chegar à estratosfera. Lá chegando, ao serem atingidas pelos raios ultravioleta UV-B, liberam o átomo de cloro, que reage com o ozônio e produz monóxido de cloro (ClO) e oxigênio (O2). Esse tipo de reação em cadeia é responsável pela destruição Imagem da Terra, colorida por computador, obtida no final de 2005, indicando de milhares de moléculas de ozônio os baixos níveis de ozônio sobre a Antártida. O “buraco” na camada, indicado por apenas um átomo de cloro. em azul escuro, tem 27 milhões de quilômetros quadrados. UNIDADE 7 • ondas

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O efeito estufa e as mudanças climáticas O efeito estufa ocorre quando certos gases – principalmente CO2 (dióxido de carbono ou gás carbônico) – e vapor de água interceptam e retêm parte da radiação infravermelha (calor) que a Terra irradia para o espaço. A presença de CO2 e vapor de água aumenta a temperatura da Terra em cerca de 35° C. A temperatura média na superfície terrestre é de 15° C. Seria de –20° C caso não existissem os gases estufa. A maioria dos cientistas que investiga esse assunto acredita que, se os gases estufa continuarem a ser emitidos como têm sido, a temperatura média global se elevará 1° C até o ano de 2025, e 3° C até o final do próximo século. Isso causaria uma elevação do nível médio do mar de 20 cm até o ano de 2030 e de 65 cm até o final do século XXI, devido principalmente ao derretimento de geleiras. Os países árabes e os Estados Unidos não assinaram a Convenção sobre Alterações Climáticas, durante a Conferência do Rio de Janeiro, em 1992, promovida pela ONU. Por essa convenção, os países que a assinaram se comprometeram a promover a redução dos gases estufa. O Brasil assinou-a.

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Efeito estufa

calor irra

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Sol

gases atmosféricos

Terra

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As águas das praias, rios e lagos recebem esgotos e resíduos de indústrias químicas. Isso provoca intensa poluição. Detergentes não biodegradáveis e substâncias muito ácidas ou alcalinas são os principais poluentes químicos das águas. A poluição do solo é causada por dois fatores principais: o lixo e os agrotóxicos. Podemos chamar de lixo químico a grande quantidade de objetos de metal e de plástico que se acumula nos centros urbanos. Os objetos de metal podem ser reciclados em usinas especiais. Atualmente, nos países industrializados, o lixo é totalmente beneficiado, com reciclagem de metais, papel, vidro etc. O lixo plástico, no entanto, causa problemas, por que alguns desses materiais são As espumas são formadas pela ação dos detergentes. muito resistentes e a incineração destes ocasionaria mais poluição do ar, pois os gases produzidos são tóxicos. A pesquisa química auxilia o homem e o meio ambiente. Fibras e resinas vegetais têm sido pesquisadas para substituir o plástico utilizado em automóveis. Na Alemanha, desenvolveu-se uma tecnologia que utiliza a conhecida “bucha de banho” como fonte de fibras para esse fim. É possível também a substituição de embalagens plásticas por papel impermeabilizado no caso de diversos produtos, e há uma tendência a universalizar a reciclagem das embalagens plásticas. Recentemente, foi descoberto um plástico biodegradável, derivado do amido. Quando enterrado, ele é decomposto facilmente por microrganismos. Provavelmente, num futuro próximo, os objetos domésticos de plástico já serão produzidos com essa tecnologia. A Física e a Química cada vez mais ajudam a avaliar os impactos ambientais e orientar as leis que impedem danos aos Lixo trazido pelas correntes marítimas de todos os oceanos e acumulados ambientes e à nossa saúde. no Oceano Pacífico.

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Poluição das águas e do solo

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Leituras complementares 1. Breno Pannia Espósito. Química em casa. São Paulo: Atual, 2003. 2. Samuel Murgel Branco; Eduardo Murge Branco. Poluição do ar. São Paulo: Moderna, 2004. 3. Francisco Capuano Scarlato; Joel Arnaldo Pontin. O ambiente urbano. São Paulo: Atual, 2004. 4. Antônio Vitor Rosa. Agricultura e meio ambiente. São Paulo: Atual, 2004. 5. Francisco Capuano Scarlato; Joel Arnaldo Pontin. Do Nicho ao Lixo. São Paulo: Atual, 2005. 6. Luis Roberto Magossi; Paulo Henrique Bonacella. Poluição das águas. São Paulo: Moderna, 2003. 7. João Usberco; Edgard Salvador; Joseph Elias Benabou. A composição dos alimentos. São Paulo: Saraiva, 2004. 8. Eduardo Leite do Canto. Minérios minerais metais. São Paulo: Moderna, 2002 9. Sérgio de Almeida Rodrigues. Destruição e Equilíbrio. São Paulo: Atual, 1989. 10. Helena da Silva Freire Tundisi. Usos de Energia. São Paulo: Atual, 1991. 11. Marco Braga; Jairo Freitas; Andréia Guerra; José Cláudio Reis. Lavoisier e a ciência no iluminismo. São Paulo: Atual, 2000. 12. João Usberco; Edgard Salvador; Joseph Elias Benabou. Química e aparência. São Paulo: Saraiva, 2004.

Sites Alô, Escola! www.tvcultura.com.br/aloescola O que há no site: informações para professores e estudantes. O site da TV Cultura de São Paulo disponibiliza a educadores e alunos farto material de apoio para o desenvolvimento de seus cursos, temas de pesquisas e estudos, com base nos programas educativos transmitidos pela TV. Há indicações bibliográficas, ilustrações etc. Acesso em: Março/2012. Astronomia www.cdcc.usp.br/cda/ensino-fundamental-astronomia/index.html O que há no site: introdução à astronomia, à Terra e ao universo. Orientação e observação do céu; estações do ano, calendários; Sistema Solar. Com estrutura didática, possui links e ilustrações e propõe questões para autoavaliação. Acesso em: Março/2012.

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Ciência Hoje On-line http://cienciahoje.uol.com.br O que há no site: artigos selecionados das revistas Ciência Hoje, Ciência Hoje das Crianças e Ciência Hoje na Escola, notícias sobre ciência e tecnologia no Brasil e no mundo e a produção tecnológica das universidades. Acesso em: Março/2012. Ciência Viva www.cienciaviva.pt O que há no site: divulgação dos Centros Ciência Viva, espaços interativos de divulgação científica e tecnológica distribuídos pelo território português. Inclui também a rede de projetos que reúne trabalhos elaborados por alunos das escolas participantes do programa, além de outras seções. Acesso em: Março/2012. Brincando com Ciência www.on.br/site_daed O que há no site: jogos, experiências, curiosidades e testes relacionados a astronomia e geofísica, produzidos pela Divisão de Atividades Educacionais do Observatório Nacional. Acesso em: Março/2012. Estação Ciência da USP www.eciencia.usp.br/ O que há no site: descrições e fotos das exposições em cartaz no prédio da Estação Ciência. No Laboratório Virtual, há animações em shockwave sobre o tema de algumas das exposições. Acesso em: Março/2012. Grupo de Ensino de Ciências & Tecnologia darwin.futuro.usp.br O que há no site: projetos de ensino de Ciências com o uso de tecnologias em escolas públicas e particulares. Os temas abrangem botânica, ecologia, energia solar, zoologia, gestão ambiental, epidemiologia, saúde, astronomia, entre outros. Acesso em: Março/2012. Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia (IBICT) www.ibict.br/ O que há no site: o site do IBICT contém seção dedicada à revista Ciência da Informação, com diversos artigos, além de produtos e serviços, programas, ensino e pesquisa, cooperação técnico-científica e notícias. Acesso em: Março/2012.

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Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) www.mct.gov.br O que há no site: o site do MCT contém sua história, regimentos e estatutos, prêmios científicos, programas, artigos, publicações, legislação, eventos, entre outros. Acesso em: Março/2012. Museu de Ciências e Tecnologia (MCT) www.pucrs.br/mct O que há no site: entre outros objetivos, promove a divulgação e a difusão do conhecimento científico à comunidade, popularizando a compreensão dos fenômenos naturais e contribuindo com a educação científica de crianças e jovens, possibilitando a construção de uma consciência de proteção e conservação do ambiente natural. Acesso em: Março/2012. O Mundo de Beakman www.cienciamao.if.usp.br/tudo/index.php?midia=omb O que há no site: respostas didáticas e divertidas demonstradas pelo personagem Beakman (do seriado da TV Cultura), sobre ciências, biologia, astronomia, entre outros. Também há vídeos de outras séries de TV e documentários sobre temas científicos. Acesso em: Março/2012. X-TUDO www.tvcultura.com.br/x-tudo O que há no site: você encontrará instruções para experiências fáceis de entender, assim como as explicações para os fenômenos. Há ainda mágicas e artes. Acesso em: Março/2012. Museu de Astronomia e Ciências Afins (MAST) www.mast.br/ O que há no site: o Museu de Astronomia e Ciências Afins é espaço de múltiplas atividades: instituição pública federal criada em 1985, no Rio de Janeiro, trabalha com a história científica e tecnológica do Brasil, ao mesmo tempo que promove e estuda a divulgação e a educação em Ciências. Os espaços de exposição permanente se espalham pelo campus do MAST. Acesso em: Março/2012.

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Museus e centros de Ciências Os museus de Ciências têm como função básica tornar a ciência e a tecnologia acessíveis à população, comunicando os conhecimentos e os avanços da ciência de modo agradável e simples. Um museu pode direcionar suas ações a três públicos complementares: 1) alunos do ensino fundamental, médio e superior; 2) professores de todos os níveis, especialmente aqueles em exercício; 3) população em geral. Uma proposta efetiva de popularização da ciência necessita atingir essa diversidade. Algumas sugestões de museus e centros de Ciência: Estação Ciência A Estação Ciência é um centro de ciências interativo que realiza exposições nas áreas de Astronomia, Meteorologia, Física, Geologia/Geografia, Biologia, História, Informática, Tecnologia, Matemática, Humanidades, além de cursos, eventos e outras atividades, com o objetivo de popularizar a ciência e promover a educação científica. Rua Guaicurus, no 1394 – Lapa São Paulo – SP – CEP 05033-002 Telefone: (11) 3871-6750 – fax: (11) 3673-2798 www.eciencia.usp.br/ Centro de Divulgação Científica e Cultural (CDCC) O Centro de Divulgação Científica e Cultural pertence à Universidade de São Paulo (USP) e vincula-se à Pró-Reitoria de Cultura e Extensão Universitária, ao Instituto de Física de São Carlos e ao Instituto de Química de São Carlos. Rua 9 de julho, no 1227, Centro São Carlos – SP – CEP 13560-590 Telefone (16) 3373-9772 e 3372-3910 CDA – Observatório Av. Trabalhador Sãocarlense, no 400 São Carlos – SP – CEP 13566-590 Telefone (16) 3373-9191 www. cdcc.usp.br/ Museu de Ciências e Tecnologia da PUC-RS (MCT – PUC-RS) O Museu de Ciências e Tecnologia da PUC-RS tem como objetivo principal despertar o espírito científico, a curiosidade e o gosto pelas ciências. Sua exposição permanente conta com mais de 700 experimentos interativos que oferecem aos

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visitantes uma maneira inusitada e estimulante de conhecer os fenômenos naturais e as relações do homem com o mundo. O maior museu interativo da América do Sul, o MCT–PUC-RS recebe pessoas de todo Brasil e exterior, sobretudo escolas e professores de todos os níveis. Av. Ipiranga, 6681 – Prédio 40 Porto Alegre – RS – CEP 90619-900 Administração: (51) 3320-3521 www.pucrs.br/mct Casa da Ciência A Casa da Ciência – Centro Cultural de Ciência e Tecnologia da UFRJ, inaugurada em 1995, tem cerca de 3 mil m2 de área distribuídos entre salão de exposição, auditório, áreas de apoio e lazer, administração e serviços. R. Lauro Müller, no 3 – Botafogo Rio de Janeiro – RJ – CEP 22290-160 Telefax (21) 2542-7494 Contato: casadaciencia@casadaciencia.ufrj.br Mais informações pelo e-mail: escolas@casadaciencia.ufrj.br www.cciencia.ufrj.br/ Museu de Ciências Naturais O Museu de Ciências Naturais da Universidade de Caxias do Sul é um centro de estudos na área das ciências biológicas, com finalidades culturais, acadêmicas, de pesquisa científica e de difusão do conhecimento. Aberto de terça-feira a domingo, é um espaço que privilegia o estudo do ambiente natural da região, promovendo a divulgação de conhecimentos, comportamentos e valores voltados para a conservação e a preservação dos recursos naturais e dos elementos que compõem os ecossistemas da região e do Estado do Rio Grande do Sul. Telefone (54) 218-2142 Contato: etverona@ucs.br www.ucs.br/ucs/museu Museu de Astronomia e Ciências Afins — MAST O Museu de Astronomia e Ciências Afins é espaço de múltiplas atividades. Apresenta seu acervo em exposição permanente, abre ao público sua biblioteca e videoteca, realiza eventos como o Programa de Domingo, o Programa Observação do Céu e exposições temporárias. Promove ainda atividades itinerantes e desenvolve programas de atendimento escolar que incluem visitação guiada para grupos de estudantes e cursos de capacitação docente. Telefone: (21) 2580-0970 www.mast.br

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Espaço Ciência O Espaço Ciência é um dos maiores museus interativos de divulgação científica do país, onde o visitante pode explorar o mundo da ciência de forma agradável e divertida. Localizado em uma área privilegiada de 120 mil m2, próxima ao mar e entre as cidades de Recife e Olinda, abriga um manguezal natural de rara beleza. O Espaço Ciência também conta com dois observatórios astronômicos localizados fora da sua sede, um na Torre Malakoff, no bairro do Recife Antigo, e outro no Alto da Sé, em Olinda. A intenção é divulgar a produção científica nas escolas, capacitar professores e envolver comunidades, tratando de assuntos de interesse geral ou de temas atualizados em ciência, tecnologia e meio ambiente. Complexo de Salgadinho, – Parque Memorial Arcoverde Olinda – PE – CEP 53111-970 Telefones do Espaço Ciência (81) 3241-3226 (81) 3301-6140 (81) 3183-5528 www.espacociencia.pe.gov.br/

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Bibliografia A BASE MOLECULAR DA VIDA. São Paulo: Polígono – Edusp, 1971. (Textos da revista Scientific American). A BIOSFERA. São Paulo: Polígono; Edusp – 1974. (Textos da revista Scientific American). A CÉLULA VIVA. São Paulo: Polígono – Edusp, 1969. (Textos da revista Scientific American). ASIMOV, Isaac. O cérebro humano: suas capacidades e funções. São Paulo: Boa Leitura, s.d. ______ . O corpo humano: sua estrutura e funcionamento. São Paulo: Boa Leitura, s.d. BAILEY, F. R. et al. Histologia. São Paulo – Brasília: Edgard Blücher – INL, 973. BAKER, Jefrey J. W.; ALLEN, Garland E. Estudo da biologia. São Paulo: Edgard Blücher, 1975. v. 2. CANGUILHEM, Georges. El conocimiento de la vida. Barcelona: Anagrama, 1976. CAPRA, F. Sabedoria incomum. São Paulo: Cultrix, 1988. CHASSOT, A.; OLIVEIRA, J. R. Ciência, ética e cultura na educação. São Leopoldo: Unisinos, 1998. CHIAPPINI, L. Aprender e ensinar com textos de alunos. São Paulo: Cortez, 2002. v. 1, 2 e 3. COUTINHO, Leopoldo M. Botânica. 8. ed. São Paulo: Cultrix, s.d. CUNHA, M. V. da. A educação dos educadores: da escola nova à escola de hoje. Campinas: Mercado das Letras, 1995. CURTIS, Helena. Biologia. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1977. ______; BARNES, N. Sue. Biology. Nova York: Worth Publishers, Inc., 1989. DAJOZ, Roger. Ecologia geral. Petrópolis: Vozes, 1978. DAVIS, Bernard D. Microbiologia. São Paulo – Brasília: Edart – INL, 1973. v. 4. DE ANGELIS, Rabeca Carlota et al. Fisiologia da nutrição: fundamentos para nutrição e desnutrição. São Paulo: Edart/Edusp, 1977. 2 v. FACULDADE DE EDUCAÇÃO DA USP. Encontro – Perspectivas do Ensino de Biologia. Coletânea. São Paulo. Desde 1985. FERRI, M. G.; ANDRADE, M. M. B.; LAMBERTI, A. Botânica: fisiologia, curso experimental. São Paulo: Melhoramentos – Edusp, 1974. ______; MENEZES, N. L.; MONTEIRO-SCANAVACCA, W. R. Glossário ilustrado de botânica. São Paulo: Ebratec; Edusp, 1978.

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______. Botânica: morfologia externa das plantas (organografia). São Paulo: Melhoramentos, 1977. ______ . Botânica: morfologia interna das plantas (anatomia). São Paulo: Melhoramentos, 1972. FUNBEC. Laboratório básico polivalente de ciências para o 1O grau: manual do professor. Rio de Janeiro: MEC/Fename/ME/Premen/DEF, 1978. GABEIRA, F. Vida alternativa: uma revolução do dia a dia. Porto Alegre: L&PM, 1985. GEMMELL, Alan R. Anatomia vegetal em desenvolvimento. São Paulo: EPU – Edusp, 1981. GUYTON, Arthur C. Fisiologia humana. Rio de Janeiro: Interamericana, 1976. HELLER, A. Sociologia de la vida cotidiana. Barcelona: Península, 1977. ______. O cotidiano e a História. São Paulo: Paz e Terra, 1970. JACOB, François. A lógica da vida: uma história da hereditariedade. Rio de Janeiro: Graal, 1983. JOLY, Aylthon B. Botânica: introdução à taxonomia vegetal. São Paulo: Nacional, 1966. KNELLER, G. F. A ciência como atividade humana. Rio de Janeiro: Zahar, 1980. KÜKENTHAL, W.; MATTHES, E.; RENNER, M. Guia de trabalhos práticos de Zoologia. Coimbra: Atlântida, 1969. LIBÂNEO, M. L. L. A cidade de São Paulo – planejamento urbano e meio ambiente. Revista São Paulo em Perspectiva, São Paulo, v. 5, n. 2, p. 51-61, abr./jun. 1991. LOMBARDI, J. C. Pesquisa em Educação: história, filosofia e temas transversais. Campinas: Autores Associados, 1999. LURIA, Salvador E. Vida: experiência inacabada. São Paulo: Itatiaia – Edusp, 1979. MAC ALESTER, A. L. História geológica da vida. São Paulo: Edgard Blücher, 1971. MAGALHÃES, A. Dicionário Enciclopédico Brasileiro. São Paulo: Globo, 1960. 2 v. MASON, Brian H. Princípios de geoquímica. São Paulo: Polígono – Edusp, 1971. MENEZES, L. C. (Org.). Formação continuada de ciências no contexto iberoamericano. Campinas: Autores Associados; São Paulo: Nupes, 1996. MINAYO, M. C. de S. O desafio do conhecimento: metodologia da pesquisa qualitativa em saúde. São Paulo: Hucitec, 1992. MINISTÉRIO DA SAÚDE. Escola Nacional de Saúde Pública – ENSP. SCHALL, V. Alfabetizando o corpo. Cadernos de Saúde Pública, v. 15. Rio de Janeiro: Fiocruz, 1999. MINISTÉRIO DA SAÚDE. Escola Nacional de Saúde Pública – ENSP. VARGAS, E. P.; MINISTÉRIO DA EDUCAÇãO E DO DESPORTO. Secretaria de Educação Fundamental. Parâmetros Curriculares Nacionais: terceiro e quarto ciclos do ensino fundamental; Ciências Naturais. Brasília: MEC/SEF, 1998. UNIDADE 7 • ondas

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UNIDADE 7 • ondas

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HINO NACIONAL Letra: Joaquim Osório Duque Estrada Música: Francisco Manuel da Silva

Ouviram do Ipiranga as margens plácidas De um povo heroico o brado retumbante, E o sol da liberdade, em raios fúlgidos, Brilhou no céu da Pátria nesse instante.

Deitado eternamente em berço esplêndido, Ao som do mar e à luz do céu profundo, Fulguras, ó Brasil, florão da América, Iluminado ao sol do Novo Mundo!

Se o penhor dessa igualdade Conseguimos conquistar com braço forte, Em teu seio, ó liberdade, Desafia o nosso peito a própria morte!

Do que a terra mais garrida Teus risonhos, lindos campos têm mais flores; “Nossos bosques têm mais vida”, “Nossa vida” no teu seio “mais amores”.

Ó Pátria amada, Idolatrada, Salve! Salve!

Ó Pátria amada, Idolatrada, Salve! Salve!

Brasil, um sonho intenso, um raio vívido De amor e de esperança à terra desce, Se em teu formoso céu, risonho e límpido, A imagem do Cruzeiro resplandece.

Brasil, de amor eterno seja símbolo O lábaro que ostentas estrelado, E diga o verde-louro desta flâmula – Paz no futuro e glória no passado.

Gigante pela própria natureza, És belo, és forte, impávido colosso, E o teu futuro espelha essa grandeza.

Mas, se ergues da justiça a clava forte, Verás que um filho teu não foge à luta, Nem teme, quem te adora, a própria morte.

Terra adorada, Entre outras mil, És tu, Brasil, Ó Pátria amada! Dos filhos deste solo és mãe gentil, Pátria amada, Brasil!

Terra adorada Entre outras mil, És tu, Brasil, Ó Pátria amada! Dos filhos deste solo és mãe gentil, Pátria amada, Brasil!

ISBN 978-85-342-3110-7

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221617917 ciencias ibep 9º ano  

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