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Tradução da 6a edição norte-americana Vol. 1

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Tradução da 6a edição norte-americana Vol. 1 John C. Kotz Professor com Distinção em Ensino State University of New York – SUNY College at Oneonta

Paul M. Treichel Professor de Química da University of Wisconsin – Madison

Gabriela C. Weaver Professora Associada da Chemistry Purdue University

Tradução técnica

Flávio Maron Vichi Doutor em Química Geral pela Unicamp com pós-doutorado pela University of Wisconsin e Professor-Doutor do Departamento de Química Fundamental do Instituto de Química da Universidade de São Paulo

Tradução

Solange Aparecida Visconte

Austrália

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Brasil

Japão

Coreia

México

Cingapura

Espanha

Reino Unido

Estados Unidos

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Sumário Geral

Volume 1 Prefácio Prefácio aos Estudantes – Uma Introdução à Química Parte 1 As Ferramentas Básicas da Química 1 Matéria e Medição 2 Átomos e Elementos 3 Moléculas, Íons e seus Compostos 4 Equações Químicas e Estequiometria 5 Reações em Solução Aquosa 6 Princípios de Reatividade: Energia e Reações Químicas ENTRECAPÍTULO: A Química dos Combustíveis e Fontes de Energia Parte 2 A Estrutura dos Átomos e das Moléculas 7 Estrutura Atômica 8 Configurações Eletrônicas dos Átomos e Periodicidade Química 9 Ligações e Estrutura Molecular: Conceitos Fundamentais 10 Ligações e Estrutura Molecular: Hibridização de Orbitais e Orbitais Moleculares 11 Carbono: mais do que Apenas mais um Elemento ENTRECAPÍTULO: A Química da Vida: Bioquímica Parte 3 Os Estados da Matéria 12 Os Gases e suas Propriedades 13 Forças Intermoleculares, Líquidos e Sólidos ENTRECAPÍTULO: A Química dos Materiais Modernos 14 As Soluções e seu Comportamento Apêndices A. Usando Logaritmos e Equações Quadráticas B. Alguns Conceitos Físicos Importantes C. Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis D. Constantes Físicas E. Nomenclatura de Compostos Orgânicos F. Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos G. Pressão de Vapor da Água em Diversas Temperaturas H. Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C I. Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C

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VI

Química Geral e Reações Químicas – Volume 1

J. Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C K. Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa L. Valores Termodinâmicos Selecionados M. Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25 °C Apêndices disponíveis no site www.cengage.com.br, na página do livro: N. Respostas dos Exercícios O. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas P. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas dos Entrecapítulos Volume 2 Parte 4 O Controle das Reações Químicas 15 Princípios de Reatividade: Cinética Química 16 Princípios de Reatividade: Equilíbrios Químicos 17 Princípios de Reatividade: A Química de Ácidos e Bases 18 Princípios de Reatividade: Outros Aspectos dos Equilíbrios em Meio Aquoso 19 Princípios de Reatividade: Entropia e Energia Livre 20 Princípios de Reatividade: Reações de Transferência de Elétrons ENTRECAPÍTULO: A Química do Meio Ambiente Parte 5 A Química dos Elementos 21 A Química dos Elementos Representativos 22 A Química dos Elementos de Transição 23 Química Nuclear Apêndices A. Usando Logaritmos e Equações Quadráticas B. Alguns Conceitos Físicos Importantes C. Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis D. Constantes Físicas E. Nomenclatura de Compostos Orgânicos F. Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos G. Pressão de Vapor da Água em Diversas Temperaturas H. Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C I. Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C J. Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C K. Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa L. Valores Termodinâmicos Selecionados M. Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25 °C Apêndices disponíveis no site www.cengage.com.br, na página do livro: N. Respostas dos Exercícios O. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas P. Respostas de Questões de Estudo Selecionadas dos Entrecapítulos

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Sumário

Prefácio................................................................................................xv

Prefácio aos Estudantes – Uma Introdução à Química....................................1

Parte 1  As Ferramentas Básicas da Química 1  Matéria e Medição......................................................................... 9    Está muito quente?............................................................................................. 10 1.1  Classificação da Matéria............................................................................ 11 Estados da Matéria e a Teoria Cinético-Molecular.....................................12 A Matéria nos Níveis Macroscópico e Particulado.....................................12 Substâncias Puras.........................................................................................13 Misturas: Homogêneas e Heterogêneas......................................................13 1.2  Elementos e Átomos.................................................................................. 15 1.3  Compostos e Moléculas............................................................................. 16 1.4  Propriedades Físicas.................................................................................. 17 Densidade.....................................................................................................18 Dependência das Propriedades Físicas com a Temperatura......................19 Propriedades Extensivas e Intensivas..........................................................20 1.5  Mudanças Físicas e Químicas................................................................... 21 1.6  Unidades de Medida.................................................................................. 22 Temperatura.................................................................................................23 Comprimento...............................................................................................25 Volume..........................................................................................................27 Perspectivas em Química: É um Nanomundo!.............................................28 Massa............................................................................................................29 1.7  Fazendo Medições: Precisão, Exatidão e Erro Experimental.................. 29 Um Exame Mais Detalhado: Desvio Padrão.................................................30 1.8  A Matemática da Química........................................................................ 31 Notação Exponencial ou Científica.............................................................32 Algarismos Significativos.............................................................................35 Resolução de Problemas Através da Análise Dimensional.........................38 Construindo Gráficos..................................................................................39 Resolução de Problemas e Aritmética Química..........................................41 Revisão dos Objetivos do Capítulo................................................................... 42 Equações-chave................................................................................................... 43 Questões de Estudo............................................................................................ 43

2  Átomos e Elementos.................................................................... 49

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Poeira de Estrelas................................................................................................ 50 2.1  Prótons, Elétrons e Nêutrons: Desenvolvimento da Estrutura Atômica................................................................................ 51 Eletricidade...................................................................................................51

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VIII

Química Geral e Reações Químicas – Volume 1

Radioatividade.........................................................51 Tubos de Raios Catódicos e a Caracterização dos Elétrons..............................................................52 Prótons.....................................................................54 Nêutrons..................................................................54 Perspectivas Históricas: Descobrindo a Estrutura Atômica....................................................55 O Núcleo do Átomo................................................55 2.2  Número Atômico e Massa Atômica......................56 Número Atômico.....................................................56 Massa Atômica Relativa e a Unidade de Massa Atômica.....................................57 Número de Massa....................................................57 2.3  Isótopos..................................................................58 Abundância Isotópica..............................................59 Determinando a Massa Atômica Exata e a Abundância Isotópica..............................59 2.4  Massa Atômica.......................................................60 Um Exame Mais Detalhado: Massa Atômica e Defeito de Massa.......................................................61 2.5  Os Átomos e o Mol..................................................62 Massa Molar.............................................................62 Perspectivas Históricas: Amedeo Avogadro e Seu Número...........................................................63 2.6  A Tabela Periódica.................................................66 Características da Tabela Periódica.........................66 O Desenvolvimento da Tabela Periódica................68 Perspectivas Históricas: A Tabela Periódica..............69 2.7  Uma Visão Geral dos Elementos, de sua Química e da Tabela Periódica.........................................................70 Grupo 1: os Metais Alcalinos: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr..................................................70 Grupo 2: Metais Alcalino-terrosos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra...............................................70 Grupo 13: B, Al, Ga, In, Tl.......................................71 Grupo 14: C, Si, Ge, Sn, Pb......................................72 Grupo 15: N, P, As, Sb, Bi........................................73 Grupo 16: O, S, Se, Te, Po........................................73 Grupo 17: Halogênios: F, Cl, Br, I, At......................74 Grupo 18: Gases Nobres: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn..............................................74 Os Elementos de Transição.....................................75 2.8  Elementos Essenciais.............................................75 Revisão dos Objetivos do Capítulo.......................76 Equações-Chave.....................................................77 Questões de Estudo...............................................77

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3  Moléculas, Íons e seus Compostos............. 81 DNA: A Molécula Mais Importante.............................82 3.1  Moléculas, Compostos e Fórmulas.....................83 Fórmulas................................................................83 3.2  Modelos Moleculares..........................................85 Um Exame Mais Detalhado: Recursos Computacionais para Modelagem Molecular........86 3.3  Compostos Iônicos: Fórmulas, Nomes e Propriedades..............................................................................87 Íons.........................................................................87 Fórmulas dos Compostos Iônicos........................92 Nomes dos Íons.....................................................93 Nomes dos Compostos Iônicos............................94 Propriedades dos Compostos Iônicos..................95 3.4  Compostos Moleculares: Fórmulas, Nomes e Propriedades.......................................................................97 3.5  Fórmulas, Compostos e o Mol............................99 3.6  Determinando a Fórmula de Compostos........102 Composição Percentual.......................................102 Fórmulas Empírica e Molecular a Partir da Composição Percentual.......................................104 Um Exame Mais Detalhado: Espectrometria de Massa, Massa Molar e Isótopos.............................110 3.7  Compostos Hidratados.....................................110 Revisão dos Objetivos do Capítulo...................113 Equações-chave..................................................114 Questões de Estudo...........................................114

4  Equações Químicas e Estequiometria...... 119 As Fumarolas Negras e a Origem da Vida.................120 4.1  Equações Químicas...........................................121 Perspectivas Históricas: Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794)..........................................................122 4.2  Balanceamento de Equações Químicas............123 4.3  Relações de Massa em Reações Químicas: Estequiometria...........................................................126 4.4  Reações em que um Reagente está Presente em Quantidade Limitada.................................................129 Um Cálculo Estequiométrico com um ­Reagente Limitante..............................................................130 4.5  Rendimento Percentual.....................................134 4.6  Equações Químicas e Análise Química............135 Análise Quantitativa de uma Mistura................135 Determinando a Fórmula de um Composto ­por Combustão...........................................................138 Revisão dos Objetivos do Capítulo...................141 Equação-Chave..................................................141 Questões de Estudo...........................................141

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Sumário

5  Reações em Solução Aquosa...................... 147 Sal................................................................................148 5.1  Propriedades dos Compostos em Solução Aquosa...............................................................149 Íons em Solução Aquosa: Eletrólitos..................149 Tipos de Eletrólitos..............................................150 Solubilidade de Compostos Iônicos em Água...151 5.2  Reações de Precipitação....................................153 Equações Iônicas Líquidas..................................156 5.3  Ácidos e Bases....................................................158 Ácidos...................................................................158 Perspectivas em Química: Ácido Sulfúrico...........159 Bases.....................................................................159 Um Exame Mais Detalhado: Íons H+ em Água....160 Óxidos Metálicos e Não Metálicos......................161 Perspectivas em Química: Holofotes e Óxidos Metálicos..................................................162 5.4  Reações de Ácidos e Bases.................................163 5.5  Reações que Formam Gases..............................165 5.6  Classificação das Reações em Solução Aquosa.166 Sumário das Forças Motrizes das Reações.........168 Um Exame Mais Detalhado: Reações com Formação Favorecida de Produtos ou Reagentes........................ 168 5.7  Reações de Oxirredução....................................169 Reações Redox e Transferência de Elétrons........169 Números de Oxidação.........................................170 Um Exame Mais Detalhado: Os Números de Oxidação são “Reais”?..........................................171 Reconhecendo Reações de Oxirredução.............172 5.8  Medindo a Concentração de Compostos em Solução.....................................175 Concentração de Soluções: Molaridade.............176 Preparando Soluções de Concentração Conhecida............................................................178 5.9  pH: uma Escala de Concentração para Ácidos e Bases....................................................181 5.10  Estequiometria das Reações em Solução Aquosa.................................................183 Solução Geral de Estequiometria........................183 Titulação: um Método de Análise Química.......185 Revisão dos Objetivos do Capítulo...................190 Equações-chave..................................................191 Questões de Estudo...........................................192

6  Princípios de Reatividade: Energia e Reações Químicas........................... 197 O Refrigerador de Abba.............................................198

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6.1 

6.2  6.3  6.4  6.5  6.6  6.7  6.8  6.9 

IX

Energia: Alguns Princípios Básicos..................200 Conservação da Energia......................................201 Temperatura e Calor............................................201 Sistemas e Vizinhanças........................................202 Direcionalidade da Transferência de Calor: Equilíbrio Térmico..............................................202 Um Exame Mais Detalhado: Por Que o Calor de uma Sala Não Leva Sua Xícara de Café à Fervura?................................................................203 Unidades de Energia............................................204 Perspectivas em Química: Alimentos e Calorias...204 Capacidade Calorífica Específica e Transferência de Calor..............................................................205 Um Exame Mais Detalhado: Convenções de Sinais............................................207 Aspectos Quantitativos da Transferência de Calor.........................................208 Energia e Mudanças de Estado.........................210 A Primeira Lei da Termodinâmica...................213 Perspectivas Históricas: Trabalho, Canhões, Sopa e Cerveja..................................................................214 Um Exame Mais Detalhado: Trabalho P-V.........215 Entalpia................................................................216 Funções de Estado...............................................216 Variações de Entalpia para Reações Químicas..............................................217 Calorimetria......................................................219 Calorimetria e Pressão Constante: Medindo ∆H..... 219 Calorimetria e Volume Constante: Medindo ∆E..... 221 A Lei de Hess......................................................222 Diagramas de Níveis de Energia.........................223 Entalpias Padrão de Formação.........................225 Variação de Entalpia para uma Reação..............228 Um Exame Mais Detalhado: A Lei de Hess e a Equação 6.6..........................................................229 Reações com Formação Favorecida de Produtos ou Reagentes e a Termoquímica.................................230 Revisão dos Objetivos do Capítulo...................231 Equações-chave..................................................231 Questões de Estudo...........................................232

ENTRECAPÍTULO A Química dos Combustíveis e as Fontes de Energia........................................ 239 Oferta e Demanda: o Balanço Energético.......................240 Consumo de Energia..................................................240 Recursos Energéticos..................................................241

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X

Química Geral e Reações Químicas – Volume 1

Combustíveis Fósseis.................................................243 Carvão.........................................................................244 Gás Natural.................................................................245 Petróleo.......................................................................245 Outras Fontes de Combustíveis.................................245 Energia no Futuro: Escolhas e Alternativas..............247 Células a Combustível................................................247 A Economia do Hidrogênio.......................................248 Biofontes de Energia...................................................251 Energia Solar...............................................................251 O que o Futuro nos Reserva em Matéria de Energia?....................................................252 Sugestões de Leitura...................................................252 Questões de Estudo....................................................252

Parte 2  A Estrutura dos Átomos e das Moléculas 7  Estrutura Atômica..................................... 255 Cores no Céu...............................................................256 7.1  Radiação Eletromagnética................................257 Propriedades das Ondas......................................257 Ondas Estacionárias............................................258 O Espectro Visível da Luz....................................259 7.2  Planck, Einstein, Energia e Fótons...................261 Equação de Planck...............................................261 Einstein e o Efeito Fotoelétrico...........................262 Energia e Química: Usando a Equação de Planck...............................................263 Perspectivas em Química: Radiação UV, Danos à Pele e Protetores Solares........................................265 7.3  Espectros de Linhas Atômicas e Niels Bohr.....265 Espectros de Linhas Atômicas.............................265 O Modelo de Bohr do Átomo de Hidrogênio......................................................267 A Teoria de Bohr e os Espectros de Átomos Excitados................................................269 Um Exame Mais Detalhado: Evidência Experimental para a Teoria de Bohr....................272 7.4  Propriedades Ondulatórias do Elétron............273 7.5  Uma Visão Mecânico-quântica do Átomo.......274 O Princípio da Incerteza.....................................274 Perspectivas Históricas: Gigantes da Ciência do Século XX.......................................274 O Modelo de Schrödinger do Átomo de Hidrogênio e as Funções de Onda......................275 Números Quânticos............................................276

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Informações Úteis a Partir dos Números Quânticos......................................277 7.6  O Formato dos Orbitais Atômicos...................278 Orbitais s..............................................................279 Orbitais p.............................................................280 Orbitais d.............................................................280 Orbitais f..............................................................281 7.7  Orbitais Atômicos e a Química.........................281 Revisão dos Objetivos do Capítulo...........................282 Equações-chave...........................................................282 Questões de Estudo....................................................282

8  Configurações Eletrônicas dos Átomos e Periodicidade Química.................................... 289 Cada Coisa no Seu Lugar............................................290 8.1  Spin Eletrônico..................................................291 Magnetismo.........................................................291 Paramagnetismo e Elétrons Desemparelhados................................................292 Um Exame Mais Detalhado: Paramagnetismo e Ferromagnetismo..................................................293 8.2  O Princípio de Exclusão de Pauli......................293 Perspectivas em Química: Spins Quantizados e Imagens por Ressonância Magnética....................294 8.3  Energias das Subcamadas Atômicas e Atribuição dos Elétrons........................................................295 Ordem de Energia das Subcamadas e Atribuição dos Elétrons..........................................................296 A Carga Nuclear Efetiva, Z*................................297 8.4  Configurações Eletrônicas dos Átomos...........299 Configurações Eletrônicas dos Elementos do Grupo Principal..............................................299 Configurações Eletrônicas dos Elementos de Transição.........................................................304 8.5  Configurações Eletrônicas dos Íons.................306 8.6  Propriedades Atômicas e Tendências Periódicas.......................................307 Tamanho Atômico...............................................307 Energia de Ionização...........................................311 Afinidade Eletrônica............................................313 Tamanho dos Íons...............................................315 8.7  Tendências Periódicas e Propriedades Químicas....................................316 Revisão dos Objetivos do Capítulo...........................317 Questões de Estudo....................................................318

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Sumário

9  Ligações e Estrutura Molecular: Conceitos Fundamentais............................ 323 Moléculas no Espaço..................................................324 9.1  Elétrons de Valência..........................................326 Símbolos de Lewis para os Átomos....................327 9.2  Formação de Ligações Químicas......................328 9.3  Ligação em Compostos Iônicos........................329 Atração entre Íons e Energia de Retículo...........329 Por que Compostos como NaCl2 e NaNe não Existem?......................................................................332 9.4  Ligações Covalentes e Estruturas de Lewis......332 Estruturas Eletrônicas de Lewis..........................333 A Regra do Octeto...............................................333 Prevendo Estruturas de Lewis.............................336 9.5  Ressonância.......................................................340 Um Exame Mais Detalhado: Estruturas de Ressonância, Estruturas de Lewis e Modelos Moleculares...........................................................341 9.6  Exceções à Regra do Octeto...............................342 Compostos em que um Átomo Possui Menos de Oito Elétrons de Valência....................................342 Compostos em que um Átomo Possui Mais de Oito Elétrons de Valência....................................343 Moléculas com um Número Ímpar de Elétrons...........................................................345 Perspectivas em Química: A Importância das Moléculas com Número Ímpar de Elétrons..........345 9.7  As Formas das Moléculas..................................347 Átomos Centrais Cercados Somente por Pares de Ligações Simples..................................................347 Átomos Centrais com Pares de Ligação Simples e Pares Isolados.......................................................348 Ligações Múltiplas e Geometria Molecular........351 9.8  Distribuição de Cargas em Ligações Covalentes e Moléculas...........................................................353 Cargas Formais em Átomos................................354 Um Exame Mais Detalhado: Carga Formal e Número de Oxidação..................355 Polaridade da Ligação e Eletronegatividade.......356 Um Exame Mais Detalhado: Eletronegatividade.358 Combinando a Carga Formal e a Polaridade da Ligação.................................................................359 9.9  Polaridade Molecular........................................360 Perspectivas Históricas: Desenvolvendo os ­Conceitos de Ligação e Estrutura..........................................362 Perspectivas em Química: Cozinhando com ­Micro-ondas..........................................................363

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XI

9.10 Propriedades das Ligações: Ordem, Comprimento e Energia...............................................................366 Ordem de Ligação................................................366 Comprimento de Ligação...................................366 Energia de Ligação...............................................368 9.11 A História do DNA Revisitada.................................371 Revisão dos Objetivos do Capítulo..........................372 Equações-chave.........................................................373 Questões de Estudo...................................................374

10  Ligações e a Estrutura Molecular: Hibridização de Orbitais e Orbitais Moleculares.379 Linus Pauling: uma Vida Pensando em Química....380 10.1  Orbitais e Teorias da Ligação........................381 10.2  Teoria da Ligação de Valência.......................381 O Modelo de Ligação da Sobreposição de ­Orbitais.............................................................381 Hibridização dos Orbitais Atômicos...............383 Ligações Múltiplas...........................................391 Isomeria Cis-Trans: uma Consequência das Ligações π...................................................395 Benzeno: um Exemplo Especial da Ligação π.....................................................396 10.3  Teoria do Orbital Molecular.........................397 Princípios da Teoria do Orbital Molecular.....398 Ordem de Ligação............................................399 Orbitais Moleculares de Li2 e Be2....................400 Orbitais Moleculares a Partir de Orbitais Atômicos p.......................................................401 Configurações Eletrônicas para Moléculas Homonucleares do Boro ao Flúor..................401 Um Exame Mais Detalhado: Orbitais Moleculares de Compostos Formados por Elementos do Bloco p........................................403 Configurações Eletrônicas para Moléculas Diatômicas Heteronucleares...........................404 Ressonância e a Teoria do Orbital Molecular.........................................................404 Revisão dos Objetivos do Capítulo..........................405 Equações-chave.........................................................406 Questões de Estudo...................................................406

11  Carbono: mais do que Apenas mais um Elemento.................................................... 411

Um Começo Colorido...............................................412 11.1  Por que o Carbono?.......................................413 Diversidade Estrutural.....................................413

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XII

Química Geral e Reações Químicas – Volume 1

Isômeros...........................................................414 Um Exame Mais Detalhado: Escrevendo Fórmulas e Desenhando Estruturas..................415 Um Exame Mais Detalhado: Isômeros Ópticos e Quiralidade........................417 Estabilidade dos Compostos de Carbono.......418 11.2  Hidrocarbonetos............................................418 Alcanos.............................................................418 Um Exame Mais Detalhado: Moléculas Flexíveis............................................424 Alcenos e Alcinos.............................................424 Compostos Aromáticos...................................428 Um Exame Mais Detalhado: A Química do Petróleo......................................431 11.3  Alcoóis, Éteres e Aminas................................433 Alcoóis e Éteres................................................433 Propriedades de Álcoois e Éteres.....................435 Aminas..............................................................436 11.4  Compostos com um Grupo Carbonila.........438 Aldeídos e Cetonas...........................................439 Ácidos Carboxílicos.........................................440 Um Exame Mais Detalhado: Glicose e Açúcares.............................................442 Perspectivas em Química: A Aspirina Tem Mais de 100 Anos de Idade!.......................................443 Ésteres...............................................................444 Amidas..............................................................446 Um Exame Mais Detalhado: Gorduras e Óleos..... 447 11.5  Polímeros.......................................................449 Classificação dos Polímeros.............................449 Polímeros de Adição........................................450 Polímeros de Condensação.............................453 Perspectivas em Química: Superfraldas............456 Revisão dos Objetivos do Capítulo..........................457 Questões de Estudo...................................................457

ENTRECAPÍTULO A Química da Vida: Bioquímica..................... 461 Proteínas.....................................................................462 Os Aminoácidos são os Blocos de Construção das Proteínas...............................................................462 Estrutura das Proteínas e Hemoglobina.............464 Anemia Falciforme..............................................464 Enzimas, Sítios Ativos e Lisozima.......................466 Ácidos Nucleicos.........................................................468 A Estrutura do Ácido Nucleico...........................468

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Síntese de Proteínas.............................................469 O Mundo do RNA e a Origem da Vida..............471 Metabolismo...............................................................472 Energia e ATP.......................................................472 Oxirredução e NADH.........................................473 Perspectivas em Química: Transcriptase Reversa e Aids.......................................................................474 Respiração e Fotossíntese....................................475 Observações Finais.....................................................475 Sugestões de Leitura...................................................476 Questões de Estudo....................................................476

Parte 3  Os Estados da Matéria 12  Os Gases e suas Propriedades................. 479 Subindo... Subindo... Sumiu!....................................480 12.1  As Propriedades dos Gases............................481 Pressão de um Gás...........................................481 Um Exame Mais Detalhado: Medindo a Pressão de um Gás.........................................................483 12.2  As Leis dos Gases: uma Base Experimental......484 A Compressibilidade dos Gases: Lei de Boyle...... 484 Efeito da Temperatura no Volume de um Gás: Lei de Charles...................................................485 Combinando as Leis de Boyle e de Charles: Lei Geral dos Gases..........................................487 A Hipótese de Avogadro..................................488 12.3  A Lei dos Gases Ideais....................................490 Densidade dos Gases........................................491 Calculando a Massa Molar de um Gás a Partir de Dados de P, V e T........................................493 12.4  As Leis dos Gases e as Reações Químicas......494 12.5  Misturas de Gases e Pressões Parciais..........496 Perspectivas em Química: Estudos sobre Gases...........................................499 12.6  Teoria Cinético-molecular dos Gases...........499 Velocidade Molecular e Energia Cinética.......499 Teoria Cinético-molecular e as Leis dos Gases...................................................502 12.7  Difusão e Efusão............................................502 12.8  Algumas Aplicações das Leis dos Gases e da Teoria Cinético-molecular.............................504 Separação de Isótopos.....................................504 Mergulho Submarino Profundo.....................505 12.9  Comportamento Não Ideal: Gases Reais......506 Perspectivas em Química: A Atmosfera Terrestre....508 Revisão dos Objetivos do Capítulo..........................509

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Sumário

Equações-chave.........................................................509 Questões de Estudo...................................................511

13  Forças Intermoleculares, Líquidos e Sólidos............................................ 517 O Misterioso Desaparecimento das Impressões Digitais..................................................518 13.1  Estados da Matéria e a Teoria Cinético-Molecular........................................519 13.2  Forças Intermoleculares................................520 Interações Entre Íons e Moléculas com um Dipolo Permanente..........................................520 Interações entre Moléculas com Dipolos Permanentes.....................................................522 Um Exame Mais Detalhado: Sais Hidratados.................................................523 Interações entre Moléculas Apolares..............524 13.3  A Ligação de Hidrogênio...............................526 A Ligação de Hidrogênio e as Propriedades Incomuns da Água...........................................529 13.4  Resumo das Forças Intermoleculares...........530 13.5  As Propriedades dos Líquidos.......................532 Vaporização......................................................532 Pressão de Vapor..............................................535 Ponto de Ebulição............................................538 Temperatura e Pressão Críticas.......................539 Tensão Superficial, Ação Capilar e Viscosidade....................................................539 13.6  Química do Estado Sólido: Metais................541 Retículos Cristalinos e Celas Unitárias...........542 13.7  Química do Estado Sólido: Estruturas e ­Fórmulas dos Sólidos Iônicos.......................545 Um Exame Mais Detalhado: Empacotando Laranjas............................................................546 13.8  Outros Tipos de Materiais Sólidos...............549 Sólidos Moleculares.........................................549 Sólidos Reticulares...........................................549 Sólidos Amorfos...............................................550 13.9  As Propriedades Físicas dos Sólidos.............550 Fusão: Conversão de um Sólido em Líquido..... 551 Sublimação: Conversão de um Sólido em Vapor...............................................553 13.10  Diagramas de Fase.........................................553 Água..................................................................553 Dióxido de Carbono........................................554 Revisão dos Objetivos do Capítulo..........................555 Equação-chave...........................................................556 Questões de Estudo...................................................556

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XIII

ENTRECAPÍTULO A Química dos Materiais Modernos............... 561 Metais..........................................................................562 Ligações em Metais.................................................562 Ligas: Misturas de Metais.......................................564 Semicondutores........................................................565 Ligações em Semicondutores: o Band Gap............565 Aplicações de Semicondutores: Diodos, LEDs e Transistores...................................567 Técnicas de Microfabricação que Utilizam Materiais Semicondutores......................................568 Cerâmicas..................................................................568 Vidro: uma Cerâmica Desordenada.......................570 Cerâmicas Aquecidas para Propósitos Especiais: Cimentos, Argilas e Refratários.............571 Cerâmicas Modernas com Propriedades Excepcionais.....................................572 Biomateriais: Aprendendo Com a Natureza...........573 O Futuro dos Materiais.............................................574 Leituras Sugeridas.....................................................576 Questões de Estudo...................................................576

14  As Soluções e Seu Comportamento........ 577 Os Lagos Assassinos da República de Camarões..............................................................578 14.1  Unidades de Concentração............................580 14.2  O Processo de Dissolução..............................582 Líquidos Dissolvendo-se em Líquidos................583 Um Exame Mais Detalhado: Soluções Supersaturadas.....................................................583 Sólidos Dissolvendo-se em Líquidos..................584 Calor de Dissolução.............................................585 14.3  Fatores que Afetam a Solubilidade: Pressão e Temperatura..............................................................588 Dissolvendo de Gases em Líquidos: a Lei de Henry......................................................588 14.4  Propriedades Coligativas..............................590 Mudanças na Pressão de Vapor: a Lei de Raoult.....................................................590 Elevação do Ponto de Ebulição...........................593 Depresão do Ponto de Congelamento................595 Propriedades Coligativas e a Determinação da Massa Molar.........................................................596 Propriedades Coligativas de Soluções que Contêm Íons.................................................597 Osmose.................................................................598 14.5  Coloides..........................................................601

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Química Geral e Reações Químicas – Volume 1

Um Exame Mais Detalhado: Osmose Reversa em Tampa Bay............................................................602 Tipos de Coloides................................................603 Surfactantes..........................................................504 Revisão dos Objetivos do Capítulo..........................506 Equações-chave.........................................................507 Questões de Estudo...................................................508

Apêndices A  Usando Logaritmos e a Equações Quadráticas......A-1 B  Alguns Conceitos Físicos Importantes...............A-6 C  Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis........A-9 D  Constantes Físicas.............................................A-13 E  Nomenclatura de Compostos Orgânicos..........A-16 F  Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos.......................................A-19

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G  Pressão de Vapor da Água em Várias Temperaturas............................................. A-20 H  Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C............................................ A-22 I  Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C............................................... A-24 J  Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C............................ A-25 K  Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa.................................... A-27 L  Valores Termodinâmicos Selecionados.......... A-29 M  Potenciais-padrão de Redução em Solução Aquosa a 25°C........................................................ A-35 Glossário/Índice............................................................. I-1

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Prefácio

Sentimo-nos gratificados pelo fato de Química Geral e Reações Químicas1 ter sido utilizado por mais de um milhão de alunos em suas cinco primeiras edições. Sendo essa uma indicação de que nosso livro tem tido sucesso na tarefa de ajudar os estudantes a aprender química, acreditamos que os objetivos que traçamos na primeira edição continuam válidos. Nossos principais objetivos sempre foram propiciar uma visão abrangente da química e da reatividade dos elementos químicos e seus compostos e das aplicações da química. Organizamos essa abordagem em torno da relação próxima entre as observações das mudanças químicas e físicas que os químicos fazem no laboratório e na natureza e o modo como elas são vistas nos níveis atômico e molecular. Outro de nossos objetivos tem sido transmitir uma percepção da química não somente como um campo que possui uma vigorosa história, mas que também é altamente dinâmico, com importantes novas descobertas ocorrendo a cada ano. Além disso, desejamos fornecer uma percepção acerca dos aspectos químicos do mundo à nossa volta. De fato, o principal objetivo deste livro é propiciar as ferramentas necessárias para que você atue como um cidadão que possui cultura química. O aprendizado de um pouco do mundo da química é tão importante quanto a compreen­são de biologia e matemática básicas, e tão importante quanto apreciar a história, a música e a literatura. Por exemplo, você deveria saber que materiais são importantes para a nossa economia, quais são algumas das reações químicas que ocorrem nas plantas e nos animais ao nosso redor, e qual é o papel dos químicos na proteção do meio ambiente. Entre os aspectos mais excitantes e gratificantes de nossas carreiras como químicos está nossa habilidade de descobrir novos compostos e encontrar novas maneiras de aplicar os princípios químicos e explicar o que observamos. Esperamos ter transmitido essa noção de satisfação neste livro, bem como nosso espanto em relação ao que se conhece em química e, igualmente importante, ao que não se conhece!

Filosofia e Abordagem do Programa Temos, desde a primeira edição do livro, dois objetivos interdependentes. O primeiro era escrever um livro que os estudantes gostassem de ler e que fosse capaz de oferecer, com um nível razoável de rigor, a química e os princípios químicos em um formato e organização típicos de um curso de nível superior atual. Em segundo, queríamos transmitir a utilidade e a importância da química pela introdução das propriedades dos elementos, seus compostos e suas reações tão cedo quanto possível, focando ao máximo a discussão nesses assuntos. A American Chemical Society (Sociedade Norte-americana de Química) tem insistido com os educadores para que a “química” seja reintroduzida nos cursos básicos de química. Nós concordamos totalmente com essa posição. Portanto, tentamos descrever os elementos, seus compostos e suas reações o quanto antes e de várias maneiras possíveis. Primeiramente, numerosas fotografias coloridas mostram as rea­ções químicas ocorrendo, os elementos e os compostos comuns, e procedimentos comuns no laboratório e na indústria. Em segundo lugar, tentamos incluir material sobre as propriedades dos elementos e seus compostos o quanto antes nos Exercícios e Questões de Estudo, bem como introduzir os novos princípios utilizando situações

1 Esta edição em português está organizada em dois volumes (vol. 1, Capítulos 1 a 14 e vol. 2, Capítulos 15 ao 23). (NE)

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XVI

Química Geral e Reações Químicas – Volume 1

químicas realistas. Por fim, pontos de destaque relevantes são dados nos Capítulos 21 e 22 (vol. 2) como peça complementar dos princípios descritos anteriormente.

Organização do Livro Química Geral e Reações Químicas apresenta dois temas principais: a reatividade química e ligações e estrutura molecular. Os capítulos sobre princípios de reatividade introduzem os fatores que fazem com as reações químicas tenham sucesso na conversão de reagentes a produtos. Sob esse tópico você irá estudar os tipos de reação comuns, a energia envolvida nas reações e os fatores que afetam a velocidade de uma reação. Uma das causas dos enormes avanços em química e biologia molecular durante as últimas décadas tem sido a compreensão da estrutura molecular. As seções do livro que abordam os princípios de ligação e estrutura molecular formam a base para a compreensão desses avanços. Dedicamos atenção especial ao entendimento dos aspectos estruturais de moléculas importantes, tais como o DNA. Um exame superficial dos textos de química geral disponíveis atualmente mostra que, de um modo geral, há uma ordem comum de tópicos usada pelos educadores. Com pequenas variações, seguimos também essa ordem. O que não significa que os capítulos não possam ser utilizados em outra ordem. Nós os escrevemos de modo que fosse a mais flexível possível. Por exemplo, o capítulo sobre o comportamento dos gases (Capítulo 12) está próximo dos capítulos sobre sólidos, líquidos e soluções (Capítulos 13 e 14), pois ele se encaixa naturalmente ao lado desses tópicos. Porém, ele pode ser facilmente lido e compreendido logo após a leitura dos quatro ou cinco primeiros capítulos. Da mesma forma, os capítulos sobre estrutura atômica e molecular (Capítulos 7-10) podem ser utilizados antes dos capítulos sobre estequiometria e reações comuns (Capítulos 4 e 5). Também consideramos que os capítulos sobre equilíbrios químicos (Capítulos 16-18, vol. 2) podem ser vistos antes dos que tratam de soluções e de cinética (Capítulos 14 e 15, vol. 2). A química orgânica (Capítulo 11) é frequentemente deixada para os capítulos finais nos livros-texto de química. Acreditamos que a importância dos compostos orgânicos em bioquímica e dos produtos de uso cotidiano justifica a inclusão desse tópico bastante cedo na sequência de capítulos. Essa abordagem segue os capítulos que tratam de estrutura e ligações, pois a química orgânica ilustra de forma bastante clara a aplicação dos modelos de ligação química e estrutura molecular. O restante do livro, porém, pode ser utilizado sem a inclusão desse capítulo. A ordem dos tópicos no texto também foi planejada de modo a introduzir o quanto antes o conhecimento necessário para a realização dos experimentos de laboratório que são geralmente feitos nos cursos de Química Geral. Por esse motivo, os capítulos sobre propriedades físicas e químicas, tipos comuns de reação e estequiometria são os primeiros do livro. Além disso, como uma compreensão do conceito de energia é muito importante no estudo da química, introduzimos a termoquímica no Capítulo 6. Além dos capítulos regulares, os usos e as aplicações da química são descritos mais detalhadamente nos entrecapítulos sobre A Química dos Combustíveis e as Fontes de Energia, A Química da Vida: Bioquímica, A Química dos Materiais Modernos e a Química do Meio Ambiente. Esses capítulos, novos nesta edição, serão comentados adiante. Além desses entrecapítulos, as Perspectivas em Química tentam trazer relevância e perspectivas para o estudo da química. Esses itens se aprofundam em tópicos como a nanotecnologia, o uso de isótopos, o que significa estar na mira de um holofote, a importância do ácido sulfúrico na economia mundial, bloqueadores solares e a importância recentemente reconhecida da molécula de NO. As Perspectivas Históricas descrevem o desenvolvimento histórico dos princípios químicos e as pessoas que contribuíram para o nosso avanço na compreensão da química. A seções Um Exame mais Detalhado descrevem ideias que formam o pano de fundo para o material em discussão ou apresentam uma nova dimensão do assunto. No Capítulo 11 sobre química orgânica, por exemplo, elas são dedicadas a uma discussão dos aspectos estruturais de moléculas importantes, do petróleo, das gorduras e dos óleos. Em outros capítulos nos debruçamos sobre a modelagem molecular, ressonância magnética e espectrometria de massa. Por fim, as Dicas de Solução de Problemas fornecem aos estudantes uma visão abrangente da resolução de problemas. Além de mostrar, de acordo com nossa experiência, onde os alunos cometem erros mais frequentes, e sugerem formas alternativas de resolver os problemas. Os capítulos de Química Geral e Reações Químicas são organizados em cinco partes, agrupadas em temas comuns.

Parte 1: As Ferramentas Básicas

da

Química

Existem ideias e métodos que formam a base de toda a química, e estes são discutidos na Parte 1. O Capítulo 1 define termos importantes e revisa as unidades e métodos matemáticos. Os Capítulos 2 e 3 introduzem as ideias básicas de átomos, moléculas e íons, e o

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Prefácio

XVII

Capítulo 2 descreve o dispositivo organizacional mais importante em química, a tabela periódica. Nos Capítulos 4 e 5, começamos a discutir os princípios de reatividade química e a introduzir os métodos numéricos usados pelos químicos para extrair informação quantitativa a partir das reações químicas. O Capítulo 6 introduz a energia envolvida nos processos químicos. O entrecapítulo A Química dos Combustíveis e as Fontes de Energia, após o 6, utiliza muitos dos conceitos desenvolvidos nos capítulos que o antecedem.

Parte 2: A Estrutura

dos

Átomos

e das

Moléculas

O objetivo dessa seção é delinear as teorias atuais que descrevem o arranjo dos elétrons nos átomos e descrever um pouco do desenvolvimento histórico que levou a essas ideias (Capítulos 7 e 8). Essa discussão é firmemente atada ao arranjo dos elementos na tabela periódica, de modo que essas propriedades possam ser recordadas e previsões possam ser feitas. No Capítulo 9, discutimos pela primeira vez como os elétrons dos átomos em uma molécula participam nas ligações químicas e determinam as propriedades dessas ligações. Mostramos, também, como se pode derivar a estrutura tridimensional de moléculas simples. O Capítulo 10 aborda mais detalhadamente as principais teorias de ligação química. Essa parte do livro termina com uma discussão sobre química orgânica (Capítulo 11) de um ponto de vista predominantemente estrutural. A química orgânica é uma área tão gigantesca da química que não poderíamos esperar cobri-la detalhadamente aqui. Portanto, nos concentramos em compostos de importância destacada, incluindo os polímeros sintéticos e as estruturas desses materiais. Para finalizar essa seção, o entrecapítulo A Química da Vida: Bioquímica fornece uma visão geral de alguns dos aspectos mais importantes da bioquímica.

Parte 3: Os Estados

da

Matéria

O comportamento dos três estados da matéria – gasoso, líquido e sólido – é descrito nessa ordem nos Capítulos 12 e 13. A discussão de líquidos e sólidos é ligada aos gases através da descrição das forças intermoleculares, com ênfase especial na água líquida e sólida. No Capítulo 14 descrevemos as propriedades das soluções, misturas íntimas de gases, líquidos e sólidos. O entrecapítulo A Química dos Materiais Modernos é colocado após o Capítulo 13, seguindo-se à descrição do estado sólido. O desenvolvimento de novos materiais com propriedades úteis é uma das áreas mais excitantes da química moderna.

Parte 4: O Controle

das

Reações Químicas

A Parte 4 se ocupa totalmente com os princípios de reatividade. O Capítulo 15 (vol. 2) examina a importante questão das velocidades dos processos químicos e os fatores que controlam estas velocidades. Tendo em mente este material sobre cinética química, avançamos para os Capítulos 16 a 18, que descrevem as reações químicas em equilíbrio. Depois de uma introdução ao equilíbrio no Capítulo 16, destacamos as reações envolvendo ácidos e bases em água (Capítulos 17 e 18) e as reações que levam a sais insolúveis (Capítulo 18). Para enlaçar a discussão dos equilíbrios químicos, exploramos novamente a termodinâmica no Capítulo 19. Como tópico final da Parte 4, descrevemos no Capítulo 20 uma classe majoritária de reações químicas, as reações de transferência de elétrons, e utilizamos estas reações em células eletroquímicas. O entrecapítulo A Química do Meio Ambiente aparece ao final da Parte 4. Este utiliza especialmente as ideias de cinética e equilíbrios químicos, bem como os princípios descritos em capítulos anteriores.

Parte 5: A Química

dos

Elementos

Embora a química dos diversos elementos tenha sido descrita ao longo do livro até este ponto, a Parte 5 aborda este tópico de um modo mais sistemático. O Capítulo 21, que foi expandido para esta edição, é devotado à química dos elementos representativos, enquanto o 22 discute os elementos de transição e seus compostos. Por fim, o Capítulo 23 oferece uma breve discussão da química nuclear.

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XVIII

Química Geral e Reações Químicas – Volume 1

Mudanças para a Sexta Edição Colegas e estudantes frequentemente perguntam por que preparamos mais uma edição deste livro. Entendemos, entretanto, que mesmo os livros de maior sucesso podem ser melhorados. Além disso, nossa experiência em sala de aula sugere que os interesses dos estudantes mudam, e que há maneiras mais efetivas de ajudar os alunos a aprender química. Por esses motivos, fizemos uma série de mudanças em relação à quinta edição. Para esta sexta edição, tanto o material como nossa abordagem foram refinados com o objetivo de levar os estudantes a um grau de compreensão conceitual mais elevado, e diversas ideias importantes foram adicionadas. Resumindo, embora esta sexta edição retenha a estrutura e os objetivos globais das cinco edições anteriores, fizemos muito mais do que alterar algumas palavras e ilustrações. Foram feitas mudanças significativas, e acreditamos que estas mudanças irão ajudar os alunos a aprender os importantes princípios da química e a descobrir que se trata de um campo excitante e dinâmico.

Revisões Facilidade de Leitura e Clareza  Uma característica das cinco primeiras edições de Química Geral e Reações Químicas tem sido a facilidade de leitura do livro. Ainda assim, cada sentença e parágrafo do livro foram examinados, com a atenção voltada para a melhoria da clareza e diminuição do material sem reduzir o conteúdo abordado, mantendo-se a facilidade de leitura. Muitas ilustrações foram revisadas e novas ilustrações foram adicionadas. Cobertura Expandida  Trabalhamos para melhorar o nível do texto através da introdução de material novo sobre teoria de orbitais moleculares e o estado sólido, e sobre bioquímica e química ambiental. A Equação de Clausius-Clapeyron recebeu maior destaque, e adicionamos “Questões de Estudo” “cumulativas”, mais complexas. Exatidão  Embora as edições anteriores do livro tenham sido relativamente isentas de erros, fizemos um esforço ainda maior nesta edição, e sete revisores de exatidão – quatro para o texto e três para os capítulos suplementares – foram incorporados à nossa equipe.

Material Suplementar

de

Matemática

Um conhecimento básico de matemática é necessário para se obter sucesso em química geral. Para os alunos hesitantes em relação as suas habilidades, adicionamos uma seção especial (Seção 1.8) que faz revisão da notação exponencial, algarismos significativos, análise dimensional, construção de gráficos e interpretação de informação gráfica.

Entrecapítulos Suplementares As aplicações de princípios químicos estão impregnadas em nossas vidas. Embora a sexta edição descreva muitas aplicações à medida que os princípios químicos são descritos, um número significativo de aplicações importantes e interessantes não é abordado no texto. No entanto, quatro áreas da química são abordadas em entrecapítulos num estilo de revista. • A Química dos Combustíveis e as Fontes de Energia (página 239). Este material explora a situação energética que confronta nosso planeta e examina assuntos como fontes alternativas de energia, carros híbridos, células a combustível e a “economia do hidrogênio”. • A Química da Vida: Bioquímica (página 461). Talvez existam mais químicos trabalhando em bioquímica do que em qualquer outra área. Este capítulo trata dos aminoácidos e proteínas, ácidos nucleicos e metabolismo. • A Química dos Materiais Modernos (página 561). Nas últimas décadas, presenciamos o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos (tais como LEDs em carros e sinais de trânsito), nanoestruturas, supercondutores e novos adesivos. Este capítulo suplementar aborda algumas dessas áreas e algumas outras. Além disso, traz uma discussão sobre a abordagem de orbitais moleculares das ligações em metais e semicondutores, material que fazia parte do Capítulo 10 na edição anterior. • A Química do Meio Ambiente (vol. 2). Assuntos relativos ao meio ambiente, tais como smog fotoquímico, buraco na camada de ozônio, aquecimento global e qualidade da água, são frequentemente encontrados no noticiário. Este capítulo descreve como nossa água é tratada, discute o efeito de poluentes particulados em nossa atmosfera e explora os esforços recentes que os químicos estão fazendo em todo o planeta a fim de produzir os produtos dos quais dependemos de maneira ambientalmente segura.

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Química Geral e Reações Químicas Vol. 1 - John Kotz, Paul Treichel, Gabriela Weaver