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Coleção Química Cidadã

QUÍMICA

Cidadã VOLUME 2

PEQUIS – PROJETO DE ENSINO DE QUÍMICA E SOCIEDADE

ENSINO MÉDIO – QUÍMICA – 2-a série Wildson Luiz Pereira dos Santos (coord.) Professor Adjunto do Instituto de Química da UnB. Licenciado em Química pela Universidade de Brasília, mestre em Educação em Ensino de Química pela Unicamp e doutor em Educação em Ensino de Ciências pela UFMG.

Gerson de Souza Mól (coord.) Professor Adjunto do Instituto de Química da UnB. Bacharel e licenciado em Química pela Universidade Federal de Viçosa, mestre em Química Analítica pela UFMG e doutor em Ensino de Química pela Universidade de Brasília (UnB).

Siland Meiry França Dib Professora do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal. Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB) e mestre em Educação pela Universidade Católica de Brasília (UCB).

Roseli Takako Matsunaga Professora do Ensino Médio da Secretaria de Educação do Distrito Federal. Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB) e mestre em Ensino de Ciências pela Universidade de Brasília (UnB).

Sandra Maria de Oliveira Santos Professora do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal. Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB) e mestre em Ensino de Ciências pela Universidade de Brasília (UnB).

Eliane Nilvana F. de Castro Professora do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal. Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB).

Gentil de Souza Silva Professor do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal e químico industrial. Licenciado em Química pela Universidade Estadual da Paraíba e especialista em Química pela Universidade Federal de Lavras.

Salvia Barbosa Farias Professora do Ensino Médio da Secretaria de Educação do Distrito Federal. Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB).

São Paulo – 2013 2ª- edição

MANUAL DO PROFESSOR


Título original: Química Cidadã – Volume 2 © Editora AJS Ltda, 2013 Editores: Arnaldo Saraiva e Joaquim Saraiva Projeto gráfico e capa: Flávio Nigro Pesquisa iconográfica: Cláudio Perez Coordenação digital: Flávio Nigro e Nelson Quaresma Produção editorial: Maps World Produções Gráficas Ltda Direção: Maurício Barreto Direção editorial: Antonio Nicolau Youssef Gerência editorial: Carmen Olivieri Coordenação de produção: Larissa Prado Edição de arte: Jorge Okura Editoração eletrônica: Alexandre Tallarico, Flávio Akatuka, Francisco Lavorini, Juliana Cristina Silva, Veridiana Freitas, Vivian Trevizan e Wendel de Freitas Edição de texto: Ana Cristina Mendes Perfetti Revisão: Adriano Camargo Monteiro, Fabiana Camargo Pellegrini, Juliana Biggi, Luicy Caetano e Thaís dos Santos Coutinho Pesquisa iconográfica: Elaine Bueno e Luiz Fernando Botter Ilustrações: AMJ Studio, José Yuji Kuribayashi, Osvaldo Sequetin e Paulo Cesar Pereira Conteúdos digitais: Esfera Digital Ilustração da capa: Moacir Knorr Guterres (Moa)

Dados

Internacionais de Catalogação na Publicação (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Química cidadã : volume 2 : ensino médio : 2º série / Wildson Luiz Pereira dos Santos, Gerson de Souza Mól , (coords.) . -- 2. ed. -São Paulo : Editora AJS, 2013. -- (Coleção química cidadã) PEQUIS - Projeto de Ensino de Química e Sociedade. "Componente curricular: Química". Vários autores. Suplementado pelo manual do professor. Bibliografia 1. Química (Ensino médio) I. Santos, Wildson Luiz Pereira dos. II. Mól, Gerson de Souza. III. Série. ISBN:978-85-62482-87-8 (Aluno) ISBN:978-85-62482-88-5 (Professor)

13-06558

CDD-540.7 Índices para catálogo sistemático: 1. Química : Ensino médio

540.7

2013

Editora AJS Ltda. – Todos os direitos reservados Endereço: R. Xavantes, 719, sl. 632 Brás – São Paulo – SP CEP: 03027-000 Telefone: (011) 2081-4677 E-mail: editora@editoraajs.com.br

(CIP)


APRESENTAÇÃO A você, estudante Na 1ª- série do Ensino Médio, você viu que a Química é uma Ciência relativamente nova e que a partir de conhecimentos de outros campos científicos, como o da Física e Biologia, ela tem contribuído para o desenvolvimento de tecnologias que estão propiciando uma melhor qualidade de vida. Vamos ver neste livro como o conhecimento químico nos auxilia a compreender o mundo físico que nos rodeia e como a Química tem contribuído para o desenvolvimento de nossa sociedade. Você tem aprendido que a Química e as suas tecnologias têm provocado uma grande revolução em nosso modo de vida, mas que essa revolução, todavia, tem acarretado inevitavelmente mudanças drásticas no meio ambiente, ocasionando sérias consequências à vida no planeta. Assim é que temos tratado em todos os volumes desta coleção as relações entre a Química, as suas tecnologias, a sociedade e o ambiente. Na 1ª- série você estudou sobre as substâncias e os materiais e viu exemplos de atitudes no uso de produtos químicos para que sejam reduzidos o seu impacto ambiental. A discussão dos problemas sociais vinculados à Química tem permitido a você desenvolver uma atitude comprometida com a justiça e a igualdade social. No segundo volume desta coleção, vamos estudar as reações químicas e seus aspectos dinâmicos e energéticos, a água e a energia. Nesse estudo, você consolidará conhecimentos sobre a natureza da matéria e compreenderá como, a partir desse conhecimento, podemos atuar em nossas atividades profissionais de forma mais qualificada com ações positivas. O conhecimento dos aspectos dinâmicos e energéticos das reações químicas permite aos químicos controlarem a sua ocorrência. Da mesma forma, o conhecimento das atividades em que estivermos engajados no mundo do trabalho permitirá um melhor controle sobre seus resultados. Vivemos o desafio de mudar a tendência atual de aquecimento global. O centro desse problema está relacionado à produção energética e tem implicações diretas com o abastecimento global de água. Água e energia são os dois temas a partir dos quais aprofundaremos o estudo da Química, vendo como os seus conceitos nos ajudam a compreendê-los. Além de compreender os conceitos, o que buscamos é uma mudança de atitude responsável com os desafios climáticos que enfrentamos. Participar da sociedade moderna implica entender como podemos atuar com a diversidade de materiais industrializados que nos rodeiam. Isso exige, entre outras coisas, a economia de água e energia. Para a consolidação do conhecimento que lhe dará base para prosseguir nos estudos superiores, vamos retomar conceitos já abordados na 1ª- série. A metodologia adotada pelos autores desta obra, com larga experiência no ensino de Química, busca enfatizar a compreensão conceitual. Isso implica a contextualização teórica de seus enunciados por meio da revisão constante dos conceitos para ampliar o seu significado. É a capacidade de leitura, interpretação e aplicação conceitual que será cobrada de você nos exames do Enem, que vão lhe possibilitar a continuidade nos estudos superiores. E é com esse propósito que este livro foi organizado. Nossa metodologia se caracteriza, assim, pela contextualização temática e aprofundamento conceitual de conteúdos relevantes para a formação dos estudantes. Isso exige uma nova postura diante do estudo. Desejamos que o seu engajamento na realização de experimentos e na discussão dos temas seja cada vez mais ativo. Lembre-se de que estudar não se limita a rever conceitos e resolver exercícios. Esperamos que a continuidade do seu aprendizado em Química seja muito prazerosa com essa nova abordagem e que você possa utilizar os conhecimentos químicos aprendidos na construção de um mundo melhor, com atitudes que possam assegurar a vida de nossas e de futuras gerações, com base no princípio de justiça e igualdade social. Um forte abraço.

Os autores


CONHEÇA SEU LIVRO Química na escola

Tema em foco Este livro é dividido em três Unidades, e em cada uma, abordamos um tema social, que contextualiza o conhecimento químico. Mesmo que o seu professor não tenha tempo de discutir os textos desses temas em sala de aula, mantenha-se informado lendo todas as informações contidas nas Unidades.

Debata e entenda Para buscar um mundo melhor é preciso aprender a participar dos debates sobre o nosso futuro. Neste livro, esperamos que você participe o tempo todo apresentando e defendendo suas ideias, além de ouvir e respeitar as de seus colegas. Aprenda a participar, tentando explicar tudo o que lhe é perguntado com as suas próprias palavras.

Em Química na escola você se depara com uma série de experimentos investigativos. Muitos poderão ser feitos na própria sala de aula. Todos poderão ajudar o professor a conseguir os materiais necessários. Ao discutir os resultados, você aprenderá a usar tabelas e gráficos. Pense sempre sobre as conclusões que poderão ser extraídas de suas observações. Caso seja muito difícil realizar os experimentos, procure analisar os dados que fornecemos. Aprender a observar e explicar o que está ao seu redor ajudará você a entender melhor o mundo em que vivemos. Alertamos para que, ao realizar os experimentos, você siga rigorosamente as normas de segurança da última página do livro. Nunca tente fazer qualquer experimento sem a orientação e supervisão de seu professor. Lembre-se também de usar o mínimo possível de materiais para gerar poucos resíduos. Assim você estará contribuindo para a preservação do ambiente.

Pense Ao se deparar no texto com uma questão com o comando Pense, pare a leitura, reflita e tente responder antes de prosseguir. Procurar explicações e expressá-las com as próprias palavras ajuda a entender melhor o que está sendo ensinado, pois você pode comparar a sua ideia original com os novos conceitos que estão sendo introduzidos.

A Ciência na História Sempre que você encontrar a chamada A Ciência na História, leia o texto atentamente e procure observar a contextualização histórica do surgimento das definições e conceitos relativos aos conteúdos estudados, bem como as circunstâncias em que os cientistas citados contribuíram para o desenvolvimento da Química e da Ciência.

Ação e cidadania Os temas fazem parte de sua vida. Por isso, propomos atividades de Ação e cidadania com o objetivo de você conhecer a sua comunidade e procurar pensar em alternativas para seus problemas. Participe das atividades com espírito de cooperação, solidariedade, responsabilidade, respeito e tolerância à opinião do outro. Assim, você estará contribuindo para a construção de uma sociedade em que os interesses da coletividade estejam acima dos interesses individuais. 26

2 8 14 2

a

Atitude sustentável Em Atitude sustentável você encontra um rico conjunto de sugestões, cuidados e orientações para a prática da Cidadania, sobretudo no que se refere aos impactos ambientais, nos quais estão envovidos diversos conceitos estudados em nosso curso de Química.

Exercícios O aprendizado dos conceitos da Química ocorre a partir da leitura dos textos e da realização dos Exercícios e Atividades, apresentados nos capítulos. Lembre-se da importância da realização dos exercícios e das atividades, mas tenha sempre em mente que o aprendizado depende também das leituras e revisões de todos os textos e das diversas discussões propostas ao longo do desenvolvimento do conteúdo.

Ao terminar o estudo de cada capítulo, faça uma revisão de tudo que aprendeu. Para isso, verifique ao final do capítulo, na seção O que aprendemos neste capítulo, se você compreendeu claramente todos os conceitos ali apontados, revendo no capítulo as explicações que foram fornecidas na sua apresentação.

B

T. PERIÓDICA

Relação dos objetos digitais de aprendizagem apresentados no livro.

Tabela periódica dos elementos com diversas informações sobre eles.

Principais termos utilizados no livro para a apresentação dos conceitos.

Ferro

ÍNDICE

c D E GLOSSÁRIO

OD

Fe 55,8

! TABELAS

SEGURANÇA

Tabelas de valores físico-químicos de substâncias, íons e elementos.

Cuidados e precauções ao realizar experimentos em ambiente de laboratório.


SUMÁRIO UNIDADE 1 Produtos químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 CAPÍTULO 1

CAPÍTULO 2

UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1. Grandezas físicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2. Massa atômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. Quantidade de matéria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4. Constante de Avogadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5. Massa atômica, molecular e molar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6. Volume molar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 7. Conversões no cálculo estequiométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

CÁLCULOS QUÍMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1. As leis das reações químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2. Balanceamento de equação química . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3. Estequiometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4. Rendimento das reações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Tema em foco • Na medida certa: evitando o desperdício

....................................

Tema em foco • Produtos químicos domésticos: perigo disfarçado . . . . . . . . . . . . 34

10

UNIDADE 2 Hidrosfera e poluição das águas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 CAPÍTULO 3 CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 1. Soluções, coloides e agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2. Concentração e suas unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3. Composição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4. Diluição de soluções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Tema em foco CAPÍTULO 4 • Ciclo da água e sociedade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 1. Propriedades das substâncias e interações entre os constituintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2. Propriedades da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3. Água e solubilidade dos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4. Propriedades coligativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Tema em foco • Gestão dos recursos hídricos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96


CAPÍTULO 5 EQUILÍBRIO QUÍMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 1. Reações químicas e reversibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2. Sistemas químicos reversíveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3. Equilíbrio químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4. Alterações do estado de equilíbrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5. Princípio de Le Chatelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6. Aspectos quantitativos de equilíbrios químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Tema em foco • Poluição das águas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 • A química, o tratamento de água e o saneamento básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

UNIDADE 3 Recursos energéticos e energia nuclear

......................................................

CAPÍTULO 6

184

CAPÍTULO 8

TERMOQUÍMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 ENERGIA NUCLEAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 1. Termoquímica e calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 1. Radiação e radioatividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 2. Calorimetria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 2. A descoberta da radioatividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 3. Transformações de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 3. Emissões nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 4. Calor de reação: entalpia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 4. Leis das desintegrações radioativas . . . . . . . . . . . . . . . 277 5. Lei de Hess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 5. Cinética da desintegração radioativa . . . . . . . . . . . . 279 6. Espontaneidade das 6. Radioatividade: seus efeitos e aplicações . . . . . . . 285 transformações: entropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 7. Transformações nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 8. Usinas nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Tema em foco 9. Rejeitos nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 • Energia, sociedade e ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 10. Acidentes de usinas nucleares e acidentes radioativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 11. Bombas atômicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 CAPÍTULO 7 CINÉTICA QUÍMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 1. Cinética química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 2. Teoria das colisões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 3. Fatores que influenciam a rapidez das reações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 4. Mecanismos de reação . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 5. Catálise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

Tema em foco • Energia nuclear como fonte de produção de energia elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 • Ciência para a paz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 • Política energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

Gabarito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 É bom ler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Tema em foco Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 • Fontes de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Tabela periódica dos elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Segurança no laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320


CONTEÚDO DIGITAL & QS S

V ER & QS S

Química e Sociedade

& QS S

Química e Sociedade

Vídeo

E+

Estude mais

Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Como é possível determinar a constante . . . . . . . . . . . 21

Química e Sociedade

Produto químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

I

Infográfico

S

Simulador

S

Simulador

ER & QS S

Estude mais

Cálculo estequiométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

E+

Estude mais

Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Química e Sociedade

& QS S

Química e Sociedade

E+

Estude mais

Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Vídeo

QSS & QS S

A água no planeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 O que acontece com a luz ao atravessar diferentes materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

I

Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Química e Sociedade

ER

Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Química e Sociedade

Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

V

Vídeo

V

Vídeo

QSS & QS S

& QS S

Como preparar uma solução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

S

&

ER

Vídeo

Simulador

ER

Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

E+

Balanceamento de Reações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

V

&

Escala de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Química e Sociedade

I

ER

ER

Ácidos e bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Simulador

& QS S

Química em nossa casa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Infográfico

V

S

Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Redução do consumo de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Poluição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Pilhas eletroquímicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Química e Sociedade

Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

Infográfico

Combustíveis fósseis e alternativos . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

& QS S

Química e Sociedade

E+

Estude mais

Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Química e Sociedade

Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Energia Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Modelo atômico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

S

Simulador

I

Infográfico

S

Simulador

& QS S

Natureza da radiação alfa e beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Decaimento radioativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Datação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Química e Sociedade

Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Vídeo

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Infográfico

I

Infográfico

I

Infográfico

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Infográfico

Equilíbrio químico e suas alterações . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Transformações nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Transformações nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

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Química e Sociedade

Química e Sociedade

& QS S

Química e Sociedade

Química e Sociedade

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Equilíbrio químico e suas alterações . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Destino do lixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

Barra de ferramentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 à 314 26

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Por que a cor vai e volta? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

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Álcoois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

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.......................................

Química e Sociedade

Podemos evitar que um líquido congele? . . . . . . . . . 125

Destino do lixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Hidrocarbonetos

& QS S

Os líquidos evaporam coma mesma rapidez? . . . . 119

Química e Sociedade

Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

! TABELAS

SEGURANÇA


UNIDADE

1

MIRA / ALAMY

Produtos químicos

Produtos químicos saneantes ou domissanitários são substâncias ou preparações destinadas à higienização, desinfecção ou desinfestação domiciliar, em ambientes coletivos ou públicos, em lugares de uso comum e no tratamento da água.

8


Como usar corretamente os produtos químicos? Capítulo 1 Unidades utilizadas pelo químico 1. Grandezas físicas 2. Massa atômica 3. Quantidade de matéria 4. Constante de Avogadro 5. Massa atômica, molecular e molar 6. Volume molar 7. Conversões no cálculo estequiométrico

Capítulo 2 Cálculos químicos

Hely Demutti

1. As leis das reações químicas 2. Balanceamento de equação química 3. Estequiometria 4. Rendimento das reações

Temas em foco: • Na medida certa: evitando o desperdício • Produtos químicos domésticos: perigo disfarçado

9


Capítulo 1 UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO Como medir as substâncias e seus átomos e moléculas? Como as medidas ajudam na preservação do meio ambiente?

Tema em foco Tema & QS S

NA MEDIDA CERTA: EVITANDO O DESPERDÍCIO

Química e Sociedade

Pense O que posso fazer para diminuir o desperdício?

Lalo de Almeida/Folha Imagem

AMj Studio

Quantos quilos de sabão em pó uma família de cinco pessoas gasta por mês? Qual seria a necessidade básica de consumo mensal de detergente nessa mesma família? Sabonetes e xampus: será que você gasta mais do que o necessário? Costuma sobrar comida em seu prato? Por quê? Você já contabilizou o desperdício em sua casa? O desperdício é uma ação perigosa, lesa economicamente qualquer pessoa que, desprevenida, não se incomodar em prestar atenção no uso adequado dos bens materiais manipulados diariamente. Coletivamente, o gesto exagerado gera enormes problemas ambientais e, sobretudo, desigualdade e injustiça social. Todos os dias, se desperdiçam grandes quantidades de alimentos, produtos de limpeza, combustíveis, água, energia elétrica, entre outros motivos, pelo fato de as pessoas não fazerem cálculos corretamente nem prestarem atenção na importância que o bom uso dos bens materiais apresenta para a saúde financeira e para o ambiente.

Se há sobra de comida no prato é porque foi estimada uma quantidade a ser consumida superior ao que, de fato, era necessário.

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Infelizmente, muitas pessoas ainda têm o hábito de lavar calçadas, desperdiçando um bem tão precioso.

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SEGURANÇA


Hely Demutti

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Hely Demutti

Hely Demutti

1

Na construção civil, o desperdício atinge 25%. O que leva ao aumento em até 10% do preço final do imóvel.

A medida certa garante boa limpeza e economia.

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CAPÍTULO

Um erro cometido na proporção dos alimentos a serem cozidos em relação ao número de pessoas que vai fazer a refeição provoca sobras e, provavelmente, lixo. O erro de cálculo do menor trajeto a ser percorrido pelos automóveis ocasiona aumento do consumo de combustível e, consequentemente, aumento da poluição atmosférica. Erros no cálculo de produtos de limpeza em relação à área ou à quantidade a ser limpa resultam no desperdício desses materiais, que são lançados em maior quantidade nos esgotos, aumentando a poluição das águas. De acordo com o Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas (Sebrae), no Brasil, 30% da produção de serviços e bens é desperDados da Secretaria de Dediçada pela falta de qualidade. Nos EUA e no Japão esse valor varia em torno de 4%. De senvolvimento Urbano do certa maneira existe uma cultura brasileira, a cultura da fartura, cujo princípio é de que é Governo Federal brasileiro melhor sobrar do que faltar! Conforme a Associação Brasileira de Empresas de Limpeza revelaram que, em 2003, Pública e Resíduos Especiais (Abrelpe), o desperdício de alimentos no Brasil chega a 40% 40% de toda a água do que é produzido. O que significa ser jogado no lixo perto de 60% do que compramos, tratada e distribuída e representa cerca de 26,3 milhões de toneladas de comida jogadas fora. Um exagero foi desperdiçada, o que para um país que apresenta altos índices de desnutrição. representou prejuízo de 1 bilhão de dólares. O desperdício acontece de várias formas. Uma delas é o consumo de quantidades maiores do que as necessárias. O descarte de um bem em boas condições de uso para substituí-lo por um mais novo é outro modo comum de desperdício. Quantas pessoas trocam de celular só para terem um modelo mais “moderno”? O desperdício pode ser causado pelo uso inadequado de um equipamento ou material. Ligar um aparelho elétrico em uma voltagem maior, não lubrificar engrenagens, fazer uso inadequado para a função desejada são exemplos de atitudes que podem ocasionar danos aos equipamentos. Entre as diversas fontes de desperdício, vamos discutir nesta unidade as relacionadas aos erros de medida, ou até mesmo à falta dessa prática. É nesse sentido que desperdiçamos materiais de limpeza, quer usando em quantidade inferior à necessária, o que leva a não alcançar o efeito desejado, quer empregando quantidade superior, o que provoca até mesmo o risco de acidentes. Todos os dias uma quantidade enorme de produtos de limpeza invade as redes de esgoto das cidades. Esses números aumentam pelo descontrole no uso das medidas adequadas.

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Hely Demutti

Hely Demutti

Hely Demutti Hely Demutti

O petróleo é matéria-prima para diversos produtos industriais, como tintas, detergentes, esmaltes, óleos lubrificantes etc. O uso indiscriminado de seus subprodutos levará ao esgotamento dessa fonte não renovável, o que representará um problemão! 26

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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

A leitura precisa dos rótulos dos produtos e o cálculo correto das quantidades de materiais a serem empregados tornam-se procedimentos fundamentais. Quando utilizamos produtos químicos em quantidades indevidas, corremos o risco de obter resultados indesejáveis e até desastrosos. Se você acha que usar maior quantidade de sabão, detergente ou qualquer outro produto de limpeza aumenta a eficácia da limpeza, está enganado... Pode ocorrer o contrário! O ácido bórico, por exemplo, substância encontrada em loções e desodorantes, é um eficiente antisséptico: impede a proliferação de bactérias e fungos responsáveis pelo mau cheiro. Contudo, deve ser utilizado com cuidado, pois em altas concentrações pode provocar irritação na pele, depressão do sistema nervoso central e lesões renais e hepáticas. Por isso, a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) proibiu o uso do ácido bórico na composição de pomadas contra assaduras aplicadas em bebês. Em águas de colônia, a concentração máxima permitida é de 3%. Se o químico responsável pela formulação acrescentasse 10% de ácido bórico, não estaria apenas desperdiçando esse ingrediente, como colocaria em risco a saúde do consumidor. É fundamental que estejamos atentos às recomendações descritas nos rótulos dos produtos, pois algumas vezes os fabricantes aconselham o uso em quantidade superior à necessária para estimular o consumo. É nesse sentido que os cálculos são essenciais. Eles fazem parte do dia a dia, bem como de todos os processos industriais. Observe, então, que é muito importante para tomar qualquer decisão e fazer bom uso dos diversos materiais empregados no cotidiano que tenhamos conhecimentos básicos sobre a Química neles envolvida. Daí a necessidade de reconhecer o estudo dos materiais como fonte de indispensável informação para todo e qualquer cidadão. A maioria dos materiais que nos rodeia é originada de processos químicos de transformações industriais. A indústria utiliza materiais que são extraídos de rochas (os metais), de vegetais (a celulose), de animais (a gelatina), da água do Todas as embalagens mar (sal), do petróleo (os detergentes) e de muitas outras fontes naturais. Com base nesses de produtos devem ter materiais, a indústria realiza uma série de transformações químicas para produzir o produa especificação correta do to na forma final em que será comercializado. Os materiais usados nos processos iniciais modo de uso do material, e que serão transformados são denominados matérias-primas, cujas fontes podem ser reo que deve incluir a finalicursos renováveis ou não renováveis. dade e a quantidade adeO uso indiscriminado de materiais extraídos da natureza tem gerado sérios problemas quada a ser administrada. ambientais. Primeiro, grandes áreas naturais têm sido devastadas, ocasionando a morte de espécies biológicas, com o consequente desequilíbrio ecológico. Segundo, diversos materiais lançados no ambiente provocam transformações de outros materiais, causando diferentes desequilíbrios ambientais. Além disso, a não renovação dos recursos naturais contribui para o esgotamento destes, privando as gerações futuras de sua utilização.

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CAPÍTULO 1 2 3 4 5 6 7 8

Hely Demutti

O uso racional dos recursos e o não desperdício, aproveitando-os ao máximo, vem exigindo que as indústrias racionalizem os meios de produção para extrair maiores quantidades possíveis dos materiais desejados. Além disso, atualmente, com a globalização da economia, as indústrias necessitam de maior controle na qualidade dos produtos e buscam, cada vez mais, maior produtividade associada ao menor custo de produção possível. Esse aproveitamento é feito por meio de cálculos precisos sobre a quantidade correta a ser utilizada de cada matéria-prima no processo industrial. Tais cálculos também devem ser feitos no dia a dia por todos para racionalizar o consumo dos produtos químicos. É óbvio que isso não será feito com a mesma precisão da indústria, mas seguirá o mesmo princípio de seus cálculos. Lembre-se, portanto, de que o problema do consumo elevado não implica apenas o comprometimento do orçamento doméstico, mas, sobretudo, o agravamento de problemas ambientais, cujas consequências afetam toda a sociedade. Desenvolver a cidadania é compreender nossos direitos de acesso aos produtos necessários a uma sobrevivência saudável. Mas, antes disso, é fundamental ter consciência de nossos deveres com a coletividade, assumindo o compromisso de preservar os bens de interesse coletivo. Neste capítulo, você vai aprender como os químicos efetuam cálculos precisos para obter a composição ideal dos produtos e verá como podemos usá-los diminuindo o desperdício. Essas formulações são, muitas vezes, resultados de anos de pesquisas. E, se eles estudaram tanto o assunto, vale a pena conhecer as recomendações, não é mesmo? Esperamos que, ao longo da presente unidade, você reflita sobre essas questões e busque mudança de hábitos para fazer uso mais racional de diferentes produtos químicos. Faça sua parte: pense sustentável! Se déssemos importância para pequenos detalhes e mais valor para as coisas, a dinâmica de desperdício poderia ser modificada.

Existe uma diversidade de produtos de higiene e limpeza à nossa disposição, mas o uso em excesso agrava os problemas ambientais, pois os resíduos em grande parte são lançados em águas de rios e mares.

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Debata e entenda

1. Enumere dez materiais que são desperdiçados diariamente em decorrência de mau uso. Relacione medidas que podem ser adotadas para controlar o uso e evitar os desperdícios.

2. Identifique, em sua casa, materiais que podem ser usados como matéria-prima para confecção de outros objetos. 3. O que pode ser feito para a utilização mais racional desses materiais, evitando desperdícios? 4. A posologia de determinado medicamento indica uma dose diária de 0,5 mg/kg a 2,0 mg/kg de peso corporal, dividida em 2 a 3 doses ou a critério médico (uma gota = 0,5 mg). Calcule a dose mínima a ser administrada três vezes ao dia a uma criança de 7 kg.

5. No dia 10 de setembro de 2001, o jornal Gazeta Mercantil publicou a seguinte manchete: “Racionamento de energia elétrica diminui o consumo de sabonete e aumenta o de sabão em barra”. Você sabe dizer que fatores levaram a essa mudança no padrão de consumo?

6. O texto fez referências ao “consumo exagerado” existente na sociedade moderna e tecnológica. Em sua opinião, o que contribui para esse consumo compulsivo?

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1 GRANDEZAS FÍSICAS

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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

desafio que temos enfrentado atualmente no planeta é a redução do consumo de produtos para que menos matéria-prima seja extraída da natureza. Para isso, precisamos fazer uso mais racional de medidas a fim de que o consumo seja o necessário a uma vivência saudável. A falta de uso de sistemas adequados de medidas tem sido também uma das causas de desperdício. Medidas são, sem dúvida, fundamentais em nossa sociedade. Elas estão presentes desde as civilizações pré-históricas e, atualmente, são a base das atividades comerciais, dos processos tecnológicos e uma das ferramentas principais para a elaboração de modelos científicos. Fazemos uso de medidas em calçados, em roupas, nos medicamentos, no preparo de alimentos, nos produtos de beleza e de limpeza, no tempo de nossas atividades etc. Nesses processos, efetuamos medidas de comprimento, de volume, de massa, de tempo, entre outras. Tudo isso que podemos medir é chamado grandeza. Vale lembrar, no entanto, que nem tudo pode ser medido.

Pense Mathom/Shutterstock

Como será possível medir a alegria? Seriam a alegria, a tristeza e a felicidade grandezas?

Até há quem estabeleça padrões de medida para o grau de satisfação das pessoas, mas essa está relacionada com sentimentos pessoais, impossíveis de medição. Para muitos, a felicidade está relacionada com o bem-estar em relação às pessoas com quem convivem. Para outros, a felicidade depende da posse de bens materiais. O que traz felicidade para alguns é motivo de tristeza para outros. Os sentimentos não são grandezas, pois não são categorias mensuráveis. Assim, dizemos que: Grandeza é um atributo (característica) de algo do universo físico que pode ser medido de alguma forma.

Dikiiy/Shutterstock

Toda grandeza é representada por um número seguido de uma unidade de medida. O número representa quantas vezes essa grandeza é diferente do padrão de medida utilizado. Um frasco de perfume de 200 mL tem um volume de perfume duzentas vezes maior que o mililitro, ou cinco (1000/200) vezes menor do que o litro. Para o químico, além de volume e massa, existe outra grandeza relacionada com a quantidade que já está incorporada em sua rotina de trabalho: a numerosidade.

Numerosidade

Além do volume e da massa, o químico utiliza a numerosidade como outra importante grandeza.

Nos supermercados, podemos encontrar sabão em embalagens com cinco barras, o sabão em pó em caixas ou pacotes, sabão líquido em frascos de 500 mL. Se resolvermos fazer economia de produtos de limpeza em casa, como faríamos as compras do mês? Imagine que você resolveu fazer uma dieta. Seguindo os conselhos de um nutricionista, por meio de um programa de reeducação alimentar, deixará um pouco de lado biscoitos e chocolates e comerá mais frutas e verduras. Só imagine. Você pega a sacola e, feliz da vida, segue para a feira ou para o supermercado mais próximo. Mas que quantidade comprar de cada alimento? Como podemos quantificar os alimentos?

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CAPÍTULO

Pense

1 2

Marcos André/Opção Brasil Imagens

Hely Demutti

Como se medem as quantidades de abacaxi e laranja vendidos na feira? Qual grandeza você utiliza ao comprar carne, frango, peixe etc.?

3 4

Frutas, por exemplo, podem ser vendidas medindo-se quantidades de massa, volume ou unidades. Por exemplo, você pode comprar um quilo de maçãs, um litro de jabuticabas ou uma dúzia de laranjas. Também são vendidos por unidades vários outros produtos – geralmente sólidos de tamanhos regulares –, como ovos, tijolos e lápis. A grandeza a que nos referimos nesses casos é a numerosidade. Mas nem sempre a numerosidade é uma grandeza apropriada. Imagine uma pessoa querer comprar feijão usando essa grandeza! Da mesma maneira, para os químicos, é inviável contar átomos ou moléculas. Eles geralmente trabalham medindo massas. Há, todavia, alguns casos em que é importante conhecer o número de entidades químicas – sejam átomos, íons ou moléculas – presentes em determinadas quantidades de substância ou material.

No dia a dia usamos várias unidades para a grandeza numerosidade: saco, lata, dúzia, grosa, copo, milheiro etc.

Hely Demutti

5

Sabendo que o raio atômico do neônio (Ne) é de 38 pm (38 · 10 –12 m), seria viável contar os átomos? Por quê? Desejando expressar quantos átomos existem em uma amostra de neônio (Ne), que unidade seria mais viável?

Nos cálculos de quantidades de substâncias, envolvidas em reações químicas, é fundamental estabelecer as quantidades numéricas dos constituintes que estão reagindo para a determinação da porção dos produtos a serem formados. Você já imaginou como isso seria difícil? Mas não se preocupe, pois os químicos encontraram uma maneira simples de fazer essas contas. Vejamos a seguir.

2 MASSA ATÔMICA Pense É possível medir a massa de um átomo na balança? Qual seria o padrão de medida de massa para os átomos?

U

m bom padrão de medida é aquele que pode ser comparado facilmente com o que se pretende medir. Esse padrão não deve ser nem muito grande nem muito pequeno em relação às medidas a serem realizadas. Qual seria, então, um bom padrão para medir a massa de átomos e de substâncias? A primeira substância utilizada como padrão para determinar a massa de outras substâncias foi o hidrogênio. Ela apresentava duas grandes vantagens: é a mais leve que se conhece e reage com muitas outras substâncias simples. Assim, atribuiu-se ao hidrogênio o valor unitário de massa. Para determinar a massa de uma substância bastaria apenas que se verificasse a proporção de massa que reagia com o hidrogênio. OD ÍNDICE

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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

Preste muita atenção! Esses valores, apesar de sua importância histórica, não coincidem com os valores atualmente tabelados. Qualquer tabela periódica atual mostra que o valor da massa atômica do oxigênio, por exemplo, é 16 e não 7.

Foi o cientista inglês John Dalton [1766-1844] quem teve essa brilhante ideia: ele passou a determinar a massa de diferentes substâncias que reagiam com 1 g de hidrogênio. Assim, propôs a primeira tabela de pesos atômicos relativos (que hoje chamamos massas atômicas) e apresentou-a, em 1803, à Sociedade Filosófica de Manchester. Porém, a tabela de Dalton continha erros, porque naquela época se considerava que a fórmula da água era HO e não H2O, como a conhecemos hoje. Anos depois, o químico sueco Jöns Jacob Berzelius [1779-1848] sugeriu a utilização do oxigênio como padrão de peso atômico, pois reage com a maioria das substâncias simples para formar óxidos (substâncias constituídas por átomos de oxigênio e de outro elemento químico). Posteriormente, surgiram divergências entre químicos e físicos na definição do padrão de massa: os físicos empregavam o oxigênio-16 (relembrando: isótopo de oxigênio com número de massa 16) e os químicos utilizavam a média ponderada de todos os isótopos (átomos de um mesmo elemento com diferentes valores de massa) do oxigênio. Isso gerava diferenças nos valores de massa dos átomos e das substâncias. Na busca de uma unificação de conceitos e valores, a partir de 1957 a Iupac (International Union of Pure and Aplicated Chemistry – União Internacional de Química Pura e Aplicada) adotou como padrão de medida de massa o carbono (mais precisamente átomos de carbono-12). Esse padrão é mais estável e mais abundante do que o oxigênio-16, e sua adoção pôs fim à divergência entre físicos e químicos.

ALGUMAS SUBSTÂNCIAS DA TABELA DE PESO ATÔMICO DE DALTON Substância Peso Substância Peso Substância Peso simples atômico simples atômico simples atômico

Oxigênio

7

Ferro

50

Tungstênio

Hidrogênio

1

Níquel

Azoto

5

Estanho

50

Cério

Carbono

5,4

Chumbo

95

Enxofre

13

Zinco

56

Fósforo

9

Bismuto

40

Peso atômico

Substância composta

Peso atômico

56 ?

Água

8

Ácido nitroso

40 ?

Ácido uriático

22

Óxido carbônico

12,4

45 ?

Ácido oximuriático

29

Ácido carbônico

19,4

Potássio

42

Gás nitroso

12

Óxido sulfuroso

20

Sódio

28

Óxido nitroso

17

Ácido fosforoso

32

Cal

24

Ácido nítrico

19

Ácido fosfórico

23

Manganês

17

Ácido oxinítrico

26

Amônia

6

25 ? | 50 ? Titânio

68 ?

Substância composta

Ouro

140 ?

Antimônio

Platina

100 ?

Arsênico

42 ?

Barita

68

Prata

100

Cobalto

55 ?

Alumina

13

Mercúrio

167

Manganês

40 ?

Silica

45

Cobre

56

Urânio

60 ?

Glucínio

30

31

Obs.: Para Dalton, a massa molecular das substâncias compostas era também chamada de peso atômico. Além disso, algumas substâncias compostas eram consideradas simples, como a cal, a alumina e a sílica.

Contando entidades pequenas Vimos como foi estabelecida a relação entre as massas das diferentes substâncias, utilizando uma substância simples como padrão. Mas os químicos tinham ainda outro desafio a vencer: como saber o número de átomos ou entidades químicas presentes nessas quantidades de substâncias? Certamente, eles não poderiam contá-las da forma como você conta laranjas na feira. Ainda que conseguissem desenvolver uma máquina que contasse mil átomos por segundo, esta gastaria aproximadamente 20 trilhões de anos para contar todos os átomos existentes em 12 g de carbono-12!

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CAPÍTULO

Pense Qual unidade de medida da grandeza massa seria mais recomendável na comercialização de miçangas? Justifique a resposta.

1 2

Diante de tal impossibilidade, os químicos desenvolveram outra grandeza de numerosidade. Para compreendê-la, vamos estabelecer a comparação com objetos pequenos manuseáveis, como as miçangas empregadas na confecção de bijuterias (veja a foto ao lado).

3 4 5 Hely Demutti

Pense Qual unidade de medida da grandeza massa seria mais recomendável na comercialização de miçangas? Justifique a resposta.

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Ainda que miçangas possam ser contadas uma por uma, essa não é tarefa fácil de ser efetuada no comércio. Como fazer?

Contar miçangas é muito trabalhoso, mas medir a massa é muito fácil. Se contarmos a quantidade de miçangas em determinada massa, saberemos quantas miçangas há em qualquer outro valor de massa. Hely Demutti

As unidades mais apropriadas na comercialização de miçangas são aquelas que adotam padrões de medida próximos à quantidade de miçangas as quais serão comercializadas. Assim, o grama poderia ser uma boa unidade de medida na venda direta de miçangas ao consumidor, o quilograma para vendas a comerciantes e a tonelada para a venda do produto a grandes indústrias. Vamos imaginar que uma pessoa muito meticulosa resolvesse comprar a quantidade exata de miçangas para confeccionar, por exemplo, certo número de colares. Para essa pessoa, a grandeza mais apropriada seria a unidade de medida que estivesse relacionada com o número de miçangas (número de entidades) e não com a massa. No entanto, é muito trabalhoso contar miçangas uma a uma. Mas, se não é possível usar a unidade simples, que grandeza devemos usar nesse caso? A forma adequada seria estabelecer um padrão de referência que contivesse a quantidade de fácil manuseio. Como a balança é um instrumento de medida preciso e bastante comum, a pessoa poderia escolher como padrão de medida uma quantidade de miçangas que pudesse ser determinada com base em sua massa. Que tal escolher 150 g de miçangas de 6 mm de diâmetro como padrão de referência? Essa miçanga não é muito grande nem muito pequena. Além disso, 150 g correspondem a uma quantidade razoável, fácil de ser medida. Adotada essa convenção, poderiam ser determinadas quantas miçangas de 6 mm há em 150 g. De que maneira? Contando uma a uma as miçangas em uma amostra de 150 g. Ou, para facilitar, simplesmente medindo a massa de uma dessas miçangas. Bastaria, depois, dividir 150 g pela massa de uma miçanga. Como curiosidade, fizemos essa conta e obtivemos o resultado de 1 359 miçangas. Resolvido o problema. Se nosso amigo meticuloso precisasse de 4 077 miçangas, bastaria comprar 450 g de miçangas, ou seja, a quantidade contida em 150 g serviria como base para seus cálculos de unidade. Ela poderia facilitar ainda mais os cálculos inventando uma grandeza específica para contar a quantidade de miçangas. Essa grandeza poderia se chamar “quantidade de miçangas”, que tal? E, como toda grandeza tem de ter uma unidade, poderia ser batizada de “miçamol”. Assim, esse hipotético consumidor não pediria mais 450 g de miçangas, mas, sim, 3 “miçamols” de miçangas.

6

17


3 QUANTIDADE DE MATÉRIA

A

UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

quantidade de uma substância pode ser expressa por meio de mais de uma grandeza. Por exemplo, a quantidade de água em um copo pode ser expressa por volume ou por massa. E se quiséssemos expressar a quantidade de água por numerosidade, como iríamos contar as moléculas de água dentro do copo? Os constituintes dos materiais (átomos, moléculas, íons etc.) são entidades pequenas demais para serem contadas. Como, então, podemos conhecer a numerosidade de entidades químicas das substâncias e materiais? Fazendo o mesmo que nosso amigo detalhista fez para comprar miçangas: estabelecendo um padrão que seja fácil de manusear. Assim como estabelecemos uma unidade padrão para quantificar as miçangas, os químicos também desenvolveram uma unidade de medida para as entidades constituintes das substâncias. No caso das miçangas, a grandeza usada foi “quantidade de miçangas”. No caso da Química, a numerosidade de espécies químicas (átomos, íons, moléculas, elétrons) foi denominada quantidade de matéria. Essa é uma grandeza de numerosidade, representada pela letra n, que permite determinar a quantidade de entidades químicas. Por analogia, considerando-se as diferenças entre átomos e miçangas, podemos relacionar o conceito de quantidade de matéria à quantidade de miçangas. Definimos como padrão de quantidade o número de miçangas contido em 150 g de miçangas de 6 mm. No caso da Química, o padrão escolhido foi o número de átomos contidos em 12 g de carbono-12 (isótopo de carbono de massa 12). A unidade de medida da grandeza quantidade de matéria é o mol – do latim moles, que significa grande massa compacta. O mol é, portanto, a unidade de numerosidade de entidades químicas.

Hely Demutti

Mol é a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 kg de carbono-12.

Se nessa amostra de carvão tivéssemos apenas átomos de carbono-12, obteríamos quantidade igual a um mol.

Quando se utiliza o mol, as entidades elementares devem ser especificadas, podendo ser átomos, constituintes, íons, elétrons ou outras partículas, bem como agrupamentos especificados dessas partículas. O símbolo dessa unidade de medida é o mol. Como o símbolo é igual ao nome, é preciso ter atenção para evitar confusões, visto que os símbolos não têm plural. Por exemplo, a distância de cem metros é escrita como 100 m. Da mesma forma, a quantidade de matéria correspondente a cem mols deve ser escrita como 100 mol. SÍMBOLOS DE ALGUMAS GRANDEZAS Grandeza

Unidade de medida

Nome

Nome (plural)

Símbolo (não tem plural)

Massa (m)

quilograma (quilogramas)

kg

Comprimento (l)

metro (metros)

m

Quantidade de matéria (n)

mol (mols)

mol

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Ferro

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Fe

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! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Qual é a importância do uso de medidas? 2. Explique por que a beleza não pode ser expressa em

e) o número de átomos que estão presentes em 1,0 g de qualquer substância elementar, em repouso e no estado fundamental.

grandezas físicas.

1 2

3. Por que, para expressar uma grandeza, deve-se utilizar 13. Em que amostra há maior quantidade de entidades: uma unidade de medida?

3

em 1 mol de grãos de milho ou em 1 mol de átomos de carbono? Justifique a resposta.

4. Que atributo a grandeza numerosidade mede? 5. Para montar um determinado colar, necessita-se de oito dú-

14. (Vunesp) Na tabela periódica atual, a massa atômica de

5

cada elemento aparece como número não inteiro porque: a) há imprecisão nos métodos experimentais empregados. b) é a média aritmética das massas atômicas dos elementos superior e inferior da mesma família. c) é a média aritmética das massas atômicas dos elementos com igual número de prótons. d) é a média ponderada das massas atômicas dos isótopos naturais do elemento. e) é sempre múltipla da massa atômica do hidrogênio.

zias de miçangas de 6,0 mm e um fio de náilon de 0,60 m. Passe o fio de náilon pelos buraquinhos das miçangas e amarre. Já está pronto o seu colar. Agora responda.: a) Qual é a grandeza usada para contar miçangas? b) Caso você fique famoso(a) com suas bijuterias e queira produzir 100 000 colares, pulseiras e adornos, utilizaria a mesma grandeza? Qual seria a melhor grandeza? c) Qual é a grandeza e a unidade de medida do fio de náilon?

6. Identifique a(s) grandeza(s) geralmente utilizada(s) na comercialização dos seguintes produtos: a) sabão em pó. d) combustível. b) tecidos. e) cordas. c) amaciante de roupas. f) cerâmica.

4

6 7 8

15. (Fuvest-SP-adaptado) A massa atômica do cloro é 35,457. O fato de esse número não ser inteiro indica que: a) no núcleo do átomo de cloro devem existir outras partículas além dos prótons e nêutrons. b) o cloro apresenta-se na natureza como uma mistura de isótopos. c) há um erro experimental na determinação das massas atômicas. d) a massa atômica não é uma grandeza. e) a massa atômica leva em conta a massa dos elétrons.

7. O que mede a grandeza quantidade de matéria e qual é o símbolo de sua unidade?

8. Por que os químicos adotaram a grandeza quantidade de matéria para contar as entidades químicas, em vez de simplesmente contá-las numericamente?

9. De acordo com a teoria atômica de Dalton, em 12 g de átomos de oxigênio existe a mesma quantidade de entidades existentes em 12 g de carbono-12? Justifique a resposta.

16. (Uerj) O esquema a seguir representa a distribuição média

10. Em um mol de elétrons existem mais ou menos entidades do que o número de átomos que estão contidos em 12 g de carbono-12? Justifique a resposta.

dos elementos químicos presentes no corpo humano. 126 átomos de hidrogênio

51 átomos de oxigênio

11. O número de entidades em um mol de elétrons é maior ou menor do que o número de átomos em 12 g de carbono-12? Justifique a resposta.

19 átomos de carbono

12. (PUC-RS) Atualmente, o termo “mol” é definido como: a) a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 kg de carbono-12. b) a massa atômica ou molecular expressa em gramas. c) um sinônimo de molécula-grama, átomo-grama ou íon-grama. d) a massa de qualquer substância que encerra 12 g de carbono-12. OD ÍNDICE

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a

3 átomos de nitrogênio 1 átomo de qualquer outro elemento natural Adaptado de: SNYDER, Carl H. The extraordinary chemistry of ordinary things. New York: John Willey & Sons, Inc., 1997.

O elemento que contribui com a maior massa para a constituição do corpo humano é: a) carbono. c) nitrogênio b) oxigênio. d) hidrogênio.

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

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Hely Demutti

O

químico é um profissional detalhista: característica necessária para quem lida com átomos e moléculas. Muitas vezes, ele precisa saber as quantidades exatas das substâncias com as quais trabalha, isto é, tem de determinar quantas entidades químicas (átomos, moléculas, íons etc.) existem em certa porção de material. O número de átomos presentes na amostra de 0,012 kg de carbono-12 é dado por uma constante física que recebe o nome constante de Avogadro (NA), em homeNesse cálice, há 1 mol de água nagem ao químico Amedeo Avogadro [1776-1856], que (18 g). Se fôssemos contar as moléestabeleceu os fundamentos para sua criação. Como os culas de água, quantas contaríamos? átomos são entidades muito pequenas, o valor numérico Essa quantidade (NA) é o que chamamos constante de Avogadro. é muito grande. Como determiná-lo? Como não podiam precisar o valor da constante Valores da constante de Avogadro de Avogadro, vários químicos e físicos (inclusive Albert obtidos desde 1917 Einstein) propuseram métodos indiretos para determináAno da determinação Constante de Avogadro -lo. Como? Sabendo que muitas propriedades das substâncias dependem da quantidade de entidades químicas 23 –1 1917 6,062 ⋅ 10 mol (átomos, moléculas, íons etc.), apresentaram técnicas es1928 6,061 ⋅ 1023 mol–1 pecíficas para medir tais propriedades e metodologias 1941 6,0245 ⋅ 1023 mol–1 de cálculos as quais fornecem a constante de Avogadro, 23 –1 ou seja, o número de entidades presentes em um mol. 1949 6,02457 ⋅ 10 mol 23 –1 Existem vários métodos para determinação da constan1951 6,02544 ⋅ 10 mol te de Avogadro, como o apresentado na próxima página. 1963 6,02278 ⋅ 1023 mol–1 Com a evolução tecnológica, as técnicas e os equipamen1976 6,0220941 ⋅ 1023 mol–1 tos foram aperfeiçoados, o que permitiu a determinação 2004 6,02214179 ⋅ 1023 mol–1 de valores mais precisos da constante de Avogadro, conFonte: MÓL, Gerson de Souza, O uso de analogias no ensino de Química. Brasília: UnB, 1999. forme se observa na tabela ao lado.

<http://www.iop.org/EJ/abstract/0026-1394/40/5/010/>. Acesso em: 07 fev. 2010.

A Ciência na História Hulton-Deutsch Collection/Corbis

A:      

L

orenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Queregna e di Cerreto nasceu na cidade de Piemonte, reino de Sardenha (hoje Itália), em 9 de agosto de 1776. O pai, Fillipo Avogadro, era advogado rico e famoso, com sólida carreira política. Amedeo seguiu o caminho do pai, formando-se em Direito. Mas, definitivamente, essa não era sua vocação. Tornou-se cientista e desenvolveu preciosos estudos em Química e Física, mas não soube divulgar suas ideias. Isolado em seu laboratório, Embora Avogadro não não viajava e correspondia-se pouco com os colegas. Seus escritos careciam de britenha determinado o valor lhantismo e simpatia, mesmo quando reportavam importantes descobertas expeda constante que recebe o rimentais e ideias revolucionárias, como a hipótese dos gases, publicada em 1811. seu nome, ele foi o lançador das bases teóricas para Nesse trabalho, ensaio de uma maneira de determinar a massa relativa de moléculas a determinação. elementares dos corpos e as proporções entre eles nas combinações, Amedeo Avogadro defendeu a tese de que volumes de diferentes gases, nas mesmas condições de pressão e temperatura, contêm igual número de moléculas. Tal afirmação ficou conhecida como “hipótese de Avogadro”. 26

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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

Hely Demutti

4 CONSTANTE DE AVOGADRO

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SEGURANÇA


CAPÍTULO

O cientista propôs que muitos gases são formados por moléculas as quais contêm mais de um átomo, por exemplo, os gases hidrogênio (H2), oxigênio (O2) e cloro (Cl2). Sabendo que os gases hidrogênio e oxigênio são constituídos por moléculas diatômicas e que a proporção de volumes desses gases para formar a água é de dois para um, ele concluiu que a proporção entre seus átomos também seria essa, ou seja, a fórmula deveria ser H2O e não HO, como era considerada até então. Mesmo com dificuldades para medir a massa dos gases, Avogadro chegou à razão de 15,074 entre as massas dos átomos de oxigênio e hidrogênio, sendo a última considerada igual a uma unidade. Ele não estabeleceu o valor da constante de Avogadro, mas lançou as bases teóricas que possibilitaram a determinação. Por isso, em homenagem a ele, a constante recebeu o seu nome. Amedeo Avogadro concluiu que, se volumes iguais contêm o mesmo número de moléculas, é possível determinar as massas moleculares relativas. Dessa forma, tornou possível explicar substâncias como o NH3, NO, NO2, HCl, CO2 e SO2, demonstrando como predizer as fórmulas e as massas molares com grande precisão. Avogadro faleceu em 9 de julho de 1856 e, embora não tenha sido reconhecido pelos cientistas da época, deixou bases importantíssimas para a Química moderna, sendo considerado um dos fundadores da Físico-Química. Somente dois anos depois de sua morte, os colegas reconheceram o quanto sua hipótese ajudava na resolução de problemas de Química.

Química na escola

V

1 2 3 4 5 6 7 8

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

Vídeo

Como é possível determinar a constante de Avogadro Esse experimento é para ser feito em grupo na própria sala de aula, com materiais que você pode conseguir em casa. Observe um pedaço de ferro ou a água contida em um copo. Temos a impressão de que a matéria é toda contínua. Será que é mesmo? Faça a atividade a seguir e verifique tal ideia utilizando o “método científico” clássico: observe, elabore hipóteses, teste essas hipóteses e proponha uma teoria ou um modelo para guiar seu pensamento.

Materiais • dois eletrodos de fio de cobre (encapado) de 2,5 mm de diâmetro • cronômetro ou relógio • bateria de 9 V (podem ser usadas quatro pilhas grandes ou um eliminador de pilhas) • duas seringas de 5 mL • recipiente plástico transparente (ou o fundo de garrafa de refrigerante)

• amperímetro ou multímetro (comprado em loja de ferramentas) • um pedaço de isopor para servir de suporte às seringas • um pouco de silicone ou parafina (vela) • fios finos para as conexões • solução de hidróxido de sódio a 10 g/L

1. Tapar as pontas das seringas com silicone ou parafina. 2. Fixar as seringas no suporte feito com um pedaço de isopor. 3. Colocar solução de hidróxido de sódio no recipiente até ¾ de seu volume. 4. Encher também as seringas com solução e colocá-las no recipiente plástico cuidadosamente, segurando-as pelo fundo (use luvas!), de modo que não se formem bolhas de ar.

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seringas

NaOH 10 g/L +

bateria de 6 V

! TABELAS

multímetro

isopor

J. Yuji

Procedimento

SEGURANÇA

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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

5. Colocar os eletrodos de forma que as pontas fiquem sob a parte inferior da seringa. 6. Montar o circuito como mostrado na figura. 7. O valor da corrente (que deve ser constante durante todo o procedimento) deve ficar entre 100 e 30 mA. Para ajustá-lo, caso necessário, várias modificações podem ser feitas na montagem, por exemplo, a concentração da solução, o tamanho da parte exposta dos eletrodos, a distância entre eles etc. 8. Ligar o circuito e disparar o cronômetro no mesmo instante. 9. Quando o volume de hidrogênio completar 5 mL, interromper o cronômetro e desligar o circuito. 10. Anotar os seguintes dados: temperatura ambiente (T), pressão atmosférica (P) – que pode ser obtida pelo serviço de meteorologia –, volume de hidrogênio produzido (V) e tempo de eletrólise (t).

Destino dos resíduos O hidróxido de sódio pode ser guardado para utilização em outras atividades práticas. Para ser descartado, precisa antes ser neutralizado com algum ácido indicado pelo professor.

Análise de dados Conhecendo o volume de hidrogênio produzido, pode-se, a partir da equação geral dos gases, determinar a quantidade de matéria correspondente. A seguir, é apresentada equação simplificada que fornecerá o valor da constante de Avogadro, utilizando os dados obtidos nesse experimento. NA = RT it mol–1 / 2P e V Em que: NA é a constante de Avogadro; t é o tempo em segundos; R é a constante dos gases (8,3145 J/K mol); P é a pressão atmosférica em Pa (Pa = Jm –3); T é a temperatura em kelvin; V é o volume em m3; i é a corrente em ampères; e é a carga do elétron (1,6 ⋅ 10 –19 C, C = As). 1. Utilizando os dados obtidos e a equação acima, calcule o valor da constante de Avogadro. Caso não tenha sido possível realizar o experimento, utilize os seguintes dados obtidos em laboratório: T = 27 K, P = 88 393 Pa, t = 510 s, V = 5 ⋅ 10 –6 m3 (V = 5 mL). 2. Compare o resultado com os apresentados na tabela da página 20 e levante hipóteses para as possíveis diferenças observadas.

A constante de Avogadro não deve ser comparada a outras medidas, como a dúzia e a centena, porque essas quantidades são definidas como números e não como grandezas físicas. Uma dúzia corresponde a 12 unidades. Uma centena corresponde a 100 unidades. Já a constante de Avogadro é definida como o número de átomos presentes em um mol de carbono-12 (0,012 kg de carbono-12). Quanto é essa grandeza exatamente? Ao longo da História, o valor vem sendo determinado com precisão cada vez maior, mas nunca chegaremos ao valor exato, porque a constante de Avogadro é obtida experimentalmente. A unidade da constante de Avogadro (NA) é mol–1, ou seja, o número de entidades por mol. Para efeito didático, não necessitamos ser tão precisos quanto os químicos. Assim, iremos considerar a constante de Avogadro como 6,02 ⋅ 1023 mol–1 em nossos cálculos químicos. Por isso, com o tempo, você guardará que: 1 mol = 6,02 · 1023 entidades (átomos, moléculas etc.).

Notação científica Antes de estudarmos cálculos com a constante de Avogadro, vamos rever como se expressam as medidas em notação científica. Qual é a distância existente entre a Terra e a Lua? Qual é o tamanho de uma célula? Você já deve ter percebido que a ciência lida com extremos. Para não manipular números

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! TABELAS

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CAPÍTULO

cheios de zeros, é mais prático utilizar a notação científica, uma forma de representação numérica que facilita a indicação de números grandes ou pequenos. Valores como 567000000 ou 0,000002341, por exemplo, podem ser expressos em notação científica por 5,67 ⋅ 108 e 2,341 ⋅ 10 –6. Em notação científica, os números são escritos com apenas um algarismo antes da vírgula e multiplicados por 10, elevados à potência correspondente. Uma potência positiva indica o número de posições que a vírgula deverá ser deslocada para a direita, a fim de se obter o número em notação comum. Do mesmo modo, a potência negativa indicará o número de vezes que a vírgula deverá ser deslocada para a esquerda, a fim de fornecer o número em notação comum. Desse modo, quanto maior a potência, maior será o número.

1 2 3 4 5 6

Uma molécula de água tem massa aproximada de 3 ⋅ 10 –26 kg. A massa do Sol, estrela mais próxima do planeta Terra, é estimada em 1,99 ⋅ 1030 kg.

7 8

Fazendo cálculos com a constante de Avogadro A partir da constante de Avogadro, podem-se fazer diversas conversões entre quantidades expressas em número de entidades e em quantidade de matéria. Essas conversões podem ser feitas por meio de regra de três ou por fatores de conversão. Lembre-se de que: 1 mol = 6,02 ⋅ 1023 entidades. Dividindo os dois lados da igualdade por 1 mol: 1 mol 6 , 02 ⋅ 1023 entidades ou por 6,02 ⋅ 1023 entidades: = 1 mol 1 mol 1 mol 6 , 02 ⋅ 1023 entidades teremos os = 23 6 , 02 ⋅ 10 entidades 6 , 02 ⋅ 1023 entidades

seguintes fatores de conversão: 1=

6 , 02 ⋅ 1023 entidades 1 mol

e 1=

1 mol 6 , 02 ⋅ 1023 entidades

Vejamos alguns exemplos de conversão.

1. Quantos átomos correspondem a 2 mol de átomos de ferro?

N = 2, 0 mol ⋅

Luminis/Shutterstock

Para resolver por fator de conversão, basta multiplicar a quantidade fornecida pelo fator que converte quantidade de matéria (mol) em número de entidades. 6 , 02 ⋅ 1023 entidades = 12, 0 ⋅ 1023 em notação científica 1 mol

1,2 ⋅ 1024 átomos de Fe

2. Qual é a quantidade de matéria correspondente a 18,06 · 1030 átomos de enxofre? n = 18 , 06 ⋅ 1030 átomos ⋅

1 mol = 3 ⋅ 107 mol 6 , 02 ⋅ 1023 átomos

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SEGURANÇA

Por meio da constante de Avogrado podemos calcular, por exemplo, a quantidade de átomos de ferro em uma panela de ferro.

23


3. Qual é o número de moléculas existente em 2,5 mol de hidrogênio? N (H2 ) = 2, 5 mol mol H2 ⋅

6, 02 ⋅ 1023 moléculas H2 = 15, 05.1023 moléculas de H2 1 mol H2

UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

= 15,05 ⋅ 1023, em notação científica, 1,505 ⋅ 1024 moléculas H2

4. Qual é a quantidade de matéria correspondente a 1,0 ⋅ 1028 moléculas de H2O? N (H2 O) = 1 1,, 0 ⋅10 ⋅ 1028 moléculas H2 O ⋅

1 mol H2 O 6, 02 ⋅ 1023 moléculas H2 O

= 0,166 ⋅ 105 mol H2 O

= 0,166 ⋅ 105, em notação científica, 1,66 ⋅ 104 moléculas H2O

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

6. Calcule o número de átomos de cada elemento químico

1. Que relação há entre a constante de Avogadro e o mol?

existente nas seguintes quantidades de substâncias: a) 0,8 mol de sulfato de alumínio [Al2(SO4)3]. b) 1,5 mol de fosfato de cálcio [Ca3(PO4)2]. c) 1,02 ⋅ 1025 moléculas de álcool etílico (C2H5OH). d) 18 ⋅ 1023 fórmulas mínimas de ferrocianeto de potássio [K4Fe(CN)6].

2. Você acha que o valor da constante de Avogadro no ano de 2100 será o mesmo de hoje? Por quê?

3. Por que pode haver mudanças no valor da constante de Avogadro, enquanto o valor da dúzia, por exemplo, não varia?

4. O suplemento vitamínico mineral é um medicamento para

7. Calcule o tempo necessário para nascer um mol de

uso durante a gravidez e a lactação, períodos de grande atividade fisiológica, com o aumento das necessidades nutricionais diárias. Em certa massa desse suplemento, existem as seguintes quantidades de sais minerais:

pessoas, considerando que a taxa de natalidade mundial atual está em torno de 3 pessoas por segundo. Compare o valor encontrado com a idade da Terra, que é estimada em 5 000 000 000 de anos.

1,5 ⋅ 1022 fórmulas mínimas de carbonato de cálcio (CaCO3)

8. O enxofre (S) é um elemento classificado como não me-

2,0 ⋅ 10 –3 mol de magnésio (Mg)

tálico. É essencialmente pela presença de seus átomos nos combustíveis que existe o fenômeno das chuvas ácidas. Quantos átomos de enxofre existem em 16 mol de enxofre?

5,4 ⋅ 1017 fórmulas mínimas de iodeto de potássio (KI) 0,001 mol de ferro (Fe) 1,35 ⋅ 1017 fórmulas mínimas de óxido de cobre (CuO)

9. A substância peróxido de hidrogênio (H2O2), mais conhe-

2,6 ⋅ 10 –6 mol de molibdênio (Mo)

cida como água oxigenada, é instável e se decompõe formando água e oxigênio. Esse oxigênio liberado reage com a melanina (pigmento que dá cor aos cabelos), quebrando as moléculas e alterando a cor dos fios. Uma pessoa que deseja descolorir os cabelos utilizou 0,588 ⋅ 10 –1 mol de água oxigenada. Determine o número de moléculas que ela aplicou nos cabelos.

1,8 ⋅ 1020 fórmulas mínimas de óxido de zinco (ZnO) 3,16 ⋅ 10 –5 mol de selênio (Se) 1,99 • 1019 fórmulas mínimas de sulfato de manganês (MnSO4)

Para essa quantidade de suplemento, calcule: a) o número de átomos de Mg, Fe, Mo e Se. b) a quantidade de matéria de fórmulas mínimas das seguintes substâncias: CaCO3, KI, CuO, ZnO e MnSO4.

10. De acordo com os conceitos de mol e a constante de Avogadro, julgue os itens abaixo, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) Um mol de átomos de magnésio contém o mesmo número de átomos que um mol de átomos de sódio. 2) Um mol de água (H2O) contém 6,02 ⋅ 1023 átomos. 3) O padrão de medida para a quantidade de matéria é o oxigênio-16, por ser mais estável e abundante que o carbono.

5. Determine o número de átomos presentes nas quantidades de matéria abaixo: a) 0,550 mol de ouro (Au). b) 15,8 mol de cobre (Cu). c) 0,27 mol de alumínio (Al). d) 2,88 ⋅ 1018 mol de gás oxigênio (O2). e) 1,25 ⋅ 1026 mol de ferro (Fe).

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CAPÍTULO

4) O número de moléculas de gás cloro contidas em 1,75 mol corresponde a 10,5 ⋅ 1024 moléculas. 5) Em 3,08 ⋅ 10 –1 mol de água estão presentes aproximadamente 1,85 ⋅ 1023 moléculas.

12. (UFU-MG) Assinale a alternativa que contém o maior número de átomos. a) 3,5 mol de NO2. b) 1,5 mol de N2O3.

c) 4 mol de NO. d) 1 mol de N2O5.

1

11. Em 3,0 mol de HCl e 5,0 mol de F2, existem, respectivamente: 13. Em 250 mL de água de coco, há 20 mg de cálcio, Dado: constante de Avogadro: 6,02 · 1023. a) 1,8 ⋅ 1024 moléculas e 3,01 ⋅ 1024 moléculas. b) 3,0 ⋅ 1023 moléculas e 5,0 ⋅ 1023 moléculas. c) 1,8 ⋅ 1024 moléculas e 3,01 ⋅ 1024 átomos. d) 1,8 ⋅ 1024 átomos e 3,01 ⋅ 1024 moléculas. e) 6,02 ⋅ 1023 moléculas e 12,04 ⋅ 1023 moléculas.

2

23 mg de sódio e 156 mg de potássio, além de componentes químicos. A soma do número de átomos de cálcio, sódio e potássio existentes nesse volume de água é: a) 3,3 ⋅ 1024 átomos. d) 3,3 ⋅ 1021 átomos. b) 2,6 ⋅ 1022 átomos. e) 4,0 ⋅ 1023 átomos. c) 1,5 ⋅ 1021 átomos.

3 4 5 6 7

5 MASSA ATÔMICA, MOLECULAR E MOLAR

8

Pense Qual é a massa de um átomo de carbono-12?

s recipientes que você vê nas fotos abaixo, com diferentes substâncias, têm algo em comum. Você sabe dizer o que é?

Hely Demutti

O

Cloreto de ferro (III) 270,3 g

Permanganato de potássio 158 g

Cloreto de sódio 58,5 g

Sulfato de cobre 249,7 g

Nitrato de cobalto 291 g

Iodeto de potássio 166 g

1 mol de diferentes sais. Para cada substância, temos igual número de constituintes, mas diferentes massas.

Como você já sabe, o padrão utilizado para a determinação das massas dos átomos dos diferentes elementos químicos é o carbono-12. As substâncias mostradas aqui, embora em volume e massa diferentes, apresentam algo em comum: a quantidade de matéria é igual a um mol. OD ÍNDICE

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SEGURANÇA

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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

Utilizamos, em Química, três tipos de massa: atômica, molecular e molar. A massa dos átomos é dada pela massa atômica. Como os elementos químicos possuem átomos com mais de um valor de massa, a grandeza massa atômica é obtida pela média ponderada das massas dos átomos dos elementos químicos encontrados na natureza. Seu símbolo é ma, em que a letra a deve ser substituída pelo símbolo do elemento em questão. Esses valores, como Dalton já havia sugerido no início do século passado, são relativos. Sua definição é: Massa atômica (ma) de um elemento químico é a massa média ponderada de seus átomos encontrados na natureza. Como os valores de massa atômica são pequenos demais, difíceis de trabalhar, os químicos resolveram definir uma unidade específica para a massa de átomos. Essa unidade de medida da grandeza massa foi estipulada como igual a um doze avos (1/12) da massa de um átomo de carbono-12 e recebeu o nome unidade de massa atômica, cujo símbolo é u. 1 unidade de massa atômica (u) = 1/12 da massa de um átomo de carbono-12.

Pense Qual é o valor da massa de um átomo de carbono-12 em unidades de massa atômica?

O valor da massa, em gramas, de um átomo de qualquer elemento químico pode ser obtido pela divisão da massa molar (massa de um mol da substância) pela constante de Avogadro (veja a tabela a seguir). VALORES DE MASSA ATÔMICA DE ALGUNS ELEMENTOS QUÍMICOS Massa de 6,02 ⋅ 1023 átomos

Elemento químico

Massa de um átomo

Carbono (C)

12,0 g

19,9 ⋅ 10 –24 g

Hidrogênio (H)

1,0 g

1,66 ⋅ 10 –24 g

Hélio (He)

4,0 g

6,6 ⋅ 10 –24 g

Magnésio (Mg)

24,3 g

40,3 ⋅ 10 –24 g

Mercúrio (Hg)

200,6 g

332 ⋅ 10 –24 g

Pense Qual é a relação de igualdade (fator de conversão) entre a unidade grama (g) e a unidade de massa atômica (u)?

A partir da relação entre as duas unidades de medida da massa, é possível converter o valor da massa de qualquer átomo de gramas para unidade de massa atômica, ou vice-versa. A maioria das substâncias é formada por grupos de átomos em proporções bem definidas, os quais chamamos constituintes. Cálculos envolvendo as substâncias são feitos considerando-se a massa dos constituintes, que é denominada massa molecular. Esse termo também é utilizado para substâncias que têm constituintes amoleculares, por exemplo, os sais. Portanto, massa molecular refere-se à massa da entidade da qual uma substância é feita, que pode ser de uma molécula ou de uma fórmula mínima.

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CAPÍTULO

A massa molecular e a massa atômica têm como símbolo ma e são expressas em unidades de massa atômica – u. A letra a é substituída pelo símbolo do elemento químico ou pela fórmula da substância. A massa molecular corresponde ao somatório das massas atômicas dos átomos constituintes da substância. A definição é:

1

Massa molecular (mola) é a soma das massas atômicas dos átomos do constituinte de uma substância, podendo representar a massa de uma molécula ou de uma fórmula mínima.

2

A massa atômica e a massa molecular são pouco utilizadas, porque não trabalhamos com átomos e moléculas e, sim, com quantidades maiores. Entretanto, estas são importantes por lidarem com a dimensão atômica e já começam a ter aplicação prática graças a um novo ramo da ciência, a Nanotecnologia, relacionada com a manipulação da matéria molecular, visando à criação de novos materiais, substâncias e produtos, com precisão de átomo a átomo. Para lidar com quantidades macroscópicas, utilizamos a massa molar molar, que se refere à massa de um mol de entidades. Essas poderão ser átomos (55,8 g/mol Fe), moléculas (18 g/mol H2O) ou grupamento de íons (57,5 g/mol NaCl). Ela representa a massa da numerosidade igual ao número de átomos presentes em 12 g de carbono-12, ou seja, em um mol. Sua definição é:

4

3

5 6 7 8

Atualmente, para determinar a massa molar de uma substância, os químicos utilizam equipamentos chamados espectrômetros de massas. Como equipamentos desse tipo não estão disponíveis em escolas do Ensino Médio, vamos fazer cálculos teóricos fundamentados no método utilizado por químicos para a elaboração das primeiras tabelas de massa molar. Os valores de massa das substâncias podem ser calculados com base nas quantidades que reagem com uma massa conhecida de carbono ou outra substância, cuja massa molar já foi determinada. A massa molar de uma substância é numericamente igual à sua massa molecular, mas difere em unidade: a massa molar é dada em gramas por mol (g/mol) e a massa molecular é dada em unidade de massa atômica (u). Analisando as reações químicas e tendo conhecimento da estrutura atômica da matéria, é possível encontrar a relação entre as quantidades de massa das substâncias envolvidas nas reações. Como exemplo, podemos citar a formação da água:

Para calcular a massa molecular da água, soma-se a massa dos dois átomos de hidrogênio com a massa do átomo de oxigênio.

Carolina K. Smith MD/Shutterstock

Massa molar (M) é a massa de um mol da substância.

2H2(g) + O2(g) ( 2H2O(l)

Se conhecermos os valores de massa molar de uma ou mais substâncias envolvidas numa reação, teremos condição de calcular a massa molar das demais. A massa molar da substância hidrogênio é igual à massa molar do hidrogênio multiplicada por dois, visto que as moléculas possuem dois átomos: M(H2) = 2 ⋅ 1 g/mol ( M(H2) = 2 g/mol Para a substância oxigênio, teremos o mesmo: M(O2) = 2 ⋅ 16 g/mol ( M(O2) = 32 g/mol A água é formada por moléculas que possuem dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio (H2O). A massa molar será: M(H2O) = 2M(H) + M(O) = 2 ⋅ 1 g/mol + 16 g/mol = 18 g/mol

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Similarmente, a massa molecular da água será: M(H2O) = 2M(H) + M(O) = 2 ⋅ 1 u + 16 u = 18 u UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

Para calcular a massa molecular da água, soma-se a massa dos dois átomos de hidrogênio com a massa do átomo de oxigênio. Na tabela a seguir, apresentamos uma série de dados obtidos experimentalmente. Observe como se pode determinar, por meio de cálculos simples, a massa molar dos elementos químicos (1 mol de átomos desse elemento). Considerando que a massa molar do monóxido de carbono é 28,00 g e que a massa molar do carbono é 12 g, obtemos a massa molar do oxigênio: 16 g. Veja a tabela abaixo. DETERMINAÇÃO DA MASSA MOLAR DE ALGUNS ELEMENTOS QUÍMICOS Substância formada

Substância simples

Nome

Fórmula

Massa molar

Massa do elemento de referência

Oxigênio

monóxido de carbono

CO

28,00 g

12 g de C

Magnésio

óxido de magnésio

MgO

40,30 g

16 g de O

Hidrogênio

água

H2O

18,02 g

16 g de O

Nitrogênio

dióxido de nitrogênio

NO2

46,50 g

32 g de O

Ferro

óxido de ferro

FeO

71,85 g

16 g de O

Alumínio

óxido de alumínio

Al2O3

101,96 g

48 g de O

No passado, alguns enganos foram cometidos por não serem conhecidas as fórmulas exatas de muitas substâncias. Hoje, com o avanço da Química e a tecnologia existente, é possível estabelecer a massa molar das substâncias com grande precisão.

Pense Com base nos valores da tabela, calcule a massa molar dos seguintes elementos químicos: magnésio, hidrogênio, nitrogênio, ferro e alumínio.

6 VOLUME MOLAR

G

rãos diferentes de cereais ocupam volumes diferentes. Da mesma forma, quantidades de espécies químicas, sólidas ou líquidas, iguais em número, ocupam diferentes volumes. Cuidado: essa analogia entre átomos e cereais serve para sólidos e líquidos, mas não se aplica aos gases. Quando a quantidade de matéria da substância equivale a 1 mol, chamamos o volume ocupado de volume molar, que é definido da seguinte forma: Volume molar (Vm) é o volume ocupado por um mol de uma substância.

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CAPÍTULO

O volume molar de qualquer gás depende das condições em que ele se encontra. Assim, é muito importante, quando nos referirmos ao volume molar, especificarmos a temperatura e a pressão em questão. Como o volume normalmente varia com a pressão e a temperatura, para que seja possível comparar dados de diferentes substâncias, é necessário estabelecer valores de referência para pressão e temperatura. Foram definidas como referência a temperatura de 273,15 kelvin (0 °C) e a pressão de 100000 pascals (1 atm), valores denominados condições normais de temperatura e pressão (CNTP).

1 2 3 4 5

Condições normais de temperatura e pressão – CNTP

6

T = 273,15 K ou t = 0 °C

7

P = 100 000 Pa

8

Pa = 1 bar = 0,9869 atm = 750,06 mmHg Os gases, diferentemente dos sólidos e dos líquidos, são muito afetados por variações de temperatura ou de pressão. Amedeo Avogadro, que trabalhou com vários gases, percebeu isso: ele notou que iguais quantidades de matéria de diferentes gases ocupam volumes iguais. Posteriormente, determinou-se que 1 mol de qualquer gás, nas CNTP, ocupa um valor igual a 22,71 L. O volume molar (Vm ou Vm) de qualquer gás nas CNTP é igual a 22,71 L. O valor de 22,71 L para volume molar é obtido considerando-se a pressão de cem mil pascals (100 000 Pa) e a temperatura igual a 273,15 kelvin (0°C). Você encontrará livros e questões de vestibulares antigos que, no entanto, apresentam o volume molar como 22,4 L, por considerar a antiga definição de pressão-padrão igual a 1 atm (101 325 Pa).

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Para responder às questões, caso necessário, consulte os dados de massa atômica na tabela periódica no final do livro.

1. Qual é a diferença entre massa molecular e massa molar? 2. (EE Mauá-SP) Uma vez que as massas atômicas do oxigênio e do sódio são, respectivamente, 16 e 23, então a massa de 23 átomos de oxigênio é a mesma que a de 16 átomos de sódio. Essa afirmativa é verdadeira ou falsa? Justifique.

3. Quais são os fatores que interferem no volume molar de um gás?

4. Anfetamina ou benzidrina (C9H11NH2) é uma droga que OD ÍNDICE

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provoca dependência química. A partir da fórmula molecular, dê a massa molecular e a massa molar.

5. O açúcar usado em casa contém sacarose (C12H22O11), substância vital para as necessidades básicas humanas. É metabolizada pelo organismo rapidamente e é muito energética. No entanto, por ser muito calórica, algumas pessoas, por motivos estéticos ou de saúde, devem evitar sua ingestão. a) Calcule a massa molecular e molar da sacarose. b) A sacarose e outros açúcares são substituídos por adoçantes artificiais. Pesquise o nome de alguns adoçantes mais comuns e quais são as consequências do uso desses produtos.

B

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6. O sulfato de alumínio [Al2(SO4)3] é uma substância, des- 10. Clostridium botulinum é a bactéria que provoca in-

UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

de a Antiguidade, usada para o tratamento da água. Essa substância provoca a aglutinação da matéria suspensa, formando flocos mais densos que a água e que se sedimentam no fundo dos tanques de tratamento. Calcule a massa molecular e a massa molar dessa substância.

toxicação alimentar, o botulismo. Ela produz a toxina chamada botulina, muito utilizada com o nome Botox em tratamentos estéticos para minimizar rugas e linhas de expressão da face. Para evitar intoxicação, não consuma conservas alimentícias vindas de lata estufada ou que tenham odor de ranço, característico da formação do ácido butílico (H8C4 O2). Considerando essas informações e seus conhecimentos, responda. a) Se a toxina botulina é tão grave para a saúde, como se explica a utilização em tratamento estético? b) Para o homem, a dose letal (DL 50 ) da ingestão de botulina é de cerca de 1 mg. A que quantidade de matéria de ácido butílico corresponde essa dose?

7. Certos minerais têm resistência ao serem riscados por outro material. Essa propriedade é chamada dureza. O mineral de menor dureza tem o valor 1 e o de maior dureza tem o valor 10. Observe, em alguns minerais, a dureza e a fórmula molecular. Dureza

Mineral

Fórmula

1

Talco

Mg3Si4O10(OH)2

2

Gipsita

CaSO42 H2O

5

Apatita

Ca5(PO4)3(OH)

9

Coríndon

Al2O3

11. Consultando a tabela de valores de massa atômica, calcule a massa molecular das seguintes substâncias: a) ácido sulfúrico (H2SO4); b) hidróxido de cálcio [Ca(OH)2]; c) fosfato de cálcio [Ca3(PO4)2]; d) álcool etílico (C2H5OH); e) ferrocianeto de potássio [K4Fe(CN)6]; f) cloreto de bário di-hidratado (BaCl2 ⋅ 2H2O).

a) Consultando a tabela periódica, como você representaria a massa atômica de cada elemento, a massa molecular e a massa molar de cada substância encontrada no quadro acima? b) Se riscarmos o talco com a gipsita, qual deixará o traço sobre o outro? c) Qual mineral não deixa o traço em nenhum dos outros minerais citados acima?

12. As medidas são necessárias à sociedade. No caso de átomos e moléculas, julgue os itens em C para os corretos e E para os errados: 1) Sabendo que a massa atômica da prata é igual a 108 u, podemos afirmar que um átomo de prata pesa 108 vezes mais que o átomo de 12C. 2) A massa molecular é numericamente igual à soma das massas atômicas de todos os átomos da molécula. 3) Para lidar com quantidades mais significativas, utiliza-se a massa molecular, que se refere à massa de um mol de entidades. 4) O volume molar de um gás é o volume ocupado por um mol desse gás, a uma determinada pressão e temperatura, ou seja, o volume é diretamente proporcional à quantidade de matéria de um gás. 5) Para sólidos e líquidos o volume molar depende, entre outras coisas, da natureza, da substância, mas para gases ele só dependerá das condições da temperatura, qualquer que seja a natureza do gás.

8. Se a escala de massa atômica tivesse sido definida diferentemente, em que 1 (um) átomo de 126C tivesse massa no valor de 100 u, isso teria algum efeito sobre a constante de Avogadro? Explique.

9. Conservantes são substâncias que impedem ou retardam as alterações dos alimentos, provocadas por micro-organismos ou enzimas. Como conservantes antimicrobianos são utilizadas as substâncias: nitrito de sódio (NaNO2), nitrito de potássio (KNO2), nitrato de sódio (NaNO3 ) ou nitrato de potássio (KNO3 ). Por lei, no Brasil, o limite máximo desses conservantes é de 0,20% em massa. a) Com a tabela periódica em mãos, calcule as massas molares desses conservantes. b) Quantos gramas de cada tipo de conservante podem ser adicionados a 1 quilograma de salsicha? c) A que quantidade de matéria de cada sal corresponde essa massa?

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CAPÍTULO

7 CONVERSÕES NO CÁLCULO

ESTEQUIOMÉTRICO

1

O

s químicos normalmente utilizam as grandezas massa, quantidade de matéria e volume para medir os materiais. Vejamos as principais relações que, em geral, são estabelecidas entre as grandezas que expressam quantidades.

2 3 4

Relação entre quantidade de matéria e massa

5

A conversão de quantidade de matéria (n) para massa (m) é feita pela massa molar (M). Assim, por exemplo, a massa molar da água é 18 g/mol, o que significa: 18 g de H2O = 1 mol de H2O Dessa igualdade podemos obter outras duas: a. dividindo-se os dois termos por 1 mol de H2O; ou b. dividindo-se os dois termos por 18 g de H2O. Assim, teremos os seguintes fatores de conversão: 1 mol H2O 18 g H2O a) =1 =1 b) 18 g H2O 1 mol H2O

6 7 8

O primeiro fator de conversão transforma quantidade de matéria em massa. O segundo transforma massa em quantidade de matéria. Para isso, basta multiplicar a grandeza que se quer converter pelo respectivo fator de conversão. Veja os exemplos a seguir: 1. Qual é a massa de 1,5 mol de água? 18 g H2O m (H2O) = 1, 5 mol H2O ⋅ = 27 g H2O 1 mol H2O 2. Qual é a quantidade de matéria (n) existente em 63 g de água? 1 mol H2O n (H2O) = 63 g H2O ⋅ = 3, 5 mol H2O 18 g H2O

Relação entre quantidade de matéria e volume de gases

Wildcat78/Dreamstime

Do mesmo modo que usamos a massa molar (M) como fator de conversão, o volume molar (Vm) também é empregado como fator para transformar volume de um gás em quantidade de matéria ou vice-versa, conforme demonstrado abaixo: 22, 71 L =1 1 mol (g) = 22,71 1 mol L (CNTP) Conhecendo o volume do balão, pode-se calcu1 mol 22, 71 L =1 =1 a) b) lar a quantidade de maté22 , 71 L 1 mol ria e a massa do gás que 1. Qual 1é mol o volume ele contém. = 1 ocupado por 5 mol de gás hidrogênio nas CNTP? 22, 71 L 22, 71 L H2 V (H2 ) = 5 mol H2 ⋅ = 113, 55 L H2 1 mol H2 2. Que quantidade de matéria de oxigênio ocupa o volume de 68,13 L nas CNTP?

)

V ( O2 = 68 ,13 L O2 ⋅

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1 mol O2 = 3 mol O2 22, 71 L O2

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Exercícios UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO

1.

2.

3.

4.

5.

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Para responder às questões, caso necessário, consulte os dados de massa atômica na tabela periódica no fim do livro. A benzedrina é um remédio utilizado por pacientes que sofrem de depressão. A dose diária indicada é de 10 mg de benzedrina (C9H13N). Empregando os dados da tabela periódica, calcule: a) a massa molar da benzedrina. b) a quantidade de matéria de benzedrina que se encontra nos 10 mg. A cafeína é um excitante do sistema nervoso, portanto beber café é desaconselhável a pessoas nervosas e excitáveis. O Comitê Olímpico Internacional (COI) proíbe altas doses de cafeína. Atletas olímpicos com mais de 12 mg de cafeína por mL de urina podem ser desqualificados da competição. Agora responda às questões a seguir, sabendo que a fórmula molecular da cafeína é C8H10O2N4H2O. a) Calcule a massa molar da cafeína. b) Qual seria a quantidade de matéria de cafeína encontrada em 12 mg de cafeína? c) Em quais produtos podemos encontrar a cafeína? d) Pesquise os pontos positivos e negativos da cafeína na alimentação diária do ser humano. O boro (B) é encontrado em alimentos como frutas, verduras e legumes em quantidades muito pequenas. É ótimo para a prevenção contra a osteoporose. São recomendados 3 mg diariamente. Mas deve-se tomar cuidado ao ingerir cápsulas de 3 mg de borato de sódio (Na3BO3), pois podem aumentar a produção de estrogênio e testosterona (hormônios sexuais feminino e masculino). a) Em que situações é aconselhada a ingestão de cápsulas de borato de sódio? b) Qual seria a quantidade de matéria de boro em 3 mg? O óxido de zinco (ZnO) é muito útil em preparados cosméticos, pois tem propriedades antimicrobianas e cicatrizantes, além de servir como bloqueador solar. Se prepararmos bloqueador caseiro e acrescentarmos 10 g de óxido de zinco pulverizado, qual seria a quantidade dessa matéria encontrada nesse bloqueador solar? Algumas pessoas usam produtos que dão à pele a tonalidade bronzeada, sem precisar tomar sol. Neles, há uma substância chamada DHA ou di-hidroxiacetona (C3H6O3). O bronzeamento é a combinação química entre o DHA e a ceratina (proteína encontrada na pele). A seguir responda: a) quais as vantagens de se utilizar esse produto? b) qual seria o número de moléculas de DHA encontradas em um recipiente de aproximadamente 120 g desse produto?

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6. O ácido sulfúrico (H2SO4) é um líquido incolor, oleoso e

muito corrosivo. Apesar de amplamente utilizado na fabricação de fertilizantes, filmes, explosivos, acumuladores de baterias e refino de petróleo, o seu contato com a pele pode provocar a destruição dos tecidos, ao ser inalado, causa danos às vias respiratórias do organismo. Qual é a massa, em gramas, existente em 5 mol dessa substância? Dados: S = 32 g/mol; H = 1 g/mol; O = 16 g/mol. a) 480 g. c) 290 g. e) 490 g. b) 190 g. d) 580 g.

7. Uma pessoa utiliza 0,5 mol de açúcar (C12H22O11) para

adoçar uma garrafa de café. A quantidade de açúcar que deve ser colocada na garrafa é: Dado: massa molar do açúcar = 342 g/mol a) 330 gramas. c) 165 gramas. e) 150 gramas. b) 171 gramas. d) 140 gramas.

8. O elemento oxigênio encontra-se na atmosfera na forma de gás oxigênio (O2) e de gás ozônio (O3). O gás oxigênio é o segundo componente mais abundante do ar atmosférico. Ele corresponde a 21% do volume do ar seco e sem poluentes. É impossível a sobrevivência da maioria dos seres vivos sem oxigênio. Qual o volume ocupado por 5 mol desse gás nas CNTP? Dado: volume molar = 22,71 L nas CNTP.

9. Para você temperar a carne, são necessários condimentos que a conservem. O alho é importante porque contém uma substância, denominada alicina (C6H10OS2), que atua como conservante, inibindo a ação das enzimas que aceleram a decomposição da carne. O cravo-da-índia, por exemplo, contém uma substância conservante, denominada eugenol [C3H5C6H3(OH)OCH3 ], que possui ação antioxidante, prevenindo o ranço (produto da reação entre o oxigênio e a gordura da carne) e evitando o aparecimento de bolor. Com os seus conhecimentos, julgue os itens, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) Os conservantes e antioxidantes naturais são menos propensos a causar doenças como o câncer no ser humano. 2) As massas molares da alicina e do eugenol são 164 e 162 g/mol, respectivamente. 3) Em 1 mol de alicina existe menor quantidade de átomos que em 1 mol de eugenol. 4) Normalmente, reações provocadas pela ação do ar, da luz, do contato com metais etc. deixam o alimento com cheiro ruim característico e impróprio para o consumo. O antioxidante serve para retardar essa reação.

a

B

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CAPÍTULO

ER

Grandezas físicas

1

Exercícios de revisão

2

b Nas Ciências, os atributos (características) de componentes do Universo que podem ser medidos são chamados grandezas físicas.

3

Massa atômica

4

b Vários padrões de medidas de massa atômica dos átomos foram utilizados ao longo da história das Ciências. A primeira substância utilizada como padrão para determinar a massa de outras substâncias foi o hidrogênio. b Desde 1957, a Iupac definiu o carbono-12 (por ser mais estável e abundante) como o padrão para se determinar a massa dos átomos. Por convenção, a massa de um átomo de carbono-12 corresponde a 12 u. Assim, uma unidade de massa atômica corresponde a 1/12 do carbono-12, ou seja, 1/12 do carbono-12 corresponde a 1 unidade de massa atômica. Como a maioria das substâncias é formada por grupamentos de átomos, o cálculo da massa dos constituintes é feito considerando a massa de cada átomo. Essa massa final é denominada massa molecular, logo a massa dos constituintes representa a massa de uma molécula ou de uma fórmula mínima. Por exemplo, no caso do NaCl a fórmula mínima é 36,5 u. Considera-se a massa do sódio (Na) igual a 23,0 u e a do cloro (Cl) 35,5 u.

5 6 7 8

Quantidade de matéria b Na Química, utiliza-se a numerosidade como a grandeza física para medir numericamente entidades como átomos, íons ou moléculas. A quantidade de matéria (n) é uma grandeza de numerosidade e a unidade de medida é o mol.

Constante de Avogadro b O número de átomos presentes em uma amostra de 0,012 kg de carbono-12 é dado por uma constante física que recebe o nome constante de Avogadro (NA), em homenagem ao químico Amedeo Avogadro [1776-1856]. Dessa forma: 1 mol contém 6,02 ⋅ 1023 entidades (átomos, moléculas etc.).

Massa molecular e massa molar b A massa atômica de um elemento químico é a média ponderada das massas dos átomos desse elemento. No caso de moléculas ou íons, a massa molecular corresponde à soma das massas dos átomos que os constituem. No entanto, quando se faz necessário trabalhar com valores maiores, aplicamos o conceito de massa molar: a massa de um mol do elemento ou da substância. A massa molar (M) de uma substância é numericamente igual a sua massa molecular, mas difere na unidade: a massa molar é dada em gramas por mol (g/mol) e a massa molecular é dada em unidade de massa atômica (u).

Volume molar b O volume molar de um gás corresponde ao volume ocupado por um mol de uma substância. Nesse caso, precisamos considerar as condições de pressão e temperatura, pois um gás sofre mudanças quando essas variáveis se alteram. Assim, o volume molar de qualquer gás, nas CNTP, é igual a 22,71 L.

Relações de correspondência b 1 mol = 6,02 · 1023 entidades; 1 mol de um gás (CNTP) = 22,71 L.

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Capítulo 2

CÁLCULOS QUÍMICOS

CÁLCULOS QUÍMICOS Como calcular quantidades de reagentes e produtos em uma reação química? Como usar produtos químicos corretamente?

Tema em foco Tema PRODUTOS QUÍMICOS DOMÉSTICOS: PERIGO DISFARÇADO

& QS S Química e Sociedade

Produtos químicos não existem somente nos laboratórios industriais. Milhares deles são utilizados na vida cotidiana, o seu emprego adequado contribui para melhorar a qualidade de vida.

Pense Existem perigos no uso de produtos químicos domésticos?

Hely Demutti

Alguns produtos químicos domésticos muito consumidos são: produtos de limpeza e higiene pessoal, inseticidas, remédios, alvejantes, desinfetantes, álcool, cloro, soda caústica, formaldeído, refrigerantes, colas, vernizes, esmaltes, xampus, hidratantes, combustíveis. Quais desses você utiliza?

Existem pelo menos mais de 20 milhões de substâncias diferentes e aproximadamente 150 mil delas fazem parte do nosso cotidiano. Xampus, sabonetes, brinquedos, roupas, produtos de limpeza são apenas alguns exemplos de formas de utilização dessas substâncias. No entanto, a maioria delas não passou por testes adequados para estudo do impacto no ambiente e na saúde humana. Alguns dos riscos associados à utilização de produtos químicos e substâncias são conhecidos e incluem doenças, como o câncer, as disfunções hormonais, as alergias, os problemas respiratórios etc. O perigo vem cercado da desinformação. Quando nós, consumidores, adquirimos produtos em supermercados e lojas, muitas vezes, sem saber, passamos a conviver com muitos riscos, em virtude da falta de clareza quanto aos perigos envolvidos no uso. Esses perigos vão desde alterações ambientais até ameaças à nossa saúde, tanto pelo uso quanto pelo descarte dos resíduos. Uma pesquisa publicada no jornal Diário do Nordeste, de 29 de dezembro de 2001, revela um fato assustador: 47% das emergências por intoxicação são causadas por produtos agrícolas ou domésticos. Esses resultados foram obtidos com base no estudo de 6297 casos de emergência toxicológica, registrados no período de 1998 a 2000. Segundo esse estudo, 36% das intoxicações foram provocadas por praguicidas. Cerca de 20% das vítimas eram crianças na faixa de 1 a 5 anos, atraídas pelos rótulos coloridos de produtos de limpeza. Mas a faixa etária mais atingida é a que está entre os 21 e 35 anos, com 25,6% dos casos.

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Atitude sustentável

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3 4 5

Não deixe produtos químicos ao alcance de crianças. Muitos acidentes acontecem pela falta de lugar adequado para guardar remédios e outros produtos químicos.

6 7 8

Infográfico

alcance de crianças os medicamentos, as bebidas alcoólicas e os produtos de limpeza. b Não pratique automedicação, pois qualquer tipo de medicamento pode ser perigoso. b Não permaneça em locais onde houve aplicação de produtos químicos com odor forte, como inseticidas, tintas, vernizes, sinteco, colas etc. b Antes de retornar a locais onde houve aplicação de produtos químicos, como os listados acima, deixe o ambiente aberto com bastante ventilação.

Cuidado! Produtos químicos, de maneira geral, devem ser comprados com atenção, em lojas especializadas e com nota fiscal. Produtos piratas adquiridos em camelôs ou ambulantes oferecem grandes riscos, já que na maioria das vezes são fabricados sem cuidados adequados, não têm registros oficiais que garantam a qualidade nem a rotulação adequada com informações de uso. Se uma pessoa se sente mal após a exposição a um produto, a recomendação é não perder tempo e procurar logo o médico. Antes, porém, podem ser tomadas algumas medidas de emergência, como ler o rótulo do produto para se certificar de alguns detalhes específicos, lavar a pele com água e os olhos com soro fisiológico e, se houve ingestão, não provocar vômito nem tampouco tomar água ou qualquer outra substância sem orientação médica, pois um erro de procedimento nesse momento pode agravar a situação. Nesse último caso, o melhor mesmo é ligar para o serviço de toxicologia da cidade. Existem vários serviços telefônicos que funcionam 24 horas por dia prestando esclarecimentos de emergência: procure ter esses números na agenda, pois são tão importantes quanto os telefones da polícia e dos bombeiros. Você já sabe qual é o número? Se não, descubra. Quanto ao uso de inseticidas domésticos, é preciso cuidado redobrado. Antes de usá-los, é necessário ler com atenção o rótulo. Crianças e animais domésticos devem ser retirados de Fe

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SEGURANÇA

Hely Demutti

b Mantenha fora do alcançe das crianças: medicamentos, produtos de limpeza, raticidas, inseticidas, combustíveis e outros produtos potencialmente tóxicos. b Evite trocar as embalagens dos produtos. Caso necessário, mantenha as informações contidas nas embalagens originais. b Leia o rótulo ou a bula antes de usar quaisquer produtos e siga as instruções do fabricante. b Não guarde restos de medicamentos, produtos químicos vencidos ou com rótulos danificados. b Guarde em diferentes armários fechados e fora do

1

I

Cuidados para o uso de produtos químicos

CAPÍTULO

Entre as falhas banais que provocam esses acidentes, muitos desses de graves consequências, estão a falta de lugar adequado para guardar remédios e outros produtos químicos (que ficam ao alcance das crianças), o uso de recipientes de alimentos e bebidas para acondicionar detergentes e desinfetantes ou simplesmente o emprego inadequado do produto. Por exemplo, produtos de limpeza que deveriam ser diluídos, se usados na forma concentrada, podem acarretar reações alérgicas. Um dos cuidados básicos para prevenir a intoxicação é ler as instruções constantes nas embalagens e segui-las corretamente. Os rótulos têm informações relevantes: composição do produto, cuidados exigidos para o uso, perigos potenciais, data de validade, modo de uso e de armazenamento e formas de contato para ajuda em caso de emergências. Deve-se respeitar, rigorosamente, as quantidades a serem usadas e as formas de diluição indicadas nos rótulos. Para manipulação desses produtos, recomenda-se o uso de luvas de borracha, principalmente se o consumidor apresentar histórico de alergias. No caso de produtos de limpeza contendo substâncias voláteis ou que apresentem odores muito fortes, o emprego de máscara é obrigatório. Outra recomendação é não fazer combinações cujo efeito se desconheça, ou seja, não se deve misturar o produto “A” com o “B” acreditando que se conseguirá uma limpeza mais eficaz, pois essa mistura poderá ser prejudicial à saúde.

A utilização de equipamentos de proteção individual (EPI) é obrigatória quando se lida com substâncias e materiais potencialmente tóxicos, até mesmo em casa.

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casa durante a aplicação. O local deve ser bem ventilado e as pessoas devem aguardar um tempo antes de retornar ao ambiente. Todos os utensílios de cozinha deverão ser lavados, antes de serem usados novamente. Todo cuidado deverá ser tomado para que as crianças não levem à boca nem tenham contato com materiais que possam estar com resíduos dos produtos aplicados. É importante lembrar que o uso de inseticida deve sempre ser reduzido ao mínimo possível. Procure usar repelentes naturais para mosquitos, bem como telas nas janelas e tampas nos ralos e nas saídas de esgotos. Somente quando essas alternativas não forem eficientes é que devemos recorrer aos inseticidas, buscando os que tenham classificação pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) como pouco tóxicos e tomando os cuidados descritos anteriormente. Mas os produtos de limpeza e os inseticidas não são os únicos vilões dessa história. Os produtos de beleza também já levaram muita gente ao pronto-socorro. Os mais perigosos são as tinturas e os produtos para modelar cabelos, já que podem provocar reações alérgicas imediatas ou danos em longo prazo. Para evitar intoxicações, a recomendação é sempre fazer o teste cutâneo antes de usar o produto. Deve-se passar um pouquinho do produto na pele e esperar alguns minutos. Se houver vermelhidão ou ardência no local, não deve ser utilizado. O recomendável é procurar um profissional especializado, em salão de beleza cuja procedência seja conhecida, que deverá usar luvas, máscara e manter o ambiente bem arejado. É necessário cuidado também com as maquiagens. Para evitar problemas, o ideal é não usar cosméticos todos os dias, fazer boa limpeza cutânea antes de dormir, comprar cosméticos que passam por inspeções mais rigorosas e não deixar de ler o rótulo, para saber o modo correto de utilização do produto e as possíveis reações. Tome cuidado! Não use produtos para higiene pessoal e de limpeza em excesso. FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Debata e entenda

1. Estamos cercados de produtos químicos. Será que todos são realmente necessários? Em sua opinião, quais não seriam? 2. Em sua casa, investigue os produtos químicos que possuem algum grau de toxidez, lendo os rótulos e anotando as informações no caderno, em um quadro como o representado abaixo. Produto

Local armazenado em sua casa

Ingredientes ativos

Instruções sobre Efeitos que cuidados com o produto pode o produto causar

zzzzz z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z

Classificação quanto à toxidez (irritante, corrosivo, inflamável etc.)

zzzzzzzz

3. Você sabia que todo produto químico deve ter na embalagem informações como o número de telefone de emer4. 5. 6. 7. 8. 9.

gência? Pesquise em sua cidade os números de telefone do centro de informação toxicológica e do pronto-socorro que atenda esse tipo de emergência. Que cuidados devem ser tomados, em casa, para evitar possíveis intoxicações por produtos químicos? Em caso de intoxicação por produtos químicos, que procedimentos devem ser adotados? Para onde se deve ligar em sua cidade? Qual é o número do telefone? Que cuidados devem ser tomados ao se guardar produtos de limpeza utilizados em casa? Por quê? Segundo algumas estatísticas, o Brasil é o terceiro consumidor mundial de sabonete, perdendo apenas para Estados Unidos e Austrália. Será que isso significa que todos os brasileiros têm acesso a esse bem? Se não, como se justifica esse consumo elevado? No texto foram apresentados alguns dados de pesquisa sobre os acidentes domésticos ocasionados pelo uso de produtos químicos domésticos. Em sua opinião, por que as pessoas na faixa de 21 a 35 anos são as que mais se intoxicam? Em sua opinião: por que produto pirata é mais perigoso? 26

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CÁLCULOS QUÍMICOS

Várias tinturas para cabelo contêm chumbo, amônia e outras substâncias tóxicas. Pessoas sensíveis podem ter sérias reações alérgicas. Em longo prazo, o chumbo acumulado no organismo pode provocar lesões neurológicas, estomacais e até osteoporose.

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CAPÍTULO

1 AS LEIS DAS REAÇÕES QUÍMICAS

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omo estudamos no capítulo anterior, o uso de produtos químicos em quantidades corretas é a atitude ambiental fundamental. Também estudamos a importância do uso de produtos químicos em quantidades adequadas para evitar intoxicações. Na indústria, para a elaboração de cálculos com precisão, os químicos baseiam-se no princípio da proporcionalidade aplicado às reações químicas. Esse princípio está fundamentado no comportamento previsível das substâncias nas reações químicas que puderam ser desenvolvidas a partir do estudo das reações químicas. Esses estudos levaram ao estabelecimento de leis sobre o comportamento químico. Sendo as leis das reações químicas a base para os cálculos químicos, vamos estudar as principais delas. Ao analisar essas leis e outras evidências, podemos concluir que as substâncias são constituídas por átomos, os quais se conservam durante a reação – e é esse o princípio norteador da execução dos cálculos. Vamos, portanto, estudar a primeira dessas leis fundamentais para a prática química.

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

O que acontece com a massa durante uma reação química?

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Fotos: Hely Demutti

Química na escola

1

Este experimento lhe fornecerá evidências que foram utilizadas para a formulação das leis químicas. Ele poderá ser demonstrado pelo professor ou realizado pelo grupo de alunos.

Materiais • • • • •

uma folha de papel palha ou lã de aço grãos de arroz (ou pedaços de giz) palitos de fósforo uma balança (como a da figura ao lado)

Procedimento Parte A 1. Construa uma balança, como a da figura ao lado. 2. Coloque uma folha de papel embolada sobre um dos pratos da balança. 3. Equilibre os pratos da balança utilizando grãos de arroz ou pedaços de giz. 4. Ponha fogo no papel. 5. Observe a combustão e anote o acontecido com o papel e com a sua massa.

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CÁLCULOS QUÍMICOS

Fotos: Hely Demutti

Parte B 1. Coloque um pedaço de palha de aço sobre um dos pratos da balança. 2. Equilibre os pratos da balança utilizando grãos de arroz ou pedaços de giz. 3. Ponha fogo na palha de aço. 4. Observe a combustão e anote o acontecido com a palha de aço e com a sua massa.

Destino dos resíduos Os resíduos desta atividade podem ser descartados no lixo comum.

Análise de dados 1. 2. 3. 4.

Explique o acontecido com a massa do papel após a combustão. Explique o acontecido com a massa da palha de aço após a combustão. O que deve ter contribuído para a variação das massas do papel e da palha de aço? Imaginando que as duas reações sejam realizadas em recipientes fechados, explique o que aconteceria com as massas dos sistemas.

Lei da Conservação das Massas

Metropolitan Museum of Art, New York.

A análise superficial dos resultados do experimento anterior pode nos levar a interpretação equivocada sobre a variação de massa nas reações de combustão. No entanto, se aquelas reações fossem conduzidas em recipientes fechados, os resultados demonstrariam que não há variação de massa durante a combustão. Essa constatação foi obtida em medições precisas, desenvolvidas em diversos tipos de reações químicas. O químico Antoine Lavoisier e Marie Anne, a esposa e colaboradora. Sr. e sra. Lavoisier, obra de Jacques-Louis David, 1788, acervo do Metropolitan Museum de Nova York (EUA). Óleo sobre tela, 259,6 × 196 cm.

Pense Se não há variação de massa nas reações químicas, por que houve aumento da massa da palha de aço?

O químico francês Antoine Lavoisier [1743-1794], com a colaboração da esposa Marie Anne, realizou uma série de experiências que o levou à seguinte conclusão: a quantidade de massa antes e depois de qualquer reação é sempre a mesma. Por ter verificado que esse fato se repetia invariavelmente na natureza, concluiu então que se tratava de uma lei. Veja o que Lavoisier escreveu a respeito: Podemos estabelecer, como um axioma incontestável, que em todas as operações da arte e da natureza nada é criado; existe uma quantidade igual de matéria antes e depois do experimento; a qualidade e a quantidade dos átomos permanecem precisamente as mesmas e nada acontece além de mudanças e modificações nas combinações desses átomos.

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Na natureza nada se cria, nada se perde; tudo se transforma.

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Na época em que a Lei de Lavoisier foi registrada, muitos químicos chegaram a duvidar de sua validade, pois haviam observado que na queima de algumas substâncias e materiais havia aumento da massa, enquanto na queima de outras havia diminuição. O grande mérito de Lavoisier foi ter descoberto que essas diferenças de massa se davam por causa da absorção ou liberação de gases durante as reações. Na combustão do papel, por exemplo, a massa do sólido diminui porque são formados gases que passam para a atmosfera. Já na queima da palha de aço ocorre o inverso: há consumo do oxigênio do ar, o que produz uma substância composta de ferro e oxigênio. A massa da substância formada é, então, maior do que a massa da palha de aço. O mesmo acontece na formação da ferrugem – os átomos de ferro combinam-se com os de oxigênio. Para compreender melhor essa lei, podemos esquematizar os dados dessas reações: papel + m1 +

gás oxigênio ( água + gases + cinza m2 = m3 + m4 + m5

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Muita gente pensa que nas reações de combustão há desaparecimento da matéria, mas, como em toda reação química, na combustão a massa dos produtos (gases, vapor de água e cinza) é igual à massa dos reagentes (o combustível e o comburente – gás oxigênio).

ferro + oxigênio ( óxido de ferro m1 + m2 = m3

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Medindo a massa da esponja de aço antes e depois da queima, observa-se o aumento da massa do material sólido; mas, somando-se a massa do gás oxigênio que reage com o ferro, constata-se o previsto pela Lei de Lavoisier. Hely Demutti

Hely Demutti

Hely Demutti

Observe que, segundo os dados, em ambas as reações, a soma da massa das substâncias reagentes é igual à massa das substâncias dos produtos. Os esquemas resumem matematicamente o resultado da Lei da Conservação das Massas ou Lei de Lavoisier, pela qual foi possível definir as regras necessárias para a realização de cálculos em análises quantitativas. Essa lei abriu caminho para outros estudos sobre a relação entre as massas das substâncias durante as transformações químicas. Os resultados desses trabalhos experimentais, no fim do século XVIII e início do XIX, permitiram que vários químicos pudessem enunciar outras leis relativas à transformação da matéria: as denominadas leis ponderais das combinações químicas. A seguir, vamos estudar uma delas.

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CAPÍTULO

Esse enunciado, que se aplica a todas as reações químicas, ficou conhecido como Lei da Conservação das Massas ou Lei de Lavoisier, que pode ser resumida pela frase:

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Lei das Proporções de Massa

Atividades CÁLCULOS QUÍMICOS

Considere os dados obtidos na reação de síntese da água. Na tabela 1, são apresentados os resultados de quatro experimentos, cada um deles com diferentes massas de reagentes.

1. Reproduza a tabela 2 ao lado no caderno e faça os cálculos para preenchê-la.

2. Analise os dados obtidos, procurando identificar alguma regularidade.

TABELA 1 – VALORES DE MASSA EM REAÇÕES DE FORMAÇÃO DA ÁGUA Massa de Massa de Massa de Experimento hidrogênio oxigênio água 1 2g 16 g 18 g

Ricardo Azoury/Olhar Imagem Charles D. Winters/Photo Researchers

Os cristais de cloreto de sódio terão sempre a mesma composição: NaCl, independentemente de como forem obtidos.

10 g

80 g

90 g

3

16 g

128 g

144 g

4

11,1 g

88,9 g

100 g

TABELA 2 – RAZÕES ENTRE AS MASSAS EM REAÇÕES DE SÍNTESE DA ÁGUA Experimento

Massa de hidrogênio Massa de oxigênio

Massa de oxigênio Massa de hidrogênio

Massa de água Massa de hidrogênio

1

2 g /16 g = 0,125

16 g/2 g = 8

18 g/2 g = 9

zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz

2 3 4

Para extrair sal da água do mar, é necessário haver bastante vento e radiação solar. Macau (RN) é o local com essas condições.

2

A análise dos dados da tabela 2 mostra que existe regularidade na proporção entre as massas dos reagentes e entre as massas dos reagentes e a do produto formado. Isto é, na síntese da água, a massa do oxigênio consumida na reação é sempre oito vezes maior que a do hidrogênio, enquanto a massa de água obtida é nove vezes a de hidrogênio consumida. A análise dos dados da tabela 1 revela que, quando se aumenta a massa de um reagente, é necessário aumentar a massa do outro na mesma proporção e, consequentemente, eleva-se também a massa do produto. Como acontece o mesmo com todas as outras reações, outra lei ponderal foi proposta: as substâncias reagem sempre na mesma proporção. Se isso ocorre, significa que a composição química da substância deve ser estabelecida na relação fixa de massa entre os átomos dos elementos que a compõem. Uma substância pode ser proveniente de diferentes fontes naturais ou ser obtida por diversos processos. Como exemplo, podemos citar o cloreto de sódio. Ele pode ser extraído da água do mar ou de jazidas da crosta terrestre. Pode também ser obtido em laboratório por meio de reações químicas. No entanto, seja qual for o método de obtenção, o cloreto de sódio, depois de purificado, terá sempre a mesma composição quantitativa, ou seja, a composição química é fixa. Foi a essa conclusão que chegou o químico e farmacêutico francês Joseph Louis Proust [1754-1826] quando mostrou que a composição do carbonato de cobre, independentemente da procedência ou do processo de preparação, era sempre a mesma. Por isso, em 1797, ele enunciou a Lei das Proporções Definidas, que também ficou conhecida como Lei de Proust, e pode ser enunciada da seguinte forma: As substâncias reagem sempre na mesma proporção para formar outra substância.

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CAPÍTULO

2 BALANCEAMENTO DE EQUAÇÃO QUÍMICA

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ara os químicos, o cálculo das quantidades necessárias de cada reagente para formar determinado produto tem importância vital. Esse cálculo é chamado estequiométrico (do grego, stoikheîon, "elemento", e métron,, "medida"). Para que possamos fazer de modo correto os cálculos estequiométricos de uma reação química é necessário, em primeiro lugar, que a equação que a represente esteja com os coeficientes devidamente acertados. À determinação dos coeficientes de uma equação química damos o nome balanceamento de equação.

1 2 3 4 5

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Ao se efetuar uma reação química, os átomos dos reagentes constituirão os produtos. Por isso, no balanceamento de equações, o número de átomos dos reagentes deve ser igual ao número de átomos dos produtos.

Como já vimos, as reações ocorrem sempre em proporções fixas, que podem ser determinadas experimentalmente em laboratório. Todavia, utilizando o modelo atômico de Dalton, podemos indicar as proporções das substâncias nas reações químicas, sem precisarmos realizá-las experimentalmente. Embora existam modelos mais avançados para explicar a constituição da matéria, o modelo atômico de Dalton é suficiente para expor e prever a estequiometria das reações químicas. Segundo esse modelo, nas reações ocorrem rearranjos dos átomos que formam as substâncias. Por isso, os átomos dos reagentes são os mesmos dos produtos, ou seja, a quantidade de átomos de cada elemento químico presente nos reagentes será igual à quantidade de átomos desse elemento nos produtos. Se considerarmos a reação química genérica entre as substâncias A e B, formando as substâncias C e D, podemos representá-la pela seguinte equação: aA + bB ( cC + dD

Nessa equação, as letras minúsculas representam os coeficientes de proporcionalidade de cada substância na referida reação química. Vale lembrar que em uma equação química os sinais e a seta têm significado diferente dos sinais representados pela Matemática. O sinal + representa as substâncias que foram colocadas em contato, e a seta ( indica que há uma transformação, produzindo outras substâncias (produtos). OD ÍNDICE

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CÁLCULOS QUÍMICOS

Ilustrações: J. Yuji

Atividades Representação da molécula de água.

Representação da molécula de gás oxigênio.

Representação da molécula de gás hidrogênio.

Atenção: os átomos não se ligam como clipes ou massinha, mas essa analogia permite entender as proporções na reação.

Como se comportam os átomos numa reação química? Não podemos manipular átomos em sala de aula, mas podemos compará-los a pequenas esferas, como propunha o modelo atômico de Dalton. Então, por analogia, iremos desenvolver uma atividade em duas etapas para percebermos melhor o significado dos coeficientes de uma equação. O único material necessário serão clipes coloridos (ou outros objetos de cores variadas e fácil manipulação. Lembre-se de que a ideia é representar as quantidades de átomos e não as formas). Parte A Quais os coeficientes da equação química de formação da água? Como seria a reação entre as substâncias hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) para formar a substância água (H2O)? No modelo que adotaremos, os átomos de hidrogênio serão representados pela cor branca e os de oxigênio pela cor vermelha. SIMULAÇÃO DA REAÇÃO DE FORMAÇÃO DA ÁGUA Reagentes

Reação

Hidrogênio

zzzzzzz zzzzzzz zzzzzzz zzzzzzz

Representação das moléculas utilizando as esferas* Quantidade de átomos envolvidos na reação Quantidade de constituintes que reagiram (moléculas) Coeficientes: quantidade mínima de constituintes

Produto Oxigênio

zzzzzzz zzzzzzz zzzzzzz zzzzzzz

* Neste momento, não estamos preocupados com a organização espacial dos átomos nas moléculas constituintes.

Água

zzzzzzz zzzzzzz zzzzzzz zzzzzzz

1. Utilizando clipes coloridos (ou outros objetos como tampas coloridas de garrafas), represente quatro moléculas de gás hidrogênio e quatro moléculas de gás oxigênio e disponha-os sobre uma folha de papel, conforme esquema acima. 2. Imagine que os gases tenham reagido e “monte” a quantidade máxima de moléculas de água com base nos “átomos” das “moléculas” de oxigênio e hidrogênio. 3. Reproduza o quadro abaixo no caderno, preencha-o e responda às questões a seguir. a) Quantas moléculas de água puderam ser formadas? b) Para formar essa quantidade de moléculas de água, quantas moléculas de oxigênio e de hidrogênio foram consumidas? c) Sobraram moléculas de algum dos reagentes? Por quê? d) Considerando a equação (aH2 + bO2 ( cH2O) da reação de formação da água, quais os valores dos coeficientes a, b e c? Para tal, considere somente o número de moléculas que reagiram e foram formadas (como estamos representando a equação da reação, não nos preocuparemos com moléculas que porventura não tenham reagido). e) Ao simplificar os coeficientes, dividindo-os pelo menor deles, quais são os novos valores de a, b e c? f) Substitua os valores dos coeficientes na equação e você terá a equação química balanceada. Parte B A proporção exata para a obtenção do hidróxido de sódio O hidróxido de sódio, conhecido popularmente como soda cáustica, é uma substância muito utilizada na indústria química, no preparo de sabão e em casa, para desentupimento de esgotos. Pode-se obter o hidróxido de sódio (NaOH) e o carbonato de cálcio (CaCO3) a partir da reação entre o carbonato de sódio (Na2CO3) e o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2].

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CAPÍTULO

Escolha clipes de diferentes cores para representar cada tipo de átomo (Na, C, O, Ca e H). Represente seis constituintes do carbonato de sódio e seis constituintes do hidróxido de cálcio (saiba que os constituintes não se alteram nessa reação). Siga os procedimentos da parte A, reproduza o quadro e monte a equação química da reação, balanceando-a.

1

Observe que, nas atividades realizadas, os “produtos” foram formados com base nas “substâncias” existentes nos reagentes. Isso significa que, na reação, os átomos dos produtos são os mesmos encontrados nos reagentes, rearranjados de forma diferente. Por isso, a quantidade de “átomos” dos produtos tem de ser igual à quantidade de “átomos” dos reagentes. A equação balanceada descrita na reação de obtenção do hidróxido de sódio indica que o carbonato de sódio reage com o hidróxido de cálcio na proporção de 1 para 1, formando 2 constituintes do hidróxido de sódio e 1 do carbonato de cálcio. Assim, temos a equação química:

2 3 4 5 6 7

Na2CO3 + Ca(OH)2 ( 2NaOH + CaCO3

8

Em uma equação química, representamos as proporções entre reagentes e produtos. Isso significa que os coeficientes não representam o número de constituintes que irão reagir, mas, sim, as quantidades relativas entre todas as espécies envolvidas na reação. Portanto, esses coeficientes correspondem ao número indicativo da proporção mínima de cada substância envolvida na reação, sendo que, para simplificar, os coeficientes iguais a 1 são omitidos. Essa proporção serve para o número de constituintes ou para a quantidade de matéria (mols) desses constituintes. Nos cálculos químicos, denominamos coeficientes estequiométricos os coeficientes das reações químicas, os quais indicam a proporção em quantidade de matéria em que os constituintes das substâncias participam da reação. Observe agora outro exemplo. A água oxigenada, usada como clareador de cabelos ou antisséptico, decompõe-se a partir de uma reação química descrita pela equação abaixo: H2O2(aq) ( H2O(l) + ½O2(g)

Pense Na equação abaixo existe no coeficiente do gás oxigênio a fração 1/2. Isso significa que a reação ocorre a partir da metade de uma molécula de oxigênio? Seria possível fazer uma reação a partir da metade de uma molécula?

Como os coeficientes estequiométricos indicam as relações entre as quantidades das substâncias participantes das reações químicas, podem ser números inteiros ou fracionários, significando que a proporção é metade da quantidade daquele constituinte, em relação aos demais. No entanto, para facilitar a compreensão, é melhor não utilizar frações, e sim os menores números inteiros possíveis. A equação anterior poderá ter todos os coeficientes multiplicados por dois, sem alterar as relações entre eles. Dessa maneira, obteremos: 2H2O2(aq) ( 2H2O(l) + 1O2(g)

Se compararmos as duas equações, veremos que apresentam a mesma proporção entre as substâncias, ou seja, uma determinada quantidade de matéria de água oxigenada, ao se decompor, produz uma quantidade de matéria equivalente de água e a metade dessa quantidade de matéria em oxigênio. Nos dois exemplos de equações representados, a quantidade de átomos de cada elemento químico das substâncias dos reagentes é igual à que está presente nos produtos. Nesse sentido, dizemos que essas equações estão balanceadas. OD ÍNDICE

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Balanceamento de equação química é a determinação dos coeficientes das substâncias envolvidas na reação representada.

CÁLCULOS QUÍMICOS

Veja que, nas representações indicadas abaixo, a proporção sempre é que a decomposição da água oxigenada leva à obtenção da mesma quantidade de moléculas de água e metade da quantidade de moléculas de oxigênio em relação ao número inicial de moléculas de água oxigenada. Observe também que, em todos os exemplos, a quantidade total de átomos de hidrogênio e oxigênio antes e depois da reação é a mesma. Depois da reação J. Yuji

Antes da reação 1.

2.

3.

S Simulador

Balanceamento de equações químicas por tentativa e erro O balanceamento de equações pode ser feito calculando-se as quantidades de átomos dos reagentes e dos produtos e determinando-se os coeficientes, de forma a igualar o número de átomos nos reagentes e produtos, para cada elemento químico. Deve-se processar a contagem dos átomos, elemento por elemento, começando pelos que tiverem maior índice e que aparecerem apenas em uma substância de cada lado. Tal procedimento é chamado método de tentativa e erro e é recomendado para equações simples. Esse balanceamento pode ser feito seguindo-se diferentes caminhos, mas para facilitar recomendam-se os passos subsequentes: 1o PASSO Representar a equação química em estudo. Sempre que possível deve-se indicar o estado de agregação das substâncias envolvidas – sólido (s), líquido (l), gás (g) – e, quando se tratar de uma solução aquosa (substância dissolvida em água), usa-se a sigla (aq). H2(g) + O2(g) ( H2O(l) 2o PASSO Escolher um elemento químico que só apareça em um dos reagentes e em um dos produtos e acertar os coeficientes das substâncias nas quais aparece, usando o índice do elemento nos reagentes como coeficiente nos produtos e vice-versa. No caso da reação da água, podemos escolher o oxigênio. H2(g) + 1O2(g) ( 2H2O(l)

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3o PASSO Acertar os demais coeficientes considerando os indicados. O objetivo é que se tenha, para cada tipo de átomo, a mesma quantidade nos reagentes e nos produtos (veja abaixo). 2H2(g) + 1O2(g) ( 2H2O(l)

1

Nas equações em que estejam representados vários elementos químicos, recomenda-se iniciar o balanceamento selecionando a substância que contenha o elemento químico com maiores índices. Lembramos não ser possível, em hipótese alguma, a alteração dos índices das fórmulas das substâncias. Se alterarmos os índices de uma substância, estaremos alterando os constituintes, e a equação representará uma reação química diferente da fornecida inicialmente. Vejamos outros exemplos. 1. Balanceie a equação química em que o alumínio metálico (Al) reage com o gás oxigênio (O2), produzindo o óxido de alumínio (Al2O3), substância branca sólida. 1o PASSO Al(s) + O2(g) ( Al2O3(s) 2o PASSO Al(s) + 3O2(g) ( 2Al2O3(s) 3o PASSO Considerando que nos produtos já foi identificado o coeficiente do dióxido de alumínio, podemos agora determinar o coeficiente do alumínio nos reagentes. 4Al(s) + 3O2(g) ( 2Al2O3(s) 2. Balanceie a equação de combustão do gás metano (CH4), que produz gás carbônico (CO2) e água. 1o PASSO CH4(g) + O2(g) ( CO2(g) + H2O(l) 2o PASSO Tendo em conta que o oxigênio está presente em duas substâncias (CO2 e H2O) e que o hidrogênio possui maior índice, deve-se escolher o hidrogênio como primeiro elemento a ser balanceado. 2CH4(g) + O2(g) ( CO2(g) + 4H2O(l) 3o PASSO Considerando que já foram acertados os coeficientes do CH4 e da água, deve-se acertar o coeficiente do CO2 e finalmente o do O2. Este é determinado a partir do total de átomos de oxigênio nos produtos [(2 ⋅ 2) + (4 ⋅ 1)], dividido pelo índice do O2. 2CH4(g) + 4O2(g) ( 2CO2(g) + 4H2O(l) O que implica: CH4(g) + 2O2(g) ( CO2(g) + 2H2O(l)

2

Exercícios

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FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Explique o que se espera de uma reação química de acordo com: a) a Lei da Conservação das Massas. b) a Lei das Proporções Definidas.

2. De acordo com a teoria atômica de Dalton, por que podemos considerar que não há variação de massa numa reação química?

3. Num experimento feito em laboratório, realizou-se a combustão da palha de aço em um recipiente aberto. Inicialmente, a massa da palha de aço era de 3,0 g e, após a queima, a massa resultante obtida foi de 3,4 g. Explique por que esse valor obtido não invalida a Lei da Conservação das Massas. OD ÍNDICE

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T. PERIÓDICA

a

4. Sabendo que na combustão completa de 50 g de magnésio metálico são consumidos 33 g de gás oxigênio, responda: a) Que massa de oxigênio é necessária para queimar 150 g de magnésio? b) Qual é a massa de óxido de magnésio formada pela reação entre 600 g de magnésio e 396 g de oxigênio? 5. Analise a tabela abaixo e, em seguida, responda às questões: TESTE

B

c D E GLOSSÁRIO

REAGENTES

PRODUTOS

A

B

C

D

1

85 g

29,4 g

X

42,5 g

2

Y

14,65 g

Z

T

! TABELAS

SEGURANÇA

45


CÁLCULOS QUÍMICOS

a) Qual é a massa de A necessária para reagir com 14,65 g de B? b) Quais são os valores de X, Z e T? c) Demonstre se os resultados obtidos estão de acordo com a Lei da Conservação das Massas e a Lei das Proporções Definidas. d) Qual é a razão entre a massa de A e a massa de B que reagiram nos testes 1 e 2?

9. (Vunesp) Foram analisadas três amostras (I, II e III) de óxidos de enxofre, procedentes de fontes distintas, obtendo-se os seguintes resultados: Amostra

6. A ferrugem é resultado da reação ocorrida entre o ferro e o

OD ÍNDICE

Ferro

46

55,8

T. PERIÓDICA

I

0,32

0,32

0,64

II

0,08

0,08

0,16

III

0,32

0,45

0,80

do o método que achar mais fácil. a) Cr + O2 ( Cr2O3 b) HCl + O2 ( H2O + Cl2 c) H3PO4 ( H4P2O7 + H2O d) MnO2 + HCl ( MnCl2 + H2O + Cl2 e) Ca(OH)2 + HNO3 ( Ca(NO3)2 + H2O f) Al2(CO3)3 ( Al2O3 + CO2

11. (Vunesp) Numa viagem, um carro consome 10 kg de gasolina. Na combustão completa deste combustível, na condição de temperatura do motor, formam-se apenas compostos gasosos. Considerando-se o total de substâncias formadas, pode-se afirmar que eles: a) não têm massa. b) pesam exatamente 10 kg. c) pesam mais que 10 kg. d) pesam menos que 10 kg. e) são constituídos por massas iguais de água e gás carbônico.

seguir, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) Para se obter uma equação equilibrada, a quantidade de matéria dos reagentes tem de ser igual à dos produtos. 2) Numa reação química, nenhum dos átomos desaparece; são apenas rearranjados. 3) Como os átomos e as moléculas não podem ser visualizados, os químicos não possuem métodos que permitam determinar a quantidade dessas entidades em uma reação química. 4) A fórmula química da glicose é C6H12O6. Isso significa que, na glicose, para cada átomo de carbono (C) haverá um átomo de oxigênio (O) e dois átomos de hidrogênio (H). 5) A reação Na3PO4 + 3Mg(OH)2 ( Mg3(PO4)2 + + 3NaOH está corretamente balanceada. 2 8 14 2

Massa de amostra (g)

10. Faça o balanceamento das equações abaixo, escolhen-

8. Sobre as fórmulas e equações químicas, julgue os itens a

26

Massa de oxigênio (g)

Esses resultados mostram que: a) as amostras I, II e III são do mesmo óxido. b) apenas as amostras I e II são do mesmo óxido. c) apenas as amostras II e III são do mesmo óxido. d) apenas as amostras I e III são do mesmo óxido. e) as amostras I, II e III são de óxidos diferentes.

oxigênio (O2). Como produto dessa reação, obtém-se a substância óxido de ferro III (Fe2O3). Monte a equação química e balanceie utilizando o modelo de Dalton como referencial. Se preferir, monte uma tabela semelhante à do exercício 5. 7. Em um experimento realizado no laboratório, 2,40 g de uma substância A reagem com 7,68 g de uma substância B, produzindo 9,0 g de C e 1,08 g de D. Em um segundo experimento, 16,0 g de A reagiram com 51,2 g de B, produzindo 60,0 g de C e 7,2 g de D. Utilizando seus conhecimentos sobre as Leis da Conservação das Massas e das Proporções Definidas, julgue os itens, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) 4,80 g de A reagem completamente com 15,36 g de B. 2) “O prego que enferruja” e o “palito de fósforo que queima” são exemplos de exceções à Lei de Lavoisier. 3) 25,6 g da substância B reagem completamente com 8,0 g da substância A. 4) Para produzir 3,6 g de D é necessária a quantidade de 7,0 g da substância A. 5) A razão mC/mB no primeiro experimento é diferente da razão mC/mB no segundo experimento.

Fe

Massa de enxofre (g)

J. Yuji

12. (Mack-SP) X

***( W

+ Y

Supondo que os círculos vazio e cheio, respectivamente, signifiquem átomos diferentes, então o esquema anterior representará uma reação química balanceada se substituirmos as letras X, Y e W, respectivamente, pelos valores: a) 1, 2 e 3. d) 3, 1 e 2. b) 1, 2 e 2. e) 3, 2 e 2. c) 2, 1 e 3.

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

b) Escreva a equação química balanceada e representada no esquema II.

13. (UFPE) Considere as reações químicas abaixo. 2K(s) + Cl2(g) ( KCl(s) 2Mg(s) + O2(g) ( 2MgO(s) PbSO4(aq) + Na2S(aq) ( PbS(s) + Na2SO4(s) CH4(g) + 2O2(g) ( CO2(g) + 2H2O(l) SO2(g) + H2O(l) ( H2SO4(aq) Podemos afirmar que: a) todas estão balanceadas. b) 2, 3 e 4 estão balanceadas. c) somente 2 e 4 estão balanceadas. d) somente 1 não está balanceada. e) nenhuma está corretamente balanceada, porque os estados físicos dos reagentes e produtos são diferentes. 1. 2. 3. 4. 5.

15. (PUC-SP) Querendo verificar a Lei da Conservação das Massas (Lei de Lavoisier), um estudante realizou a experiência esquematizada abaixo:

2

Solução Erlenmeyer final vazio

Solução de HNO3(aq) K2CO3(s) 1

1

2

1

2

3

2

4 5 6

J. Yuji

1

7 Balança

Balança

8

de nitrogênio gasoso, N2(g), e de oxigênio gasoso, O2(g) reage para formar diferentes óxidos de nitrogênio. Se representarmos o elemento nitrogênio por e o elemento oxigênio por , duas dessas reações químicas podem ser esquematizadas como: I–

J. Yuji

14. (Unicamp-SP) Sob condições adequadas, uma mistura

II –

a) Dê a fórmula química da substância formada na reação esquematizada em I.

Terminada a reação, o estudante verificou que a massa final era menor que a massa inicial. Assinale a alternativa que explica o ocorrido. a) A Lei de Lavoisier só é válida nas condições normais de temperatura e pressão. b) A Lei de Lavoisier não é válida para reações em solução aquosa. c) De acordo com a Lei de Lavoisier, a massa dos produtos é igual à massa dos reagentes, quando estes se encontram na mesma fase de agregação. d) Para que se verifique a Lei de Lavoisier, é necessário que o sistema seja fechado, o que não ocorreu na experiência realizada. e) Houve excesso de um dos reagentes, o que invalida a Lei de Lavoisier.

3 ESTEQUIOMETRIA

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

Hely Demutti

A

mistura de reagentes em proporções corretas é fundamental na indústria química. O sabão, por exemplo, deve passar por um rígido controle de qualidade, a fim de que não haja excesso de reagentes na sua preparação, o que poderia acarretar, além de aumento de custo e perda de qualidade, danos à saúde do consumidor, como irritação de pele, alergias etc. Mas como controlar as proporções dos reagentes ao processar uma reação química? O primeiro passo para o cálculo correto é identificar a equação química da reação e, depois, efetuar o balanceamento. Por exemplo, a reação de obtenção da amônia, importante substância utilizada na agricultura no processo de adubação, tem de ser controlada na indústria para evitar desperdício de matéria-prima envolvida. Como se trata de reação em escala industrial que envolve toneladas de substâncias, qualquer pequeno erro de cálculo pode causar prejuízos econômicos e ambientais. Para fazer os cálculos, os químicos tomam como ponto de partida a equação balanceada da reação, que no caso é: N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g)

De olho no consumo: excesso de sabão não garante maior limpeza.

47


CÁLCULOS QUÍMICOS

Hely Demutti

Com base no conhecimento dessa equação, é possível determinar as quantidades ideais dos gases hidrogênio e nitrogênio para a reação, considerando a quantidade de amônia que se pretende obter. Essa determinação das quantidades é feita por meio do cálculo estequiométrico. Conhecendo as proporções entre os reagentes e os produtos de uma reação química, podemos saber quanto precisaremos de cada reagente para formar determinada quantidade de produto. Esses conhecimentos estequiométricos são aplicados em várias situações cotidianas. A prescrição de muitos medicamentos, por exemplo, é baseada em doses calculadas a partir de determinada quantidade do agente ativo do medicamento e que são necessárias para reagir com certas substâncias em nosso organismo. Quando utilizamos produtos químicos em quantidades indevidas, corremos o risco de obter resultados indesejáveis e até desastrosos. Um caso muito comum se dá com o uso incorreto de produtos de limpeza. De modo geral, as embalagens dos produtos trazem indicações das medidas que devem ser usadas para a obtenção dos melhores resultados. No entanto, é sempre bom prestar atenção em como você usa o produto, pois as recomendações podem não ser adequadas às condições de uso: composição da água, tipo de tecido ou da sujeira. Em função dessas diferenças pode ser necessário o uso de quantidades diferentes da indicada na embalagem. Para evitar desperdício, os químicos procuram calcular as quantidades exatas dos materiais usados num processo. Para fazer tais cálculos, precisamos saber, inicialmente, quais são as proporções das substâncias envolvidas nas reações químicas. A reação de obtenção da amônia na indústria é feita por meio de rigoroso controle da quantidade de reagentes e das condições de pressão e temperatura.

Relações estequiométricas Pense Você já imaginou fazer um bolo retirando um ou mais ingredientes da receita, ou aumentando a quantidade de alguns ingredientes em duas ou três vezes? Como poderá ficar um sabão, se no processo de produção forem retirados ou aumentados alguns dos ingredientes?

Com certeza o bolo ou o sabão não ficarão como esperado, pois a quantidade dos ingredientes deve ser proporcional: se você aumenta ou diminui a quantidade de um, terá de fazê-lo também com os outros, na mesma proporção. Os cálculos químicos baseiam-se em relações de proporcionalidade. Vejamos de novo a reação de obtenção da amônia. N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g) Como já estudamos, a grandeza relacionada com o número de partículas é a quantidade de matéria, cuja unidade de medida é o mol. A equação química balanceada para a formação da amônia indica que cada mol de nitrogênio reage com três mols de hidrogênio, para formar dois mols de amônia. Ou seja: 1 mol N2(g) + 3 mol H2(g) ( 2 mol NH3(g) Com base nos coeficientes estequiométricos da equação química balanceada, podemos estabelecer algumas relações. Veja a seguir. 1. 1 mol N2 = 3 mol H2 Para cada mol de N2 consumido na reação, são consumidos 3 mol H2.

48

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

2. 1 mol N2 = 2 mol NH3 Para cada mol de N2 consumido na reação, são formados 2 mol de NH3. 3. 3 mol H2 = 2 mol NH3 Para cada 3 mol de H2 consumidos na reação, são formados 2 mol de NH3.

1 2

Essas três igualdades, chamadas relações estequiométricas, indicam as relações entre as quantidades de matéria das substâncias envolvidas na reação. Com elas, podemos partir para os cálculos estequiométricos que veremos a seguir.

3 4 5

Determinando quantidades

6

O cálculo estequiométrico permite determinar a quantidade de substâncias participantes de reações químicas, a partir de quantidades conhecidas de outras substâncias envolvidas. Usaremos o método da análise dimensional, que se baseia na conversão sucessiva das quantidades, utilizando fatores de conversão, até se obter o resultado desejado. Para isso, é necessário determinar os coeficientes estequiométricos da equação química. Esse método envolve os passos subsequentes:

7 8

1. Identificação da equação química. 2. Balanceamento da equação química. 3. Identificação das relações estequiométricas envolvidas no cálculo e na definição dos fatores de conversão. 4. Determinação da quantidade de matéria de cada substância, a partir dos coeficientes estequiométricos. 5. Determinação, se necessário, de valores de massa e volume de substâncias envolvidas na reação.

Hely Demutti

De modo geral, os cálculos químicos envolvem massa ou quantidade de matéria, que são as grandezas usualmente adotadas em Química. Vamos, então, exemplificar alguns cálculos estequiométricos com essas medidas.

Assim como os ingredientes de um bolo devem ser medidos em proporções ideais, os reagentes devem seguir relações estequiométricas corretas.

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

49


Cálculos estequiométricos da quantidade de matéria de uma substância a partir da quantidade de matéria de outra substância 1. Lembrando o exemplo da obtenção da amônia, calcule a quantidade de matéria do gás nitrogênio (N2) necessária para reagir com 12 mol de gás hidrogênio (H2), formando amônia (NH3). CÁLCULOS QUÍMICOS

1o PASSO Identificação da equação química, pois é necessário escrevermos a equação envolvida na reação: o nitrogênio reage com o hidrogênio, formando amônia, segundo a equação: N2(g) + H2(g) ( NH3(g) 2o PASSO Balanceamento da equação química: 1N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g) 3o PASSO Identificação da relação estequiométrica envolvida no cálculo em questão e dos fatores de conversão: Hely Demutti

1 mol N2 = 3 mol H2 Dividindo-se essa igualdade por 3 mol de H2, teremos o fator de conversão: 1 mol N2 =1 3 mol H2

Dividindo-se, ainda, a relação estequiométrica por 1 mol H2, obteremos outro fator de conversão: 3 mol H2 =1 1 mol N2

4o PASSO Determinação da quantidade de matéria desejada, com base no fator de conversão obtido da relação estequiométrica:

)

n (N2 = 12 mol H2 ⋅

A amônia pode ser obtida a partir do nitrogênio atmosférico e transportada em tanques até indústrias, nas quais é utilizada como matéria-prima.

1 mol N2 → n (N2 = 4 mol N2 3 mol H2

)

( conversão de N2 em H2 )

Cálculos estequiométricos da quantidade de matéria de uma substância a partir da massa de outra substância Hely Demutti

2. Calcule a massa de cloreto de potássio (KCl) obtida a partir da decomposição de 3 mol de clorato de potássio (KClO3), na qual também se forma gás oxigênio (O2). 1o PASSO Identificação da equação química que representa a reação: KClO3(s) ( KCl(s) + O2(g) 2o PASSO Balanceamento da equação química: 2KClO3(s) ( 2KCl(s) + 3O2(g)

50

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

O cloreto de potássio, entre outras aplicações, é utilizado como adubo químico.

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

3o PASSO Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão: 1 mol KCl = 1 mol KClO3 → 1 =

1 mol KClO3 1 mol KCl ou 1 = 1 mol KCl 1 mol KClO3

1 2

Como desejamos o valor em massa, temos de converter a relação estequiométrica para a unidade de massa, usando para isso a massa molar obtida pelos valores de massa atômica:

3

74 , 6 g KCl 1 mol KCl 1 mol KCl = 74 , 6 g KCl → 1 = ou 1 = 74 , 6 g K KCl Cl 1 mol KCl

4 5

4o PASSO Determinação da massa de cloreto de potássio, a partir dos fatores de conversão advindos da relação estequiométrica e da massa molar do KCl:

6 7

74 , 6 g K Cl KCl 1 mol KCl m (KCl = 3 mol KClO3 ⋅ ⋅ → m (K Cl = 223, 8 g KCl Cl KCl 1 mol KClO3 1 moll K Cl KCl

)

)

( conversão de KClO3 em KCl )

8

conver onversã onver ersão em m massa) assa) ( conversão

Hely Demutti

Cálculos estequiométricos da massa de uma substância a partir da quantidade de matéria de outra substância 3. Calcule a quantidade de matéria de alumínio necessária para se obter 51 g de óxido de alumínio (Al2O3), sabendo-se que este é formado a partir da reação do alumínio com o gás oxigênio (O2). 1o PASSO Identificação da equação química:

Reciclar alumínio para fazer latinhas consome muito menos energia do que a fabricação a partir do minério de alumínio (Al2O3), a bauxita.

Al(s) + O2(g) ( Al2O3(s)

2o PASSO Balanceamento da equação química: 4Al(s) + 3O2(g) ( 2Al2O3(s) 3o PASSO Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão e dos fatores de conversão: 2 mol Al = 1 mol Al2O3 → 1 =

1 mol Al2O3 2 mol Al ou 1 = 1 mol Al2O3 2 mol Al

1 mol Al2O3 = 102 g Al2O3 → 1 =

1 mol Al2O3 102 g Al2O3 ou 1 = 102 g Al2O3 1 mol Al2O3

4o PASSO Determinação da quantidade de matéria desejada, a partir do fator de conversão advindo da relação estequiométrica:

)

n ( Al = 51 g Al2O3 ⋅

1 mol Al2O3 2 mol Al ⋅ → n ( Al = 1 mol Al 102 g Al2O3 1 mol Al2O3

)

( conversão de massa em mol )

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

( conversão de Al2O3 em Al)

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

51


Cálculos estequiométricos envolvendo conversão de massa de uma substância para massa de outra substância Hely Demutti

CÁLCULOS QUÍMICOS

4. Calcule a massa de zinco (Zn) necessária para reagir com 109,5 g de ácido clorídrico (HCl), formando cloreto de zinco (ZnCl2) e gás hidrogênio (H2). 1o PASSO Identificação da equação química: Zn(s) + HCl(aq) ( ZnCl2(aq) + H2(g) 2o PASSO Balanceamento da equação química: Zn(s) + 2HCl(aq) ( ZnCl2(aq) + H2(g) 3o PASSO Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão e dos fatores de conversão: 1 mo n = 2 mol mol HC HCll → 1 = moll Z Zn

1 mol Zn 2 mo mol HCl ou 1 = 2 mol HCl 1 mol mo Zn

1 mol mol HCl HCl = 3 36 6, 5 g H HCl Cl → 1 = 1 mo moll Z Zn n = 65 65, 5 g Zn → 1 =

36 , 5 g HCl 1 mol HCl ou 1 = 36 , 5 g HCl 1 mol HCl

65, 5 g Zn mol Zn 1 mo ou 1 = 1 mol Zn 65, 5 g Zn

4o PASSO Determinação da quantidade de matéria desejada, a partir do fator de conversão advindo da relação estequiométrica:

)

m ( Zn = 109 , 5 g HCl ⋅

No tubo de ensaio preso com a garra, um pedaço de zinco reage com o ácido clorídrico aquoso, formando cloreto de zinco (sal branco) e gás hidrogênio, coletado no tubo de ensaio.

1 mol HCl 1 mol Zn 65, 5 g Zn ⋅ ⋅ → m ( Zn = 98 , 25 g Zn 36 , 5 g HCl 2 mol HCl 1 mol Zn

)

( conversão de massa em mol )

( conversão de HCl em Zn )

( conversão de mol em g )

Cálculos estequiométricos do volume de uma substância gasosa a partir da massa de outra substância Pasquale Sorrentino/Science Photo Library

5. A reação entre os gases oxigênio e hidrogênio para formar água libera tanta energia que o hidrogênio pode ser utilizado como combustível. Quantos litros de gás hidrogênio, nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP), serão necessários para formar 90 g de água? 1o PASSO Identificação da equação química: hidrogênio reage com oxigênio, dando origem à água: H2(g) + O2(g) ( H2O(g) A produção de gás hidrogênio é um importante avanço tecnológico, que possibilitará no futuro a substituição de combustíveis fósseis por combustíveis menos agressivos ao ambiente.

52

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

2o PASSO Balanceamento da equação química:

2H2(g) + 1O2(g) ( 2H2O(g). 3o PASSO Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão e dos fatores de conversão, para os dados da tabela: volume molar dos gases (CNTP) = 22,7 L/mol; M(H2O) = 18 g/mol. 1 mol H2 = 22, 7 L H2 → 1 =

1 2 3

22, 7 L H2 1 mol H2 ou 1 = 1 mol H2 22, 7 L H2

4

1 mol H2 1 mol H2O ou 1 = 1 mol H2O 1 mol H2

5

18 g H2O 1 mol H2O 1 mol H2O = 18 g H2O → 1 = ou 1 = 1 mol H2O 18 g H2O

7

2 mol H2 = 2 mol H2O → 1 =

6

4 PASSO Determinação da quantidade de matéria desejada, a partir do fator de conversão advindo da relação estequiométrica: o

)

1 mol H2O 1 mo moll H2 22, 7 L H2 ⋅ ⋅ → V (H2 = 113, 5 L H2 . 18 g H2O 1 mol H2O 1 moll H2

)

Martin Bond/Science Photo Library

V (H2 = 90 g H2O ⋅

8

Em vez da conhecida fumaça preta que os ônibus costumam liberar, este libera vapor de água, resultante da combinação do gás hidrogênio com o oxigênio.

Você pode observar que partimos da massa de água (dado fornecido) e a convertemos em quantidade de matéria. A quantidade de matéria de água foi convertida em quantidade de matéria de hidrogênio. Por fim, convertemos a quantidade de matéria de hidrogênio em volume de hidrogênio, utilizando o fator obtido a partir do volume molar dos gases nas CNTP. O mesmo princípio adotado nos cálculos ilustrados nos exemplos anteriores podem ser aplicados em diversos cálculos da Química. Por exemplo, no estudo de gases os químicos puderam estabelecer a lei geral dos gases que prevê, a partir da equação abaixo, o comportamento químico deles: P⋅V = n⋅R⋅T

,

em que P é a pressão do gás, V é o volume do gás, n é a quantidade de matéria do gás, R é a constante dos gases e T é a temperatura do gás. No Sistema Internacional de Medidas, deve-se adotar as unidades de Pascal (Pa) para pressão, metro cúbico (m3) para volume e Kelvin (K) para a temperatura. Nesse caso, a constante dos gases é igual a 8,314472 m3 ⋅ Pa ⋅ K–1 ⋅ mol–1. O valor dessa constante é válido para situações de baixa pressão e altas temperaturas; situação em que a interação entre as moléculas é desprezível. OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

53


Na indústria, ao se estudar as quantidades de gases reagentes, torna-se necessário nos cálculos aplicar a equação acima para se determinar a quantidade do gás em função da temperatura e da pressão.

Hely Demutti

O NaOH, além de ser largamente empregado na indústria, também é um reagente muito usado em laboratórios de Química.

Vamos agora relacionar os cálculos estequiométricos com a produção de soda cáustica, muito utilizada na fabricação do sabão e em outros processos químicos. O hidróxido de sódio (NaOH) pode ser obtido a partir da reação química entre o carbonato de sódio (Na2CO3) e o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2]. Calcule a massa de hidróxido de sódio formada a partir de 111 kg de hidróxido de cálcio. A seguir, calcule o número de embalagens de 200 g de hidróxido de sódio que serão produzidas para comercialização. Dados fornecidos: m(hidróxido de cálcio) = 111 kg = 111000 g; m(embalagem de NaOH) = 200 g. Dados tabelados: M(Na2CO3) = 106,0 g/mol; M[Ca(OH)2] = 74,0 g/mol; M(NaOH) = 40,0 g/mol. Calcula-se, primeiro, qual é a massa de hidróxido de sódio formada a partir de 111 kg de hidróxido de cálcio, para depois determinar quantas embalagens de hidróxido de sódio contendo 200 g serão obtidas.

1o PASSO Identificação da equação química: Ca(OH)2(aq) + Na2CO3(aq) ( NaOH(aq) + CaCO3(s) o 2 PASSO Balanceamento da equação química: Ca(OH)2(aq) + Na2CO3(aq) ( 2NaOH(aq) + CaCO3(s) o 3 PASSO Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão:

)

1 mol Ca ( OH

2

)

= 74 g Ca ( OH

→ 1=

2

) 1 mol Ca ( OH) 74 g Ca ( OH

2

ou 1 =

2

)

1 mol Ca ( OH

2

) 74 g Ca ( OH)

1 mol Ca ( OH

2

2

40 g NaOH 1 mol NaOH ou 1 = 1 mol NaOH 40 g NaOH

1 mol NaOH = 40 g NaOH → 1 =

1 emb. NaOH = 200 g NaOH → 1 =

)

1 mol Ca ( OH 2 2 mol NaOH ou 1 = 2 mol NaOH 1 mol Ca ( OH 2

= 2 mol NaOH → 1 =

)

200 g NaOH 1 emb. NaOH ou 1 = 200 g NaOH 1 emb. NaOH

4o PASSO Cálculo da massa de hidróxido de sódio formada.

)

)

m (NaOH = 111 000 g Ca ( OH

2

) 74 g Ca ( OH)

1 mol Ca ( OH

26

54

OD ÍNDICE

2

2

m(NaOH) = 120 000 g = 120 kg

Ferro

CÁLCULOS QUÍMICOS

Cálculos para não desperdiçar

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

40 g NaOH 2 mol NaOH ⋅ 1 mol Ca ( OH 2 1 mol NaOH

)

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


Embalagens de NaOH = 120 000 g NaO NaOH N aOH H⋅

CAPÍTULO

5o PASSO Cálculo do número de embalagens de hidróxido de sódio obtidas.

S

1 emb. NaOH = 600 emb b. N NaOH aOH 200 g NaOH

Simulador

1 2

Os exercícios resolvidos até aqui ilustram os principais tipos de problemas envolvendo cálculos estequiométricos. São esses cálculos que os químicos realizam para manter nas reações uma proporção correta dos reagentes.

3 4

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Para responder às questões, caso necessário, consulte os dados de massa atômica na Tabela Periódica no fim do livro.

1. Qual é a importância do cálculo estequiométrico nos processos químicos?

2. O que são os índices e coeficientes de uma equação química? 3. Qual a quantidade de matéria de gás oxigênio (O2) que

será produzida a partir de 8 mol de bauxita (Al2O3) no processo de obtenção do alumínio metálico? Sendo dada a equação não balanceada: Al2O3(s) ( Al(s) + O2(g)

4. O etanol é obtido da sacarose por fermentação conforme a equação: C12H22O11 + H2O ( C2H5OH + CO2 Determine a quantidade de matéria de etanol (C2H5OH) a partir de 5 mol de sacarose.

5. O gás metano (CH4) pode ser obtido nos tratamentos

de esgoto, por meio de processos biológicos ocorridos nos biodigestores, e ser aproveitado como combustível. Esse gás, ao reagir com oxigênio (O2), formará gás carbônico (CO2) e água (H2O). Com base nos valores de massa atômica da tabela periódica, faça o que se pede. a) Monte e balanceie a equação. b) Calcule quantas moléculas de gás carbônico são liberadas a partir de 13 kg de gás metano.

6. (Fuvest-SP-adaptado) Uma instalação petrolífera produz 12,8 kg de SO2 por hora. A liberação desse gás poluente pode ser evitada usando-se calcário, o qual por decomposição fornece a cal, que reage com SO2 formando CaSO3, de acordo com as equações: CaCO3 (s) ( CaO(s) + CO2(g) CaO(s) + SO2(g) ( CaSO3(s) Quantas moléculas de CaSO3 são, por hora, necessárias para eliminar todo o SO2 formado? Dados: massas molares (g/mol): SO2 = 64; 6,02 ⋅ 1023 moléculas de CaSO3 = 64 g de SO2

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7. A água mineral gaseificada pode ser fabricada pela in-

6

trodução de gás carbônico (CO2) na água, sob pressão um pouco superior a 1 atm. De acordo com a equação química abaixo, calcule, em quilogramas, a massa de glicose necessária para produzir 100 mol de gás carbônico. C6H12O6(s) ( 2C2H5OH(l) + 2CO2(g)

7 8

8. (UFSCar-SP-adaptado) A termita é uma reação que ocorre entre alumínio metálico e diversos óxidos metálicos. A reação do Al com óxido de ferro (III), Fe2O3, produz ferro metálico e óxido de alumínio, Al2O3. Essa reação é utilizada na soldagem de trilhos de ferrovias 2Al(s) + Fe2O3(s) ( Al2O3(s) + 2Fe(l) A imensa quantidade de calor liberada pela reação produz ferro metálico fundido, utilizado na solda. Dadas as massas molares, em g/mol: Al = 27 e Fe = 56. a) Calcule a quantidade de ferro metálico produzido a partir da reação com 550 g de alumínio metálico. b) Quantas moléculas de óxido de ferro (III) Fe2O3 são necessárias para reagir com 4 mol de óxido de alumínio, Al2O3? c) Qual é a quantidade de matéria de alumínio necessária para produzir 510 g de ferro metálico fundido?

9. O titânio (Ti) é considerado o metal do futuro. Na construção de aviões supersônicos, é o metal que oferece as maiores vantagens por causa da sua elevada temperatura de fusão (1670 °C), visto que o atrito do ar contra as paredes metálicas tende a elevar a temperatura de todo o corpo da aeronave. A obtenção do metal pode ser representada pela equação não balanceada: TiCl4(s) + Mg(s) ( Ti(s) + MgCl2(s) a) Calcule a massa de titânio obtida a partir de 800 g de cloreto de titânio (TiCl4). b) Qual é a quantidade de matéria de magnésio (Mg) necessária para produzir 191,6 g de titânio (Ti)? c) Quantos átomos de magnésio (Mg) são consumidos por 380 g de cloreto de titânio (TiCl4)?

B

c D E GLOSSÁRIO

5

! TABELAS

SEGURANÇA

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CÁLCULOS QUÍMICOS

10. Em uma siderúrgica, a reação global para obtenção

14. A reação de combustão de um dos componentes do gás

de ferro ocorre em um alto-forno a partir de óxido de ferro III (Fe2O3) com carvão (C), formando ferro (Fe) e gás carbônico (CO2). Calcule: a) a massa de óxido de ferro III (Fe2O3) que, ao reagir com carvão (C) produz 660 kg de dióxido de carbono (CO2); b) a quantidade de ferro, em quilogramas, obtida a partir de 2 toneladas de hematita (Fe2O3); c) a massa de dióxido de carbono (CO2) liberada na produção de 1 mol de ferro.

de cozinha, o gás butano (C4H10), pode ser representada pela seguinte equação química não balanceada: C4H10(g) + O2(g) ( CO2(g) +H2O(l). Sabendo que o volume molar de um gás ideal nas CNTP é 22,7 L/mol, julgue os itens que seguem, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) De acordo com a Lei das Proporções Definidas, dobrando-se as massas dos gases butano e oxigênio, as massas de gás carbônico e de água aumentarão três vezes. 2) São necessários 13 mol de gás oxigênio para reagir com 2 mol de gás butano. 3) A queima de 58 g de gás butano produzirá 90 g de água. 4) Nas CNTP, para produzir 45,42 L de gás carbônico são necessários 116 g de gás butano. 5) Quando são queimados 232,0 g de gás butano, são utilizados 98,6 L de gás oxigênio nas CNTP.

11. (Unifei-MG-adaptada) A sacarose é metabolizada pelos animais, sendo uma das principais fontes de energia para as células. Esse metabolismo ocorre durante a respiração, formando CO2 e H2O como produtos: Dados: volume molar (CNTP) = 22,7 L/mol; massas molares (g/mol): H = 1,C = 12, O = 16. C12H22O11 + 12O2 ( CO2 + H2O a) Calcule quantos litros de CO2 (CNTP) são gerados a partir de 20 g de sacarose. b) Qual é a quantidade de matéria de água produzida a partir de 500 g de sacarose? c) Quantas moléculas de oxigênio reagirão com 5 mol de sacarose?

15. Mais de 10000 anos é o tempo gasto para se decompor o vidro. Para cada tonelada de vidro reciclado, economiza-se 1,2 tonelada de matéria-prima. Para a produção, a barrilha (Na2CO3) é aquecida com calcário (CaCO3) e areia (SiO2). É barato porque há abundância dessas três matérias-primas. Podemos considerar a reação a seguir como representativa do processo de fabricação do vidro: SiO2(s) + CaCO3(s) + Na2CO3(s) ( ( Na2O ? CaO ? SiO2(s) + CO2(g) Dada a equação não balanceada, responda. a) Para a produção de uma tonelada de vidro, quantos mols, aproximadamente, economizaríamos de areia, carbonato de cálcio e barrilha? b) Qual é o volume de gás carbônico (CO2) produzido nas CNTP quando se consome 1 tonelada de barrilha nesse processo? c) Por que há maior consumo de refrigerantes ou cervejas em latas de alumínio do que em garrafas? d) Já que o consumo de latas é maior do que o de vidros, por que é mais caro o refrigerante em lata?

12. O sabão de coco é um produto de grande aceitação nas lavanderias, por possuir poder de limpeza excelente e não agredir os tecidos mais finos. Um dos componentes do sabão de coco é o laureato de sódio, que pode ser obtido pela seguinte equação simplificada: CH3[CH2]10COOH(aq) + NaOH(aq) ( ( CH3[CH2]10COONa(s) + H2O(l) Suponha que uma indústria produza 580 kg de sabão por dia. a) Que quantidade de matéria de laureato de sódio [CH3(CH2)10COONa] será produzida em 30 dias? b) Qual é a massa de ácido láurico [CH3(CH2)10COOH] consumida diariamente? c) Qual é a massa de hidróxido de sódio (NaOH) consumida em 30 dias de produção?

13. Um produto de cultura milenar é o vinagre. Para a fa- 16. (FMTM-MG) No motor de um carro a álcool, o vapor do

combustível é misturado ao ar e se queima à custa de faísca elétrica produzida pela vela no interior do cilindro. A queima do álcool pode ser representada pela equação: C2H6O(g) + 3O2(g) ( 2CO2(g) + 3H2O(g) + energia. A quantidade, em mols, de água formada na combustão completa de 138 g de etanol é igual a: Dado: massa molar C2H6O = 46 g/mol. a) 1. b) 3. c) 6. d) 9. e) 10.

bricação, basta deixar o vinho azedar. Nesta reação, o etanol (C2H5OH), substância encontrada no vinho, reage com o gás oxigênio, produzindo o ácido acético (C2H3COOH), substância encontrada no vinagre e na água. a) Monte a equação da produção do ácido acético e verifique o balanceamento. b) Calcule a massa de ácido acético, quando se fermentam 500 g de etanol.

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SEGURANÇA


CAPÍTULO

17. (Fuvest-SP) O nitrato de cobre é bastante utilizado nas 22. (UFMG-adaptado) Em um tubo, 16,8 g de bicarbonato indústrias gráficas e têxteis e pode ser preparado por três métodos: Método I: Cu(s) + ... HNO3(conc.)   Cu(NO3)2(aq) + ... NO2(g) + ... H2O(l) Método II: 2Cu(s) + O2(g)  2CuO(s)   2CuO(s) + ... HNO3 (dil.)   2Cu(NO3)2(aq) + ... H2O(l) Método III: 3Cu(s) + ... HNO3 (dil.)   3Cu(NO3)2(aq) + ... NO(g) + 4H2O(l) 2NO(g) + O2(g)  2NO2(g) Para um mesmo consumo de cobre: a) os métodos I e II são igualmente poluentes. b) os métodos I e III são igualmente poluentes. c) os métodos II e III são igualmente poluentes. d) o método III é o mais poluente dos três. e) o método I é o mais poluente dos três.

de sódio são decompostos, pela ação do calor, em carbonato de sódio (sólido), gás carbônico e água (vapor). O volume de gás carbônico, em litros, obtidos nas CNTP é igual a: Dados: NaHCO3 = 84 g/mol. a) 2,02. b) 2,27.

19. (Faap-SP) Nas condições normais de temperatura e pressão, qual é o volume em litros ocupado por 35,5 g de cloro gasoso a 127 °C e 760 mmHg? Dados: massa atômica do Cl = 35,5 g ⋅ mol–1; R = 8,314472 m3 ⋅ Pa ⋅ K–1 ⋅ mol–1. a) 9,85. d) 18,20. b) 11,19. e) 22,38. c) 16,40.

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gênio e do sódio são, respectivamente, 16 e 23, então a massa de 23 átomos de oxigênio é a mesma que a de 16 átomos de sódio. Essa afirmativa é verdadeira ou falsa? Justifique.

25. (Unifesp-adaptado) Pessoas com pressão arterial elevada precisam reduzir o teor de sódio de suas dietas. Um dos meios de se conseguir isso é com o uso do chamado “sal light”, uma mistura de cloreto de sódio e cloreto de potássio sólidos. Dados: massas molares, em g/mol: Na = 23,0; K = 39,1; Cl = 35,5. Calcule a massa molar do cloreto de sódio (NaCl) e do cloreto de potássio (KCl).

26. A glicose é um açúcar utilizado pelas células como fonte de energia para o organismo. É um sólido de sabor adocicado, de fórmula molecular C6H12O6. Determine a massa molar dessa substância. Dados: massas molares, em g/mol: C = 12,0; H = 1,0; O = 16,0

27. O gás liquefeito de petróleo, GLP, é derivado do petróleo e conhecido como gás de cozinha. É constituído de duas substâncias: o propano (C3H8) e o butano (C4H10). Um botijão com sua capacidade completa contém em seu interior cerca de 85% de GLP em estado líquido e 15% em estado de vapor. O gás em estado líquido se vaporiza à medida que o botijão se esvazia. Qual é a massa molar do propano e do butano? Dados: massas molares, em g/mol: C = 12,0; H = 1,0

28. (Mack-SP) O óxido de vanádio é constituído de mo-

(CO2), medido a 0,75 atm e 25 °C que será produzido pela combustão de 30 g de etano? Dados: C = 12 g/mol; H = 1 g/mol. 26

3

24. (EE Mauá-SP) Uma vez que as massas atômicas do oxi-

21. (UFSC-adaptado) Qual é o volume de gás carbônico

Fe

e) 8,96.

tura de átomos, dos quais 98,90% são 12C e 1,10% é 13C. Dados: massas atômicas: 12C = 12,000; 13C = 13,003. a) Explique o significado das representações 12C e 13C. b) Com esses dados, calcule a massa atômica do carbono natural.

20. (UFRR) Certa massa de oxigênio ocupa um volume de 10 L à temperatura de 27 °C e pressão de 300 mmHg. O volume ocupado pela massa de oxigênio à temperatura de 47 °C e 400 mmHg de pressão será: a) 4 L. d) 10 L. b) 8 L. e) 12 L. c) 6 L.

2

23. (Fuvest-SP) O carbono ocorre na natureza como uma mis-

18. (Fafi-MG) Certa massa de gás hidrogênio, H2(g), ocupa o volume de 8,2 L a 27 °C e exerce a pressão de 1 520 mmHg. A massa do gás será igual a: Dados: R = 8,314472 m3 ⋅ Pa ⋅ K–1 ⋅ mol–1 e massa atômica de hidrogênio = 1 g ⋅ mol–1. a) 5,2 g. c) 3,9 g. e) 1,3 g. b) 4,5 g. d) 2,6 g.

c) 4,48. d) 4,03.

1

léculas V2Oy. Se a massa molar do V2Oy é 182 g/mol, então, y é igual a: Dados: massas atômicas: V = 51; O = 16. a) 1. b) 3. c) 7. d) 5. e) 4.

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

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4 RENDIMENTO DAS REAÇÕES

CÁLCULOS QUÍMICOS

Peggy Greb/US Department of Agriculture/Science Photo Library

N

Para desenvolver as reações químicas em laboratórios e na indústria, os químicos fazem cálculos precisos sobre quantidades de reagentes que precisam adicionar no sistema racional. Para isso eles fazem cálculos precisos sobre rendimentos de reações.

ormalmente, em laboratórios e indústrias, a quantidade de produtos formados é menor do que as previstas em teoria pela estequiometria. Isso acontece por três motivos principais: primeiro, pela presença de impurezas nos reagentes; segundo, pelo fato de muitas reações serem reversíveis, ou seja, os produtos reagem entre si produzindo os reagentes originais; e, por último, pela possibilidade de reações paralelas que fornecem produtos diferentes dos desejados. Além disso, a ocorrência da reação depende de determinadas condições, como a temperatura, que podem variar durante o processo. Existem, ainda, dificuldades operacionais que acarretam perda de produtos. Indústrias – como a farmacêutica, a química e a de componentes eletrônicos – trabalham com materiais de elevada pureza. Outras, como a siderúrgica (extração de metais) e as fábricas de sabão, não utilizam matéria-prima de pureza tão elevada. A indústria sempre procura melhorar equilíbrio entre preço e rendimento da matéria-prima, sem que haja comprometimento da qualidade do produto final. O Rendimento Teórico (RT) de uma reação corresponde à quantidade de um produto que seria obtida a partir de uma quantidade de reagente se a reação fosse única e ocorresse completamente. O rendimento teórico fornece, por meio da estequiometria, a quantidade máxima de produtos que seria obtida se a reação fosse completa. Para realizarmos os cálculos químicos, precisamos saber que quantidade de produto será realmente formada. A isso chamamos Rendimento Real (RR), expresso como uma porcentagem do Rendimento Teórico (RT), conhecido como rendimento percentual. R% =

RR ⋅ 100 % RT

RT, em geral, corresponde à massa teoricamente prevista e RR à massa realmente produzida. Veja um exemplo. Na produção de sabão, uma amostra de 100 g de hidróxido de sódio reage com a estearina (Est), conforme a equação a seguir: (C17H35COO)3C3H5(s) + NaOH(aq) ( C17H35COONa(s) + C3H5(OH)3(l) Considerando que, a partir de 100 g de hidróxido de sódio (NaOH), foram obtidos 512 g de estearato de sódio (principal componente do sabão – EstNa), qual é o rendimento real do processo? Levando em conta a proporção entre as substâncias envolvidas na reação, teremos a equação balanceada: (C17H35COO)3C3H5(s) + 3NaOH(aq) ( 3C17H35COONa(s) + C3H5(OH)3(l) Ao identificar a relação estequiométrica existente no cálculo em questão, temos a relação entre o reagente (hidróxido de sódio) e o produto (estearato de sódio).

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SEGURANÇA


3 ⋅ 40 g NaOH = 1 ⋅ 890 g EstNa → 1 =

CAPÍTULO

Utilizemos agora o fator de conversão de massa do hidróxido de sódio para o estearato de sódio. Para facilitar a escrita das equações, representaremos o estearato de sódio por EstNa.

De acordo com os cálculos químicos, 890 kg de estearina produziriam 918 kg de sabão, mas na indústria só foram obtidos 512 kg. Por que será?

890 g EstNa EstNa 120 g NaOH ou 1 = 120 g NaOH 890 g EstNa

2 Hely Demutti

Agora, vamos determinar a quantidade de material desejada, a partir do fator de conversão obtido das relações estequiométricas. Para isso, vamos igualar o símbolo da grandeza solicitada com o da fornecida inicialmente e fazer as devidas conversões. Fator de conversão:

1

6 7

Calculando a massa do estearato de sódio que deveria ser produzida: m (EstNa

)

890 g EstNa

= 100 g NaOH ⋅

120 g NaOH

8

)

→ m (EstNa stNa ≅ 742 g

Cálculo das conversões de unidade e do valor real do sabão: Sendo a massa realmente produzida igual a 512 g, e de acordo com a equação apresentada, teremos: R% =

512 g ⋅ 100 % → R % ≅ 69 % 742 g

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Para responder às questões, caso necessário, consulte os dados de massa atômica na tabela periódica no fim do livro.

3. (Enem) Na investigação forense, utiliza-se luminol, uma substância que reage com o ferro presente na hemoglobina do sangue, produzindo luz que permite visualizar locais contaminados com pequenas quantidades de sangue, mesmo em superfícies lavadas. É proposto que, na reação do luminol (I) em meio alcalino, na presença de peróxido de hidrogênio (II) e de um metal de transição (Mn+), forma-se o composto 3-aminoftalato (III) que sofre uma relaxação, originando o produto final da reação (IV), com liberação de energia (hv) e de gás nitrogênio (N2). Dados: peso moleculares: Luminol = 177 e 3-aminoftalato = 164.

1. Por que em uma reação química o rendimento não é igual ao teoricamente previsto?

2. A cárie é um processo de desmineralização localizada no esmalte do dente e, em geral, também na dentina, que culmina com a formação de uma cavidade. O fluoreto de sódio (NaF) libera íons fluoreto (F–), que atuam na prevenção da cárie dentária, porque têm a propriedade de substituir os grupos hidróxido (OH–) do principal constituinte do esmalte dos dentes, a hidroxiapatita [Ca5OH(PO4)3], formando a fluorapatita [Ca5F(PO4)3], que é bem mais resistente ao ataque de ácidos e bactérias, conforme a equação balanceada a seguir: Ca5 OH(PO 4)3 (s) + NaF(aq) ( Ca5F(PO 4)3 (s) + + NaOH(aq) Considerando que, a partir de 84 g de fluoreto de sódio, foram obtidos 252 g de fluorapatita, qual é o rendimento real do processo?

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890 g EstNa 120 g NaOH

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(II)

NH2 O NH NH

+ H2O2 + Mn+

O

*

(I)

NH2 O

O

O

O

O

O

+ hv + N2

O

(III)

(IV)

Adaptado de: Química Nova. São Paulo: SBC, v. 25, n. 6, 2002. p. 1003-1011.

B

c D E GLOSSÁRIO

NH2 O

! TABELAS

SEGURANÇA

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CÁLCULOS QUÍMICOS

Na verificação de uma amostra biológica para análise forense, utilizaram-se 54 g de luminol e peróxido de hidrogênio em excesso, obtendo-se rendimento final de 70%. Sendo assim, a quantidade do produto final (IV) formada na reação foi de: a) 123,9. b) 114,8. d) 35,0. c) 86,0. e) 16,2.

citrato de sódio, determine o rendimento percentual da reação. b) Por que duas substâncias com ácido no nome são utilizadas para combater acidez no estômago, visto que o interior desse órgão já é hiperácido? c) Calcule o volume de gás carbônico produzido, nas CNTP, quando reagem 4 mg de carbonato ácido de sódio.

6. Um zelador usa ácido muriático (ácido clorídrico) regularmente para fazer limpeza do piso de mármore do prédio em que trabalha. Sabe-se que o ácido ataca o mármore (formado basicamente por CaCO3), liberando gás carbônico, de acordo com a equação:

4. “Tarde demais! O papo, que estava bom após o primeiro copo, fica difícil após quatro doses. Isso acontece porque o cérebro tem dificuldade para funcionar. Essa quantidade afronta não só o raciocínio como também as restrições sociais. É quando o tímido consegue passar cantadas impensáveis quando está sóbrio. ”

CaCO3(s) + 2HCl(aq) ( CaCl2(s) + H2O(l) + CO2(g) Qual é o volume de gás carbônico formado, nas CNTP, quando ocorre reação de 50 g de mármore?

Superinteressante, n. 2, fev. 2000.

7. O cobre é um metal encontrado na natureza em diferen-

Para se obter o álcool por fermentação, a partir da cana-de-açúcar, passa-se por alguns processos, sendo a última etapa, C6H12O6(s) ( C2H5OH(aq) + CO2(g), chamada fermentação alcoólica. De acordo com as informações acima, responda. a) Se o rendimento percentual é de 96%, qual é a massa de glicose (C6H12O6) necessária para produzir 700 g de etanol (C2H5OH)? b) Pela lei brasileira, o máximo permitido é 0,6 g de álcool por litro de sangue. Será que uma pessoa que tenha 5 litros de sangue e tenha bebido 3 doses de 50 mL de uísque pode dirigir um carro? Justifique por meio de cálculos, considerando que todo o álcool foi para o sangue. Dados: 1 dose de uísque possui cerca de 20 g de álcool.

tes minerais. Um processo de obtenção desse metal pode ser apresentado pela equação: Cu2S(s) + 2Cu2O(s) ( 6Cu(s) + SO2(g) Supondo que o processo apresente rendimento de 60%, qual é a massa de cobre obtida a partir de 100 g de CuS(s)?

8. (Mack-SP) CaF2 + H2SO4 ( CaSO4 + 2HF

O HF é obtido a partir da fluorita (CaF2), segundo a reação equacionada acima. A massa de HF obtida na reação de 500,0 g de fluorita de 78% de pureza é: Dados: massa molar (g/mol). Ca = 40, F = 19, H = 1, S = 32, O = 16 a) 390,0 g. b) 304,2 g. c) 100,0 g. d) 200,0 g. e) 250,0 g.

5. Muitas vezes sentimos azia (queimação no estômago), ou seja, excesso de ácido clorídrico causado por alguma disfunção na digestão, estresse ou consumo exagerado de alimentos gordurosos. Para aliviar o excesso de acidez no estômago, é necessário ingerir um produto capaz de neutralizar o ácido, chamado antiácido. O carbonato ácido de sódio aquoso (NaHCO3) reage com ácido cítrico aquoso [COH(CH2)2(COOH3)] para produzir citrato de sódio aquoso [COH(CH2)2(COONa)3] e ácido carbônico aquoso (H2CO3). Como o ácido carbônico é instável, a formação estável é com o gás carbônico e a água. Monte a reação balanceada e, com base nas informações acima, responda. a) Sabendo que 5 kg de bicarbonato de sódio reagem com ácido cítrico para produzir 2559,5 g de

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9. Existem loções faciais adstringentes que limpam e tonificam a pele, pois penetram profundamente nos poros, removendo o excesso de oleosidade e traços de impurezas. Um dos componentes dessas loções é o etanol. Este pode ser obtido de acordo com a equação abaixo: Ca12H22O11(s) + H2O(l) ( 4C2H5OH(l) + 4CO2(g) Admitindo-se que essa reação tenha rendimento total (100%) e que o etanol produzido seja puro (anidro), qual é a massa de açúcar (C12H22O11) necessária para produzir 100 L de etanol (C2H5OH)? Dado: álcool = 0,8 g/cm3.

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

10. Ao reagirmos cloreto de cálcio (CaCl2) com nitrato de

11. (UFU-MG) Encontrou-se uma amostra de mármore

prata (AgNO3), obtemos um precipitado branco – cloreto de prata (AgCl). Sabendo-se que essa reação apresenta um rendimento de 90%, calcule a massa do precipitado formado a partir de 22,2 g de cloreto de cálcio, conforme a equação não balanceada abaixo: CaCl2(aq) + AgNO3(aq) ( AgCl(s) + Ca(NO3)2(aq)

(CaCO3), cuja pureza era de 60%. Decompondo-se 50 g dessa amostra, obtiveram-se cal virgem (CaO) e gás carbônico (CO2). Admtindo-se um rendimento de 70% para essa reação, quantos mols de gás carbônico foram conseguidos? Dados: C = 12; O = 16; Ca = 40

1 2 3 4 5 6

ER

As leis das reações químicas

7

Exercícios de revisão

8

b Os cálculos ulos químicos são fundamentados nas leis das reações químicas. b Lavoisier [1743-1794] estabeleceu a Lei da Conservação das Massas: em um sistema fechado, a massa dos reagentes e dos produtos de uma reação química são sempre as mesmas. b Em 1797, Louis Prost demonstrou que, independentemente do processo de preparação, a composição do carbonato de cobre era sempre a mesma. Assim, uma substância pode ser proveniente de diferentes fontes, naturais ou produzidas em laboratórios, mas apresentará sempre a mesma composição química.

Balanceamento da equação química e estequiometria b As equações químicas representam as reações químicas. Em uma equação química genérica: aA + bB # cC + dD, as letras minúsculas correspondem aos coeficientes estequiométricos. b O balanceamento de uma equação química é a determinação dos coeficientes estequiométricos da equação química, ou seja, o acerto numérico entre quantidades de átomos no reagente e no produto. b Os coeficientes de uma equação química são valores numéricos que indicam a proporção mínima de cada substância envolvida na reação. b Cálculos estequiométricos são os cálculos desenvolvidos para a determinação das quantidades de reagentes e produtos em uma reação.

Rendimento das reações b Geralmente, nos laboratórios e nas indústrias, as quantidades de produtos obtidos são diferentes dos valores previstos por meio do cálculo estequiométrico. Isso se dá devido à impureza dos reagentes, à reversibilidade das reações e às reações paralelas. No entanto, é necessário saber exatamente a quantidade real dos produtos obtidos. Esse valor é chamado Rendimento Real (RR), expresso por uma percentagem do Rendimento Teórico (RT). O RR corresponde à massa teórica prevista e o RT à massa realmente produzida.

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UNIDADE

2

Gabriel de Paiva/Agência O Globo

Hidrosfera e poluição das águas

Mortandade de peixes aumenta na Lagoa Rodrigo de Freitas, na altura do Parque dos Patins, Rio de Janeiro (RJ), 2013.

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Como garantir água para as futuras gerações? Capítulo 3 Classificação e composição dos materiais

Capítulo 4 Propriedades da água e propriedades coligativas 1. Propriedades das substâncias e interações entre os constituintes 2. Propriedades da água 3. Água e solubilidade dos materiais 4. Propriedades coligativas

Hely Demutti

1. Soluções, coloides e agregados 2. Concentração e suas unidades 3. Composição 4. Diluição de soluções

Capítulo 5 Equilíbrio químico 1. Reações químicas e reversibilidade 2. Sistemas químicos reversíveis 3. Equilíbrio químico 4. Alterações do estado de equilíbrio 5. Princípio de Le Chatelier 6. Aspectos quantitativos de equilíbrios químicos

Temas em foco: • Ciclo da água e sociedade • Gestão dos recursos hídricos • Poluição das águas

• A química, o tratamento de água e o saneamento básico

63


C apít ulo 3

CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS Como expressamos a composição química dos materiais? Planeta Terra ou planeta Água?

Tema em foco Tema

& QS S

CICLO DA ÁGUA E SOCIEDADE

Química e Sociedade

O planeta Terra, um imenso globo azulado, existe há cerca de 4,6 bilhões de anos. Sua cor é atribuída ao fato de aproximadamente 70% de sua superfície serem cobertos por água. Isso equivale a um volume de água estimado em 1,4 bilhão de km3. Acha muito? Será que é suficiente para todos os povos?

I

Ciclo da água

Infográfico

Ciclo da água

volume de vapor na atmosfera

precipitação sobre os continentes

área das calotas e geleiras

Paulo Cesar Pereira

No início da formação de nosso planeta, a temperatura de sua superfície era muito alta, e toda água estava em estado gasoso. Com a diminuição da temperatura, a água presente na atmosfera começou a se precipitar na forma de chuva, ajudando a diminuir mais a temperatura da superfície. A precipitação constante levou à formação de rios. Estes, desaguando em partes mais baixas, deram origem aos mares e oceanos. As águas das chuvas foram “lavando” a terra, carregando sais solúveis que se acumularam nos mares e oceanos, tornando-os ricos em sais minerais. Assim, a água foi se espalhando pelo planeta, armazenando-se em zonas subterrâneas; na superfície terrestre, em lagos, rios, mares e oceanos; em extensas geleiras nas regiões polares e montanhas; e uma pequena parte permaneceu na atmosfera. Além de se espalhar, a água passou a se movimentar continuamente. As águas dos rios, lagos e mares se evaporam, dando origem a chuvas que novamente os alimenta. Esse movimento da água, mudando de estado de agregação e de lugar constantemente, é denominado ciclo hidrológico ou ciclo da água e é essencial para a vida no planeta.

evapotranspiração dos continentes

precipitação sobre os oceanos

evaporação dos oceanos

fluxo dos rios para os oceanos

fluxo subterrâneo para os rios

área dos oceanos

área dos continentes

Apesar de termos a impressão de que a água está acabando, a quantidade de água na Terra é praticamente invariável há 500 milhões de anos. O que muda é a distribuição no planeta. Nesse constante ciclo da água, os oceanos são os maiores fornecedores de vapor-d’água e exercem grande influência no clima do planeta.

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CAPÍTULO

Não há como medir a quantidade de água disponível na Terra. Por isso, estudiosos do assunto apresentam diferentes estimativas. Segundo uma delas, uma pequena parte da água está na atmosfera na forma de vapor. Da água restante, cerca de 97,5% está nos mares e oceanos – imprópria para consumo por causa dos sais nela dissolvidos. Dos 2,5% restantes, a maior parte (1,7%) está na forma de gelo nos polos e em geleiras – pouco disponível para consumo humano –, restando menos de um por cento que apresenta grau de salinidade baixo, sendo por isso denominada água doce. Dessa pequena fração de água doce disponível, menos de 0,01% está nos rios e lagos e 0,75% está no subsolo (veja quadro abaixo).

2 3

Paulo Cesar Pereira

Distribuição da água

1

água salgada 97,5%

4 5 6 7

água subterrânea 0,75%

rios e lagos 0,0075%

geleiras 1,72%

8

Se imaginarmos que toda a água do planeta está contida em uma caixa-d’água de 1 000 L, esse volume de água estaria distribuído nas proporções indicadas no esquema acima, ou seja, o volume de toda a água dos rios corresponderia a uma dose e meia de água (75 mL, pouco mais do que um cafezinho)!

água doce 2,5%

solo, icebergs, pântanos etc. 0,0225%

Pense Pelos dados apresentados no esquema acima, calcule, aproximadamente, a quantidade de água doce existente na Terra, em litros. Desse total, qual seria a quantidade disponível em rios, lagos e em reservatórios subterrâneos? Finalmente, desse último total, que quantidade você estima ser de água potável?

Nem toda água é própria para consumo humano. Altas concentrações de cloretos de cálcio e de magnésio tornam a água salgada e, consequentemente, imprópria ao nosso consumo. As águas que possuem grau de salinidade superior a 30 g/L são consideradas salinas, e as intermediárias – com grau de salinidade entre 0,50 g/L e 30 g/L – são chamadas salobras. A água doce, salinidade igual ou inferior a 0,50 g/L, é a única adequada para o consumo humano. A atmosfera é o reservatório que contém a menor quantidade de água, mas que se renova em média a cada dez dias, finalizando o ciclo da água. A distribuição das chuvas sobre o planeta ocorre de maneira bem diferenciada. Assim, há regiões nas quais os índices de precipitação são altos e nas quais se formam densas florestas. Nas regiões em que esse índice é muito baixo, formam-se desertos. Isso faz com que tenhamos uma diversidade muito grande de ambientes em nosso planeta Terra.

Pense Diante dessa quantidade de água doce, ou melhor dizendo água potável, será que estamos fazendo uso adequado desse precioso bem natural?

No polígono da seca, no Nordeste brasileiro, o nível médio de precipitação fica na faixa entre 600 e 800 milímetros de chuva por ano. Embora não seja um nível tão baixo, os moradores da região sofrem muito com a seca porque as chuvas se concentram em poucos dias dos meses do ano. OD ÍNDICE

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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

Fabio Colombini

Fabio Colombini

A distribuição de água é responsável pela diversidade de vegetação existente. Nas fotos, uma demonstração da diversidade encontrada em nosso país. A foto direita mostra paisagem de caatinga, em Canudos (BA), e a esquerda mostra uma vista da Floresta Amazônica, em Manaus (AM).

A cada 10 anos, geralmente, apenas quatro apresentam boa distribuição de chuvas no tempo e no espaço. Além disso, em algumas regiões, o solo cristalino não permite a absorção da água, causando um extenso problema da escassez de água no Agreste árido.

Hely Demutti

A água na atmosfera Você conhece pessoas que conseguem olhar para o céu e prever, com grande chance de acertar, se vai chover ou não? Algumas pessoas fazem tais previsões observando as nuvens. Um tipo comum e característico de nuvens são as denominadas cúmulos-nimbos, carregadas por cristais de gelo e fortemente associadas a chuvas fortes. Existem diferentes tipos de nuvens, mas nem todos promovem chuvas! Tudo depende de fatores como: tamanho da gotícula, pressão atmosférica, temperatura, correntes de ar, tamanho das nuvens, ventos etc. Os fatores que levam à formação das gotículas de nuvens são basicamente dois: vapor de água e núcleos de condensação de nuvens. Esses núcleos são partículas microscópicas que possuem propriedades de condensar água em sua superfície, formando gotículas microscópicas. Entre o instante em que a gota é formada até a sua chegada ao chão, em forma de chuva, muita coisa acontece! As nuvens não têm muito tempo para crescer. As mais altas, conhecidas como nuvens Se as nuvens se formam em altas altitudes, a temrasas, chegam a altura máxima de 4 ou 5 mil metros. Quando passam de 6 a 7 mil metros peratura pode ser tão de altura, as gotas começam a congelar, por causa das temperaturas muito baixas, formanbaixa que toda a água do cristais de gelo. Nesses casos, são conhecidas como nuvens profundas. Geralmente, as existente nela permanechuvas originadas dessas nuvens são acompanhadas de relâmpagos e trovões. cerá no estado sólido sob No verão, chuvas de granizo são muito comuns em regiões tropicais. Isso ocorre pora forma de cristais de gelo. que os cristais de gelo existentes nas nuvens precipitam-se, numa intensidade que não A cúmulos-nimbus, copermite a completa fusão antes que cheguem ao solo. Felizmente, na maioria das vezes, mo mostra a foto, é um os blocos de gelo se fundem ou se desintegram em pedrinhas pequenas. Quando isso não exemplo dessas nuvens. acontece, ocorrem as chuvas de granizo que podem causar estragos enormes.

Águas subterrâneas No subsolo, encontra-se uma das mais preciosas fontes de água potável, resultado de processos de filtração natural da chuva que cai nos solos. Essa água concentra-se em duas diferentes regiões. A primeira região é a subsaturada. Nela, água e ar se encontram entre rochas que constituem o subsolo. Na segunda região, chamada saturada, todos os espaços ou poros das rochas estão preenchidos pela água. Essas duas zonas são separadas pela região denominada lençol subterrâneo de água ou lençol aquífero. A água subterrânea, que normalmente utilizamos, fica retida em lençóis-d’água que podem ser classificados em: freático e artesiano. Os lençóis freáticos são mais sensíveis a chuvas, podem secar ou encher, dependendo da estação das secas ou das grandes precipitações, e podem ser facilmente contaminados. Já os lençóis artesianos, resultantes de milhares de anos de infiltrações de água no subsolo, por serem mais profundos, quase não variam em função das secas ou das chuvas. Nesses lençóis, a água fica retida em rochas, sob pressão, e pode emergir à superfície quando as rochas são perfuradas.

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CAPÍTULO

A água subterrânea é muito valiosa por ser, geralmente, potável. No Brasil, é usada desde o início da colonização, principalmente em regiões de rochas cristalinas do Nordeste, em que há grandes áreas desprovidas de água na superfície. As águas subterrâneas representam cerca de um terço do volume total das águas continentais, sendo as principais reservas de água doce. Elas alimentam rios e lagos sendo, por isso, responsáveis pelo suprimento de água doce.

área de recarga

2

Helia Scheppa/JC Imagem

Distribuição de aquíferos

1

áreas de descarga

3 4 5

nível freático dias

6

dias

anos

camada de confinamento

anos

séculos

camada de confinamento

séculos

aquífero confinado

milênios milênios

VENEZUELA GUIANA

GUIANA FRANCESA (FRA) SURINAME

COLÔMBIA RR

Equador

7 8

AMj Studio

Maps World

aquífero não confinado

A fonte de recarga natural para a maioria dos aquíferos é a precipitação (chuva) que se infiltra em regiões denominadas áreas de carga e reabastece o aquífero. Essa água fica retida nos aquíferos, em espaços existentes entre as partículas do solo e em diferentes níveis de profundidade, e abastece rios e poços artesianos.

AP

EQUADOR AM

PA CE

MA

PERU

PI

AC RO

AL SE

TO BA

MT

OCEANO

BOLÍVIA

PACÍFICO

Tró

pricórnio pico de Ca

GO

AG UA I

CHILE

DF MG

MS

PA R

RN PB

PE

ES SP

RJ

PR SC RS

ARGENTINA

URUGUAI

OCEANO ATLÂNTICO N Aquífero Guarani O

0

863

L

1 726 km

1 cm – 863 km

S

Fonte: Com base em FERREIRA, Graça Maria Lemos. Atlas geográfico: espaço mundial. São Paulo: Moderna, 2010. p. 126.

O maior lençol freático do mundo (em laranja) está localizado no Brasil, abrangendo o subsolo de áreas dos estados de SP, MS, MT, GO, MG, PR, SC e RS, além de parte da Argentina, Uruguai e Paraguai. A perfuração desordenada de poços artesianos pode comprometê-lo.

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Na foto, destaque para técnicos do Compesa e Secretaria de Recursos Hídricos (CPRH), fiscalizando poço artesiano do Edifício Nossa Senhora do Loreto, em Boa Viagem, Recife.

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Hely Demutti

CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

Ciclo da água e o consumo humano A preocupação atual com a água não é que ela acabe. Estima-se que sua quantidade é a mesma há mais de 2 bilhões de anos. O que vem diminuindo com o passar do tempo é a quantidade de água potável em condições adequadas para consumo humano. As atividades humanas têm afetado, sem dúvida, a disponibilidade de água potável. Um exemplo é a utilização de água de lençóis CONSUMO HUMANO DE ÁGUA PER CAPITA freáticos. O seu uso deve ser feito com cautela, pois AO LONGO DOS TEMPOS o seu esgotamento afetará regiões vizinhas que tamConsumo humano per capita Período bém são abastecidas por ela. Diversos centros urba100 a.C. 12 L/dia nos dependem de águas subterrâneas, como a cidade de Natal (RN), e muitos deles têm sofrido escassez Romano 20 L/dia de água, por conta de sua exploração desordenada. Século XIX (cidades pequenas) 40 L/dia No Nordeste, região constantemente castigada Século XIX (cidades grandes) 60 L/dia por longos períodos de seca, o uso de água subterrâSéculo XX 800 L/dia nea está associado à qualidade de vida da população. Segundo levantamento de geólogos, o subsolo dessa Fonte: MACEDO, J. A. B. Águas & águas. Juiz de Fora: Ortofarma, 2000. região contém cerca de 20% das águas subterrâneas do Brasil e uma parte desta poderia ser retirada, de forma controlada, para amenizar os problemas das secas. Enquanto alguns municípios como Joinville (SC) estudam mecanismos para taxar a água extraída de poços artesianos, em outros poços jorram dia e noite incessantemente, desperdiçando grandes quantidades desse bem tão precioso. Plantação sendo irrigada peA necessidade de planejamento do uso dos recursos hídricos tem se tornado cada vez lo método da aspersão. Na mais importante em decorrência do aumento do consumo de água por toda a população irrigação, a água não retormundial, como se pode ver na tabela abaixo. A industrialização, o aumento populacional na ao manancial de origem. e a migração para os grandes centros contribuíram para o crescimento dessa demanda, o que também favoreceu para agravar situações problemáticas. A necessidade de aumento da produção de alimentos por causa do crescimento da população humana exigiu a utilização de irrigação do solo, para que a agricultura não dependesse exclusivamente das chuvas.

100 L 1 kg de açúcar

1 kg de trigo

1 kg de milho

1 kg de arroz

1 kg de frango

100 000 L

Marcos Bergamasco/Folhapress

1 910 L

3 500 L

Mauricio Simonetti/Pulsar Imagens

1 400 L

900 L

Delfim Martins/Pulsar Imagens

3 500

João Prudente/Pulsar Imagens

Delfim Martins/Pulsar Imagens

consumo de água (L)

100 000

1 910 1 400 900 100

José Luis da Conceição/AE

Consumo de água na produção de alimentos

1 kg de carne bovina

Atualmente, 34% da água doce consumida pelos seres humanos é destinada à agricultura irrigada. Projetos de irrigação mal planejados podem provocar impactos ambientais, causando problemas como: exaustão hídrica da região, contaminação das águas, erosão, salinização de regiões áridas e semiáridas e, indiretamente, surgimento de problemas de saúde pública. Além disso, parte da água utilizada para irrigação não retorna ao seu curso original, e a parte que retorna possui qualidade inferior.

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CAPÍTULO

100 000 L

J. F. Diorio/AE

consumo de água (L)

100 000

Delfim Martins/Pulsar Imagens

Renato Spencer/ JC Imagem

Consumo de água na produção industrial

1 2 3 4

250 10

250 L

10 L 1 L de gasolina

5

1 kg de papel

6

1 kg de alumínio

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Indústrias normalmente lançam seus dejetos nas águas dos rios, infelizmente este controle não é adequado e causa perigosa contaminação das águas por processos industriais. Delfim Martins/Pulsar Imagens

Nas indústrias, a situação não é muito diferente. A produção de bens de consumo utiliza muita água, como exemplifica o infográfico acima. Além de ser uma das atividades que mais poluem a água, a indústria consome grande quantidade de água. Em países altamente industrializados, o consumo do setor industrial chega a ser superior a 80% do total da água consumida, enquanto a quantidade de água gasta no uso doméstico e municipal não passa de 10%. Outra fonte de preocupação em relação ao uso e à conservação da água doce são as usinas hidrelétricas, pois exigem represamento de água para a formação de grandes lagos artificiais. Essas represas causam alagamento de ecossistemas, perda de grande volume de água por evaporação e inundação de grandes extensões de terra, que geram sérios problemas ambientais, como o risco de extinção de espécies de animais e plantas, a alteração do clima da região e outros impactos. Esses alagamentos podem causar ainda problemas socioculturais, como o deslocamento de populações vizinhas, a destruição de belezas naturais, a inundação de sítios arqueológicos. Vivemos hoje uma crise em nosso padrão de civilização, é evidente que nosso modo de viver é insustentável, sendo incompatível aos recursos de que o planeta dispõe. É indispensável que encontremos padrões de consumo que não desperdicem os recursos. A água certamente é um recurso-chave nessa missão e deve estar no centro das atenções. Certamente, hoje dependemos da água para produzir bens de consumo que possam nos trazer melhor qualidade de vida, gerar empregos, impostos etc. Todavia, a atividade industrial não pode ser realizada sem os cuidados necessários com o ambiente, pois colocam em risco as nossas vidas e as das futuras gerações. A escassez de água é agravada pela crescente poluição de mananciais, levando à transmissão de doenças, como hepatite A, cólera e disenteria. Na América Central, a água contaminada tornou-se a segunda maior causa de mortalidade entre crianças de até 1 ano. No mundo, morrem cerca de seis mil crianças por ano em decorrência do mau uso da água.

Caetano Barreira/Olhar Imagem

7

A barragem de Sobradinho, com vazão de 2 000 m3/s, alagou 4 214 km2 de sertão e causou tanta preocupação que até foi tema de música (Sobradinho, de Sá e Guarabira).

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8


CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

Para entender melhor a composição desse líquido formador de recursos hídricos, estudaremos, nesta Unidade, as propriedades químicas da água. Isso nos ajudará a compreender a importância desse líquido para a vida no planeta e a desenvolver atitudes e valores favoráveis à preservação do meio ambiente para a nossa geração e para as futuras.

Debata D ebata e entenda FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Identifique no texto todos os fatores que têm contribuído para a escassez de água no planeta. 2. O Brasil foi pioneiro no aproveitamento das fontes hidrelétricas, na América do Sul e no mundo, graças ao imperador D. Pedro II, que se interessava por invenções e descobertas científicas. Descreva vantagens e desvantagens das usinas hidrelétricas para o Brasil.

3. Quais são as atividades humanas que mais consomem água e o que pode ser feito para diminuir o consumo nessas atividades?

4. Por que há, no consumo diário de água, uma diferença grande entre os habitantes dos Estados Unidos e os de alguns países africanos?

5. Quais são os principais fatores que geram uma distribuição diferenciada no consumo per capita de água no globo terrestre? 6. Por que a água dos oceanos e mares é salgada, já que eles são abastecidos por águas das chuvas e rios, que são de águas doces?

7. As águas doces também possuem sais em sua composição? Justifique. 8. Com base na leitura do texto, explique por que a quantidade total de água no planeta tem sido a mesma há bilhões de anos.

9. Em sua opinião, por que existe pouca água potável em relação ao total de água da Terra? 10. Pesquise exemplos de processos alternativos que permitem explorar as águas que não são potáveis, como a água dos mares e das geleiras, e delas obter água potável.

1 SOLUÇÕES, COLOIDES E AGREGADOS

N

o primeiro volume, você aprendeu sobre a constituição das substâncias que são formadas por átomos isolados, como os gases nobres, ou pela combinação de átomos por meio de ligações químicas (iônica, covalente ou metálica). A constituição das substâncias é expressa por fórmulas químicas que apresentam a proporção entre os átomos constituintes das substâncias ou até mesmo a sua disposição, como indicam as fórmulas estruturais e as representações das formas geométricas das moléculas. Ocorre que dificilmente as substâncias são encontradas de forma isolada. Elas sempre estão disseminadas entre outras substâncias, pois elas são formadas por constituintes (átomos, moléculas ou íons) que são extremamente pequenos e facilmente interagem com constituintes de outras substâncias. Chamamos de materiais quando a matéria é constituída por mais de uma substância. Muitos materiais têm um grau de pureza elevado, em que predomina um tipo de substância que se apresenta em maior quantidade do que as demais, sendo nesse caso chamadas impurezas.

Pense A água é um material ou uma substância?

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CAPÍTULO

Todos estes produtos apresentam substâncias dispersas em outras.

1 2 3

Fotos: Hely Demutti

Podemos nos referir à água como um material que contém diversas substâncias dissolvidas, mas também podemos nos referir à substância água, cuja fórmula química é H2O. Quando nos referimos ao material água, geralmente vinculamos a ele algum adjetivo: água de torneira, água da chuva, água mineral, águas subterrâneas, água do mar etc. As propriedades dos materiais dependem da quantidade das substâncias que as compõem, daí a razão pela qual precisamos conhecer as relações quantitativas das substâncias nos materiais, ou seja, a sua concentração ou composição. Antes, porém, vejamos como os químicos classificam os materiais conforme a sua aparência. Vamos começar esse estudo pelos materiais saneantes domissanitários que você conhece no seu cotidiano. Entre os vários materiais existentes estão os produtos saneantes domissanitários.

4 5

Pense

6

Você sabe o que são produtos saneantes domissanitários?

7 8

Os produtos saneantes domissanitários são aqueles que usamos diariamente na higienização, desinfecção ou desinfestação doméstica. De modo geral, são conhecidos pela marca ou nome fantasia, mas comercialmente são chamados pelos mais diversos nomes: lustra-móveis, limpa-pisos, limpa-vidros etc. Eles ajudam a melhorar a aparência do ambiente doméstico e dos locais de trabalho. Como você pode ver na imagem ao lado, os produtos químicos que usamos diariamente são constituídos por diversas substâncias. São elas as responsáveis por certas propriedades químicas e físicas – como cor, textura, cheiro, estabilidade, sabor etc. –, que conferem aos produtos sua forma de apresentação: solução, emulsão, gel, creme, aerossol, loção e suspensão.

Pense Como você classificaria esses materiais quanto à aparência, natureza e proporção de substâncias em sua composição?

Quanto à aparência, podemos classificá-los em: Material homogêneo é um tipo de material que apresenta aspecto uniforme em toda a sua extensão.

Material heterogêneo é um tipo de material que não apresenta aspecto uniforme.

A percepção da uniformidade dos materiais dependerá do instrumento óptico a ser utilizado. Assim, um material homogêneo a olho nu pode ser considerado heterogêneo se for observado, por exemplo, em um microscópio. A uniformidade está relacionada à distribuição homogênea dos constituintes das diversas substâncias que o compõem. Essa distribuição, também conhecida como dispersão, ocorre de forma em que os constituintes de uma substância se dispersam entre os constituintes de outra substância, ou um material se dispersa em outro material. Conforme o tamanho das partículas da substância ou do material que está disperso, a sua aparência poderá apresentar-se homogênea ou heterogênea. A verificação de que em um material existem partículas de tamanhos diminutos dispersas pode ser feita por meio da observação de um fenômeno luminoso que é demonstrado no experimento da próxima página. É possível perceber o trajeto da luz em um meio quando existem partículas que dispersam os raios luminosos. É o que conseguimos notar quando o feixe de luz atravessa o recipiente contendo água e xampu. Esse fenômeno, também percebido quando a luz dos faróis atravessa as gotículas de água da neblina, é chamado efeito Tyndall. Esse efeito OD ÍNDICE

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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

Hely Demutti

não ocorre com a água pura nem quando nela existem partículas pequenas, como íons e moléculas. Também podemos observar o efeito Tyndall quando a luz solar entra por frestas ou buracos da janela de um quarto escuro. Nesse caso, conseguimos ver, em virtude do reflexo da luz, as pequenas partículas de poeira dispersas no ar. Considerando o tamanho das partículas que estão dispersas em um material, ele poderá ser classificado como solução, coloide ou agregado, conforme o quadro abaixo. CLASSIFICAÇÃO DE MATERIAL QUANTO AO TAMANHO DAS PARTÍCULAS QUE ESTÃO DISPERSAS “Sob neblina, use luz baixa”. Essa recomendação na sinalização de estradas é necessária porque a neblina é um sistema coloidal e, por isso, sujeito ao efeito Tyndall. Se for utilizado farol alto, o feixe de luz irá se dispersar na frente do veículo, atrapalhando a visibilidade do motorista.

Material

Tamanho da partícula

Solução

Menor que 1 nm

Coloide

De 1 a 1 000 nm

Agregado

Maior que 1 000 nm

–9

nm = nanômetro (1 nm = 10 m)

Química na escola

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

O que acontece com a luz ao atravessar diferentes materiais?

V Vídeo

Para observar o tamanho das partículas dispersas em um material, você poderá realizar este experimento no laboratório ou em sua casa, podendo ser desenvolvido também de forma demonstrativa pelo seu professor na própria sala de aula.

Material • • • • •

5 béqueres (ou copos transparentes) 4 colheres (de café) xampu cloreto de sódio (NaCl – sal de cozinha) areia

• álcool • água destilada (ou filtrada) • apontador a laser (pode ser substituído por uma lanterna pequena, desde que o ambiente esteja devidamente escurecido)

Procedimento

Adicione água destilada até 1 ⁄3 do volume de cada béquer. Ao segundo béquer, adicione uma colher de álcool. Agite bem. Ao terceiro béquer, adicione uma colher de cloreto de sódio. Agite bem. Ao quarto béquer, adicione uma colher de xampu. Agite bem. Ao quinto béquer, adicione uma colher de areia. Agite bem. Deixe em repouso por cerca de 10 minutos. Observe os béqueres com as misturas, comparando-os com o primeiro, que contém apenas água. 8. Incida sobre cada béquer (na sequência de 1 a 5) o feixe de luz do apontador a laser. Observe o líquido perpendicularmente. Cuidado: não direcione a luz do apontador para o rosto das pessoas porque ela pode causar danos aos olhos.

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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Posicione o apontador a laser em relação ao recipiente com o líquido e observe o comportamento do feixe de luz ao atravessar o material.

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

Destino dos resíduos 1. Decante a areia e jogue-a no lixo e não na pia. 2. As demais soluções podem ser descartadas na pia.

1 2

Análise de dados

3

1. Qual substância você colocou em maior e em menor quantidade em cada béquer? 2. Observando a olho nu os materiais, o que é possível constatar ao incidir o feixe de luz em cada béquer? 3. Proponha uma explicação para as diferenças observadas a partir da passagem da luz nos diferentes materiais.

4 5 6 7

A palavra solução pode significar a superação de uma dificuldade, conclusão de um assunto, resultado de um problema. Em Química, você ouve muito essa palavra, mas geralmente com outro significado: solução é um tipo de material homogêneo. Em uma solução, existe sempre pelo menos uma substância dispersa (dissolvida) em outra. A substância que está dispersa é chamada soluto. A que dispersa, ou seja, que dissolve as outras, é denominada solvente.. O solvente é a substância que se apresenta em maior proporção no material. A maioria das soluções de interesse no estudo da Química tem como solvente a água. Em geral, os solutos são substâncias iônicas, mas podem ser também substâncias moleculares polares. Veja as ilustrações abaixo. J. Yuji

J. Yuji

8

H2O

H2O

Na

Sacarose

Cl

Em uma solução aquosa em que o soluto é constituído por moléculas, como no caso da sacarose, as moléculas do soluto se distribuem entre as moléculas de água. Observe que, na solução, o soluto está disperso no solvente, mas a aparência visual é homogênea, mesmo quando se usa microscópio.

Em uma solução aquosa em que o soluto é constituído por substâncias iônicas, como no caso do cloreto de sódio, os íons do soluto se distribuem entre as moléculas de água. Observe que, na solução, o soluto está disperso no solvente, mas a aparência visual é homogênea, mesmo quando se usa microscópio.

Nas soluções, as minúsculas partículas do soluto estão uniformemente distribuídas no solvente. Nesse sentido, em tais materiais não é possível observar as partículas do soluto, mesmo com o auxílio de microscópios. Ocorre, porém, que – nas soluções – um aumento da proporção do soluto levará à precipitação dele no recipiente, formando um material heterogêneo. OD ÍNDICE

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SEGURANÇA

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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

Hely Demutti

Misturas podem ser diferenciadas de soluções pelo fato de que, nas primeiras, as substâncias formam um material homogêneo em quaisquer proporções. Assim, o ar é considerado uma mistura gasosa, e não uma solução. Da mesma forma, água e álcool formam misturas. Por sua vez, água e cloreto de sódio formam soluções, pois, dependendo da quantidade de sal, se precipita.

solução aquosa saturada com sal

Solução é um tipo de material homogêneo, cuja uniformidade é constatada apenas em determinadas proporções de suas substâncias constituintes.

precipitado

Em uma solução, a adição de soluto, numa quantidade maior do que o solvente consegue dissolver, resultará na precipitação no fundo do recipiente do soluto em excesso, formando um material heterogêneo. Hely Demutti

Mistura é um tipo de material homogêneo, cuja uniformidade é constatada em qualquer proporção das suas substâncias constituintes. A olho nu, muitos materiais são classificados como homogêneos. Mas, quando eles são observados em um potente microscópio, é possível enxergar as partículas dispersas. Assim são os coloides. Tanto o meio de dispersão quanto a fase dispersa podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. O termo coloide vem do grego kólla e eîdos e foi introduzido, em 1861, pelo químico escocês Thomas Graham [1805-1869], para indicar características intermediárias entre os materiais homogêneos e os heterogêneos. Como exemplo de coloides, podemos citar:

Do ponto de vista da Química, só denominamos materiais como misturas quando, em qualquer proporção que estejam as suas substâncias, elas permanecem com aparência homogênea. Em qualquer proporção que misturemos os gases da atmosfera, esta continuará homogênea. Em qualquer proporção que se misture água e álcool, esse material permanecerá homogêneo.

tintas (pigmentos e solvente); maionese (azeite, vinagre, gema de ovo); xampus (surfactantes e aditivos); cremes de beleza (água, óleos e aditivos); gelatinas (colágeno e água); chantili (ar e creme de leite); neblina (água e ar); fumaça (materiais particulados e ar); gomas (resina ou amido e água); sorvetes (gordura, aromatizantes e água); desodorantes spray (álcool, antitranspirante, gás propelente etc.); • leite (gorduras e água); • queijos (proteínas e água); • sangue (glóbulos, plaquetas e plasma sanguíneo).

Hely Demutti

• • • • • • • • • • •

Coloide é um tipo de material heterogêneo, cuja multiformidade é constatada apenas por meio de instrumentos de alta resolução.

A maioria das tintas é coloide constituído por pigmentos dispersos em solventes.

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CAPÍTULO

H el yD em ut t

Uma das propriedades dos coloides é provocar o efeito Tyndall, conforme verificamos no experimento anterior. O xampu adicionado à água naquele experimento formou pequenas micelas, que são partículas coloidais, as quais provocaram a dispersão da luz. Podemos dizer, portanto, que o coloide é constituído por partículas muito pequenas para serem vistas a olho nu, mas grandes o bastante para dispersar a luz. Quimicamente, as partículas coloidais possuem tamanho entre 1 e 1000 nanômetros (nm). Alguns coloides recebem denominações específicas, cujos termos são encontrados em muitos produtos químicos de uso doméstico. Essas denominações são derivadas da classificação dos coloides de acordo com as fases dispersas e de dispersão. A tabela a seguir apresenta exemplos de coloides usados em nosso dia a dia com a sua respectiva classificação. As emulsões são constituídas por materiais imiscíveis como óleo e água. Para que as fases não se separem, são usados agentes emulsificantes, os quais são constituídos por moléculas com uma extremidade polar e outra apolar.

i

Imagem colorida de uma amostra de leite produzida utilizando-se um microscópico com aumento de 300 vezes.

Hely Demutti

2

7 8

Meio de dispersão

aerossol líquido

líquido

gás

neblina, desodorante

aerossol sólido

sólido

gás

fumaça, poeira

espuma

gás

líquido

espuma de sabão e de combate a incêndios

espuma sólida

gás

sólido

isopor, poliuretano

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Exemplos

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SEGURANÇA

Fotos: Hely Demutti

O leite e vários de seus derivados são exemplos de coloides. Apesar de terem uma aparência homogênea, apresentam partículas que podem ser visualizadas em um microscópio.

Fase dispersa

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4

6

Coloide

26

3

5

CLASSIFICAÇÃO DOS COLOIDES DE ACORDO COM A FASE DISPERSA E O MEIO DE DISPERSÃO*

Fe

1

75


Coloide

Fase dispersa

Meio de dispersão

emulsão

líquido

líquido

leite, maionese, manteiga

emulsão sólida

líquido

sólido

margarina, opala, pérola

sol

sólido

líquido

tinta, creme dental

sol sólido

sólido

sólido

vidro e plástico pigmentado

Exemplos Fotos: Hely Demutti

CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

CLASSIFICAÇÃO DOS COLOIDES DE ACORDO COM A FASE DISPERSA E O MEIO DE DISPERSÃO*

* Extraído da revista Química Nova na Escola, n. 9, p. 10, maio 1999.

Hely Demutti

O gel é um tipo de coloide em que o meio de dispersão é sólido e a fase dispersa é um líquido. Além disso, ele apresenta uma característica especial: possui propriedades macroscópicas (elasticidade e manutenção da forma) parecidas com as dos sólidos. Exemplos típicos são a gelatina (sobremesa) e os géis usados nos cabelos. O álcool que compramos no supermercado é uma mistura de álcool etílico (etanol), água e aditivos que lhe conferem sabor desagradável. O álcool comercial é um produto muito útil, sendo utilizado como combustível, desinfetante e desengordurante. Porém, ele é extremamente perigoso. Muito inflamável, o álcool é responsável, no Brasil, por cerca de 150 000 queimaduras por ano, sendo que quase um terço delas ocorre com crianças até 12 anos. Ele também está associado a um grande número de intoxicações causadas por sua ingestão. Para evitar esses problemas domésticos, a Anvisa (Agência Nacional de Vigilância Sanitária) baixou uma resolução decretando que o álcool etílico para consumo doméstico deverá ser vendido na forma de gel. Esse gel é obtido pela adição de propilenoglicol (C3H8O2), que lhe confere alta viscosidade e diminui a sua volatilidade, reduzindo o risco e a intensidade das queimaduras. Também neste caso são adicionadas substâncias que lhe conferem um sabor amargo.

O creme é uma emulsão de água em óleo. Na composição dos cremes e das loções são encontrados também agentes emulsificantes, substâncias que mantêm a emulsão estável. Se não fossem os emulsificantes, o óleo e a água se separariam, descaracterizando o produto.

O etanol é comercializado na forma de gel para diminuir o risco de acidentes. Hely Demutti

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i ut t em ly D He

1 2 3

O rubi é um exemplo de coloide sol sólido, em que a fase dispersa é o óxido crômico (Cr2O3), que está disperso em óxido de alumínio (Al2O3). O chamado vidro rubi (vermelho) é constituído de ouro disperso no vidro.

Hely Demutti

Hely Demutti

CAPÍTULO

Atualmente, os géis têm encontrado aplicação em uma enorme variedade de produtos, entre as quais citamos os solados de tênis com objetivo de diminuir impactos que ocorrem em esportes, formulações de cloro gel, destinadas à limpeza de pisos e roupas, e rodas em gel, substituindo a borracha. Um coloide oposto ao gel é o sol.. No sol, o meio de dispersão é um líquido e a fase dispersa é um sólido, e a mistura tem a aparência de um material líquido. Quando o pó de gelatina é aquecido em água forma um sol.

4 5 6 7 8

Gel

Os materiais heterogêneos podem se apresentar de duas formas: como agregados ou como coloides. Enquanto os coloides são materiais heterogêneos identificáveis apenas por meio de instrumentos ópticos de maior precisão, a heterogeneidade dos agregados pode ser constatada a olho nu. Neles, as partículas que formam o material são maiores do que nos coloides e podem ser separadas por filtração, dependendo da interação entre as partículas.

Hely Demutti

Sol

Quando aquecido em água, o pó de gelatina forma um coloide denominado sol. Depois de resfriado na geladeira, forma um coloide denominado gel.

Agregado é um tipo de material heterogêneo, cuja multiformidade é constatada por meio de instrumentos de baixa resolução. Hely Dem

ut ti

Agregados com sólidos dispersos em líquidos ou gases são chamados de suspensão. Neles, a fase sólida tende a sedimentar quando o sistema fica em repouso. Antibióticos são exemplos de suspensão. O granito é um material heterogêneo, no qual se percebe claramente a existência de partículas que estão disseminadas na rocha.

A preparação de muitos antibióticos é um exemplo típico de suspensão. Antes de tomar medicamentos na forma de suspensão, não se esqueça de agitá-los bem, pois nas suspensões o material particulado geralmente decanta no fundo do frasco.

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Como podemos identificar os diferentes componentes de uma mistura? 2. Em que consiste o efeito Tyndall e onde ele é mais evidente, num coloide ou numa suspensão? 3. O sol emite luz branca, deixando o aspecto de céu azul. No entanto, durante o pôr do sol, apenas os raios OD ÍNDICE

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vermelhos e alaranjados conseguem atravessar a atmosfera. O que a questão 2 e o pôr do sol têm em comum? 4. Qual é a diferença entre solução, coloide e agregado? 5. Identifique os materiais que normalmente utilizamos na nossa higiene pessoal e que podem ser classificados como homogêneos ou heterogêneos (coloides ou agregados).

B

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SEGURANÇA

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3) O efeito Tyndall pode ser observado quando um feixe luminoso atravessa uma solução coloidal. 4) Os materiais heterogêneos podem se apresentar na forma de coloides ou como agregados. 5) As emulsões são constituídas por materiais miscíveis.

6. Nos itens a seguir, classifique os materiais em: solução, CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

mistura gasosa, coloide ou agregado. a) O ar atmosférico (partículas sólidas da poeira, substâncias gasosas). b) A fumaça dos grandes centros urbanos de clima frio (impurezas da fumaça; pó natural; neblina úmida, condensada). c) Loção de leite para limpeza de pele, em repouso. d) Suco de laranja natural (laranjas e água). e) Suco de laranja artificial (pó para suco e água). 7. Em uma solução, o que é denominado soluto e o que é solvente? 8. Em relação aos materiais coloidais, julgue os itens, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) Gel é uma dispersão coloidal na qual o meio de dispersão é sólido, e o disperso é líquido. 2) Os coloides são facilmente perceptíveis a olho nu. 3) Sol é uma dispersão coloidal na qual o meio de dispersão e o disperso são líquidos. 4) O efeito Tyndall pode ser utilizado para identificação de sistemas coloidais.

13. (Cesgranrio-RJ) Considere o quadro a seguir: Propriedade

átomos, íons ou pequenas moléculas

Efeito da gravidade

não sedimenta não sedimenta

Uniformidade

homogênea

potes de plástico ou, no caso do chantili, na forma de spray. E trazem, indicado na embalagem, o volume em vez da massa. Responda aos itens utilizando os seus conhecimentos. a) Como poderiam ser classificados esses dois materiais coloidais? b) Por que eles são vendidos em volume e não em massa?

possui massa molecular 74,5, espera-se que o fluoreto XF apresente massa molecular: Dados: F = 19; Cl = 35,5 a) 29,0. b) 37,5. c) 44,0. d) 58,0. e) 83,5.

E para os errados. 1) A característica que diferencia soluções verdadeiras de dispersões coloidais e de suspensões é a dimensão das partículas. 2) Em uma emulsão, a fase dispersa e dispersante são respectivamente líquida e sólida.

ÍNDICE

Ferro

T. PERIÓDICA

pode ser separada por papel de filtro

15. (Esan-SP) Se o cloreto representado pela fórmula XCl

12. Julgue os itens abaixo, marcando C para os corretos e

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pode ser separada somente por membranas especiais

a) um eletrólito é adicionado a uma solução coloidal. b) uma corrente elétrica atravessa uma solução ou dispersão coloidal. c) um feixe luminoso atravessa uma solução coloidal. d) aquecemos um sol. e) aquecemos um gel.

mistura heterogênea. No entanto, se misturarmos o óleo e o vinagre com as gemas de ovos, sob agitação constante, forma-se uma mistura de aspecto uniforme: a maionese. a) Que tipo de material coloidal é a maionese? b) Explique por que o óleo se misturou com o vinagre ao serem adicionadas as gemas de ovos.

OD

não tão homogênea heterogênea

14. (Mack-SP) O efeito Tyndall é observado quando:

11. Quando se coloca óleo no vinagre, obtém-se uma

78

sedimenta rapidamente

Logo, podemos afirmar que: a) A = solução verdadeira; B = suspensão; C = solução coloidal. b) A = suspensão; B = solução coloidal; C = solução verdadeira. c) A = solução coloidal; B = solução verdadeira; C = suspensão. d) A = solução coloidal; B = suspensão; C = solução verdadeira. e) A = solução verdadeira; B = solução coloidal; C = suspensão.

10. Produtos como o chantili e o sorvete são vendidos em

2 8 14 2

Dispersão C

partículas macromoléculas ou visíveis a grupos de moléculas olho nu

não pode ser Separabilidade separada por filtração

mento como resfriada, e a maionese são consideradas coloides ou soluções? Qual é o meio de dispersão e o disperso em cada caso?

26

Dispersão B

Natureza das moléculas

9. A gelatina, tanto dissolvida na água após o seu aqueci-

Fe

Dispersão A

a

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SEGURANÇA


CAPÍTULO

2 CONCENTRAÇÃO E SUAS UNIDADES

A

s reações químicas conduzidas em laboratórios geralmente ocorrem em soluções aquosas. Dessa forma, um cálculo muito comum pelos químicos envolve relações quantitativas de soluções. A expressão dessas relações quantitativas é denominada concentração.

1 2 3

Pense

4

O que você entende por concentração?

5 6

Hely Demutti

O termo concentração é polissêmico. Ele pode ser usado para se referir à preparação de jogadores para uma partida de futebol, para a manifestação popular, para o grau de atenção de um estudante na prova etc. Em Química, ele assume significado semelhante à ideia que se tem da indicação da existência de muito ou pouca substância em um material. Por exemplo, nos referimos a sucos concentrados como aqueles que possuem uma grande quantidade de extrato do suco por unidade de volume; os diluídos são aqueles que estão misturados com mais água. As garrafas de suco concentrado devem conter orientações sobre quantas partes de água devem ser acrescentadas para o preparo da bebida. É claro que essa é apenas uma recomendação do fabricante, que se baseia no gosto médio da população. Sempre há aquele que prefere o suco mais concentrado ou mais diluído, ou seja, misturado com mais ou menos água. Assim também surgiram as tradicionais expressões “café forte” ou “chá fraco”. A concentração pode ser percebida, nesses casos, pela cor do material ou pelo sabor.

7 8

Copos contendo o mesmo suco, todos com concentrações diferentes.

Pense Qual dos copos apresenta uma maior concentração de suco? Por que variando a concentração de soluções coloridas há variação na sua cor?

A variação da quantidade de soluto dissolvido em uma solução altera as suas propriedades que podem ser perceptíveis pela cor ou sabor. Mas, em laboratórios de química, não é possível a identificação da variação dessa propriedade sem medidas adequadas. Para fazer seus cálculos, os químicos precisam saber com precisão a quantidade de cada substância presente nos materiais. Assim, em química, a concentração refere-se às relações entre a quantidade de uma substância (usualmente denominada soluto) e o volume OD ÍNDICE

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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

total do material (solução). A quantidade do soluto pode ser expressa em diferentes unidades. Dessa forma, obtemos diferentes tipos de concentração: • concentração em massa; • concentração em volume; • concentração em quantidade de matéria. A seguir, vamos estudar as duas formas mais comuns de expressar a concentração. Nessas expressões, utilizamos grandezas relativas ao soluto, ao solvente ou à solução. Para facilitar, adotaremos como convenção os seguintes índices nas grandezas: 1 para o soluto e 2 para o solvente. No caso de solução, não usaremos índice.

Concentração em massa A maneira mais comum de se expressar a concentração de soluções é por meio da massa do soluto (m1) e pelo volume da solução (V). (V) Como a massa é normalmente expressa em gramas e o volume, em litros, teremos como unidade de medida da concentração g/L. Dependendo da situação, outras unidades podem ser adotadas, como mg/mL, g/100 mL, g/m3, mg/L etc. A concentração em massa de uma solução (Cm/V) expressa a relação entre massa do soluto (m1) e volume da solução (V). A concentração em massa é expressa da seguinte forma: C m/ V =

msoluto ( g ) m1( g ) = Vsolução (L ) V(L )

Vejamos um exemplo: 1. Qual será a concentração em massa de cloreto de sódio em um soro fisiológico que possui 9 g desse sal dissolvido em 100 mL de água? Cm/ V (NaCl) =

9 g NaCl 100 mL

90 g NaCl 1000 mL = = 90 g / L 1 L solução L solução

Concentração em quantidade de matéria As substâncias reagem em proporções definidas. Essas proporções podem ser expressas pela grandeza “quantidade de matéria” e são denominadas proporções estequiométricas. Assim, um mol de ácido clorídrico (HCl) reage com um mol de hidróxido de sódio (NaOH) para formar um mol de cloreto de sódio (NaCl) e um mol de água (H2O), como indica a equação química abaixo: HCl(aq) + NaOH(aq) ( NaCl(aq) + H2O(l) Em virtude das relações estequiométricas e ao fato de a maioria das reações químicas ocorrer em meio aquoso, é muito importante para o químico conhecer as concentrações

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CAPÍTULO

das substâncias em quantidade de matéria (Cn/V ). Essas são expressas em mol por litro (mol/L) ou seus múltiplos. A concentração em quantidade de matéria de uma solução (Cn/V) expressa a relação entre a quantidade de matéria e o volume da solução.

1 2

Veja os exemplos a seguir:

3

2. Qual é a concentração da solução preparada pela dissolução de 1 mol de HCl em meio litro de água? A partir da definição de concentração em quantidade de matéria: Cn/ V

4 5 6

quantidade de matéria (mol mol) n (mol mol) = = volume (L ) V (L )

7 8

Substituem-se os valores fornecidos, então se tem: Cn/ V (HCl) =

1 mol HCl = 2 mol mol / L 0 , 5 L solução

Muitas vezes, o valor disponível é a massa do soluto. Nesse caso, inicialmente deve-se calcular a quantidade de matéria do soluto, para depois se fazer o cálculo da concentração em quantidade de matéria. Vejamos um exemplo nesse sentido. 3. Qual será a concentração em quantidade de matéria da solução preparada, dissolvendo-se 20 g de hidróxido de sódio em 2 L de água? Dados: M(Na) = 23 g/mol, M(O) = 16 g/mol, M(H) = 1 g/mol. Nesse caso, inicialmente deve-se calcular a quantidade de matéria (n) do soluto, a partir da massa molar (M) do soluto: massa molar do NaOH: M(Na) + M(O) + + M(H) M(NaOH) = 23 g/mol + 16 g/mol + 1 g/mol = 40 g/mol n (NaOH) =

20 g NaOH m (g ) = 0 , 5 mol = M ( g / mol) 40 g / mol NaOH

Finalmente, calcula-se a concentração em quantidade de matéria: C( n / V ) =

n (mol) 0 , 5 mol = = 0 , 25 mol / L V (L ) 2L

Observe que para o cálculo acima, a quantidade de matéria (n) é determinada em função da massa do soluto (m1) fornecida e da sua massa molar (M). Portanto, nesse caso a concentração em quantidade de matéria será calculada pela fórmula: m1 ( g ) massa ( g ) = massa molar ( g / mol) ⋅ volume (L ) M ( g / mol) ⋅ V (L ) 26

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Cn/ V =

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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

Calculando a concentração de algumas soluções De modo geral, as unidades de concentração mais utilizadas nos cálculos químicos são: concentração em massa e concentração em quantidade de matéria. Vejamos alguns exemplos de cálculos básicos de concentração de soluções.

Cálculo de concentração em quantidade de matéria a partir da massa do soluto 1. As informações abaixo foram retiradas de uma bula de medicamento para reidratação oral:

Modo de usar: dissolva o conteúdo do envelope em 500 mL de água. Composição: cada envelope contém cloreto de potássio citrato de sódio di-idratado cloreto de sódio glicose

75 mg 145 mg 175 mg 10 g

Calcule a concentração em quantidade de matéria de cloreto de potássio, na solução preparada segundo as instruções da bula. Sabendo que, para dados de soluto em massa, a concentração em quantidade de matéria é definida por:

Cn/ V =

m1 ( g ) M ( g / mol) ⋅ Vsolução (L )

Inicialmente, calcula-se a massa molar do cloreto de potássio. Dados: M(K) = 39,1 g/mol, M(Cl) = 35,5 g/mol M(KCl) = 39,1 + 35,5 = 74,6 g/mol

75 mg ⋅ 1 g M(KCl ) = para litro: = 0 , 075 g Em seguida, calcula-se a quantidade de matéria e converte-se o volume 1000 mg M(KCl) =

75 mg ⋅ 1 g 1000 mg

= 0 , 075 g

V =

500 mL ⋅ 1 L 1000 mL

= 0, 5 L

500 mL ⋅ 1 L V = a concentração = em 0 , 5quantidade L Determina-se, agora, de matéria, substituindo-se os valores com as unidades 1000 mL apropriadas: Cn/ V =

0 , 075 g m1 ( g ) = 0 , 002 mol / L = M ( g / mol) ⋅ Vsolução (L ) 74 , 5 g / mol ⋅ 0 , 5 L

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CAPÍTULO

Cálculo de concentração em quantidade de matéria a partir da concentração em massa

1

2. Determine a concentração em massa (g/L) de uma solução de NaOH com a concentração de 2,0 mol/L.

2

Dados: M(Na) = 23 g/mol; M(O) = 16 g/mol; M(H) = 1,0 g/mol. Neste caso, deve-se converter a quantidade de matéria em massa, a partir da massa molar: M(NaOH) = 23 g/mol + 16 g/mol + 1 g/mol = 40 g/mol

)

3 4

)

m (NaOH = n ⋅ M (NaOH H = 2 mol mol ⋅ 4 40 0 g/ m mol ol = 8 80 0g

5 6

Daí: m(NaOH) = n(NaOH) ⋅ M(NaOH) = 2 mol ⋅ 40 g/mol = 80 g Substituindo-se os valores, temos: Cn/ V =

7

m1 ( g ) 80 g = = 80 g / L Vsolução (L ) 1L

8

3 COMPOSIÇÃO

N Hely Demutti

os materiais em geral são encontradas mais de duas substâncias. Nesse caso, muitas vezes temos necessidade de conhecer a composição do material, ou seja, precisamos identificar todas as substâncias nele contidas e em que quantidades elas estão presentes. Quando nos referimos à quantidade de apenas uma das substâncias presentes no material, sem nos interessar pelas demais, chamamos essa quantidade de teor da substância no material.

A concentração dos nutrientes de alimentos sólidos geralmente é apresentada sob a forma de título (m1/m).

Lembre-se de que solução refere-se, em geral, a um material em que se considera a existência de apenas duas substâncias – o soluto e o solvente, embora sempre existirão, além do soluto, outras impurezas. Portanto, o conceito de concentração refere-se a um material homogêneo (solução) com duas substâncias. Já o teor se refere à relação quantitativa de uma substância em um material constituído por mais de duas substâncias. O teor das substâncias deve ser expresso corretamente e suas unidades identificadas. Como o teor pode ser medido por diferentes unidades, a composição dos materiais poderá ser expressa conforme os teores de cada substância, de várias formas. Vejamos, a seguir, alguns tipos. OD ÍNDICE

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Teor em massa por massa (título — δ) CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

O título, muito utilizado pela indústria, expressa a concentração em massa do soluto, ou solutos, por massa da solução. A massa do soluto (m1) é normalmente expressa em gramas ou miligramas, enquanto a massa da solução (m) é expressa em grama, quilograma ou dag (100 g). Dessa forma, as unidades que comumente aparecem são: g/g, mg/g, mg/kg. A expressão do teor em massa por massa (δ) ( será:

Hely Demutti

δ =

m (g ) massa do soluto ( g ) = 1 massa da solução ( g ) m (g )

Se em um xampu específico existem 2,4 g de cloreto de sódio em cada 100 g de xampu, além de poder expressar o teor de NaCl como 2,4 g/100 g de xampu, podemos também representá-lo assim: δ (Na Cl) = NaCl

2, 4 g = 24 g / kg 0 ,100 kg

Outra forma comum de apresentar o título é em percentual. O teor de acidez do ácido acético em vinagre é, geralmente, expresso em percentual. Esse teor indica a fração percentual em massa. Assim, um vinagre com 4% de acidez possui 4 g de ácido acético em 100 g de vinagre.

Pense O que significa dizer que um determinado vinagre tem acidez igual a 4%?

É comum encontrar a concentração expressa dessa forma em embalagens de produtos de limpeza, cosméticos, alimentos, medicamentos e outros. Ela indica a massa (m1, em gramas) de determinada substância existente em 100 g do produto. Por ser em 100 g é que chamamos de porcentagem. Nesse caso, o teor é denominado fração percentual em massa, que corresponde ao título multiplicado por 100%. P(m)% = δ ⋅ 100%

Teor em partes por milhão (ppm) Hely

D em

ut ti

Expressar uma concentração em mg/kg significa que para cada 1000000 mg de solução tem-se x mg do soluto, ou seja, x partes por milhão. Outras combinações de unidades, por exemplo, mg/L, mL/kg ou mL/kL, também representam essa proporção. Todas elas podem ser representadas por ppm (partes por milhão). Essa unidade é muito utilizada para expressar a concentração de contaminantes, como chumbo, em água. Se na água há 25 ppm de chumbo, isso significa que haverá 25 g de chumbo em cada metro cúbico (1 m3 = 1000 L = 1000000 mL = 1000000 g). Utilizados pelos químicos, os espectrofotômetros possibilitam a determinação de concentrações em ppm e até em ppb (partes por bilhão).

Fração por quantidade de matéria (φ) A fração por quantidade de matéria(φ) é pouco utilizada para soluções líquidas porque a quantidade de matéria do soluto normalmente é muito menor que a quantidade de matéria total da solução. Mas ela é importante porque certas propriedades químicas dependem diretamente dessa fração dos constituintes, que pode variar de zero a um.

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OD ÍNDICE

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Fe

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55,8

T. PERIÓDICA

a

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c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

φ =

n (m mo oll) o quantidade de matéria da substância mol a (m oll) = 1 quantidade de matéria total (mol ol) mol) nT (mol

1

Qual será a fração por quantidade de matéria do açúcar (sacarose — C12H22O11) quando se dissolvem 171 g em 540 g de água, sabendo que a massa em quantidade de matéria do açúcar é igual a 342 g/mol? Para facilitar, vamos calcular inicialmente a quantidade de matéria dos dois constituintes da solução: o açúcar e a água. n( açúcar ) =

m( açúcar )

3 4

171 g = = 0 , 5 mol 342 g / mol

M( açúcar )

5 6

m( água )

n( água ) =

2

=

M( água )

540 g =3 30 0 mol 18 g / mol

7 8

E a fração por quantidade de matéria será então: φ( açúcar ) =

0 , 5 mol de açúcar = 0 , 016 30 , 5 mol total

Note que a fração por quantidade de matéria não apresenta unidade porque, ao final, teremos sempre mol/mol. Qual será a fração por quantidade de matéria da água nessa solução? Fazendo os cálculos, teremos: φ( água ) =

30 mol de água = 0 , 984 30 , 5 mol total

Somando as frações por quantidades de matéria, teremos:

φ( açúcar ) + φ( água ) = 1

A soma das frações por quantidades de matéria de todos os constituintes de uma solução será sempre igual a um, independentemente do seu número de constituintes. O mesmo cálculo pode ser feito para uma mistura de sólidos, líquidos ou gases. Calculemos, por exemplo, a fração por quantidade de matéria do etanol (CH3CH2OH), quando se misturam 500 g deste com 500 g de água: n(etanol) =

n( água ) =

m(etanol) M(etanol) m( água ) M( água )

=

500 g ≈ 10 , 87 mol 46 g / mol

=

500 g ≈ 27 , 78 mol 18 g / mol

E a fração por quantidade de matéria do etanol será então: φ(etanol) =

10 , 87 mol de etanol ≈ 0 , 2812 38 , 65 mol tottal

Consequentemente, a fração por quantidade de matéria da água na mistura será de 0,7188, o que corresponde à diferença 1 – 0,2812. OD ÍNDICE

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! TABELAS

SEGURANÇA

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Muitos postos de combustíveis adulteram o teor de álcool na gasolina, adicionando outros solventes. Inspeções periódicas para verificar se a composição dos combustíveis está com seus teores corretos são feitas por químicos. Hely Demutti

Na comunidade científica, os químicos buscam padronizar suas unidades de medidas e expressá-las corretamente. No caso de soluções, usa-se concentração em quantidade de matéria. Na indústria, porém, nem sempre há uma padronização. Por esse motivo, frequentemente são encontrados nos rótulos dos produtos químicos teores com unidades diferentes das estudadas aqui. Muitos desses teores não especificam claramente a relação a que se referem. Um dos teores utilizados é a fração em volume, usualmente expressa em fração percentual. Essa fração é usada para líquidos e gases. Como na mistura de líquidos o volume total nem sempre corresponde à soma dos volumes das substâncias que o compõem, considera-se o total como a soma de cada um dos volumes separadamente. Por exemplo, a mistura de 50 mL de água com 50 mL de álcool produz uma solução com volume final inferior a 100 mL, mas, para cálculo da fração em volume, consideram-se 100 mL como a soma das duas substâncias. Como as embalagens não têm especificação precisa das unidades, muitas vezes ficamos confusos sobre a que se referem os valores. Por exemplo, quando na embalagem há informação de que determinado componente ativo tem o teor de 0,50%, fica para nós a seguinte interrogação: esse percentual é relativo à massa ou ao volume? Por essa razão, os químicos evitam empregar teores em percentual, mesmo sendo usuais, para expressar a composição, em frascos de desinfetantes, água sanitária, álcool etc. Veja outros exemplos de teores comumente empregados. Nos frascos de água oxigenada, usada como antisséptico, o teor em fração percentual em volume de peróxido de hidrogênio (H2O2) é 3%, embora a embalagem indique água oxigenada 10 volumes. Esse teor diz respeito à quantidade de gás oxigênio produzida pela decomposição do peróxido de hidrogênio. Assim, um frasco de um litro de água oxigenada 10 volumes produzirá 10 litros de gás oxigênio nas CNTP (condições normais de temperatura e pressão). A concentração do álcool comercial é expressa em dois tipos de unidades: grau GayLussac (GL) e grau INPM. O grau GL refere-se à fração percentual em volume, e o INPM, à fração percentual em massa. Assim, um álcool 96 graus GL é um álcool que contém, em volume, etanol na fração percentual de 96%, ou seja, nesse material há a proporção 960 mL de etanol para cada 40 mL de água. O álcool mais recomendado para uso doméstico como desinfetante é o 46 INPM. Esse álcool, com menor teor de etanol, não queima tão facilmente como o álcool 92,8 INPM, que possui maior teor de etanol.

No Brasil, a fração percentual em volume do etanol na gasolina é de aproximadamente 24%.

Hely Demutti

Os teores de determinados produtos possuem uma significação diferente das usualmente adotadas. Um frasco de água oxigenada de 10 volumes é, assim, denominado não porque tenha 10 volumes de peróxido de hidrogênio, mas porque um litro desse frasco produz 10 litros de gás oxigênio nas CNTP.

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Hely Demutti

Fábio Motta/AE

CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

Composição de produtos comerciais

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! TABELAS

SEGURANÇA


FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

(diluente) – 95,7%; dióxido de silício coloidal (antiumectante) – 0,5%. a) Calcule a massa de cada soluto. b) Pesquise o significado das palavras: edulcorante, diluente e antiumectante.

1. Conforme a quantidade de essência utilizada, os perfumes podem ser classificados em: Classificação

CAPÍTULO

Exercícios

% da mL de essência por essência litro de perfume

Composição do solvente

Perfume

entre 15 entre 150 e 300 e 30

950 mL de álcool etílico e 50 mL de água

Loção perfumada

entre 8 e 15

entre 80 e 150

900 mL de álcool etílico e 100 mL de água

Água de toalete

entre 4e8

entre 40 e 80

800 mL de álcool etílico e 200 mL de água

Água-de-colônia

entre 3e4

entre 30 e 40

700 mL de álcool etílico e 300 mL de água

Deocolônia

entre 1e3

entre 10 e 30

700 mL de álcool etílico e 300 mL de água

ÍNDICE

Ferro

T. PERIÓDICA

7 8

dratação. Uma de suas receitas é: dissolver 1 colher de chá de sal (NaCl), 2,5 g, e 8 colheres de chá de açúcar, (C12H22O11), 18 g, em um litro de água. Calcule a concentração em quantidade de matéria de cada componente dessa solução.

8. Sabendo-se que uma solução foi preparada pela dissolução de 0,50 mol de cloreto de sódio em 36 g de água, calcule a fração por quantidade de matéria do cloreto de sódio e da água.

9. Considerando que em 100 g de ar existem 75,4 g de nitrogênio (N2), 23,3 g de oxigênio (O2) e 1,3 g de argônio (Ar), calcule a fração por quantidade de matéria desses gases.

10. (ITA-SP) Para preparar 500 mL de uma solução aquosa

massa, frações percentuais de: aspartame (edulcorante artificial) – 3,8%; lactose alfamonoidratada

a

6

o preparo das seguintes soluções: a) 2,0 L de NaCl(aq) 0,20 mol/L. b) 500 mL de CaCl2(aq) 0,50 mol/L. c) 250 mL de C6H12O6(aq) 0,315 mol/L.

3. Em um envelope de adoçante dietético de 1 g há, em

55,8

5

ta sua composição química: 2,21 mg/L de NaF (fluoreto de sódio). Será que essa água possui quantidade suficiente de flúor para proteger a dentição das crianças, sabendo que o teor recomendado de íons fluoreto na água mineral para o combate às cáries é de 0,8 ppm?

7. O soro caseiro é um grande aliado no combate à desi-

e agem como poderosos estimulantes. Mas não possuem o poder de nos carregar de energia. Antes de consumir esse tipo de bebida, convém ler os rótulos. Veja a composição de uma bebida energética qualquer: água gaseificada, sacarose, glicose, taurina (1 000 mg/250 mL), glucoronolactona (60 mg/250 mL), cafeína (80 mg/250 mL), inositol (50 mg/250 mL), vitamina, ácido cítrico, caramelo e aromatizantes. Responda aos itens a seguir. a) Calcule a concentração em massa (g/L) da cafeína, da taurina, da glucoronolactona e do inositol. b) Será que podemos considerar a bebida energética como bebida isotônica (que visa a reidratar o corpo rapidamente)? Cuidado: bebidas isotônicas são recomendadas para pessoas que praticam atividade física intensa. Beber água com frequência é o ideal. c) Que pessoas não devem tomar esse tipo de bebida? Justifique.

OD

4

5. No rótulo de uma água mineral natural fluoretada, cons-

2. As ditas “bebidas energéticas” são ricas em cafeína

2 8 14 2

3

de álcool etílico hidratado: 65° INPM. Nesse tipo de notação, o número indica a porcentagem do volume de álcool. Isso significa que, para cada 100 mL desse produto, 65 mL são de álcool. Qual o volume de álcool em 1 L de álcool gel? Classifique o material.

6. Calcule a massa (em gramas) do soluto necessária para

26

2

4. O rótulo de um álcool em gel apresenta a indicação

Responda às questões a seguir. a) Esta é a duração média do cheiro dos perfumes na pele: meia hora aproximadamente, 1 hora e meia, 4 horas, 6 a 8 horas, 8 horas a dois dias. Correlacione a duração com a classificação. Justifique. b) Se colocarmos 0,6 g (δ = 0,9 g/mL) de essência em 800 mL de solvente, obteremos um perfume concentrado? Qual será a sua concentração em massa (g/L)?

Fe

1

0,2 mol/L de NaOH, um indivíduo tem à sua disposição: Frasco I – solução aquosa de NaOH 5,0 mol/L à vontade; Frasco II – balão volumétrico de 500 mL e água destilada à vontade. O procedimento correto será: a) colocar, no frasco II, 40,0 mL da solução do frasco I e completar os 500 mL com água destilada.

B

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! TABELAS

SEGURANÇA

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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

b) colocar, no frasco II, 20,0 mL da solução do frasco I e completar os 500 mL com água destilada. c) colocar, no frasco II, 460 mL de água destilada e completar os 500 mL com solução do frasco I. d) colocar, no frasco II, 480 mL de água destilada e completar os 500 mL com solução do frasco I. e) colocar, no frasco II, 460 mL de água destilada e completar os 40,0 mL de solução do frasco I.

15. (Fuvest-SP) O limite máximo de “ingestão diária

11. (UFPA) Uma solução contém 30 g de NaI, 48 g de

consistem basicamente de solução aquosa de amônia. Para reagir completamente com a amônia presente em 5,00 mililitros de amostra de um determinado produto de limpeza, foram necessários 31,20 mililitros de ácido clorídrico 1,00 mol/L. A reação que ocorre é: NH3(aq) + HCl(aq) ( NH4Cl(aq) a) Calcule a concentração em quantidade de matéria de amônia na amostra. b) Supondo a densidade da solução de amônia igual a 1 grama por mililitro, calcule a fração percentual em massa de amônia presente na amostra.

aceitável” (IDA) de ácido fosfórico, aditivo em alimentos, é de 5 mg/kg de peso corporal. Calcule o volume de refrigerante, contendo ácido fosfórico na concentração em massa de 0,6 g/L, que uma pessoa de 60 kg deve ingerir para atingir o limite máximo de IDA.

16. (Vunesp) Alguns produtos de limpeza doméstica

NaOH e 702 g de água. As frações por quantidade de matéria do NaI e do NaOH são, respectivamente: a) 0,5 e 0,3. b) 0,005 e 0,03. c) 5 e 5. d) 0,05 e 0,3. e) 0,005 e 0,3.

12. (Fuvest-SP) Um analgésico em gotas deve ser ministrado na quantidade de 3 mg por quilograma de peso corporal, não podendo exceder 200 mg por dose. Cada gota contém 5 mg de analgésico. Quantas gotas deverão ser ministradas a um paciente de 80 kg?

17. (UFRJ) A sacarina, que tem massa

O molecular 183 e fórmula estrutuC ral conforme ilustração ao lado, é NH utilizada em adoçantes artificiais. SO2 Cada gota de um certo adoçante contém 4,575 mg de sacarina. Foram adicionadas, a um recipiente contendo café com leite, 40 gotas desse adoçante, totalizando um volume de 200 mL. a) Determine a concentração em quantidade de matéria da sacarina nesse recipiente. b) Quantos mililitros de café com leite devem ser adicionados ao recipiente para que a concentração em massa da sacarina se reduza a 1/3 da concentração em massa inicial?

13. (UFG-GO) A quantidade diária de cálcio recomendada a adultos é de 1,0 g. Um indivíduo, pela manhã, ingere um copo de iogurte integral de 200 g, no almoço, 250 mL de leite, preparado a partir de leite em pó. Que quantidade de leite integral deverá ser consumida à noite, para o indivíduo alcançar a dose diária de cálcio? Dados: 400 g de leite em pó produzem 4 L de leite; teores médios de cálcio: 145 mg/100 g de iogurte integral; 120 mg/100 g de leite integral; 100 mg/100 g de leite em pó.

14. (UFMG) Uma dona de casa, em um supermercado, se depara com as seguintes informações sobre detergentes à base de amoníaco: Detergente

Conteúdo da Concentração de amoembalagem níaco em porcentagem (mL) volume/volume

18. (PUC-MG-Adaptado) De acordo com o laboratório,

Preço do produto (R$)

I

500

5

2,50

II

500

10

4,00

III

1000

5

5,00

IV

1000

10

9,00

o suco de laranja industrializado apresenta em 200 mL do suco 80 mg de vitamina C, cuja massa molar é igual a 176 g/mol. No suco de laranja, a concentração, em quantidade de matéria (mol/L), de vitamina C, equivale em média a, aproximadamente: a) 2,2 ⋅ 10 –6. b) 4,5 ⋅ 10 –4. c) 2,3 ⋅ 10 –3. d) 4,5 ⋅ 10 –1. e) 2,2 ⋅ 10 –1.

Considerando-se os dados do quadro, a alternativa que indica o detergente que tem o menor preço por quantidade de amoníaco em solução é: a) I. c) III. b) II. d) IV.

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19. (Ufes) Em diabéticos, a ingestão de 80 g de açúcar comum (sacarose) eleva a quantidade de glicose no

a

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! TABELAS

SEGURANÇA


A massa de nitrato de amônio, em quilogramas, que o agricultor deverá empregar para fertilizar sua cultura, de acordo com a recomendação do fabricante, é igual a: a) 120. c) 180. b) 150. d) 200.

2

gerante, uma na versão diet e outra na versão comum. Ambas contêm o mesmo volume de líquido (300 mL) e têm a mesma massa quando vazias. A composição do refrigerante é a mesma em ambas, exceto por uma diferença: a versão comum contém certa quantidade de açúcar, enquanto a versão diet não contém açúcar (apenas massa desprezível de um adoçante artificial). Pesando-se duas latas fechadas do refrigerante, foram obtidos os seguintes resultados:

3

com nomes especiais são mostradas a seguir: Fórmula do soluto predominante

Fração percentual em massa

NaCl

0,9

Vinagre

C2H4O2

5

Água sanitária

NaClO

2

H2O2

3

Soro fisiológico

Água oxigenada

Considerando que a densidade das soluções é de 1,0 g/mL e que as soluções são formadas exclusivamente pelo soluto predominante e pela água, o produto que apresenta a maior concentração em quantidade de matéria, mol/L, é: a) soro. b) vinagre. c) água sanitária. d) água oxigenada.

J. Yuji

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OD

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T. PERIÓDICA

a

331,2

Lata com refrigerante diet

316,2

7 8

24. (UFRGS-RS) Um aditivo para radiadores de automó-

90 m

2 8 14 2

Lata com refrigerante comum

6

0,4 mol/L de HCl, a partir do ácido concentrado (16 mol/L), o volume de água, em litros, a ser utilizado será de: a) 0,03. b) 0,47. c) 0,74. d) 1,03. e) 1,17.

50 m

26

Massa (g)

5

23. (Cesgranrio-RJ) Para se preparar 1,2 litro de solução

60 m

Fe

Amostra

4

Por esses dados, pode-se concluir que a concentração em massa, em g/L, de açúcar no refrigerante comum é de, aproximadamente: a) 0,020. b) 0,050. c) 1,1. d) 20. e) 50.

21. (Uerj) Um fertilizante de larga utilização é o nitrato de amônio, de fórmula NH4NO3. Para uma determinada cultura, o fabricante recomenda a aplicação de 1 L de solução de nitrato de amônio de concentração, em quantidade de matéria 0,5 mol ⋅ L–1 por m2 de plantação. A figura a seguir indica as dimensões do terreno que o agricultor utilizará para o plantio.

1

22. (Fuvest-SP) Considere duas latas do mesmo refri-

20. (Uerj) Algumas soluções aquosas vendidas no comércio Nome do produto

CAPÍTULO

sangue em 1,0 g de glicose para cada litro de sangue. Considerando-se que a taxa de glicose no sangue dos diabéticos, em condições normais, é de aproximadamente 1,4 g/L, a concentração, em quantidade de matéria, de glicose (C6H12O6) no sangue de uma pessoa diabética após o consumo de 100 g de açúcar será de, aproximadamente: a) 7,8 ⋅ 10 –3 mol/L. b) 6,9 ⋅ 10 –3 mol/L. c) 6,9 ⋅ 10 –2 mol/L. d) 1,5 ⋅ 10 –2 mol/L. e) 1,5 ⋅ 10 –1 mol/L.

veis é composto de uma solução aquosa de etilenoglicol. Sabendo que em um frasco de 500 mL dessa solução existem cerca de 5 mol de etilenoglicol (C2H6O2), a concentração em massa dessa solução, em g/L, é: a) 0,010. d) 310. b) 0,62. e) 620. c) 3,1.

B

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! TABELAS

SEGURANÇA

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4 DILUIÇÃO DE SOLUÇÕES

E

CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

m suas atividades, o químico necessita preparar soluções com concentração conhecida. Isso pode ser feito a partir da medida precisa da massa do soluto e do volume da solução, conforme a técnica apresentada no experimento da página seguinte. Outro procedimento seria diluir soluções de concentração conhecida. O processo de diluição é muito usual no nosso cotidiano. Isso ocorre com materiais de limpeza, medicamentos, tintas etc. O processo de diluição consiste no acréscimo de solvente à solução. Ao fazermos isso, a quantidade do soluto permanece constante, mas a concentração (razão entre quantidade de soluto e volume da solução) altera-se. Assim, poderemos ter as seguintes relações, diferenciando-se a solução inicial da final, utilizando, respectivamente, os índices i e f:

Ci =

mi Vi

e Cf =

mf Vf

Como a quantidade de soluto não varia com a diluição, podemos, então, afirmar que mi é igual a mf. Igualando as equações anteriores, teremos:

m1 = mf ( Ci ⋅ Vi = Cf ⋅ Vf ( C f =

Ci ⋅ Vi Vf

O mesmo raciocínio pode ser empregado para soluções, cujas concentrações são expressas em quantidade de matéria por litro (mol/L). Nesse caso, igualando as quantidades de matéria iniciais e finais, obteremos a equação: mf =

mi ⋅ Vi Vf

Esse raciocínio permite-nos fazer cálculos para preparar soluções a partir de soluções concentradas por diluições.

Química na escola

Vídeo

V

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

Como preparar uma solução

Uma atividade muito comum no laboratório de química é a preparação de solução. A técnica envolve a pesagem cuidadosa do soluto, a medida rigorosa de seu volume, a transferência correta do soluto e o acréscimo da quantidade exata do solvente. O rigor exige materiais de laboratório bem calibrados, como balão volumétrico e balança. O presente experimento deve ser feito no laboratório da escola. Na ausência dos materiais indicados, eles poderão ser substituídos por materiais caseiros. Nesse caso, o experimento poderá ser desenvolvido em casa. Com ele, você vai aprender a técnica utilizada pelos químicos na preparação de soluções.

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CAPÍTULO

Material • • • • •

água destilada (ou filtrada) béquer (ou copo de vidro) permanganato de potássio (KMnO4) – 1 envelope de 0,1 g 5 balões volumétricos (ou pipetas, ou seringas descartáveis) de 100 mL pipeta (ou seringa) de 10 mL

1 2 3 4

Procedimento

5

1. Dissolva completamente 0,1 grama de permanganato de potássio (KMnO4) em um béquer com água destilada.

6

2. Transfira, quantitativamente, para um balão de 100 mL.

7

3. Lave, por duas vezes, o béquer com um pouco de água destilada e transfira-a para o balão.

8

4. Adicione água ao balão até a marca do volume e homogeneíze. 5. Verta um pouco da solução para um béquer e retire, com auxílio de uma pipeta, 10 mL. 6. Adicione os 10 mL da solução a um balão de 100 mL contendo água até a metade de seu volume, homogeneíze e complete o volume. 7. Repita o procedimento anterior, retirando 10 mL de cada solução e diluindo novamente para 100 mL, até obter uma solução incolor.

Destino dos resíduos 1. Os resíduos desta prática podem ser descartados na pia, sob água corrente.

Análise de dados 1. A última solução (a que não apresentou cor) também possui soluto? Justifique sua resposta. 2. Calcule a concentração em massa (Cm /V) e em quantidade de matéria (Cn /V) para cada uma das soluções preparadas. 3. O fato de a solução ser incolor significa que ela não possui soluto?

1. Qual será a concentração final da solução obtida pela diluição de 5,0 mL de solução aquosa de NaOH 2,0 mol/L a qual se adiciona água destilada até completar 50 mL. Para facilitar a resolução dos problemas, é melhor trabalharmos com as unidades-padrão. Nesse caso, utilizaremos os volumes em litro, a partir da expressão:

Cf =

Substituindo os valores, temos:

Ci ⋅ Vi Vf

2 mol / L ⋅ 0 , 005 L i = 0 , 2 mol / L 0 , 050 L

Cf =

ou então:

Cf = 0,2 mol/L

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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

2. Um técnico tem 500 mL de solução de um detergente de concentração 1,2 mol/L e precisa diluir sua concentração a ¼ desse valor. Como esse técnico deve proceder? A concentração final desejada pelo técnico é de 0,3 mol/L (¼ de 1,2). Precisamos conhecer então qual será o volume final. Da relação de igualdade entre a quantidade de matéria das duas soluções, temos: ni = nf → Ci ⋅ Vi = C f ⋅ Vf → Vf =

Ci ⋅ Vi Cf

o que nos fornece o volume final:

ni = nf → Ci ⋅ Vi = C f ⋅ Vf → Vf =

Ci ⋅ Vi Cf

Substituindo os valores, temos: Vf =

1, 2 mol mol / L ⋅ 0 , 5 L = 2, 0 L mol / L 0 , 3 mol

Para obter dois litros de solução, partindo de meio litro, o técnico deverá adicionar 1 500 mL de água aos 500 mL do detergente.

Diluições de produtos domésticos

Hely Demutti

Na limpeza doméstica, muitos produtos devem ser diluídos em água antes de ser utilizados. Para isso, devem-se usar medidores para que a diluição ocorra na concentração correta.

Muitos produtos domésticos de uso cotidiano devem ser diluídos antes de ser usados. Porém, cada produto que precisa ser diluído possui uma forma específica de diluição que, geralmente, vem expressa nos rótulos. Veja na página seguinte alguns produtos de uso doméstico com suas aplicações e também as diferentes formas de diluição identificadas em seus rótulos. Alguns rótulos de desinfetante sugerem que o produto seja diluído em água na proporção de 1 para 3, o que significa que para cada parte do produto devem-se acrescentar 3 partes de água. Você segue as recomendações dos fabricantes dos produtos que utiliza? Nem todas as pessoas o fazem, o que pode trazer desperdício ou prejuízo à economia doméstica ou ao ambiente. Por exemplo, se você dilui um produto de limpeza mais do que deveria, pode estar perdendo dinheiro. Em vez de fazer o seu produto “render mais”, como muita gente pensa, a diluição excessiva impede sua eficácia. Resultado: você gasta o produto sem atingir o objetivo desejado. Entretanto, quando se usa uma quantidade superior à recomendada, além de desperdiçar dinheiro, você estará agredindo a natureza, pois o destino de todos os produtos de limpeza é o ralo, que os conduz aos rios e mares. Então, quanto menos produtos químicos jogarmos no ralo, melhor.

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CAPÍTULO

Fotos: Hely Demutti

Exemplos de rótulos de produtos químicos de uso diário preparados na forma de soluções*

1 2

Tipo do produto: sabão em pó. Função: lavar roupas. Unidade de medida de dosagem: copo americano (180 mL). Conforme a marca da máquina, a quantidade pode variar. Recomendações do fabricante: dissolver o produto na máquina antes de colocar a roupa. Outras informações importantes: em caso de roupas muito sujas, deixar de molho por 1 ou 2 horas.

3 4 5

Tipo do produto: detergente em pó. Função: lavar louças. Unidade de medida de dosagem: reservatório da máquina ou medida indicada pelo fabricante. Recomendações do fabricante: —— Outras informações importantes: não deve ser utilizado para lavagem manual de louças.

Tipo do produto: amaciante de roupas. Função: amaciar e perfumar as roupas. Unidade de medida de dosagem: meio copo americano (90 mL) para cada máquina de roupa. Recomendações do fabricante: dissolver o produto na água de enxágue das roupas. Outras informações importantes: não despejar diretamente em cima das roupas; diluir em um pouco de água antes de colocar na máquina.

Tipo do produto: enxaguador bucal. Função: antisséptico bucal: é exterminador de micro--organismos (bactérias, fungos e outros). Unidade de medida de dosagem: medida de uma tampa (15 mL), sem diluir em água. Recomendações do fabricante: não ingerir, pois pode causar danos à flora intestinal (micro-organismos benéficos que vivem no intestino ao organismo).

6 7 8

Tipo do produto: sais de banho. Função: relaxar e perfumar o corpo. Unidade de medida de dosagem: 100 g na água de uma banheira pequena. Recomendações do fabricante: —— Outras informações importantes: para banho de chuveiro, dissolva primeiro em água.

* Exemplos ilustrativos de alguns rótulos. Siga as instruções que estão nos rótulos dos produtos!

A observação do efeito do produto em relação à sua diluição será um bom indicador para determinar na prática a melhor dosagem a ser utilizada. Para isso, é bom sempre fazer diluições usando alguma medida. Dessa forma, você terá uma ideia de quanto deverá diluir da próxima vez. Siga as recomendações do fabricante e, tendo alguma dúvida, entre em contato com ele. OD ÍNDICE

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Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

1. Um aluno resolveu preparar um litro de solução de 10. Qual será a concentração em quantidade de matéria da solução preparada, acrescentando 180 mL de água a 250 mL de solução de HCl a 0,85 mol/L?

hidróxido de sódio, substância utilizada na fabricação do sabão, com concentração de 50 g/L. Ele fez o seguinte: colocou 50 g de hidróxido de sódio (NaOH) e dissolveu diretamente em um litro de água. Responda: a) Que erro o aluno cometeu na preparação da solução? b) A solução preparada tem concentração em massa igual, menor ou maior do que 50 g/L?

11. Qual a importância de observar as orientações dos fabricantes em relação à diluição de produtos químicos (remédios, produtos de limpeza etc.)?

12. Uma marca de suco de caju traz a seguinte informação no seu rótulo: para o preparo do refresco, dilua uma parte do suco em nove partes de água. Que volume desse suco, em mL, deve-se utilizar para o preparo de 1,5 L de refresco?

2. O que acontece com a quantidade de matéria total de soluto quando um volume pequeno de uma solução é diluído em um volume maior?

13. No tratamento de pneumonia, pode ser utilizado um antibiótico que traz a seguinte informação: 80 mg de amoxicilina, em gramas por mL. Que quantidade de amoxicilina, em gramas, irá ingerir uma pessoa que tenha de tomar 3 mL duas vezes ao dia, após 7 dias de tratamento?

3. Analise as seguintes soluções: a primeira foi obtida dissolvendo-se 0,01 mol de soluto em água para um volume final de 500 mL, enquanto a segunda solução tem um décimo de mol do mesmo soluto por litro de solução. Qual das soluções é a mais concentrada? Justifique.

14. (Unitau-SP) Deseja-se diluir um litro da solução de H2SO 4 com fração percentual de 80% e de densidade 2,21 g/cm3 até o volume de cinco litros. As concentrações em quantidade de matéria do H2SO 4, antes e depois da diluição, são, respectivamente, em mol/litro:

4. Tendo-se 900 mL de uma solução 0,6 mol/L, que volume de solvente deve-se adicionar para que se obtenha uma solução 0,2 mol/L?

5. Qual é a concentração em quantidade de matéria das soluções resultantes das diluições abaixo?

a) 10,1 e 5,2.

a) 400 mL de HCl 12 mol/L + 200 mL de H2O

b) 12,0 e 4,0.

b) 30,0 mL de ZnSO4 0,30 mol/L + 500 mL de H2O

c) 4,0 e 11,3.

6. Em que volume devem ser diluídos 250 mL de uma so-

d) 18,0 e 3,6.

lução de 40 g de H2SO4 para se obter uma solução 0,10 mol/L?

e) 22,5 e 10,5.

15. (Uerj) Diluição é uma operação muito empregada

7. Dilui-se uma amostra de 20 mL de HNO3 16 mol/L para

no nosso dia a dia, quando, por exemplo, preparamos um refresco a partir de um suco concentrado. Considere 100 mL de determinado suco em que a concentração em quantidade de matéria do soluto seja 0,4 mol ⋅ L–1. O volume de água, em mL, que deverá ser acrescentado para que a concentração em quantidade de matéria do soluto caia para 0,04 mol ⋅ L–1 será de:

500 mL. Qual é a concentração em quantidade de matéria final da solução?

8. A água sanitária (hipoclorito de sódio) é muito utilizada na limpeza doméstica. Que volume de água deve-se adicionar a 400 mL de solução 10 mol/L de água sanitária para torná-la 0,5 mol/L?

9. Calcule a massa de água que deve ser acrescentada

a) 1 000.

a 3,0 kg de uma solução de KOH(aq) com fração percentual em massa de 40% para convertê-la em uma solução com fração percentual em massa de 15%.

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b) 900. c) 500. d) 400.

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CAPÍTULO

ER

Soluções, coloides e agregados

1

Exercícios de revisão

2

b Materiais são porções de matéria constituída por mais de uma substância.

3

b Materiais homogêneos são materiais que apresentam aspectos uniformes em toda a extensão.

4

b Materiais heterogêneos são materiais que não apresentam aspectos uniformes.

5

b Solução é um tipo de material homogêneo cuja uniformidade é constatada apenas em determina-

6

das proporções de suas substâncias constituintes (exemplo: água e sal).

7

b Mistura é um tipo de material homogêneo cuja uniformidade é constatada a qualquer proporção

8

das suas substâncias constituintes (exemplo: água e álcool). b Coloide é um tipo de material heterogêneo cuja multiformidade é constatada apenas por meio de instrumentos de alta resolução. b Agregado é um tipo de material heterogêneo cuja multiformidade é constatada por meio de instrumentos de baixa resolução. b Emulsão é um tipo de material constituído por substâncias imiscíveis, estabilizadas por agentes emulsificantes – substâncias cujas moléculas têm uma extremidade polar e outra apolar.

Concentração e suas unidades b Solução é um material homogêneo em que, pelo menos, uma substância – soluto – está dissolvida em outra substância, ou material, em maior quantidade, denominado solvente. b A concentração em massa de uma solução (Cm/V ) expressa a relação entre massa do soluto e volume da solução. b A concentração em quantidade de matéria de uma solução (Cn/V ) expressa a relação entre a quantidade de matéria e o volume da solução. b O título, muito utilizado pela indústria, expressa a concentração em massa do soluto por massa da solução. b Teor em partes por milhão (ppm) expressa a concentração em miligrama de soluto por quilograma de solução (mg/kg). b A fração em quantidade de matéria expressa a quantidade de matéria do soluto por quantidade de matéria total da solução.

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C apít ulo 4 TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS Como a água e demais solventes dissolvem outras substâncias? Como evitar a escassez de água no planeta?

Tema em foco Tema

& QS S

GESTÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS

Química e Sociedade

Fabio Colombini

Wellington Macedo/AE

Não é por acaso que a maioria das cidades nasceu às margens de rios. Com o tempo, o processo de urbanização interferiu nos sistemas de infiltração e de escoamento das águas das chuvas. A recepção da água servida e a utilização irracional que habitualmente se faz da água e do solo trouxeram sérias consequências a nossos recursos hídricos: poluição, assoreamento e degradação de mananciais, rios, lagos e lençóis freáticos; deterioração de ambientes; extinção de diferentes formas de vida. É preciso que os impactos sobre o ambiente sejam considerados durante o planejamento e o desenvolvimento de grandes projetos que utilizem ou interfiram na água ou seus mananciais. As águas utilizadas em atividades humanas devem ser devolvidas ao ambiente na mesma quantidade e em condições iguais ou melhores que as iniciais. Esse é um grande desafio. Não basta ter água para consumo. É necessário que ela esteja em condições apropriadas para o uso que se pretende. Água com qualidade inadequada favorece o desenvolvimento de diversas doenças, a diminuição da produção de alimentos, a fome, e, consequentemente, o surgimento de crises sociais e políticas. De acordo com documentos da ONU, “a crise da água já tem data prevista: 2025. Nesse período, haverá a globalização da deficiência que hoje ocorre de maneira localizada”.

Rio Capibaribe, em Recife (PE), 2006.

Rio Acaraú, em Sobral (CE), 2009.

A maioria das cidades brasileiras, inclusive as capitais, é cortada por rios que foram responsáveis por sua fundação e muito contribuíram para o seu desenvolvimento. Infelizmente, muitos deles se encontram em situação deplorável.

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CAPÍTULO

A água é um recurso renovável, mas também finito. Sua qualidade depende de condições ambientais que, por sua vez, estão sujeitas a ações humanas. Muitos problemas relacionados a recursos hídricos têm surgido em consequência da utilização impensada da água. No quadro a seguir estão identificadas diversas interferências das atividades humanas nos recursos hídricos, muitas delas causando prejuízos irremediáveis aos ecossistemas e aos próprios cursos de água. Esses efeitos decorrem principalmente da falta de um modelo de desenvolvimento ambientalmente controlado. Os problemas da falta de água potável e límpida estão também relacionados à sua distribuição geográfica. Embora o Brasil tenha uma das maiores reservas de água doce, sua distribuição não é regular. A região Norte do país contém cerca de 80% das águas superficiais disponíveis.

1 2 3 4

ALGUMAS AÇÕES COM INTERFERÊNCIA NOS RECURSOS HÍDRICOS Atividade

Possível ação inadequada

Consequências diretas

Retirada de areia de margens e leitos de rios.

Modificação da calha natural e do transporte de sedimentos.

Assoreamento e/ou erosão dos rios.

Garimpo de ouro.

Utilização de mercúrio.

Contaminação da água.

Contaminação de peixes e populações ribeirinhas.

Mineração e usina de carvão.

Emissão de enxofre para a atmosfera.

Chuva ácida.

Extração madeireira, pecuária e agricultura.

Desflorestamento

Mudança na permeabilidade do solo; erosão do solo.

Práticas agrícolas inadequadas.

Perda de solo, carregado para os rios.

Assoreamento e poluição de rios.

Aplicação inadequada de agrotóxicos e fertilizantes.

Contaminação da água e/ou eutrofização.

Rompimento dos equilíbrios biológicos.

Captação excessiva de água para irrigação.

Subida do lençol freático.

Salinização do solo e da água.

Criação de animais.

Matadouros inadequados.

Carregamento de matéria orgânica e lançamento nos rios.

Poluição da água.

Disposição de resíduos sólidos.

Aterros sanitários mal executados.

Infiltração de poluentes no solo.

Contaminação do lençol freático.

Ocupação das zonas marginais de rios.

Estrangulamento (constrição) das seções de escoamento dos rios.

Inundações.

Ocupação de encostas.

Erosão de encostas e carregamento de lixo pelas chuvas.

Entupimento de sistemas de drenagem; inundações.

Pavimentação com asfalto.

Impermeabilização do solo.

Acentuação de enchentes.

Aumento da concentração de dejetos nas águas.

Sobrecarga de sistemas de tratamento de água.

Degradação do corpo de água receptor.

Urbanização.

6

Consequências indiretas

Indústria de materiais de construção, garimpo etc.

Agricultura.

5

7 8

Acidificação da água dos rios, agressão a ambientes e patrimônios urbanos. Mudanças no regime hidrológico da bacia; assoreamento e/ou erosão de rios.

Fonte: Observatório das Águas. Água e Pacto Federativo, p. 15, mar. 2002.

Por outro lado, os demais 20% de água abastecem 95% da população nacional, sendo que essa distribuição também não é proporcional. Enquanto nas regiões Sul e Sudeste casos de enchentes são comuns, o Nordeste convive com longos períodos de seca. OD ÍNDICE

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Além da distribuição geográfica dos recursos hídricos, deve-se considerar também sua distribuição social. Segundo dados de pesConsumo anual per capita País quisas, estima-se que uma pessoa precise de 3 pelo menos 50 litros de água por dia. Para viEstados Unidos 1 870 m ver confortavelmente, essa quantidade sobe Egito 952 m3 para cerca de 200 litros diários. Nos Estados Europa 626 m3 Unidos da América, no entanto, o consumo diário por habitante chega a 600 litros; já em Índia 612 m3 alguns países africanos pobres esse consumo China 461 m3 não passa de 10 litros (veja tabela ao lado). 3 Enfim, seja por motivos socioeconômicos ou Brasil 245 m pela distribuição irregular da água no planeta, África 202 m3 dos 200 países atualmente existentes, cerca Fonte: MACEDO, J. A. B. Águas & águas. Juiz de Fora: Ortofarma, 2000. de 26 apresentam consumo inferior ao ideal. À distribuição irregular soma-se a crescente diminuição da disponibilidade de água potável. O mar de Aral – um lago de águas salgadas, localizado na Ásia Central, que faz fronteira entre os atuais países Cazaquistão e Uzbequistão – perdeu um terço de seu volume depois que as águas dos rios que o abasteciam foram desviadas para irrigar plantações. Como resultado, a vegetação ao redor do lago foi drasticamente reduzida, diversas espé1989 2008 cies animais que ali habitavam foram extintas, e as pessoas que moravam nas suas margens e viviam da pesca, atualmente, estão 50 quilômetros distantes do mar. Problema semelhante ocorreu com vários rios – como o Colorado, nos Estados Unidos, e o Yang-tsé, na China – que tiveram o volume de suas águas diminuído por desvio de afluentes. Esses fatos têm provocado problemas muitas vezes de ordem diplomática. A exploração do rio Nilo pela Etiópia e pelo Egito poderá gerar sérios conflitos diplomáticos entre esses dois países. No Brasil, o represamento do rio Paraná gerou conflitos entre nosso país e a Argentina. Assim, é possível que venhamos a ter guerras para conquista de água. Você acredita nisso? Imagem de satélite do mar de Aral, A verdade é que, para assegurar água para as futuras gerações e para a paz permitindo perceber a diminuição de mundial, precisamos de uma gestão global desse recurso.

Nasa

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

CONSUMO ANUAL PER CAPITA DE ÁGUA EM ALGUNS PAÍSES

tamanho da área alagada.

Uma política para a água Em todo o mundo existem problemas ambientais relacionados à distribuição e ao uso dos recursos hídricos. Enquanto nos países desenvolvidos estes problemas estão ligados aos efeitos da industrialização e da ocupação urbana, nos países em desenvolvimento, como o Brasil, eles se dividem em dois tipos: os relacionados ao processo de industrialização e à urbanização e os ligados à degradação ou à exploração inadequada dos recursos hídricos nas áreas rurais, ocasionando conflitos sociais e ambientais de grande relevância. Assim, manter água para todos implica ter uma gestão ambiental voltada à conservação dos recursos naturais. Mas a quem pertence toda a água do mundo? A todos ou a ninguém? Segundo a Constituição brasileira, o domínio da água depende da sua localização geográfica. O rio São Francisco, por exemplo, é de domínio da União,

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CAPÍTULO

Evandro Rodney

porque banha mais de um Estado, enquanto o rio Paracatu, que possui todo seu curso no território de Minas Gerais, é de domínio estadual. Quanto às águas subterrâneas, a lei definiu como de domínio dos Estados.

1 2 3 4 5 6 7 8

O rio Paracatu, maior

A crescente necessidade de água, a limitação de recursos hídricos, os conflitos entre afluente do rio São Frandeterminadas formas de utilização e os prejuízos causados também por excesso de água cisco, só corre em terras exigem que tanto o planejamento como a gestão da utilização e do domínio da água mineiras. se façam de forma refletida, integrando-se às políticas públicas de todas as regiões. Logo, é fundamental haver uma política muito bem planejada para evitar que as necessidades mais imediatas da população venham a ser prejudicadas por projetos de exploração de recursos hídricos aprovados pelo Estado para atender aos interesses de grandes grupos financeiros e que muitas vezes provocam sérios problemas ambientais. A política da água não se restringe a decidir sobre quem cuida da água, mas também quem gerencia esse recurso. Para isso, é necessário um controle dos assentamentos urbanos, do sistema de abastecimento público e também ações que procurem minimizar os efeitos de secas e inundações. No caso da seca, temos um exemplo de um problema que é mais político do que de natureza climática, pois apesar da existência de diversas alternativas para abastecer as populações nos períodos de estiagem, faltam políticas que viabilizem o encaminhamento dessas alternativas. A situação agrava-se em razão de problemas sociais, como elevados índices de mortalidade infantil, analfabetismo e população indigente. Essa população, desprovida de recursos tecnológicos para enfrentar os problemas decorrentes da seca, sofre em dobro as consequências. Assim, o uso de técnicas inadequadas, pastoreio excessivo, desmatamento, irrigação sem cautela vão perpetuando o problema, em um sistema de políticas assistencialistas que não atacam diretamente a questão, mantendo na miséria grande parte da população. Isso significa que uma política responsável deve compatibilizar e aperfeiçoar os múltiplos usos dos recursos naturais, desenvolvendo ações de recuperação dos ecossistemas já em processo de degradação. Tendo em vista o reconhecimento à necessidade de preservação e a gestão consciente dos recursos hídricos, foi criado, em 1992, o Dia Mundial da Água (22 de março), para lembrar a importância desse recurso natural para a existência da vida na Terra, e a Declaração dos Direitos da Água. Essa declaração prevê, entre outros princípios, que: • a água é patrimônio da Terra e dela depende seu futuro. • a água deve ser utilizada com racionalidade e moderação. • a água não deve ser contaminada nem poluída. • a água pode tornar-se escassa em diferentes regiões do planeta. • a proteção da água é obrigação de todos.

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Flávio Bacellar/Olhar Imagem

Dida Sampaio/AE

No início do século XX, ainda era possível ver a utilização do rio Tietê para o lazer: pescarias e regatas de clubes paulistanos eram realizadas em suas águas. O Programa de Despoluição da Bacia do Alto do Tietê, que engloba a região metropolitana de São Paulo, já começou a produzir alguns resultados: nos anos de 1990, a mancha de poluição se estendia por 250 km a partir da capital. Hoje, já recuou cerca de 100 km e, em alguns trechos mais próximos a São Paulo, os peixes reapareceram.

Guilherme Gaensly/Instituto Moreira Salles

O rio Reno nasce na Suíça e deságua no mar do Norte banhando, assim, vários países europeus. Era um dos mais poluídos da Europa. Em 1986, um grave acidente na multinacional suíça Sandoz contaminou o rio com 20 toneladas de um pesticida altamente tóxico. Esse fato chamou a atenção da opinião pública e das autoridades, que investiram na construção de estações de tratamento da água e de monitoramento ao longo do rio. Atualmente, cerca de 95% dos esgotos das empresas são tratados. Os resultados do programa e da despoluição do Reno são visíveis. Das 64 espécies de peixes que ali habitavam, 63 delas já voltaram.

Noebu/Creative Commons

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

A cidade de Cariri (PB) é uma das que sofrem com as frequentes secas no Nordeste.

O rio São Francisco está agonizando, vítima de ações humanas que retiram dele a sua subsistência, sem a preocupação de preservá-lo. Será que você não está prejudicando algum rio, manancial ou lençol freático da mesma maneira?

Esses princípios foram referendados na Conferência Ambiental do Rio de Janeiro, em 1992, e estão presentes no capítulo 18 da Agenda 21. Todavia, só se tornarão realidade quando pessoas como você se engajarem em ações que garantam água para as futuras gerações.

O uso sustentável da água A água é um recurso fundamental para a vida. Por isso, sua escassez pode comprometer seriamente todos os ciclos vitais e gerar conflitos sociais. Em várias metrópoles brasileiras, bairros nobres consomem elevadas quantidades de água em piscinas e jardins, e a população mais pobre sofre com o racionamento. Isso ilustra o

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CAPÍTULO Hely Demutti

problema do gerenciamento de recursos hídricos que, geralmente, privilegia grandes organizações econômicas e grupos políticos em detrimento das necessidades básicas da população. Nas residências, é comum haver grandes desperdícios de água, principalmente nos banheiros. Um dos problemas está no vazamento de água. Veja no quadro abaixo a quantidade de água que se perde em vazamentos. Mas o desperdício está muito relacionado também ao uso inadequado da água. Se na sua casa é comum lavar calçadas com jatos de água, deixa-se a torneira constantemente aberta em diferentes ações realizadas com água etc., vocês estão contribuindo para a previsão da ONU de falta de água. Leve em conta ainda que para a água chegar até sua casa ela foi captada, tratada, transportada e paga. Um elevado custo agregado a esse benefício precioso que chega tão fácil em sua residência!

1 2 3 4 5 6

DESPERDÍCIO DE ÁGUA EM LITROS/DIA Condições da torneira

Média diária (litros/dia)

Média mensal (litros/mês)

7

Gotejando

46

1 400

8

Abertura de 1 mm

2 068

62 600

Abertura de 2 mm

4 512

135400

Abertura de 6 mm

16400

492 000

Abertura de 9 mm

25 400

762 000

Abertura de 12 mm

33 964

1019520

Atitude sustentável

& QS S

Boas maneiras de economizar água b Um banho de chuveiro de 20 minutos consome, em média, 120 litros de água. Se você fechar a torneira enquanto se ensaboa, a economia será muito grande.

Química e Sociedade

S

AMj Studio

Fonte: Secretaria do Meio Ambiente. Como proteger o meio ambiente gastando menos em sua escola. Disponível em: <www.ambiente.sp.gov.br/wp-content/uploads/cea/Escola_Completo.pdf>. Acesso em: 2 maio 2013. Adaptado.

Simulador

b Escovar os dentes com a torneira aberta continuamente por 3 minutos gasta cerca de 20 litros de água. Se você mantiver a torneira fechada durante a escovação, o gasto cairá para cerca de 2 litros.

b A torneira aberta continuamente para lavar louça pode consumir mais de 240 litros de água. Abrindo e fechando durante a lavagem, o gasto pode cair para um terço dessa medida. Uma boa dica é ensaboar tudo e depois enxaguar.

b A lavagem de calçadas e quintais utilizando a mangueira como vassoura pode consumir mais de 300 litros de água. Recomenda-se varrer a sujeira antes e lavar a calçada com água reutilizada da lavagem de roupa ou da chuva.

b Uma descarga de vaso sanitário consome cerca de 10 litros de água. Para não aumentar o consumo, recomenda-se manter a válvula sempre regulada e não jogar papéis no vaso, ou substituir a descarga por vasos sanitários com bacias acopladas, que possuem dosagem única de água para cada descarga de, aproximadamente, 5 litros.

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Hely Demutti

Reúso da água

Sabesp

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Que atitudes devemos tomar para que no futuro haja água suficiente para nosso consumo e lazer?

A água de um rio hoje será a água de uma chuva amanhã. Assim como a natureza, a água tem um ciclo, e nós também podemos utilizá-la mais vezes. Depois de utilizada para banho, lavagem de roupas, em processos industriais ou algum outro fim, a água restante é denominada água servida. Essa água é muitas vezes descartada na forma de esgoto. No entanto, ela pode ser utilizada novamente para a mesma função ou para outra função diferente. Essa reutilização da água é denominada reúso e a água reutilizada é denominada água secundária. De modo geral, a água pode ser reutilizada várias vezes. Em muitos casos, é necessário que seja tratada, conforme o uso que teve e o uso que terá. Essa demanda é grande, principalmente nas grandes cidades. No Brasil, cerca de 70% do esgoto produzido é coletado, sendo que apenas um quarto dele é tratado. Os outros três quartos são despejados em rios e lagos. Por isso é tão importante o reúso da água que possibilita diminuir a quantidade de esgoto e, assim, diminui o impacto da ação humana no ambiente e na sua biodiversidade. Nesse sentido, novas tecnologias têm surgido com o objetivo de diminuir o consumo de água potável e, ao mesmo tempo, facilitar seu reúso. A crescente reutilização da água tem contribuído para que a utilização de mananciais disponíveis seja feita de forma mais racional, minimizando o consumo e a produção de esgotos (efluentes).

ETE Barueri (SP), 2006 Depois de tratada, essa água pode ser reutilizada.

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O desperdício de água pode ser revertido com simples mudanças de hábitos, como as sugeridas no quadro de atitude sustentável da página anterior. Além de economizar água, devemos lembrar que todos os resíduos lançados no ralo vão parar em algum rio ou lago, que deverá ter suas águas tratadas. Todos os detergentes e xampus usados terão o mesmo destino. Daí a necessidade de economizar também no uso desses produtos que contaminam as águas. A preservação da água no planeta implica uma gestão responsável que, na busca por um equilíbrio hídrico, possa garantir água para as futuras gerações. Uma boa prática nesse sentido é a do reúso da água.

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CAPÍTULO 1 2 3 4 5 6 7 8

Hely Demutti

Ações planejadas para o reúso da água são classificadas em três grupos: reúso direto, indireto e reciclado. O reúso direto é o mais comum e ocorre quando os efluentes tratados são encaminhados diretamente até o ponto em que vão ser novamente utilizados para outros fins. No reúso indireto, o efluente tratado é misturado a outros efluentes tratados para ser usado novamente antes de ir para o seu destino. Na reciclagem, a água é tratada antes de sua descarga podendo, posteriormente, ser utilizada como fonte de abastecimento. Diversos setores e indústrias investem em equipamentos para tentar suprir essa necessidade do reúso da água, por diversas razões. Algumas formas de utilização são reúso em irrigação paisagística; irrigação de campos de cultivos; usos industriais, como refrigeração, lavagem de gases, alimentação de caldeiras; no combate ao fogo; descargas de vasos sanitários; sistemas de ar condicionado; lavagem de veículos; ruas e pontos de ônibus; controle de poeira em construções e outros. No Brasil, essa prática ainda é muito pouco difundida. Entretanto, para diminuir custos, alguns setores, como indústrias, hotéis, empresas de lavagem de automóveis, condomínios residenciais e comerciais, entre outros, já estão reutilizando parte da água consumida. Algumas práticas, como a utilização de esgotos domésticos para a irrigação de hortaliças, forrageiras e jardins, são até antigas. Entretanto, vale ressaltar que tal utilização – feita sem controle – pode trazer riscos à saúde, causando doenças por causa da contaminação de alimentos. Esse exemplo alerta sobre a necessidade de regulamentação para que os mecanismos desenvolvidos estejam em conformidade com condições técnicas, culturais e socioeconômicas.

Hely Demutti

Reutilizar a mesma água mais de uma vez para a mesma ou para outras finalidades é uma forma de evitar o desperdício. Acima, sistema de reaproveitamento de água, com purificação feita por Osmose Reversa.

A preocupação com o consumo e a qualidade da água servida deve ser de todos. Esta é uma estação de tratamento de água de um lava-rápido ecológico que, após a lavagem dos veículos, trata a água utilizada para reutilizá-la.

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PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Debata D ebata e entenda FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Escreva uma lista de todos os problemas relacionados à degradação dos recursos hídricos apresentados no texto.

2. Por que países ricos adotam uma política de tornar os países mais pobres seus produtores de grãos, carnes e aves?

3. Liste atividades domésticas que desperdiçam água e proponha medidas que permitam diminuir ou mesmo eliminar desperdícios nessas atividades.

4. Tomando como base a conta de água de sua residência ou de seu condomínio, calcule a média de consumo de água per capita por dia. Consultando a tabela da página 98, com a população de que país se equipara seu consumo?

5. Calcule a quantidade de água desperdiçada por mês em um vazamento, cujo fluxo é de uma gota por segundo. Considere o volume de uma gota como sendo igual a 0,05 mL.

6. Cite uma maneira indireta de preservarmos os recursos hídricos, além da redução do consumo direto de água.

7. Por que o problema da água é mais político do que geográfico? 8. Tomando como base todos os textos de temas em foco deste módulo, enumere medidas que deveriam ser adotadas em uma política de gerenciamento dos recursos hídricos.

9. Proponha medidas para melhorar a gestão da água em sua escola. 10. Debata com seus colegas sobre a quem devem pertencer os recursos hídricos e como podemos ter controle sobre o uso desses recursos pela iniciativa privada.

11. Cite exemplos de reutilização da água que poderiam ser adotados em sua residência.

Ação e cidadania 1. Identifique os mananciais que abastecem a sua residência e a sua escola, levante informações sobre a situação ambiental desses mananciais e as medidas governamentais que têm sido adotadas para protegê-los.

2. Procure informações sobre o risco de sua comunidade passar por racionamento de água e liste as medidas que precisam ser adotadas pela comunidade, pelo governo e pelos empresários para evitar tal racionamento.

3. Pesquise se existe tratamento de água potável e de esgoto em seu município e quais são os processos utilizados para o seu tratamento.

4. Pesquise se existe saneamento básico para toda a população de seu município. 5. Debata ações comunitárias e governamentais que deveriam ser adotadas para proteger as comunidades de seu município que não dispõem de saneamento básico.

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INTERAÇÕES ENTRE OS CONSTITUINTES

este capítulo vamos estudar as propriedades da água. Antes, vejamos as propriedades de algumas substâncias em relação às interações intermoleculares dos constituintes. Conforme o grau de polarização das moléculas, tanto nos dipolos permanentes como nos induzidos, a intensidade dessas interações entre as moléculas será maior ou menor.

CAPÍTULO

1 PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS E

1 2 3 4

Pense

5

A temperatura de ebulição de substâncias apolares será maior ou menor do que a de substâncias polares? Por quê?

6 7

A passagem do estado líquido para o gasoso – ebulição – depende do rompimento das interações entre as moléculas, para que fiquem mais afastadas, em um estado de agregação em que as interações de Van der Waals serão desprezíveis. Obviamente, a quebra das interações de moléculas polares é mais difícil do que a de apolares. Todavia, deve-se observar que esse não é o único fator que afeta a temperatura de ebulição das substâncias. O tamanho e a massa das moléculas também são importantes para as interações intermoleculares. Por exemplo, em temperatura ambiente, existem substâncias apolares que são sólidas, como o iodo (I2, massa molecular igual a 253,8 u, em que u é a unidade de massa atômica – grandeza usada pelos químicos para determinar a massa dos átomos e das moléculas), enquanto outras se apresentam líquidas, como o bromo (Br2, massa molecular igual a 159,8 u), e outras, gasosas, como o cloro (Cl2, massa molecular igual a 71 u).

8

Pense Sabemos que o oxigênio (O2), massa molecular 32 u, e o dióxido de carbono (CO2), massa molecular 44 u, apresentam-se como gases em temperatura ambiente, enquanto a água (H2O), massa molecular 18 u, se apresenta no estado líquido. Como você poderia explicar essa diferença pelas forças intermoleculares?

Isso pode ser explicado pelo fato de a água ser formada por moléculas polares, enquanto o gás oxigênio e o dióxido de carbono são formados por moléculas apolares. Nesse caso, observa-se que o efeito da polarização acentuada das ligações de hidrogênio é muito maior do que o efeito provocado pela massa molecular. Vejamos ainda outra grande diferença do efeito da ligação de hidrogênio. O clorofórmio (CHCl3), massa molecular 119,5 u, é formado por moléculas polares, estando no estado líquido em temperatura ambiente, mas apresenta temperatura de ebulição igual a 61 °C, menor do que a da água (100 °C). Veja que, apesar de as moléculas da água terem massa menor (18 u) e serem menores (possuem três átomos) do que as do clorofórmio, as interações entre essas moléculas de água são muito mais fortes do que as interações de dipolo-dipolo permanente das moléculas de clorofórmio.

Pense Em que estado físico se apresentaria a água a 25 °C se ela fosse constituída por moléculas lineares? Justifique a resposta.

Considerando, portanto, as influências das interações acima descritas, podemos fazer algumas previsões sobre as propriedades dos grupos de substâncias inorgânicas e orgânicas OD ÍNDICE

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PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS J. Yuji

A conformação espacial do DNA é mantida graças às interações moleculares. Durante o processo de formação das células germinativas, o DNA é duplicado. Para isso, é necessário que as ligações de hidrogênio sejam quebradas, possibilitando a passagem das características hereditárias.

O

P

O CH 3

O CH2 O

N

O –

O

P

O

O CH2 O

N

O –

O

P

O

estudadas neste capítulo. As bases de Arrhenius, os sais e os óxidos iônicos são constituídos por íons, logo se apresentam no estado sólido e, em geral, são solúveis em água. Dependendo do tamanho dos íons constituintes e de seu retículo cristalino, algumas dessas substâncias são pouco solúveis em água. Os ácidos de Arrhenius são substâncias moleculares e, portanto, encontram-se no estado gasoso ou líquido, pois as interações entre moléculas são mais fracas do que entre íons. Os ácidos são constituídos por átomos de hidrogênio ligados a átomos dos grupos 16 ou 17, portanto, suas moléculas são polares. Como consequência, os ácidos são muito solúveis em água. Por isso, a maioria dos ácidos é normalmente utilizada na forma de solução aquosa. Os óxidos não metálicos são substâncias moleculares pouco polares e, portanto, em geral se apresentam no estado gasoso. As substâncias orgânicas são moleculares, logo os que possuem pequenas cadeias carbônicas se apresentam no estado líquido e gasoso. Os com cadeias mais longas, como as gorduras e os polímeros, se apresentam como sólidos. As cadeias carbônicas das substâncias orgânicas são constituídas principalmente por átomos de carbono e hidrogênio, cuja diferença de eletronegatividade é muito pequena, e o somatório dos dipolos entre os átomos ligantes a cada carbono se anula. Logo, em geral, as substâncias orgânicas apresentam partes das moléculas apolares, o que as torna pouco solúveis em água.

Ligação de hidrogênio e propriedades das substâncias A presença de ligações de hidrogênio confere algumas mudanças interessantes às propriedades das substâncias. Por exemplo, a maioria das substâncias apresenta maior grau de compactação no estado sólido: portanto, seus sólidos são mais densos que os líquidos. As ligações de hidrogênio ocorrem entre muitas substâncias orgânicas, conferindo diferentes – O P O propriedades a elas, como solubilidade em água e temperaturas de fusão e ebulição mais elevadas. O N O H2N CH As proteínas que compõem o nosso organismo são constituídas por sequências de aminoácidos, liN NH N O gados covalentemente. Esses aminoácidos têm gruN CH2 O pos hidroxilas ( K OH ) e aminos ( K NH2 ) capazes de formar fortes redes de ligações intermoleculares. O Outro exemplo é o DNA, cuja forma de dupla hélice – O P O é mantida graças às ligações de hidrogênio entre os grupos O N NH2 O hidroxilas ( K OH ) e aminos CH ( K NH2 ) das bases nitrogeN N NH nadas que compõem o cóO N digo genético. As ligações CH2 O H 2N 20Å de hidrogênio nessas moléO culas são responsáveis por Cadeias de importantes propriedades – O P O desoxirriboseque essas substâncias apre-fosfato sentam no metabolismo de nosso organismo.

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CAPÍTULO

2 PROPRIEDADES DA ÁGUA

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Terra é um planeta vivo! Ou seja, um sistema complexo e dinâmico de organismos vivos. Esses, por sua vez, são dependentes da água, sendo constituídos por quantidades desse líquido, que em algumas espécies variam de 75% a 85% em massa. Daí podermos afirmar que não existe vida sem água. Pelo menos a vida como conhecemos. São as características da água que lhe dão o papel central nos processos relacionados à vida. Propriedades características como sua capacidade de dissolver a maioria das substâncias químicas, suas temperaturas de fusão e ebulição, sua absorção de radiação infravermelha solar, entre outras, têm papel fundamental na regulação do clima global. Sua capacidade de receber e armazenar energia permite distribuir a energia incidente sobre a superfície terrestre, diminuindo variações de temperatura entre os dias e as noites, favorecendo o desenvolvimento de diferentes formas de vida. Os vegetais armazenam energia por meio da fotossíntese, processo no qual as plantas processam água e sais minerais, retirados do solo pelas raízes, utilizando a luz solar e o dióxido de carbono (CO2), capturado da atmosfera pelas folhas. Esse processo é capaz de transformar energia solar em energia química, na forma de carboidratos, fonte de alimentação de inúmeros seres vivos. Sem contar que também é capaz de liberar para a atmosfera o precioso gás oxigênio (O2). Nós, como seres vivos e parte do ambiente, também necessitamos muito da água. De forma indireta, ela ajuda na manutenção das condições que precisamos para viver. De forma direta, ela faz parte de nosso corpo, constituindo cerca de 80% de nossa massa. Ela é importantíssima em diversos processos de nosso corpo, auxiliando na digestão (saliva e suco gástrico), na manutenção da temperatura corporal (suor), no transporte de nutrientes e gases até as células (sangue). Sua importância é tanta que, ao consumirmos pouca água, podemos ter problemas de saúde; como cálculos renais, que causam dores fortíssimas. Entre as características peculiares da água está o fato de ela ser a única substância encontrada naturalmente nos três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso. E suas moléculas têm estruturas simples: dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio. A forma angular da moA água no estado líquido apresenta moléculas que estão fortemente ligadas entre si. lécula de água, com Isso ocorre em razão das fortes interações entre elas em função das ligações de hidroângulo de 104º40’, congênio. Assim, considera-se que nessa situação as moléculas de água não têm existência fere à substância uma isolada. Elas encontram-se formando uma estrutura em rede tridimensional na qual as série de propriedades moléculas interagem fortemente com as moléculas vizinhas. características. Nas moléculas de água, os átomos de oxigênio possuem qua- Forma angular da mólecula de água tro pares de elétrons distribuídos uniformemente ao redor de seu núcleo que, de acordo com a teoria da repulsão dos pares de elétrons, formam ângulos (par de elétrons – núcleo – par de elétrons) O de 109º. Os dois pares de elétrons do oxigênio que não participam das ligações químicas ficam mais próximos do núcleo, repelindo os dois pares que estão ligados aos átomos de hidrogênio; com isso, há uma retração no ângulo entre as ligações H K O K H , que H H 104°40’ passa a ser de 104º40’. Por isso, a molécula de água tem geometria angular (veja a ilustração), que é responsável pela formação de ligações de hidrogênio entre suas moléculas.

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Global Arts Collection

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

A Ciência na História A     

A

água vem sendo estudada desde a Antiguidade. Aristóteles [384 a.C.-322 a.C.], filósofo grego, acreditava que ela não poderia ser decomposta, pois era um dos “elementos” básicos da natureza. Essa ideia prevaleceu até o século XVIII. Joseph Priestley [1733-1804], químico e físico inglês, contestou Aristóteles, mas não conseguiu comprovar sua teoria. Foi o químico francês Antoine-Laurent Lavoisier [1743-1794] quem conseguiu derrubar a hipótese de Aristóteles, demonstrando que a água pode ser decomposta nos gases hidrogênio e oxigênio. John Dalton [1766-1844], cientista inglês, considerava que a água teria a fórmula HO, mas essa ideia não era aceita pelo cientista francês Louis-Joseph Gay-Lussac [1778-1850]. Em 1811, o químico italiano Amedeo Avogadro [1776-1856] introduziu Alexander von Humboldt, o conceito de molécula e demonstrou que a fórmula da água é H2O, permiamigo do químico brasileiro tindo a conciliação entre os dados de Dalton e os de Gay-Lussac. As ideias de José Bonifácio, obteve dados Avogadro não foram muito divulgadas e ficaram esquecidas por meio século, que levaram os químicos a reconhecer a fórmula química da até que o químico Stanislao Cannizzaro [1826-1910], seu compatriota, conágua como H2O. vencesse a comunidade científica sobre o valor de suas ideias. Com base nos dados experimentais de Gay-Lussac e do cientista prussiano Alexander von Humboldt [1769-1859], finalmente os químicos reconheceram que a água é formada por moléculas contendo dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, podendo ser representada pela fórmula H2O.

J. Yuji

Moléculas de água formam redes

As moléculas de água formam redes, nas quais os átomos de oxigênio (vermelhos) ligam-se a átomos de hidrogênio (brancos) de outras moléculas por meio de ligações de hidrogênio (linhas azuis descontínuas).

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A diferença de eletronegatividade entre átomos de oxigênio (3,44) e átomos de hidrogênio (2,20) gera deslocamento de cargas nas ligações, ocasionando dipolos elétricos. Por causa da geometria angular, os dipolos da molécula não se anulam, conferindo-lhe polaridade. Essa característica permite a ocorrência de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água: interações intermoleculares entre átomos de hidrogênio e átomos de oxigênio de moléculas vizinhas. Essas interações são relativamente fortes e responsáveis por muitas das propriedades da água. Uma das propriedades características da água é sua elevada temperatura de fusão em relação a outras substâncias (NH3, H2S e CH4) que possuem valores de massa molar similares à da água, mas que são gases à temperatura ambiente. Essa diferença se deve basicamente às ligações de hidrogênio. As ligações de hidrogênio também são responsáveis por outra propriedade curiosa da água: a flutuação dos icebergs nos mares, devido à menor densidade do gelo em relação à água líquida (veja tabela na página seguinte). Propriedade essa

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SEGURANÇA


CAPÍTULO

que não se verifica na maioria das substâncias, pois os sólidos geralmente são mais densos que os líquidos. Um bom exemplo é o caso do etanol, cuja densidade no estado líquido é igual a 0,79 g/cm3 e, no sólido, 0,815 g/cm3. Observar um sistema contendo uma mesma substância nas fases sólida e líquida não é comum porque poucas substâncias possuem valores de temperatura de fusão próximos à temperatura ambiente. Uma dessas substâncias é o benzeno, cuja temperatura de fusão é igual a 5,5 ºC. Outra é a água.

DENSIDADE DA ÁGUA Temperatura

Valor

0 °C (gelo)

0,9168 g/cm3

1 3

4 °C

1,00000 g/cm

20 °C

0,99707 g/cm3

2 3

Pense

4 5

Hely Demutti

Em cada um dos recipientes ao lado, temos uma mesma substância nas formas sólida e líquida. Qual recipiente contém água e qual contém benzeno? Justifique sua resposta.

6 7 8

Nruboc/Dreamstime

O gelo flutuando na água é explicado, no nível molecular, pela interação entre as moléculas dessa substância. No gelo, as moléculas da água estão mais próximas e essa proximidade faz com que as ligações de hidrogênio se organizem de forma direcional num arranjo hexagonal bem definido. Dessa forma, os átomos de oxigênio interagem com quatro átomos de hidrogênio: dois por ligações covalentes e dois por ligações de hidrogênio (ver figura). Essas ligações conferem ao gelo uma estrutura cristalina muito bem organizada e com grandes espaços vazios no seu interior. Como resultado, o sólido é menos denso que o líquido. Quando o gelo se funde, parte das ligações de hidrogênio é desfeita, rompendo a organização da estrutura e permitindo que as moléculas se aproximem umas das outras. Consequentemente, por apresentar uma compactação maior, o gelo é menos denso do que a água líquida. A flutuação do iceberg é explicada pelo fato de as ligações de hidrogênio da água propiciarem a formação de uma estrutura cristalina no gelo menos compacta do que a da água na fase líquida.

Gelo

Água no estado líquido

Oxigênio Hidrogênio

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Ligações de hidrogênio na água

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Ligação covalente Ligação de hidrogênio

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Na água em estado sólido, as ligações de hidrogênio provocam arranjo cristalino que leva as moléculas a ocupar espaço maior do que ocupam no estado líquido.

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Ka_ru /Dreamstime

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

As ligações de hidrogênio são também responsáveis por outra propriedade fundamental da água que também favorece as condições para a vida em nosso planeta: o elevado calor específico. O calor específico da água líquida é 4,184 J/g ⋅ °C. Ou seja, para elevarmos a temperatura de um grama de água em um grau Celsius (de 14,5 °C a 15,5 °C) é necessária uma quantidade de energia igual a 4,184 joules. Esse valor é elevado se comparado à quantidade de energia necessária para aquecer outras substâncias nessas mesmas condições. Tal fato também se deve às ligações de hidrogênio, as quais originam imensas cadeias. Nos mares e rios de regiões frias, o gelo sobre a água forma uma camada isolante térmica (pois o calor específico do gelo é menor que o da água) que permite melhores condições para a vida. Por isso o gelo é usado pelos esquimós para a construção de iglus.

A tabela abaixo apresenta valores de capacidade calorífica de algumas substâncias. CALOR ESPECÍFICO DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS E MATERIAIS Substância/material

Capacidade calorífica

Ar

1,01 J/g ⋅ ºC

Cobre

0,38 J/g ⋅ ºC

Vidro

0,78 J/g ⋅ ºC

Aço

0,51 J/g ⋅ ºC

Sílica

0,74 J/g ⋅ ºC

Alumínio

0,90 J/g ⋅ ºC

Água (s)

2,03 J/g ⋅ ºC

Água (l)

4,18 J/g ⋅ ºC

Água (g)

2,01 J/g ⋅ ºC

A vida na Terra é extremamente favorecida pela alta capacidade calorífica da água, porque esse elevado valor permite que ela absorva grandes quantidades de energia, ocasionando pequenas variações de temperatura. Além disso, qualquer quantidade de água requer, para evaporar, 500 vezes mais energia do que a necessária para aumentar em 1 °C sua temperatura. Para congelar certa quantidade de água, é necessário retirar 80 vezes mais energia do que a retirada para diminuir 1 °C dessa mesma quantidade de água. Isso evita que a Terra tenha variações muito bruscas de temperatura, tornando pequenas as variações de temperatura entre os dias e as noites. A água existente na superfície e na atmosfera absorve grande quantidade de calor durante o dia e a devolve para o ambiente à noite, reduzindo a variação da temperatura. Em Marte, planeta onde as condições atuais de baixa pressão atmosférica dificultam a existência de grandes reservatórios de água na sua superfície, durante o dia a temperatura pode chegar a 22 °C e, à noite, cair para 63 °C. Situação semelhante ocorre nos desertos.

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J. Yuji

Nas vibrações de estiramento, os átomos ligados aproximam-se e afastam-se, diminuindo e aumentando o comprimento das ligações.

Rcaucino/Dreamstime

CAPÍTULO

A grande quantidade de água na superfície de nosso planeta contribui também para o fluxo da energia térmica absorvida da radiação solar. Isso ocorre pela movimentação de correntes marítimas e pelo processo de evaporação e condensação. A evaporação de grandes quantidades de água nas regiões tropicais esfria o ambiente ao consumir energia. Já nas regiões polares, o processo de condensação libera energia, aquecendo o ambiente. Assim, cerca de 20% da energia solar absorvida nos trópicos é transportada pelos vapores de água às regiões mais frias. A coloração da água está relacionada às ligações de hidrogênio e às suas vibrações. Estudos demonstram que, quando dois átomos estão ligados, aproximam-se e afastam-se constantemente. Esse movimento é denominado vibração de estiramento.

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Por ter pouca quantidade de água, os desertos apresentam temperaturas que podem ultrapassar 50 °C durante o dia e, à noite, apresentam temperaturas próximas de 0 °C. Por isso, nesses locais, o calor é escaldante durante o dia, e o frio, à noite, rigoroso.

8

J. Yuji

Nas moléculas, existe também o movimento dos átomos que causa variação dos ângulos formados pelas ligações. Esse movimento permanente é denominado vibração de dobramento.

Nas vibrações de dobramento, as ligações vibram num sentido que faz com que os átomos de hidrogênio se aproximem e se afastem uns dos outros.

As vibrações de estiramento e de dobramento são chamadas vibrações moleculares. As vibrações moleculares da água ocorrem em frequências compreendidas na região das micro-ondas (região entre 10 8 e 1011 hertz). Quando uma molécula de água vibra, ela afeta as moléculas vizinhas às quais está unida por ligações de hidrogênio. Essa alteração vibracional ocorre com a absorção de energia. No caso da água, não ocorre absorção da luz na frequência correspondente à região do azul, sendo ela, portanto, refletida. A mesma tonalidade azulada é muitas vezes vista nas formações de gelo.

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Hely Demutti Hely Demutti

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

O forno de micro-ondas não transmite calor ao alimento.

É a viscosidade da água que permite a formação de gotas.

Em parte, são as vibrações moleculares da água que tornaram a larga aplicação na cozinha dos fornos de micro-ondas. Esse forno foi patenteado em 1953 e, a partir da década de 1970, ganhou grande popularidade. Hoje, está presente em muitas residências e estabelecimentos comerciais. Diferentemente dos fornos elétricos ou a gás, o forno de micro-ondas não fornece calor: ele gera radiações com frequência de 2,45 ⋅ 109 hertz. No forno, essas radiações são direcionadas ao compartimento onde ficam os alimentos, e elas atuam nas moléculas de água presentes nos alimentos. As moléculas absorvem as radiações e, com isso, aumentam a vibração de suas ligações, causando aquecimento. Como as micro-ondas atuam basicamente em moléculas de água, alimentos ou recipientes que não contenham água não são aquecidos. Por causa da capacidade de penetração dessa radiação, alimentos são cozidos por inteiro, e não a partir da superfície, como nos fornos a calor. As ligações de hidrogênio têm tempo variável de existência. E esse tempo acaba determinando a viscosidade do material. Chamamos de viscosidade de um líquido a resistência que ele oferece ao movimento de suas partes. Assim, um líquido muito viscoso não escoa facilmente, e um líquido pouco viscoso escoa com mais facilidade. Na água, a duração da ligação de hidrogênio é muito pequena – aproximadamente 10 –9 segundos –, caracterizando um líquido pouco viscoso.

3 ÁGUA E SOLUBILIDADE DOS MATERIAIS

A

água é conhecida como solvente universal por ser capaz de dissolver uma grande diversidade de substâncias ou materiais, além de estar presente, mesmo que em pequena quantidade, na maioria dos materiais. Ela é o solvente mais abundante em nosso planeta, sendo sua quantidade estimada em aproximadamente 1,5 ⋅ 1021 litros. Os mares e oceanos são bons exemplos do grande poder de dissolução da água. Acumuladores de materiais dissolvidos pelos rios nos continentes, eles formam uma imensa solução que possui cerca de 35 gramas de sólidos dissolvidos por litro (veja tabela abaixo). Nesse sólido, encontramos átomos de mais de 64 elementos químicos diferentes. Muitos dos materiais dissolvidos são importantes fontes de matéria-prima, apesar de poucos serem explorados comercialmente. QUANTIDADE MÉDIA DAS SUBSTÂNCIAS MAIS ABUNDANTES NOS MARES Substância

Fórmula

Massa por litro de água

Cloreto de sódio

NaCl

27,500 g

Cloreto de magnésio

MgCl2

6,750 g

Sulfato de magnésio

MgSO4

5,625 g

Sulfato de cálcio

CaSO4

1,800 g

Cloreto de potássio

KCl

0,750 g

Carbonato de cálcio

CaCO3

0,111 g

KBr

0,103 g

Brometo de potássio o

Fonte: CRUZ, M. N.; MARTINS, I. P. Química Hoje! 9 ano. Porto: Porto Editora, 1995.

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Magicinfot/Dreamstime

Hely Demutti

CAPÍTULO

A substância extraída em maior abundância da água do mar é o cloreto de sódio (NaCl): em torno de 27 gramas por litro. Para extrair essa mesma massa de outras substâncias, precisamos de quantidades bem maiores de água. Em cada quilômetro cúbico (1 km3 = 1012 L) de água do mar, podemos ter cerca de 11,3 toneladas de zinco; 3,4 toneladas de cobre e estanho; 240 gramas de prata e 430 gramas de ouro. A facilidade com que a água dissolve diferentes tipos de substância deve-se à sua geometria e à distribuição de cargas de suas moléculas. A polarização de cargas nas moléculas da água permite a separação de íons, fortemente unidos por atração eletrostática. Quando dissolvidos, os íons são envolvidos por moléculas de água num processo denominado solvatação.. Dessa forma, os íons podem ser transportados pela água, favorecendo a ocorrência de diversos processos químicos, físicos e biológicos.

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Enquanto a proporção salina nos mares é de 35 g/L, no Mar Morto é de 350 g/L a 370 g/L. Suas águas são consideradas terapêuticas pelo fato de ter um grande concentrado de 21 minerais, sendo que 12 deles não são encontrados em outros lugares.

Na água do mar há uma grande quantidade de substâncias, tais como: cloretos de sódio, de magnésio, de potássio e de rubídio; sulfatos de magnésio; metafosfato de cálcio; sílica; bicarbonatos e outras substâncias, em menor quantidade.

Solubilização dos materiais Você já tentou adoçar um suco, mas se deparou com a situação de o açúcar se depositar no fundo do copo e não se dissolver mais, apesar da agitação contínua? A dissolução de um soluto em um líquido depende das possíveis interações entre os constituintes das duas substâncias. Dependendo também dessas interações, o soluto poderá se dissolver em maior ou menor proporção. Denominamos essa propriedade específica de solubilidade ou coeficiente de solubilidade. Solubilidade é a quantidade máxima de uma substância que pode ser dissolvida em uma determinada quantidade de solvente, produzindo uma solução estável e sem formação de precipitado (parte do sólido depositado no fundo do recipiente). Normalmente, a solubilidade é expressa em massa do soluto por 100 gramas de água. Quando se dissolve a quantidade máxima do soluto no solvente, obtém-se uma solução saturada. Quando em uma solução houver menos soluto do que o solvente é capaz de dissolver, a solução será denominada solução insaturada. Ou seja, em uma solução insaturada ainda é possível dissolver mais soluto, sem a formação de precipitado. Em determinadas situações, é possível que a quantidade de soluto dissolvida seja maior do que a solubilidade permite. Nesse caso, teremos uma solução supersaturada. Esse tipo de solução não é estável, e uma simples perturbação pode transformá-la em um material heterogêneo, pela precipitação do excesso de soluto. OD ÍNDICE

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solução saturada com precipitado

de KNO3 a 30 °C

solução supersaturada de KNO3 a 20 °C

resfriamento

100 g de H2O 45 g de KNO3

100 g de H2O 45,8 g de KNO3

À temperatura de 30 ºC é possível dissolver 45,8 g de KNO3 em 100 g de água. Nesse caso, conforme a quantidade de soluto adicionada à água, podemos ter três situações diferentes: a) solução insaturada; b) solução saturada; c) solução saturada com precipitado. Se a solução saturada obtida nessas condições for esfriada para 20 ºC, sem agitação, ela poderá se transformar em uma solução supersaturada, que ao sofrer alguma perturbação poderá precipitar a quantidade de KNO3 que ultrapassa o coeficiente de solubilidade desse sal a 20 ºC.

100 g de H2O 47 g de KNO3 (45,8 g dissolvidos e 1,2 g precipitados)

100 g de H2O 45,8 g de KNO3

solução saturada de KNO3 a 20 °C com precipitado

perturbação do sistema

100 g de H2O 45,8 g de KNO3

100 g de H2O 31,6 g de KNO3 dissolvidos e 14,2 g de KNO3 precipitados

Um exemplo comum de solução supersaturada é um tipo de bolsa térmica, disponível comercialmente, utilizada para fazer compressas quentes. Algumas possuem uma solução supersaturada de acetato de sódio (NaOCOCH3) e, quando dobramos a pequena placa de metal imersa na solução, inicia-se a precipitação do sal na forma de cristais. Esse processo é exotérmico, portanto, libera energia, aquecendo a bolsa.

Para preparar uma boa limonada, o ideal é dissolver o açúcar antes de se adicionar o gelo.

A solubilidade das substâncias em um mesmo solvente varia com a temperatura do sistema. Você já percebeu como o açúcar se dissolve melhor na água quente, utilizada na preparação do café, do que na água gelada, utilizada para preparar um suco? Pois é, geralmente, a solubilidade de substâncias sólidas aumenta à medida que a temperatura sobe. Entretanto, como para outras regras, há exceções. O sulfato de lítio (Li2SO4) é um exemplo de substância que tem sua solubilidade diminuída com o aumento da temperatura. A água dissolve grandes quantidades de algumas substâncias, como o cloreto de sódio (NaCl); pequenas quantidades de outras, como o carbonato de cálcio (CaCO3); e há ainda aquelas que praticamente não são dissolvidas pela água, sendo exemplo o cloreto de prata (AgCl). Para algumas substâncias, a temperatura do sistema aumenta em consequência do processo de dissolução, como no caso do hidróxido de sódio (NaOH); para outras, ocorre diminuição da temperatura, sendo exemplo o cloreto de amônio (NH4Cl). Quando dissolvemos uma substância em um solvente, ocorrem interações entre as moléculas do solvente e os constituintes – íons ou moléculas – do soluto. Como exemplo, podemos citar a dissolução do fluoreto de potássio em água. OD ÍNDICE

Ferro

26

114

solução saturada

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

J. Yuji

solução saturada

Hely Demutti

J. Yuji

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

solução insaturada


J. Yuji

CAPÍTULO

ânion

água

1 2 3 Hely Demutti

cátion

Na dissolução do fluoreto de potássio em água, os átomos de hidrogênio interagem com os ânions e os de oxigênio com os cátions.

O refrigerante é uma solução supersaturada de gás carbônico; quando a garrafa é aberta, o sistema sofre uma perturbação que provoca a expulsão do excesso de gás dissolvido.

Substâncias poliatômicas moleculares apolares também podem se dissolver em água graças ao deslocamento de cargas em suas moléculas. Como exemplo, podemos citar o iodo, que é formado por moléculas diatômicas apolares, mas que se dissolve em água, mesmo que pouco, graças ao deslocamento de cargas nas moléculas.

4 5 6 7 8

Pense Provavelmente você já deve ter aberto um refrigerante “quente” (que não está gelado) e viu o gás escapando rapidamente. Esse fato ocorre por causa da solubilidade que é afetada pela temperatura e pela pressão no interior da garrafa. No caso de gases, também há diminuição da solubilidade com o aumento da temperatura. Quando a garrafa do refrigerante está fechada, a pressão interna é maior do que a pressão externa. Ao abrir a tampa, ocorre uma diminuição da pressão interna, igualando-se à pressão externa. Nesse momento, observamos a formação de bolhas: é o gás carbônico que estava dissolvido no líquido escapando para a atmosfera, por conta da diminuição da solubilidade. A solubilidade dos gases é passível à variação da pressão atmosférica, um fator que praticamente não interfere no caso dos sólidos. Refrigerantes são soluções aquosas cujo solvente é a água, que contêm diversos solutos: açúcar, corantes, aromatizantes, acidulantes etc. É claro que não podemos esquecer o soluto gasoso que caracteriza os refrigerantes: o gás carbônico (CO2). Neste último caso, junto ao processo de dissolução ocorre uma reação química que é representada pela seguinte equação: H2O(l) + CO2(aq) F H2CO3(aq) O ácido carbônico (H2CO3), produto da reação, é uma das substâncias que conferem sabor característico aos refrigerantes. Esse sabor pode ser percebido também em água gaseificada (com gás carbônico).

Água mineral Para muitos, a água mineral não é somente utilizada como bebida; ela apresenta diversas propriedades curativas, dependendo da fonte de que foi extraída.

A água mineral já foi tema de música, tem grife, aparência extremamente agradável e gosto maravilhoso (embora alguns digam que não tem gosto ou cheiro) e seu cheiro não desagrada a ninguém. Essas seriam algumas das características da bebida mais consumida no mundo.

Hely Demutti

Como a temperatura influencia na solubilidade do gás carbônico contido em refrigerantes?

Pense O que é água mineral?

De acordo com o Ministério da Saúde, água mineral é aquela “obtida diretamente de fontes naturais ou artificialmente captada, de origem subterrânea, caracterizada pelo conteúdo e pela proporção relativa de certos sais minerais”. OD ÍNDICE

Ferro

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Fe

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55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

115


Pense Toda água mineral é natural?

De acordo com a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), instituição governamental que tem como missão “proteger e promover a saúde da população garantindo a segurança sanitária de produtos e serviços”, água mineral natural é aquela “obtida diretamente de fontes naturais ou artificialmente captada, de origem subterrânea, caracterizada pelo conteúdo definido e constante de sais minerais… e outros constituintes”. Durante sua passagem por diferentes regiões do solo, a água dissolve diversas substâncias, adquirindo propriedades características, tais como pH, salinidade, odor (em virtude da dissolução de gases) etc. Essas propriedades dependem basicamente das várias espécies químicas dissolvidas numa solução denominada água mineral. A composição da água mineral depende do tipo de solo e subsolo da região de onde foi extraída.

Juca Martins/Olhar Imagem

Canindé Soares

Diliff/Wikipedia Commons

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Os gregos antigos curavam os males físicos e mentais mergulhando em imensos tanques. Os romanos criaram os centros de tratamento hidroterápico. Os muçulmanos inventaram o banho turco, e os finlandeses, a sauna.

Quem resiste a um gostoso banho numa piscina de água mineral? Muitas cidades brasileiras têm explorado as suas fontes hidrotermais, pois elas possuem um elevado potencial turístico. Na foto, água mineral em Caldas Novas (GO).

Fontes térmicas na cidade de Mossoró (RN). No Brasil, existem águas hidrominerais espalhadas em 16 estados.

As águas minerais são classificadas conforme suas composições químicas e as suas propriedades físico-químicas. As principais espécies químicas encontradas nas águas minerais são os íons cálcio, magnésio, potássio, sódio, cobre, bário, antimônio, arsênio, cádmio, chumbo, manganês, mercúrio, níquel, cromo, cianeto, borato, fosfato, bicarbonatos, sulfatos, sulfetos, nitratos, cloretos e ferro. É claro que não podemos nos esquecer dos gases dissolvidos, sendo os principais o oxigênio e o dióxido de carbono. No campo, é comum as pessoas utilizarem águas que brotam de nascentes, que se fossem analisadas receberiam o título de água mineral. Como nas cidades isso é praticamente impossível, para podermos saborear água mineral temos que comprá-la engarrafada. Em cada região, há várias marcas de água disponíveis comercialmente, mas nem todas são águas minerais naturais. A legislação permite que águas purificadas e adicionadas de sais sejam vendidas como água mineral mineralizada.

116

OD ÍNDICE

Ferro

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Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

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! TABELAS

SEGURANÇA


Hely Demutti

CAPÍTULO

A água mineralizada é uma água comum fornecida por uma empresa de tratamento de água, mas que recebe quantidade de sais para ficar com constituição química semelhante a algum tipo de água mineral. A leitura de rótulos pode ajudar na escolha de uma água que possua características de sabor e de odor agradáveis ao seu paladar.

1 2 3 4

A água mineral é uma solução aquosa que contém diversos materiais, entre eles os sais. Os metais indicado na tabela (bário, estrôncio, cálcio etc.) estão presentes na água sob a forma iônica.

5 6 7

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

a) O que podemos observar comparando as propriedades físicas da água e dessas outras substâncias? b) Por que a água apresenta essas propriedades diferentes das demais substâncias?

1. Explique com suas palavras por que a água apresenta

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Cor

Massa molar (g/mol)

t f (ºC)

Calor de te fusão (1atm) (cal/g) (ºC)

H2O

Incolor

18,02

0,00

100,0

80,0

540

H2S

Incolor

34,08

–85,5

–60,3

16,7

131

H2Se

Incolor

80,98

–65,7

–41,3

7,4

57,0

H2Te

Incolor

129,6

–49,0

–2,0

42,8

Ferro

26

ÍNDICE

de micro-ondas está relacionado com a energia vibracional da molécula da água.

11. Considere quantidades iguais de água nos três estados físicos (sólido, líquido e gasoso) relacionados no esquema a seguir. I

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

II

III

água (s)

água (l)

IV

água (g)

V

Com base nos seus conhecimentos e no esquema acima, julgue os itens a seguir, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) A água apresenta a mesma estrutura geométrica nos três estados físicos. 2) O processo II envolve absorção de energia. 3) O processo III é acompanhado de um aumento de densidade. 4) O vapor de água está em estado mais energético do que a água líquida e a sólida. 5) O gasto de energia no processo IV é maior do que no processo V.

Calor de vaporização (cal/g)

Fórmula

OD

10. Explique como o princípio de funcionamento do forno

J. Yuji

2.

geometria angular. Água e gelo coexistem em equilíbrio a 0 °C. Enquanto funde, nessa temperatura, o gelo absorve o equivalente a 80 calorias por grama, transformando-se em líquido; a temperatura permanece a mesma. Explique o que pode ser realizado para congelar novamente a água. A molécula da água apresenta geometria angular; se fosse linear, com todos os seus três átomos em linha reta, qual seria o efeito disso sobre as suas propriedades físicas? Explique o efeito da ligação de hidrogênio nas propriedades físicas da água. Por que o gelo flutua na água? O gelo flutuará no álcool? Dado: densidade do álcool = 0,789 g/mL. Por que uma garrafa cheia de água e tampada estoura quando esquecida no freezer? Explique por que uma mistura gelo-água permanece a 0 °C até que todo o gelo tenha fundido, mesmo que essa mistura esteja sobre uma fonte de aquecimento. A temperatura da água no fundo de um lago é muito diferente da temperatura verificada na superfície? Explique. A tabela abaixo mostra as propriedades físicas da água e de outras substâncias constituídas por átomos de hidrogênio.

8

12. Considere as seguintes propriedades das substâncias A, B e C na mesma temperatura: Substância A: quando colocada dentro de um recipiente, move-se sempre para o fundo.

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

117


PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Substância B: quando colocada dentro de um recipiente, espalha-se por todo o espaço disponível.

19. Por que é importante indicar a temperatura em uma

Substância C: quando colocada dentro de um recipiente, move-se sempre para o fundo espalhando-se por ele e cobrindo-o por inteiro.

20. O sulfato de cobre, à temperatura de 20 ºC, dissolve-se

solução saturada? no máximo 1,2 g em 6,0 mL de água. Responda: a) Em 10 mL de água é possível dissolver 0,3 g de sulfato de cobre, na temperatura indicada? Justifique. b) Quantos mL de água são necessários para dissolver 0,5 g de sulfato de cobre na temperatura indicada?

Analise o texto acima e julgue os itens, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) Os estados de agregação das substâncias A, B e C são, respectivamente, líquido, sólido e gasoso. 2) O processo de evaporação da água absorve energia, sendo classificado como endotérmico. 3) As moléculas da substância B apresentam maior energia cinética que as moléculas da substância A. 4) Ao analisar a densidade das substâncias, observa-se que a substância C é mais densa que a substância B. 5) A substância C, ao entrar em ebulição, manteve-se a uma temperatura constante, logo pode-se concluir que se trata de uma substância pura composta.

21. Uma solução preparada pela adição de 0,5 g de bicarbonato de sódio (NaHCO3) a 10,0 g de água será saturada ou insaturada a 20 °C? Obs.: Nessa temperatura, a solubilidade do NaHCO3 é 9,6 g/100 g H2O.

22. Ao abrirmos uma garrafa de refrigerante, ocorre uma maior liberação de gases. Explique, com base na solubilidade de gases em líquidos, por que isso ocorre.

23. Por que uma pequena mudança de pressão tem

13. Explique, com base nas propriedades da água, o motivo

pouco efeito na solubilidade de sólidos e líquidos e maior efeito na solubilidade de gases dissolvidos em líquidos?

de ela ser considerada o solvente universal.

14. Quais são os fatores que influenciam na eficiência de um solvente?

24. Champanhe é uma bebida que deve ser guardada na geladeira antes de ser aberta, sendo necessário abri-la com muito cuidado. Explique, com base no conceito de solubilidade de gases em líquidos, o que acontece se uma garrafa for sacudida e aberta rapidamente.

15. Explique por que uma substância iônica pode ser dissolvida em água, e não, necessariamente, em outros solventes.

16. Uma enorme fonte de água está nos oceanos, mas a água do mar contém 35 000 ppm (parte por milhão) de sais dissolvidos, o que a torna inadequada para o uso doméstico e para a agricultura. Qual a importância de tornar a água do mar potável?

25. Ao realizar, com seus alunos, um experimento no laboratório, o professor derramou água sobre uma mesa. Em alguns minutos, os alunos perceberam que a água havia se evaporado. Alguns meses depois, o mestre repetiu a mesma cena. Dessa vez, a água permaneceu sobre a mesa por cerca de 6 a 9 horas. Indique algumas condições que poderiam ter ocorrido no laboratório para causar essa diferença.

17. Explique como ocorre a dissolução de uma substância em diferentes solventes?

18. Por que se faz chá com água quente mesmo quando se vai, posteriormente, bebê-lo gelado?

Pense

4 PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Por que a água filtrada congela quando é colocada no congelador da geladeira, e a água com sal não congela? Será que a água pode permanecer líquida em temperatura acima de 100 °C?

A

s propriedades químicas e físicas dos materiais dependem das substâncias que os compõem. As soluções, como outros materiais, apresentam propriedades diferentes das substâncias que as originam. Ao estudar a variação dessas propriedades com a concentração dos solutos, os químicos observaram que algumas propriedades dependem da proporção entre seus constituintes (concentração) e não da natureza do soluto.

118

OD ÍNDICE

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Fe

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55,8

T. PERIÓDICA

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! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

As propriedades das soluções que dependem do solvente e da concentração do soluto, e não da natureza deste, são denominadas propriedades coligativas. Essas propriedades têm várias aplicações práticas e são utilizadas na determinação de outras propriedades das substâncias. Do ponto de vista químico, as propriedades coligativas mais importantes são: • abaixamento da pressão de vapor; • abaixamento da temperatura de fusão; • elevação da temperatura de ebulição; • variação da pressão de osmose. Como as propriedades coligativas estão relacionadas a soluções, é importante conhecer bem as propriedades dos solventes em questão. Duas propriedades do solvente importantes nesse estudo são: a pressão de vapor e a temperatura de ebulição. Mas o que é pressão de vapor? É o que veremos a seguir!

Química na escola

1 2 3 4 5 6

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

7 8

Os líquidos evaporam com a mesma rapidez? A evaporação, passagem da fase líquida para a fase gasosa, ocorre lentamente na superfície dos líquidos. Este experimento, que poderá ser feito em grupo em sala de aula, tem como objetivo observar se as evaporações de diferentes líquidos ocorrem na mesma intensidade.

V Vídeo

Material água álcool solvente para limpeza de esmalte três colheres (de sopa) três conta-gotas

Hely Demutti

• • • • •

Procedimento 1. Coloque as colheres próximas. 2. Pingue dez gotas de água na primeira colher, dez gotas de álcool na segunda colher e dez gotas de solvente para limpeza de esmalte na terceira colher. 3. Observe e marque o tempo que cada material gasta para evaporar completamente.

Destino dos resíduos Os resíduos desta prática podem ser descartados na pia.

Análise de dados 1. Qual é a ordem de evaporação dos líquidos observada no experimento? 2. Analisando os dados e o gráfico ao lado, justifique as diferenças das curvas de evaporação apresentadas no gráfico.

Pressão/mmHg éter dietílico propanona (acetona) álcool etílico água

760

A uma mesma temperatura, líquidos diferentes apresentam diferentes valores de pressões de vapor.

OD ÍNDICE

Ferro

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Fe

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55,8

T. PERIÓDICA

a

34,6

B

c D E GLOSSÁRIO

54,5

78,4

! TABELAS

SEGURANÇA

100

Temperatura (°C)

119


Pense Será que em uma garrafa fechada há água evaporada?

Após a chuva, formam-se, no chão, poças de água que, com o tempo, desaparecem. Normalmente, não enxergamos a evaporação da água, mas sabemos que ela acontece. Provavelmente, a maioria das pessoas sabe que a tendência da água contida em um recipiente aberto é evaporar-se. E que quanto maior sua temperatura, maior será a rapidez dessa evaporação! Em um sistema fechado, como uma garrafa de água tampada, muitas moléculas passam da fase líquida para a fase gasosa (evaporam). Nesse caso, não há diminuição do líquido porque muitas fazem o inverso: passam da fase gasosa para a líquida (condensam).

J. Yuji

Hely Demutti

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Pressão de vapor

vapor

A chuva pode parecer incômoda, mas sua falta pode causar sérios problemas.

Na superfície de um líquido há passagem constante de moléculas da fase líquida para a gasosa e vice-versa.

líquido

Quando na superfície de um líquido as fases gasosa e líquida permanecem constantes, dizemos que o sistema está em equilíbrio dinâmico, pois nele há passagem constante de moléculas de uma fase para outra. Nesse equilíbrio, a pressão da fase gasosa sobre a fase líquida apresenta valor constante, que é denominado pressão de vapor do líquido. Pressão de vapor de um líquido, a uma dada temperatura, é a pressão exercida pelo vapor quando as fases estão em equilíbrio. A pressão de vapor de uma substância depende da temperatura e das interações intermoleculares. Consequentemente, a pressão de vapor de um líquido, ou seja, sua volatilidade é proporcional à temperatura e inversamente proporcional à intensidade das interações intermoleculares. A 25 °C, a água apresenta pressão de vapor igual a 3172 Pascais (0,03131 atmosferas). J. Yuji

água a 10 °C pressão = 1211 Pa

água a 40 °C pressão = 7281 Pa

água a 80 °C pressão = 44078 Pa

A pressão de vapor de um líquido aumenta com a elevação da temperatura.

120

OD ÍNDICE

Ferro

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! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

Para cada substância, assim como se pode atingir equilíbrio entre a fase líquida e a gasosa, também se pode atingir equilíbrio entre a fase sólida e a líquida e entre a fase gasosa e a sólida. Os valores de temperatura nos quais ocorrem esses equilíbrios dependem da pressão. Os gráficos que indicam essas variações são denominados diagramas de fases. Observe que a curva TC – entre os pontos T e C – representa valores de pressão e temperatura nos quais o líquido ferve. Nessa curva, o ponto C corresponde à temperatura mais alta, na qual o gás pode ser liquefeito; é a chamada temperatura crítica. Acima desse ponto, existe apenas uma fase: gás. Observe que a fase gasosa pode estabelecer equilíbrio com a fase líquida de duas formas: diminuindo a temperatura ou aumentando a pressão. Acima da temperatura crítica, não há equilíbrio entre as fases gasosa e líquida. Note que abaixo do ponto T (607,95 Pa) não é possível ter água líquida: ela sublima. O ponto T é denominado ponto tríplice e indica os valores de pressão e temperatura nos quais coexistem os três estados de agregação.

1 2 3 4 5 6 7

Pressão

J. Yuji

8 B

C

5

1⋅10 Pa

líquido

Nesse diagrama de fases da água, a linha violeta representa a fusão; a linha laranja, a evaporação; e a azul, a sublimação. Observe que, ao nível do mar (1 ⋅105 Pa), as temperaturas de fusão e ebulição da água são, respectivamente, 0 ºC e 100 ºC. Alterando essas pressões, esses valores também mudam.

gás

sólido

T A

vapor

0 °C

100 °C

Temperatura

Pense Quando aquecemos água, observamos a formação de bolhas, e isso ocorre por dois motivos. Inicialmente, formam-se bolhas por causa da liberação de gases nela dissolvidos. São essas bolhas que percebemos em um copo de água ou refrigerante retirado da geladeira e colocado sobre uma mesa. Durante o aquecimento de um líquido, quando a temperatura se aproxima da temperatura de ebulição (para a água: 100 ºC a 105 Pa), inicia-se a formação de bolhas por causa da passagem da fase líquida para a gasosa. Ao atingir a temperatura de ebulição, a pressão de vapor no interior do líquido torna-se igual à pressão sobre a superfície do líquido. A continuidade do OD ÍNDICE

Ferro

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55,8

T. PERIÓDICA

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c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

Hely Demutti

Qual é a diferença entre as bolhas formadas ao aquecermos água e as existentes no interior de um copo com refrigerante?

Na preparação de pudim em banho-maria, a temperatura do recipiente que está imerso no banho não ultrapassa a temperatura de ebulição da água do banho.

121


J. Yuji

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

aquecimento faz com que mais moléculas passem da fase líquida para a fase gasosa. Todavia, se o sistema estiver aberto, a pressão é constante e a temperatura do líquido não varia, porque a energia fornecida ao sistema é consumida no processo de vaporização. Veja esquema ilustrativo abaixo.

pressão atmosférica

líquido em ebulição

pressão da camada líquida (desprezível)

Um líquido entra em ebulição quando a pressão de vapor (PV) se iguala à pressão atmosférica (pressão exercida sobre sua superfície). Ao nível do mar, a pressão é de 100 000 Pa, e a água entra em ebulição a 100 °C.

líquido em ebulição

Pv

Pense Será que a temperatura da água varia, dependendo do valor da pressão atmosférica (diferentes altitudes)?

Malucs /Dreamstime

Patrick Grosner/Folhapress

A temperatura de ebulição de um líquido varia conforme a pressão externa exercida sobre sua superfície. Quanto menor for a pressão externa, menor será a temperatura de ebulição. Ao nível do mar, a água ferve a 100 °C. Se você mora no litoral, é fácil constatar esse fato. Se, por outro lado, você mora no interior, muito provavelmente a altitude é maior que a do nível do mar e, consequentemente, a pressão atmosférica é menor. Nesse caso, a água ferve a temperaturas inferiores a 100 °C. Em cidades como Belo Horizonte, Cuiabá, Teresina, São Paulo, Brasília e Manaus, a água entra em ebulição a valores de temperatura próximos de 98 °C. Observe as fotos abaixo. Em qual desses lugares a temperatura de ebulição é menor?

Monte Everest, na cordilheira do Himalaia, na Ásia.

Brasília, situada no Planalto Central do Brasil.

122

OD ÍNDICE

Ferro

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a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


Altitude (km)

9 8,373 8 7,392 6,503 7 5,688 6 4,947 5 4,265 3,629 4 3,025 2,452 3 1,917 1,406 2 0,914 0,676 1 0 1000 900 800 700 600 500 400

Monte Everest

CAPÍTULO

Relação pressão × altitude

Quanto maior a altitude do local, menor a pressão atmosférica e, portanto, menor será a temperatura de ebulição.

1 2 3 4 5

Pressão (hPa)

Fonte: <www.inpe.gov.br>. Acesso em: 8 fev. 2010 (dados fornecidos por correio eletrônico, em resposta à consulta sobre o tema).

6

Pense Como fica a temperatura de ebulição da água quando a pressão é maior que a do nível do mar?

7 8

Hely Demutti

Poucos são os lugares com altitude abaixo do nível do mar. O mar Cáspio – mar interior da Ásia que banha a Rússia, o Daguestão, o Azerbaijão, o Turcomenistão, o Cazaquistão e o Irã – tem altitude de 28 metros abaixo do nível do mar. Nas margens do mar Cáspio, a água ferve a uma temperatura maior do que 100 °C. Como o mar Cáspio é do outro lado do planeta, não podemos observar a água ferver a uma temperatura superior a 100 ºC? Podemos sim! Na verdade, isso acontece com muita frequência em nossas casas. Até o momento, estávamos falando de sistemas abertos e, consequentemente, de pressão atmosférica. Entretanto, quando preparamos um alimento em uma panela de pressão devidamente fechada, a água ferve a temperaturas superiores a 100 ºC. Como o sistema é fechado, o aquecimento provoca um aumento da pressão interna, fazendo com que a temperatura de ebulição seja maior do que em uma panela normal. Esse aumento de temperatura acelera as transformações físicas e químicas que ocorrem durante o cozimento de alimentos.

Praia do Farol, Ilha do Mel (PR), 2007: a altitude é igual a zero. Qual será a temperatura de ebulição nesse local?

Abaixamento da pressão de vapor Pense O que acontece com a água que está iniciando a ferver quando acrescentamos sal ou açúcar?

A adição de um soluto não volátil, como o sal e o açúcar, a uma solução (no caso, a água que usamos em nossa casa é um solução, pois não é pura) diminui a pressão de vapor-d’água, retardando a ebulição. Por isso a água para de ferver ao adicionarmos sal ou açúcar. Esse fenômeno é observado também em outros sistemas. Diversos estudos demonstraram que esse abaixamento da temperatura de ebulição está relacionado à quantidade de partículas que é adicionada ao sistema e não depende da natureza de suas partículas constituintes. OD ÍNDICE

Ferro

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c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

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Pressão

líquido

gás

Temperatura

O estudo da variação da pressão de vapor de um solvente pela adição de um soluto não volátil é denominado tonometria ou tonoscopia. A variação da pressão de vapor pode ser representada pelo gráfico ao lado.

Elevação da temperatura de ebulição A diminuição da pressão de vapor do solvente, causada pela dissolução de um soluto não volátil, provoca o aumento da temperatura de ebulição. Quanto maior a concentração em quantidade de matéria do soluto, maior será a variação da temperatura. Se colocarmos iguais quantidades de partículas de diferentes solutos não voláteis dissolvidos em recipientes diferentes com a mesma quantidade de água, obteremos o mesmo aumento de temperatura de ebulição. O efeito do aumento da temperatura de ebulição pode ser observado quando, por exemplo, cozinhamos alimentos em água com sal ou açúcar. Ao elevar a temperatura de ebulição, os alimentos são cozidos mais rapidamente. Nesse sentido, todo cuidado deve ser tomado na cozinha, pois uma queimadura com calda de um doce será muito mais séria do que se for com água. A variação da temperatura de ebulição pode ser representada pelo gráfico a seguir. A linha vermelha representa os valores de temperatura e pressão em que um solvente puro passa de líquido para gás. A linha azul representa esses valores quando uma dada quantidade de soluto é acrescentada ao solvente. Observe que, para uma mesma pressão (linha pontilhada), a temperatura de ebulição da solução é maior que a do solvente.

Pressão

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

A linha vermelha representa os valores de temperatura e pressão em que um solvente puro passa de líquido para gás. A linha azul representa esses valores quando uma dada quantidade de soluto é acrescentada ao solvente. Observe que, para uma mesma pressão (linha pontilhada), a temperatura de ebulição da solução é maior que a do solvente.

líquido

gás

Temperatura

O estudo da variação da temperatura de ebulição de um solvente pela adição de um soluto não volátil é denominado ebuliometria ou ebulioscopia.

Abaixamento da temperatura de fusão Pense Por que as águas dos oceanos não congelam, mesmo em locais muito frios, com a temperatura abaixo de 0 °C? Por que se acrescenta sal ao gelo utilizado para gelar bebidas mais rapidamente?

Nos países não tropicais, é comum no inverno a temperatura ambiente atingir valores inferiores a 0 °C. Isso pode causar diversos problemas por causa do congelamento da água: encanamentos podem romper-se, motores de automóveis podem não funcionar adequadamente etc.

124

OD ÍNDICE

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! TABELAS

SEGURANÇA


Hely Demutti

A correta utilização dos diversos tipos de aditivos e fluidos existentes no mercado ajuda na redução de gastos com a manutenção dos veículos. Devido a suas propriedades físico-químicas, esses produtos ajudam a manter os sistemas mecânicos em boas condições de funcionamento.

CAPÍTULO

Como evitar problemas desse tipo? No caso de água para refrigeração dos motores, alguns produtos químicos comerciais podem ser acrescentados para evitar seu congelamento. Esses aditivos têm a finalidade de diminuir a temperatura de fusão do líquido de refrigeração, evitando que o carro amanheça com o motor congelado. Além disso, o aditivo eleva a temperatura de ebulição do líquido de refrigeração, dificultando que ele ferva se o motor se aquecer além do normal. Vamos, agora, voltar ao caso dos oceanos. Como o sal diminui a temperatura de solidificação da água, o mar não se congela em locais perto dos polos, apesar de a temperatura ali atingir valores inferiores a 0 ºC. Isso pode ser observado no experimento a seguir.

1 2 3 4 5 6 7

Química na escola

8

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

Podemos evitar que um líquido congele?

V Vídeo

Pense

Que líquido apresenta maior temperatura de fusão: água ou água com sal?

Material dois tubos de ensaio (ou saquinhos plásticos) um béquer (ou copo) gelo água destilada (ou filtrada) cloreto de sódio (sal de cozinha)

Hely Demutti

• • • • •

Procedimento 1. 2. 3. 4.

Coloque gelo picado no béquer até a metade de seu volume. Adicione sal equivalente a um terço da quantidade de gelo e misture bem. Em um tubo de ensaio, coloque água até a metade de seu volume. No outro tubo de ensaio, coloque uma solução saturada de cloreto de sódio (solução com sal depositado no fundo do recipiente) até a metade de seu volume. 5. Mergulhe, simultaneamente, os dois tubos no gelo do béquer e observe por cinco minutos.

Destino dos resíduos 1. Os resíduos desta prática podem ser descartados na pia, sob água corrente.

Análise de dados 1. O que aconteceu com cada líquido? 2. Como você explica a diferença observada?

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Juca Martins/Olhar Imagem

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Diferentes quantidades de solutos não voláteis, quando dissolvidos em água ou em outro solvente, causam diferentes variações da temperatura de congelamento das soluções. Entretanto, se dissolvermos a mesma quantidade de matéria de diferentes solutos não voláteis, a variação na temperatura de fusão será sempre a mesma. A partir dessa constatação, podemos concluir que a variação de temperatura está relacionada à quantidade de espécies dissolvidas e não à sua natureza. Essa informação permite estimar a massa molar de substâncias em função da variação na temperatura de fusão que determinada quantidade do soluto provoca.

No preparo de sorvetes e picolés, utiliza-se uma mistura de água e sal – salmoura – ou água e álcool, com a finalidade de obter uma temperatura mais baixa, na qual a calda possa se congelar dentro de formas.

A variação da temperatura de fusão pode ser representada pelo gráfico 1. O estudo da variação da temperatura de fusão de um solvente pela adição de um soluto não volátil é denominado criometria ou crioscopia. O gráfico 2 representa as variações de pressão de vapor e temperaturas de fusão e ebulição causadas pela adição de um soluto não volátil à água.

Pressão

2

Pressão

1

líquido

ΔT crioscopia

ΔT

líquido

ebulioscopia

sólido sólido ΔP P

Temperatura

tonoscopia gás

P solução

A linha vermelha do gráfico representa os valores de temperatura e pressão, nos quais um solvente puro passa de líquido para sólido e vice-versa. A linha verde representa esses valores quando uma dada quantidade de soluto é acrescentada ao solvente. Observe que para uma mesma pressão (linha pontilhada) a temperatura de fusão da solução é menor que a do solvente.

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Temperatura

As linhas pontilhadas no gráfico representam os valores de pressão e temperatura para uma solução preparada com o solvente indicado na linha contínua. Nele, também são indicadas as respectivas propriedades coligativas.

a

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! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

Osmose Pense

1

Hely Demutti

O que acontece quando se coloca sal sobre um pedaço de carne? O que acontece com um pedaço de fruta desidratada dentro de um recipiente com água?

2

A salga é muito utilizada na conservação de carnes.

3 4 5 6 7 A calda ajuda a conservar as frutas.

8 Hely Demutti

Uma das maneiras de aumentar o tempo de conservação dos alimentos é desidratá-los. Isso pode ser feito de duas formas básicas: salgando ou colocando em calda de açúcar. No caso da salga, o objetivo é retirar o máximo de água possível para evitar a proliferação de fungos e bactérias que se desenvolvem em alimentos. O sal desidrata os alimentos porque a água neles contida passa pelas membranas desses alimentos de maneira mais fácil do que o sal. A saída de água compensa a diferença de concentração entre os dois meios do alimento: o externo e o interno. Quando uma fruta é colocada numa calda – solução aquosa concentrada de açúcar –, a água se movimenta da fruta (solução diluída de açúcar) para a calda (solução concentrada) até que os dois meios fiquem com iguais concentrações de açúcar. Consequentemente, a fruta fica com uma consistência mais rígida e adocicada que a fruta natural. A alta concentração de açúcar no fruto dificulta o desenvolvimento de microrganismos que causariam sua deterioração. Esse processo de movimentação de líquidos através de uma membrana é denominado osmose.

RECIPIENTE 1 solução diluída de glicose

RECIPIENTE 2 solução concentrada de glicose

membrana

moléculas de água

moléculas de glicose

A membrana semipermeável impede a passagem de solutos, mas permite a passagem de água, do meio mais diluído para o mais concentrado.

Diferentes membranas são permeáveis a diferentes substâncias químicas, iônicas ou moleculares. As espécies químicas irão atravessar a membrana, ou não, em função de propriedades, como tamanho, carga, polaridade etc. Organismos vivos utilizam membranas que controlam a concentração de espécies químicas, como íons sódio e potássio, fundamentais para a sobrevivência. 26

OD ÍNDICE

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J. Yuji

Osmose é o fluxo de solvente, através de uma membrana semipermeável, de uma solução diluída (ou de um solvente puro) para uma solução mais concentrada.

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! TABELAS

SEGURANÇA

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Inicialmente, no lado esquerdo do tubo em forma de U há uma solução mais concentrada que a solução do lado direito, ambas separadas por uma membrana semipermeável. Com o passar do tempo, o solvente atravessa a membrana, aumentando o volume do lado esquerdo e a pressão em sua base. A diferença de pressão entre os dois lados é dada pela diferença de altura das duas colunas.

Renato Spencer/JC Imagem

Equipamentos de dessalinização produzem anualmente bilhões de litros de água potável no mundo inteiro. Dessalinizadora do Real Hospital Português, em Recife (PE).

estado inicial

estado final

pressão osmótica tempo para estabelecer o equilíbrio membrana permeável ao solvente

Quando dois meios têm a mesma concentração de espécies químicas, diz-se que são isotônicos. No processo de nutrição das plantas, a água e os nutrientes passam do solo para as raízes por processos de osmose. Atualmente, encontramos em prateleiras de supermercados algumas bebidas denominadas isotônicas. Elas recebem essa denominação por apresentar sais minerais nas mesmas concentrações em que eles aparecem nos fluidos do organismo. Dessa forma, são fácil e rapidamente absorvidos pelo organismo. Um bom exemplo de bebida isotônica natural é a água de coco. A administração de soluções de concentrações muito diferentes das de nosso organismo pode causar diversos problemas. Veja um exemplo: a pressão osmótica do sangue é controlada por hormônios. Ao bebermos muita água, há diminuição na produção de hormônios e produção de urina, restabelecendo o equilíbrio osmótico. Quando não bebemos água, os hormônios liberados evitam a excreção de urina pelos rins e surge a sensação de sede. Se o plasma sanguíneo não for isotônico como as hemácias, elas poderão murchar ou explodir. Uma importante aplicação tecnológica da osmose está no desenvolvimento de dessalinizadores. Ao se colocar água salgada em contato com água doce – porém separadas por uma membrana semipermeável que permite a passagem de água, mas não de íons cloreto e sódio –, a água migrará para o recipiente de água salgada, para diminuir essa concentração. Todavia, se a água salgada for injetada nesse sistema de alta pressão, teremos a osmose reversa, na qual as moléculas de água atravessam a membrana e os íons ficam retidos. A dessalinização por osmose reversa é também utilizada para outras finalidades, como em sistemas centrais de purificação de água para aparelhos de hemodiálise e para a indústria alimentícia. OD ÍNDICE

Ferro

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J. Yuji

Andre Seale/Pulsar Imagens

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

Os peixes possuem organismos adaptados ao meio aquático. Se não existisse essa adaptação, a osmose poderia provocar a saída da água das células para a água do mar, no caso dos peixes marinhos.

Para que haja equilíbrio entre as concentrações nos dois meios, algumas espécies químicas atravessam a membrana, passando do meio mais concentrado para o mais diluído. Logo, a diferença entre as concentrações de uma mesma espécie química nos dois lados de uma membrana semipermeável (permeável ao solvente, mas não ao soluto) faz com que o líquido passe do lado mais diluído para o mais concentrado. Para interromper esse fluxo, é necessário exercer uma pressão sobre ela. Essa pressão é denominada pressão osmótica. Alguns exemplos de membranas semipermeáveis de uso comum são: bexiga de porco, tripa de carneiro, papel celofane etc. As membranas são essenciais para diversos processos vitais de animais e plantas. No processo de nutrição das plantas, a água e os nutrientes passam do solo para as raízes por processos de osmose. A osmose é muito comum em sistemas biológicos celulares. As paredes das células funcionam como membranas semipermeáveis. Nutrientes, água, oxigênio e outros gases entram e saem da célula através da membrana.

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FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

c) A criança irá obter uma pequena quantidade de sal no organismo que servirá para desidratá-la. d) A criança irá absorver certa quantidade de líquido, que, juntamente com as demais substâncias, será essencial para hidratá-la.

1. O que são propriedades coligativas? 2. Caracterize as seguintes propriedades coligativas: a) tonoscopia. b) ebulioscopia. c) crioscopia. d) osmose.

12. A dessalinização é um processo no qual se separa o sal da água do mar para obtenção de água potável. Que propriedade coligativa é utilizada nesse processo?

3. Por que a água borbulha quando está fervendo? 4. Quando é que um líquido ferve?

5. Na geladeira, para evitar que alguns alimentos trans- 13. Explique o que acontece com uma folha de alface se firam seu odor para outros, é comum a utilização de desodorizadores (por exemplo, carvão ativado). Explique qual propriedade coligativa está relacionada com esse fenômeno.

6. O que acontece ao adicionarmos açúcar à água em

a colocarmos em contato com um molho de salada preparado com sal e vinagre, e com outra folha de alface, colocada em água pura e fresca.

das de gelo nas ruas e sobre casas e carros, costuma-se utilizar aditivos nos radiadores dos automóveis para que a água não congele. Com base nos conhecimentos adquiridos, o que ocorre com a temperatura de congelamento da água dos radiadores?

9. Ao se colocar no congelador duas formas com líquidos diferentes, para fazer picolé de suco de fruta, explique qual delas congelará primeiro: a que contém certa quantidade de água e 100 mL de suco de fruta ou a que contém iguais quantidades de água e suco de fruta, acrescida de 34 g de açúcar?

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meável quando colocada entre água pura e uma solução de açúcar a 10%.

17. Explique por que uma pessoa poderá morrer de desidratação celular se beber continuamente a água do mar.

18. Explique o que é pressão osmótica. 19. As propriedades coligativas explicam uma série de fenô-

os filhos quando estes estão com diarreia ou vômito, pois isso faz com que o organismo das crianças perca muita água. Para fazer o soro caseiro, a mãe mistura, em um litro de água fervida, uma colher de chá de açúcar e meia colher de chá de sal. É importante seguir essas medidas porque: a) O processo de desidratação ocorre como absorção de líquidos pelo organismo. b) A criança irá aumentar a quantidade de açúcar no organismo e ficará hidratada. OD

5

16. Explique como funciona uma membrana semiper-

11. Os médicos aconselham as mães a dar soro caseiro para

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4

das frutas?

alimento. Como explicar esse processo?

26

3

15. Por que o processo de cristalização diminui o volume

10. A salga da carne serve para conservá-la, desidratar o

Fe

2

cesso de osmose ocorre entre a fruta e a calda açucarada. Explique o que acontece quando se atinge o equilíbrio osmótico.

7. Explique por que uma porção de arroz demora mais a

8. Nos países em que durante o inverno se formam cama-

1

14. No preparo de compotas (doces de frutas), o pro-

ebulição? Justifique. cozinhar em locais de altitudes elevadas, mesmo que a água esteja fervendo.

CAPÍTULO

Exercícios

menos que observamos em nosso dia a dia. A respeito desse assunto, julgue os itens abaixo. 1) Quando colocamos gelo dentro de um copo e o colocamos sobre a mesa, num dia quente de verão, a água que aparece na superfície externa do copo deve-se a um fenômeno conhecido como osmose. 2) Ao dissolvermos, em água do mar, um pouco de açúcar, a pressão de vapor de água diminui. 3) A adição de aditivos na água de refrigeração torna possível a diminuição da temperatura dos sistemas. 4) Em certas regiões do interior é comum salgar pedaços de carne, pois, em presença do sal, por osmose, a água atravessa a membrana celular, desidratando o alimento.

B

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! TABELAS

SEGURANÇA

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líquidas A e B. Observando o gráfico, julgue os itens correto (C) ou errado (E), sabendo que as temperaturas são iguais. Pressão de vapor/mmHg

como certos (C) ou errados (E). 1) As propriedades coligativas de uma solução dependem do número de partículas do soluto dissolvido na solução. 2) Uma solução aquosa que congela abaixo de 0 °C terá uma temperatura de ebulição normal superior a 100 °C. 3) Uma solução isotônica salina tem pressão osmótica igual à do plasma sanguíneo. 4) A osmose atua em muitos processos biológicos e em membranas semipermeáveis. Um exemplo é a sua atuação no movimento de subida da seiva nas árvores.

760

100 °C 120 °C

23. O gráfico abaixo representa o experimento realizado G

Pressão de vapor/mmHg

anteriormente. Com as informações que você obteve no experimento e a análise do gráfico, julgue os itens como corretos (C) ou errados (E).

1,0 atm –56 °C

Temperatura

Com as informações acima, responda aos itens seguintes. a) Qual o ponto onde coexistem as três fases de equilíbrio do gás carbônico? Explique. b) É impossível encontrar vapor de CO2 abaixo de –56 °C? c) Podemos encontrar o CO2 sólido em temperaturas acima de –56 °C, desde que a pressão seja suficientemente baixa? d) Em que estado estará o CO2 se a temperatura for de –60 °C e a pressão, 7 atm?

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600

760 mmHg

34,6

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éter

acetona

70,4 álcool

100,0 água

400 200 40°C

60°C

80°C

100°C

Temperatura

1) A água é a substância que possui maior pressão de vapor. 2) Entre as substâncias acima, o álcool é o que possui maior pressão de vapor. 3) A acetona é mais volátil que o éter. 4) À medida que a temperatura diminui, a pressão de vapor também se reduz. 5) As interações intermoleculares do éter são mais fracas que as da água.

sões de vapor de água pura (AP) e duas amostras Fe

800

20°C

22. No gráfico a seguir, encontramos variações de pres-

130

B

1) A amostra A é menos volátil que a amostra B. 2) A amostra A pode ser constituída de uma solução de cloreto do sódio. 3) A amostra AP evapora mais rápido que a amostra B. 4) Se adicionarmos um soluto não volátil e molecular à água pura, a temperatura de ebulição da solução diminui. 5) À pressão de 760 mmHg e a 100 °C, A é líquido, e B é vapor.

L

S

AP

Temperatura

contribuem para o aquecimento global da Terra. Apesar de recentemente o seu aumento na atmosfera estar provocando um desequilíbrio ambiental no planeta, existe um equilíbrio entre as mudanças de fases dessa substância, como demonstra o gráfico abaixo.

5,1 atm

A

80 °C

21. O gás carbônico é um dos principais gases que

Pressão

PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS

20. Em relação às propriedades coligativas, julgue os itens

a

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SEGURANÇA


Propriedades da água

CAPÍTULO

ER Exercícios de revisão

1

b A água é a única substância encontrada naturalmente nos três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso. Isso pode ser justificado pelas propriedades de suas moléculas.

2

b As moléculas de água possuem geometria angular que acarreta distribuição de cargas. b A interação entre as cargas das moléculas leva à formação das ligações de hidrogênio e são responsáveis pelas propriedades da água, como seu elevado calor específico (4,184 J/g ºC). b A água presente em 2⁄3 da superfície do planeta contribui para o efeito estufa, responsável pela menor variação de temperatura entre o dia e a noite.

3 4 5 6 7

A água e a solubilidade dos materiais

8

b A água é conhecida como solvente universal por ser capaz de dissolver uma grande variedade de substâncias e materiais, devido à geometria e à distribuição de cargas em suas moléculas. b O cloreto de sódio (NaCl) é a substância extraída em maior abundância da água do mar: 27 g/L. b A dissolução de um soluto em um líquido depende das interações entre os constituintes das duas substâncias. Quanto maior a intensidade dessas interações, maior será essa solubilidade. b Solubilidade é a quantidade máxima de uma substância que pode ser dissolvida, sem formação de precipitado, em 100 gramas do solvente. b Uma solução pode ser: insaturada, quando contém soluto em quantidade menor que a quantidade possível de se dissolver; saturada, quando contém soluto em sua quantidade máxima; ou supersaturada, quando é instável e possui soluto em quantidade maior do que a solubilidade permite. b A solubilidade das substâncias em um mesmo solvente varia com a temperatura do sistema. b A solubilidade dos gases está relacionada à pressão e à temperatura do sistema.

Propriedades coligativas b Propriedades coligativas são propriedades das soluções que dependem da concentração molar do soluto. b A pressão de vapor de uma substância depende das interações intermoleculares e é proporcional à temperatura. b A temperatura de ebulição de um líquido varia de acordo com a pressão. b O estudo da variação da pressão de vapor de um solvente pela adição de um soluto não volátil é denominado tonometria ou tonoscopia. b A adição de um soluto não volátil a um solvente diminui sua pressão de vapor e aumenta sua temperatura de ebulição. Esse estudo é denominado ebuliometria ou ebulioscopia. b O aumento da temperatura de ebulição de um solvente pela adição de um soluto é proporcional à concentração do soluto em quantidade de matéria. Esse estudo é denominado criometria ou crioscopia. b Osmose é o fluxo de solvente, através de uma membrana semipermeável, de um solvente ou de uma solução diluída para uma solução mais concentrada. b Pressão osmótica é a pressão necessária para interromper o fluxo de uma mesma espécie química através de uma membrana semipermeável que separa duas soluções de diferentes concentrações.

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C apít ulo 5 TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS

EQUILÍBRIO QUÍMICO O que é equilíbrio químico? Será que no futuro ainda teremos água potável?

Tema em foco

& QS S

POLUIÇÃO DAS ÁGUAS

Química e Sociedade

Sabesp

Euzivaldo Queiroz/A Crítica/AE

Basta abrir a torneira, ligar o chuveiro ou dar descarga e pronto, nos livramos de muita “sujeira”. Tudo tão fácil e simples! Parece que sim, mas não é verdade! Essa simplicidade aparente configura vários problemas. O maior deles está no fato de que a maioria das pessoas nem se interessa em saber o destino que a água usada terá. A água limpa porque tem grande capacidade de dissolução, mas a “sujeira” não some, vai com a água! A água que entra limpa na sua casa sai suja! O alto consumo e a baixa qualidade da água devolvida após o uso vem trazendo sérias consequências aos recursos hídricos. Considerando as cinco milhões de pessoas mortas anualmente, vítimas de problemas de saúde causados pela poluição das águas, pode-se depreender que esse é o mais grave problema de poluição dos recursos naturais! Das várias formas de poluição, a poluição das águas é uma das mais delicadas, devido principalmente a três fatores: a água é imprescindível para qualquer forma de vida; há uma grande diversidade de poluentes oriundos da atmosfera, dos solos e de diferentes atividades humanas; e o pequeno percentual de água potável à disposição para o consumo no planeta, que é em torno de 1%. A contaminação dos recursos hídricos acontece por meio do despejo direto de dejetos em cursos de água ou por meio de processos naturais oriundos de ciclos biogeoquímicos. Um exemplo desses ciclos são as chuvas que dissolvem gases poluentes da atmosfera, precipitam, lavam solos e superfícies e escoam para rios, lagos e lençóis subterrâneos.

Manaus (AM), 2009.

Represa Paiva Castro, Mairiporã (SP).

Mais de cinco milhões de pessoas morrem por ano devido a doenças provocadas pela poluição das águas. Isso corresponde a 10 vezes o número anual de vítimas de guerras e conflitos armados!

Toda essa água tem destino certo: em média 70% vão para a irrigação, 20% para a indústria e 10% para consumo doméstico.

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Hely Demutti

CAPÍTULO

Nesse trajeto, dissolvem e carregam diferentes poluentes. As fontes de poluição das águas decorrem, principalmente, de atividades humanas. Durante o desenvolvimento das cidades, toda dinâmica estabelecida interferiu nos recursos hídricos: a urbanização alterou os sistemas de infiltração e de escoamento das águas das chuvas, a agricultura e os desmatamentos causaram assoreamentos e modificaram leitos de rios e lagos, a construção de grandes obras, como hidrelétricas e represas, acabaram ocasionando modificações em bacias hidrográficas e em florestas, inundando cidades etc. No quadro abaixo estão identificadas diversas outras interferências das atividades humanas nos recursos hídricos, muitas delas causando prejuízos irremediáveis aos ecossistemas e aos próprios cursos de água. Esses efeitos decorrem principalmente da falta de um desenvolvimento ambientalmente controlado.

1 2 3 4 5 6 7 As indústrias instaladas às margens das vias fluviais são as principais responsáveis pelo processo de deterioração da água e devastação da fauna. Essa poluição de origem industrial provoca graves desequilíbrios ambientais nos ecossistemas e constitui uma ameaça direta à saúde das populações.

8

Tipos de poluição das águas ALGUMAS AÇÕES COM INTERFERÊNCIA NOS RECURSOS HÍDRICOS Atividade podemos Possível açãoainadequada Consequências Consequências indiretas Didaticamente, classificar poluição das águas em térmica,diretas sedimentar, biológica e química. Estas Indústria de materiais de são:Retirada de areia de Modificação da calha natural e Assoreamento de rios e erosão.

construção, garimpo etc.

margens e leitos de rios.

do transporte de sedimentos.

Garimpo de ouro.

Utilização de mercúrio.

Contaminação da água.

Contaminação de peixes e populações ribeirinhas.

Mineração e usina de carvão.

Emissão de enxofre para a atmosfera.

Chuva ácida.

Acidificação da água de rios, agressões aos ambientes e patrimônios urbanos.

Extração madeireira, pecuária e agricultura.

Desflorestamento.

Mudança na permeabilidade e erosão do solo.

Mudanças no regime hidrológico da bacia; assoreamento de rios e erosão.

Práticas agrícolas inadequadas.

Perda de solo, carregado para os rios.

Assoreamento e poluição de rios.

Aplicação inadequada de agrotóxicos e fertilizantes.

Contaminação da água e/ou eutrofização.

Rompimento de equilíbrios biológicos.

Captação excessiva de água para irrigação.

Subida do lençol freático.

Salinização do solo e da água.

Criação de animais.

Matadouros inadequados.

Carregamento de matéria orgânica e lançamento nos rios.

Poluição da água.

Disposição de resíduos sólidos.

Aterros sanitários mal executados.

Infiltração de poluentes no solo.

Contaminação do lençol freático.

Ocupação das zonas marginais de rios.

Estrangulamento (constrição) das Inundações. seções de escoamento dos rios.

Ocupação de encostas.

Erosão de encostas e carregamento de lixo pelas chuvas.

Entupimento de sistemas de drenagem; inundações.

Pavimentação com asfalto.

Impermeabilização do solo.

Acentuação de enchentes.

Agricultura.

Urbanização.

Aumento da concentração de Sobrecarga de sistemas de dejetos nas águas. tratamento de água.

Degradação do corpo-d’água receptor.

Fonte: Observatório das Águas, nº- 0. Água e Pacto Federativo, mar. de 2002. p. 15.

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Tipos de poluição das águas

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Didaticamente, podemos classificar a poluição das águas em térmica, sedimentar, biológica e química. Estas são: • poluição térmica: ocorre pelo descarte de grandes volumes de água aquecida, usada em sistemas de resfriamento de processos industriais, em sistemas ambientais; • poluição sedimentar: proveniente do acúmulo de partículas em suspensão (por exemplo, partículas de solo ou de produtos químicos insolúveis, orgânicos ou inorgânicos); • poluição biológica: resulta da presença de microrganismos patogênicos (micro-organismos causadores de doenças), especialmente na água potável; • poluição química: causada por produtos químicos estranhos ao ambiente, tornando-se nocivos ou indesejáveis. Embora todas essas poluições causem problemas ao ambiente, a poluição química é a mais complicada, uma vez que seus efeitos podem, a princípio, ser mais sutis e só percebidos a longo prazo. No entanto, os resultados podem ser catastróficos para o ambiente. Sobre essa poluição, os principais agentes poluidores são: • os fertilizantes, empregados na agricultura, os quais são arrastados pelas chuvas para córregos, rios, lagos e lençóis subterrâneos. Esses agentes poluidores contêm em sua composição nitratos (NO3–) e fosfatos (PO3– 4 ), que favorecem processos de eutrofização; • os materiais orgânicos sintéticos como plásticos, detergentes, solventes, tintas, produtos farmacêuticos etc. Esses agentes são muito variados e geralmente alteram diferentes propriedades físicas (cor, sabor e toxidez) e químicas (pH, concentrações de substâncias, equilíbrios químicos diversos etc.) da água e causam acúmulos sólidos; • o petróleo e seus derivados usados na forma de combustíveis em embarcações ou quando transportados por oleodutos no fundo do mar ou por navios; • os materiais inorgânicos, como minerais ou produtos industriais, que podem causar variações de pH, salinidade, concentração de gases, além de tornarem a água tóxica, sem contar a possibilidade da perigosa contaminação por diferentes metais pesados (Cu, Zn, Pb,Cd, Hg, Ni, Sn etc.). & QS S

A triste sina dos rios

Química e Sociedade

Uma triste realidade brasileira é que quase todos nossos grandes rios vêm sendo violentamente agredidos pelo despejo de dejetos oriundos de esgotos domésticos e industriais.

Fotos: Hely Demutti

Tempo necessário para certos materiais se decomporem quando jogados na água Papel – de 3 a 6 meses

Tecido de algodão – de 6 a 16 meses

Filtro de cigarro – cerca de 5 anos

Madeira tratada – cerca de 13 anos

Tecido sintético – cerca de 30 anos

Metal – cerca de 100 anos

Plástico – cerca de 100 anos

Pneus – indeterminado

Vidro – indeterminado

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Zig Koch/Olhar Imagem

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Hely Demutti

Hely Demutti

CAPÍTULO

Esses dejetos, com muita frequência, contêm substâncias nocivas à fauna e à flora aquática. O desmatamento descontrolado já causou a extinção de inúmeras fontes. Grandes cidades como Rio de Janeiro, São Paulo e Belo Horizonte estão com seus rios e lagos agonizando. O rio São Francisco, um dos maiores do mundo e carinhosamente chamado de Velho Chico, é um triste exemplo desse descaso! No ritmo em que tem sido agredido, prevê-se que até o ano de 2060 poderá ser extinto devido a diversos ataques, entre os quais: devastação de suas matas ciliares; contaminação de suas águas por dejetos; inviabilização da piracema por causa das barragens; diminuição de seu volume para atender à irrigação; assoreamento de seu leito devido à agressão do solo ao seu redor. Juruena (MT), 2007. Pirapora do Bom Jesus é uma cidade de romaria desde que, em Geralmente, o mercúrio meados de 1725, um morador encontrou, às margens do rio Tietê, uma imagem de Jesus é utilizado na mineração confeccionada em madeira. Ultimamente, o rio vem depositando às suas margens grandes para separar o ouro. Essa quantidades de espuma, formadas a partir da agitação de corredeiras de água contendo utilização é muito perigosa resíduos de xampus, sabonetes, detergentes etc., oriundos de esgotos da cidade de São porque o mercúrio é um Paulo e de outras cidades vizinhas. metal altamente tóxico Essa espuma, além de exalar um cheiro ruim, lança na e, ainda, pode entrar na caatmosfera diferentes poluentes que podem causar prodeia alimentar humana. blemas respiratórios. A situação também causa problemas à economia do município, que depende do turismo religioso. Esse exemplo demonstra bem o quanto a degradação de um rio, em certa região, pode afetar comunidades mais distantes banhadas por ele. Além do incômodo aos moradores da cidade, essa espuma também dificulta a dissolução de gás oxigênio na Muitos rios e riachos que água, diminui a tensão superficial e remove a camada oleosa que reveste algumas aves eram utilizados por nossos e insetos, impedindo que eles flutuem na água. pais para tomar banho e Como resolver esse problema? Após muitas pesquisas, químicos notaram que certos tipos brincar hoje estão tão pode sabões e detergentes são degradados com mais facilidade. Eles têm em comum o fato de luídos a ponto de não se poder tocar na água, deserem formados por substâncias cujas moléculas são lineares (sem ramificações), saturadas vido ao medo de doenças (sem ligações duplas ou triplas) e que contêm números pares de átomos de carbono. infectocontagiosas. A partir dessa descoberta, os esforços voltaram-se para a produção de detergentes com agentes biodegradáveis, diferentes das primeiras gerações de detergentes sintéticos. Atualmente, encontramos nos supermercados variados tipos de detergentes que são biodegradáveis. Por isso, fique atento aos rótulos e opte pelos que oferecem menor potencial poluidor. Isso é atitude sustentável.

Rio Tietê, em São Paulo (SP), 2007. Rio Tietê, em Pirapora do Bom Jesus (SP), 2007.

Á água por si só consegue algumas vezes se tratar de situações de poluição. Nela existem enzimas capazes de quebrar as moléculas de cadeias lineares, porém estas não atuam sobre as moléculas de cadeias ramificadas que constituem os detergentes não biodegradáveis, o que os tornam agentes perigosos.

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Mesmo sendo biodegradáveis, os detergentes demoram a desaparecer, causando problemas estéticos e ambientais.

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Os detergentes e a poluição dos rios

Pense

Fotos: Hely Demutti

EQUILÍBRIO QUÍMICO

O que significa a palavra “biodegradável” em rótulos de detergentes?

Os sabões e detergentes não biodegradáveis também impedem a decantação e a deposição de sedimentos, fazendo com que a espuma formada arraste detritos, inclusive de esgotos, que são levados pelo vento e espalhados pelo ar. A presença de ácidos em suas composições contribui para tornar a água de rios e lagos ácida, causando desequilíbrios nos sistemas aquáticos. O acúmulo de restos de materiais orgânicos facilita a proliferação de bactérias aeróbicas as quais consomem parte do oxigênio dissolvido na água. Os nitratos (NO3–) e fosfatos (PO3– 4 ), oriundos de fertilizantes, favorecem a proliferação exagerada de algas que ficam sobre a superfície da água levando à eutrofização, processo que limita e inibe o desenvolvimento de outros organismos. Como consequência, as colônias de algas que se encontram a maior profundidade deixam de receber luz, pelo que, impossibilitadas de realizar fotossíntese, morrem e se decompõem. As algas das camadas superiores continuam a receber luz e a produzir oxigênio, mas a maior parte desse gás se perde para a atmosfera, diminuindo a concentração de oxigênio nos rios e lagos e ocasionando a morte de peixes. Os detergentes sintéticos também contribuem para a eutrofização por conter íons fosfatos em sua composição. Embora esses detergentes sejam muito mais baratos, para evitar os problemas ambientais descritos, vários países aprovaram leis ambientais restringindo seu uso. Essa decisão é justificada por ser o processo de remoção do fosfato muito caro, aumentando o custo do tratamento do esgoto que, por sua vez, não está presente na maioria das cidades. Diz-se que uma substância ou material é biodegradável quando se degrada, sob condições ambientais favoráveis, pela ação de microrganismos. Esse processo de decomposição química é realizado por microrganismos, sobretudo bactérias, que quebram as moléculas orgânicas em pedaços cada vez menores. No final do processo, os materiais são transformados em substâncias, como dióxido de carbono e água, menos nocivas ao ambiente. A biodegradação pode ocorrer sob condições aeróbicas (com gás oxigênio) ou anaeróbicas (sem gás oxigênio). No caso de detergentes, o oxigênio é indispensável, já que as bactérias aeróbicas são as mais atuantes. Fatores como acidez e temperatura também podem favorecer ou dificultar o processo. Algumas substâncias se decompõem mais rapidamente e de forma mais completa que outras. Por isso, a biodegradabilidade é um parâmetro importante para se avaliar o impacto ambiental dos produtos industrializados. Desde o início da década de 1980, muitas pesquisas têm sido desenvolvidas para produzir materiais biodegradáveis. Os que recebem especial atenção são os plásticos que têm ampla utilização e, normalmente, levam séculos para se decompor. Entre os já produzidos, alguns se degradam lentamente em nosso Xampus e os mais variados detergentes organismo, o que permite serem usados na medicina para realização de suturas vão todos parar nos rios. Uma solução é internas e na confecção de cápsulas que, gradualmente, liberam medicamentos. o uso de detergente biodegradável, Vale destacar que os materiais biodegradáveis também causam problemas que é aquele que se decompõe por ação ambientais. A diferença está no fato de que eles podem se decompor em um bacteriana, ou seja, é oxidado por colônias de bactérias presentes na água dos intervalo de tempo menor, permitindo assim uma recuperação mais rápida dos rios, produzindo gás carbônico. danos causados.

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Ricardo Azoury/Tyba

CAPÍTULO 1 2 3 4 Rio de Janeiro (RJ), 2013.

Os detergentes também podem dissolver a camada de gordura que impermeabiliza as penas das aves aquáticas, dificultando sua locomoção.

Funcionários da Comlurb retirando peixes mortos da Lagoa Rodrigo de Freitas, Rio de Janeiro (RJ), 2013.

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Marco Aurélio Martins/AE

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Baía de Todos-os-Santos (BA), 2009. Estima-se que mais de quatro milhões de toneladas de petróleo são lançados anualmente nos oceanos, devido principalmente a acidentes sofridos por navios-tanques. Tudo isso poderia ser evitado com medidas de segurança como a construção de navios com cascos duplos, para evitar vazamentos caso ocorram colisões com recifes. Na foto, embarcações trabalham para conter a mancha de óleo formada na Baía de Todos-os-Santos (BA) devido a vazamento de petróleo ocorrido em 2009.

Debata e entenda FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Escreva uma lista de todos os problemas relacionados à degradação dos recursos hídricos apresentados no texto. 2. Liste atividades domésticas que desperdiçam água e proponha medidas que permitam diminuir ou mesmo eliminar desperdícios nessas atividades.

3. Calcule a quantidade de água desperdiçada por mês em um vazamento cujo fluxo é de uma gota por segundo – considere o volume de uma gota como sendo igual a 0,05 mL.

4. Cite uma maneira indireta de preservarmos os recursos hídricos, além de redução do consumo direto de água. 5. O que diferencia um detergente biodegradável de outro que não é biodegradável? 6. Em que os consumidores podem contribuir para diminuir os efeitos ambientais de detergentes em rios e lagos? 7. Debata com os seus colegas as vantagens e as desvantagens da substituição de sabões por detergentes. 8. Pesquise mais sobre o processo de eutrofização e dê exemplos de rios e lagos por ele vitimizados. 9. Qual o impacto na qualidade da água causada pelos poluentes? 10. Quais os mecanismos de poluição, tanto em nível de sistemas de exploração que a produzem como em meios naturais?

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1 REAÇÕES QUÍMICAS E REVERSIBILIDADE Pense

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Alexandre Cappi Jr/LatinContent/Getty Images

oa parte da água da Terra está em um constante processo de mudanças. Dos mares, rios e lagos a água passa para a atmosfera, umidificando o ar e formando as nuvens. Das nuvens originam-se as chuvas que alimentam os lençóis freáticos e os rios, levando vida às mais longínquas regiões. Os rios abastecem os lagos e mares, fechando o ciclo e mantendo o equilíbrio que sustenta a vida na Terra. Diferentes etapas desse ciclo podem ser percebidas em nossas casas. A água presente em um copo evapora-se, passando lentamente para a atmosfera. A umidade presente no ar pode condensar-se em uma superfície, como o lado externo de uma garrafa de água retirada da geladeira, retornando ao estado líquido. As mudanças de estado da água são, portanto, processos reversíveis. No entanto, nem todos os processos são reversíveis! Os processos que não podem retornar aos estados iniciais são chamados irreversíveis. A queima de combustíveis é um exemplo típico de processo irreversível. Ao ser queimado, por exemplo, o etanol (CH3CH2OH) se transforma em gás carbônico (CO2) e água (H2O), como descreve a equação química:

Rafael Neddemermeyer/AE

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Reversível? O que significa isso? Dê exemplos de fenômenos reversíveis. As transformações químicas são reversíveis?

CH3CH2OH(l) + 3O2(g) ( 2CO2(g) + 3H2O(g)

Com o crescimento da população de Brasília acima do previsto inicialmente, em pouco tempo o lago Paranoá ficou poluído e a população local pouco usava esse lago para atividades de lazer, e a pesca não era recomendada. Com o programa de expansão dos sistemas de tratamento de água de esgoto, hoje o lago voltou a ser utilizado pela comunidade.

Após algum tempo, todo o álcool é consumido e a reação cessa por falta de um dos reagentes: o etanol. Depois, não há como voltar ao estado inicial, já que gás carbônico e água não produzem etanol. Se fosse possível alcançar essa reversibilidade, boa parte dos problemas ambientais seria solucionada. Imagine como seria bom transformar os gases poluentes em combustíveis.

Pense Será que toda reação química é irreversível?

A partir do entendimento dos processos reversíveis e das possibilidade de alterá-los, podemos lidar melhor com diferentes processos presentes em nosso ambiente. A poluição dos rios envolve uma diversidade de transformações químicas, nas quais poluentes alteram as propriedades da água tornando-a imprópria para o consumo humano e para a sobrevivência de várias espécies aquáticas. Por outro lado, a despoluição de rios só é possível por meio do conhecimento e utilização de processos químicos que permitem remover diferentes poluentes que são lançados na água. Devolver a vida a um rio de águas poluídas que passa dentro de grandes cidades é um grande desafio para todos que estão ao seu redor. Isso já foi feito por várias cidades, o que dependeu de ações governamentais e, sobretudo, da participação de toda a sociedade. O resultado é gratificante para todos que estão à sua volta. No presente capítulo, vamos estudar sistemas em equilíbrio, muitos em meio aquoso, para, no fim, podermos compreender como é possível diminuir e até eliminar a poluição das águas.

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Peet Simard/Corbis

Luke MacGregor/Reuters

CAPÍTULO 1 2 3 4 5 6

Rio Sena. Paris e Londres são exemplos de cidades que fizeram acontecer, despoluindo os seus rios Tâmisa e Sena,, respectivamente; eles eram altamente poluídos. Hoje esses países são exemplos nas técnicas de tratamento e despoluição dos rios.

7 Rio Tâmisa.

8

Antes, vamos entender o que é uma reação química reversível, fazendo a atividade a seguir.

Química na escola

Vídeo

V

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

Por que a cor vai e volta? Esta atividade deve ser realizada de forma demonstrativa pelo professor, pois é de fácil visualização, utiliza material que exige cuidado adequado para manipulação e gera resíduos que necessitam ser tratados antes de descartados.

Material • • • • • • •

água destilada; funil; balança ou uma colher de café para medida; 4 g (uma colher de café cheia) de hidróxido de sódio; 6 g (duas colheres de café cheias) de dextrose (vendido em farmácias como açúcar de adoçar mamadeiras); 3 ml (60 gotas) de solução de azul de metileno a 1% (vendido em farmácias); 2 frascos transparentes de 500 mL, com tampa (garrafa de água mineral);

Procedimento 1. A uma das garrafas, com auxílio do funil, adicione água até um quarto de seu volume, acrescente o hidróxido de sódio, tampe firmente a garrafa e agite até dissolução completa; 2. À outra garrafa, com auxílio do funil, adicione água até um quarto de seu volume, acrescente a dextrose e o azul de metileno, tampe firmente a garrafa e agite até dissolução completa; 3. Cuidadosamente, com auxílio do funil, adicione o conteúdo da segunda garrafa na primeira garrafa e tampe firmemente. 4. Após verificar se a garrafa está bem fechada, agite-a vigorosamente. Observe e anote. 5. Deixe a garrafa em repouso. Observe e anote. 6. Repita os procedimentos 4 e 5 quantas vezes julgar necessário e proponha uma explicação para o que você observou. Debata com seus colegas as explicações propostas.

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Destino dos resíduos

EQUILÍBRIO QUÍMICO

A solução resultante deste experimento vai perdendo sua eficiência com o tempo e já não serve no dia seguinte ao preparo. Devido a seu pH elevado, pode ser guardada como resíduo básico para neutralizar resíduo ácido, ou neutralizada com ácido e descartada na pia.

Análise de dados 1. Quimicamente, como você justifica o surgimento da cor? E seu desaparecimento? 2. Podemos afirmar que essa reação é reversível? Por quê?

Este experimento é conhecido como a “garrafa azul” e é muito interessante para se estudar como se constrói o conhecimento científico. Isso é feito por meio da proposição de hipóteses que expliquem o surgimento e o desaparecimento da cor azul. O teste de hipóteses leva ao desenvolvimento de novas hipóteses e, assim, sucessivamente. Nesse momento, nosso interesse se deve à reversibilidade das reações. Por isso, vamos apresentar como os químicos explicam o fenômeno observado. Como você deve ter observado, a agitação da garrafa faz com que o líquido transparente fique com coloração azul. Deixado em repouso, a coloração azul desaparece. Nova agitação faz ressurgir a cor azul, que desaparece após pouco tempo de repouso. O hidróxido de sódio torna o meio alcalino, favorecendo a oxidação da glicose pelo oxigênio do ar dissolvido em solução produzindo o ácido glicólico, conforme descreve a equação: H(CHOH)5CHO(aq) + ½O2(aq) ( H(CHOH)5COOH(aq) O ácido formado reage com o hidróxido de sódio, conforme descreve a equação: H(CHOH)5COOH(aq) + NaOH(aq) ( Na+(aq) + H(CHOH)5COO – (aq) + H2O(l) Segundo os mecanismos propostos para a reação, o azul de metileno facilita a transferência de oxigênio. Quando a glicose é oxidada, o azul de metileno é reduzido a leucometileno, que é incolor. Rapidamente o leucometileno é oxidado pelo oxigênio dissolvido, formando azul de metileno e deixando a solução novamente azul.

2 SISTEMAS QUÍMICOS REVERSÍVEIS

A

reversibilidade característica de muitas reações químicas está associada a condições como: temperatura, pressão e concentração dos reagentes. Algumas reações só são reversíveis sob condições específicas. A decomposição da água por eletrólise produz os gases oxigênio e hidrogênio. Eles podem reagir, caso haja o fornecimento de energia para iniciar o processo, produzindo água. Nas reações reversíveis, assim que os produtos são formados começam a reagir, originando novamente os reagentes. Isso acontece principalmente em sistemas gasosos e aquosos. Para indicar a reversibilidade das reações, suas equações são representadas com uma seta dupla com meia ponta para cada lado (F), indicando que as reações se processam nos dois sentidos.

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N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) A natureza é repleta de sistemas reversíveis. É dessa forma, por exemplo, que a hemoglobina leva o gás oxigênio do pulmão para as células e volta com gás carbônico. Veremos a seguir outro exemplo de sistema reversível natural.

CAPÍTULO

A equação a seguir, de produção da amônia, exemplifica reações de equilíbrio.

1 2 3

O equilíbrio das cavernas No volume anterior, vimos que as cavernas são formadas a partir da dissolução de carbonatos pela água e pelo gás carbônico, representada pela equação: CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) ( Ca2+(aq) + 2HCO–3(aq) Os íons carbonato e cálcio arrastados pela água podem reagir, precipitando-se novamente como carbonato de cálcio, conforme a equação: Ca2+(aq) + 2HCO–3(aq) ( CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) O que há de comum entre essa equação e a anterior, de formação da caverna? Se percebeu que uma é o inverso da outra, acertou! Portanto, podemos dizer que o surgimento e a evolução das cavernas calcárias podem ser descritos pela reação de equilíbrio representada pela equação:

4

O sulfato de cobre (azul), ao ser aquecido, transforma-se em um sal desidratado (branco). É possível observar, pela mudança de cor do sistema, que houve uma transformação química. Esse processo é reversível. Pode-se obter o sal hidratado (azul) adicionando água ao sal desidratado (branco).

5 6 7 8

CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) F Ca2+(aq) + 2HCO–3(aq)

3 EQUILÍBRIO QUÍMICO Pense O que é equilíbrio?

palavra "equilíbrio", de origem latina, pode significar nível igual dos pratos de uma balança. Ela dá uma ideia de que não há mudança, de que o objeto de estudo está parado. Fala-se até em equilíbrio químico! Mas o que é equilíbrio químico? Será que ele é diferente? Depois de iniciada e antes que termine qualquer reação química, seus reagentes e produtos coexistem. Do ponto de vista macroscópico não percebemos mudança. Não vemos nenhuma alteração e poderíamos afirmar que não está ocorrendo mudança nenhuma. Entretanto, microscopicamente não é assim. Em uma reação química reversível, à medida que os produtos são formados, parte deles reage formando, novamente, os reagentes. Na verdade, dizemos que existem duas reações acontecendo: uma direta e outra inversa, como mostram as equações abaixo. Assim, os produtos da reação direta são os reagentes da reação inversa e vice-versa. N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g) (reação direta) 2NH3(g) ( N2(g) + 3H2(g) (reação indireta)

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A estalactite é formada a partir do teto da caverna pela deposição lenta e contínua de carbonato das gotas mineralizadas que escorrem por ela e sofrem evaporação. A gota, ao cair, ainda carrega consigo o carbonato em solução, o qual vai sendo depositado no piso logo abaixo, formando a estalagmite.

Sémhur/Wikimedia Commons

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Para simplificar e poder representar o processo por meio de uma só equação, os químicos representam as duas reações da seguinte forma: reação direta

N2(g) + 3H2(g)

F

reação inversa

2NH3(g)

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Diferentemente de outros sistemas em equilíbrio, nas reações químicas reversíveis o processo não cessa. Na verdade, a reação química continua acontecendo. Todavia, observa-se que elas atingem um estado no qual as propriedades do sistema se estabilizam, como se não houvesse mais reação. O equilíbrio está no fato de a reação ocorrer nos dois sentidos com a mesma intensidade, coexistindo reagentes e produtos. Por exemplo, o gás dióxido de nitrogênio (NO2), de cor castanho-avermelhada, transforma-se no gás tetróxido de dinitrogênio (N2O4), que é praticamente incolor, em uma reação química reversível, descrita pela equação: 2NO2 (g) F N2O4(g)

J. Yuji

Em um balão de vidro contendo dióxido de nitrogênio, é possível observar uma forte coloração castanho-avermelhada, característica dessa substância. Entretanto, com o passar do tempo, observa-se que a cor do material contido no recipiente vai diminuindo de intensidade até chegar a um tom que não muda mais, como podemos ver na figura a seguir.

x tempo

Assim que formado, a partir de uma reação de raspas de cobre com ácido nítrico concentrado, o dióxido de nitrogênio (NO2) confere uma cor castanho-avermelhada ao sistema. Com o tempo, a cor diminui de intensidade até ficar constante.

3x

2x

4x

5x

10x

Pense Por que a intensidade da cor diminui até chegar a uma tonalidade constante?

A cor é uma propriedade característica das substâncias. Como foi dito, o dióxido de nitrogênio é um gás castanho-avermelhado. Será que a substância vai perdendo a cor com o tempo? Claro que não! O fato é que o dióxido de nitrogênio (NO2) transforma-se em tetróxido de dinitrogênio (N2O4), um gás praticamente incolor. Se a reação fosse completa, no fim o material dentro do balão seria incolor. A sensação que temos, por meio da visão, é de que a reação parou. Entretanto, utilizando equipamentos sofisticados é possível constatar que as reações continuam acontecendo. Embora os químicos realizem essa reação nos laboratórios, não é fácil realizá-la na escola. Podemos, entretanto, imaginar o comportamento de átomos e moléculas. Vamos imaginar, então, uma reação química reversível, genérica, entre as substâncias A e B, formando a substância AB. Essa reação será representada pela equação: A + B F AB

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Se representarmos os átomos de A por esferas azuis e os átomos de B por esferas vermelhas, cada molécula de AB será representada por uma esfera vermelha unida a uma esfera azul. Imaginemos um recipiente dividido ao meio por uma divisória removível, contendo átomos de A de um lado e átomos de B do outro (I). Vamos imaginar o que acontecerá após a remoção da divisória (II). Entrando em contato, os reagentes começarão a formar o produto (III). Depois de certo tempo, as quantidades das substâncias envolvidas serão constantes (IV e V).

Infográfico

1

I

2 3

J. Yuji

4 5 6 I t=0

II t=1

III t=2

IV t=3

7

V t=4

8

Depois do estado IV, não observamos alterações macroscópicas, embora elas continuem a ocorrer no nível atômico molecular. Somente constataríamos a reação se marcássemos os átomos. É exatamente isso que os químicos fazem! Eles utilizam átomos diferentes de um mesmo elemento químico e, assim, podem estudar as alterações microscópicas no sistema. Vamos imaginar que um dos átomos de A (o do canto superior esquerdo da figura seguinte) tivesse uma massa diferente dos demais (isótopo). Para facilitar, vamos representá-lo por uma coloração mais escura – mas lembre-se de que cor é uma propriedade das substâncias e não de seus átomos – como mostrado na figura acima. Passado certo tempo, as quantidades de cada espécie química continuam as mesmas, mas onde está o átomo diferente? O mesmo seria observado se utilizássemos átomos marcados de B. Esses estudos demonstram, portanto, que no estado em que as propriedades macroscópicas do sistema permanecem constantes, microscopicamente a reação não cessa.

J. Yuji

Diferentes estados de um sistema, contendo substâncias que reagem entre si, em uma sequência cronológica de tempo (t). I – estado inicial, antes de os reagentes entrarem em contato. II – estado em que a barreira que separa os reagentes é removida. III – estado em que os reagentes começam a interagir formando os produtos. IV – estado em que houve a formação da maior quantidade possível de produtos que o sistema pode produzir nas condições estabelecidas. V – estado em que os reagentes continuam formando produtos, ao mesmo tempo em que os produtos se decompõem, formando reagentes. Nos estados IV e V, apesar de a reação prosseguir com a formação de novas moléculas, ao mesmo tempo outras são decompostas.

No equilíbrio químico, um átomo (como o destacado em escuro) pode estar em reagentes num instante e em produtos em outro momento.

Pense Se a reação não cessa, então por que ela atinge um estado em que suas propriedades não mudam?

Quando uma reação entra em equilíbrio, produtos se transformam em reagentes, na mesma medida em que seus reagentes se transformam em produtos. Dessa forma, a diminuição dos reagentes é compensada pela sua formação na reação inversa. Esse é um estado de constante compensação em dois sentidos, nos quais as taxas de transformações dos reagentes e dos produtos se igualam. Os químicos denominam esse estado como equilíbrio químico. OD ÍNDICE

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EQUILÍBRIO QUÍMICO

Por outro lado, as propriedades que percebemos dos sistemas são características do conjunto de seus constituintes. Como moléculas das substâncias são consumidas e formadas na mesma proporção, macroscopicamente o conjunto permanece inalterado. Consequentemente, as propriedades do sistema não se alteram. Ou seja, embora as propriedades do sistema permaneçam constantes, microscopicamente o processo continua. Portanto, ocorre um equilíbrio químico dinâmico. No estado de equilíbrio, há uma igualdade de compensação nas reações diretas e inversas, o que significa que a taxa da variação das quantidades dos reagentes por unidade de tempo é igual à taxa de variação das quantidades dos produtos por unidade de tempo. Ou seja, no estado de equilíbrio a rapidez da reação direta é igual à rapidez da reação inversa. Outro aspecto do equilíbrio é que não pode haver perda de reagentes ou produtos para outras vizinhanças, pois isso implicaria a não compensação no sentido de reverter a reação. Baseado-se em estudos desses processos, é possível identificar características comuns a sistemas em equilíbrio.

Nos sistemas químicos em equilíbrio: • reagentes, assim como produtos, são consumidos na mesma proporção nas quais são formados; • reagentes e produtos coexistem em concentrações que não se alteram; • a rapidez da reação direta é igual à rapidez da reação inversa; • as propriedades macroscópicas do sistema são constantes. Reações químicas reversíveis não acontecem apenas em laboratórios. Como citamos anteriormente, a formação e a evolução das cavernas calcárias e o transporte de oxigênio pela hemoglobina são exemplos de equilíbrio químico. Diversas condições de equilíbrio entre substâncias são fundamentais para a existência da vida e dos sistemas abióticos em nosso planeta. J. Yuji

O transporte de oxigênio do pulmão para as células é feito pela hemoglobina, uma proteína complexa que possui um grupo denominado heme. O grupo heme, formado por átomos de diversos elementos químicos, como carbono (representado em preto), ferro (rosa), nitrogênio (amarelo) e hidrogênio (cinza), combina-se reversivelmente com a molécula de oxigênio (vermelho), conferindo, nessa situação, coloração vermelha ao sangue.

O equilíbrio de fases Não são somente as reações químicas reversíveis que constituem equilíbrios dinâmicos. Muitos processos físicos também são dinâmicos. Do ponto de vista da química, um equilíbrio dinâmico importante é o equilíbrio entre diferentes fases de um sistema. Bons exemplos de equilíbrio são: equilíbrio líquido/vapor em sistemas fechados; dissolução de gases em líquidos; e dissolução e cristalização de sólidos em fase líquida. Se colocarmos em um frasco uma substância líquida e o fecharmos, deixando um espaço com ar, logo parte do líquido irá passar para a fase gasosa até atingir uma concentração

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C2H6O

CAPÍTULO

definida. À medida que a concentração da substância na fase gasosa aumenta, parte de suas moléculas voltam à fase líquida. Após certo tempo, se estabelece um estado de equilíbrio no qual a quantidade que passa para a fase gasosa será igual à quantidade que passa para a fase líquida. A pressão exercida pelo gás sobre o líquido, no equilíbrio, é denominada pressão de vapor. Para a água, esse equilíbrio é descrito pela equação:

1 2

H2O(l) F H2O(g)

3 4 5 Em um frasco contendo material volátil, há um equilíbrio no processo de vaporização e condensação. A olho nu, não percebemos que há mudanças no sistema, mas em nível molecular há uma constante movimentação de moléculas.

6 7 8

J. Yuji

Se tivermos um gás dissolvido em um líquido, em sistema fechado, também teremos um equilíbrio dinâmico. Enquanto moléculas do gás dissolvido escapam do líquido, outras moléculas retornam à solução, na mesma medida. Esse equilíbrio está presente em garrafas de refrigerantes e outras bebidas gaseificadas. Vamos imaginar um experimento relativamente simples. Consideremos uma solução preparada pela dissolução de iodo em uma mistura de álcool e água. Imaginem que essa solução foi preparada pela adição da quantidade máxima de iodo possível de se dissolver no volume utilizado. A seguir, essa solução é colocada em um sistema que é formado por dois reservatórios ligados por um tubo. Em um dos reservatórios é adicionada uma quantidade de iodo sólido que não se dissolve e fica depositada no fundo (precipitado). Deixado em repouso, o que observaríamos após um determinado tempo? A figura abaixo representa nosso experimento hipotético.

Solução saturada de iodo dissolvido em água e álcool, com excesso de iodo. A primeira figura representa o instante inicial, quando o excesso de iodo é colocado em um dos recipientes. A segunda figura representa o mesmo sistema, certo tempo depois.

Que diferença você observa entre os dois tempos? Como você justifica a variação observada? Será que em uma solução salina com excesso de sal depositado no fundo também há equilíbrio? Não há alterações macroscópicas no equilíbrio entre um sólido e sua solução, contidos em um recipiente. Entretanto, microscopicamente continuam a ocorrer duas reações: a de precipitação e a de solubilização do cloreto de sódio. No caso do cloreto de sódio, essas reações podem ser representadas pela equação: NaCl(s) F Na+(aq) + Cl– (aq) No equilíbrio de solubilização do cloreto de sódio, íons são solubilizados e cristalizados o tempo todo. No caso do iodo, não há solubilização de íons, mas sim de moléculas de iodo (I2) que se precipitam e se solubilizam constantemente, conforme a equação: I2(s) F I2 (dissolvido) Será que a variação de condições físicas pode alterar o equilíbrio, como em outros processos químicos e físicos? É o que veremos a seguir. OD ÍNDICE

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Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

c) A produção de amônia. d) A corrosão do ferro.

1. Cite algumas reações químicas consideradas irreversíveis e reversíveis encontradas no seu dia a dia.

11. Que características você utilizou para identificar se

EQUILÍBRIO QUÍMICO

2. Como você descreveria uma reação reversível?

essas substâncias estão em equilíbrio?

3. Qual é a importância do equilíbrio químico no estudo

12. Existe um indicador de umidade do ar conhecido como

das reações químicas?

“galinho do tempo”. Dentro dele encontramos um sal solúvel chamado cloreto de cobalto (CoCl2) e água. Sua cor se altera de acordo com a umidade do ar. Explique esse fenômeno por meio da reversibilidade.

4. Como você explica o equilíbrio existente na formação das cavernas?

5. Qual a diferença entre equilíbiro estático e dinâmico?

Fotos: Hely Demutti

O equilíbrio químico é estático ou dinâmico? Justifique.

6. Qual o significado das setas para a reação: N2O4(g) F 2NO2(g)?

7. Cite algumas características de um equilíbrio químico. 8. Um sistema químico fechado apresenta as seguintes características. I – No instante inicial, as moléculas dos reagentes são colocadas em contato e a cor do sistema é inteiramente vermelha. II – Após certo tempo, a cor do sistema tende para o amarelo. III – O sistema estabiliza-se com a cor amarelo-alaranjada. Julgue os itens, marcando C para os corretos e E para os errados:

13. Uma gota de água colocada em um recipiente fechado pode estabelecer ou não um estado de equilíbrio para a pressão de vapor? Explique.

14. Explique, utilizando o conceito de equilíbrio químico, o que acontece ao abrirmos uma garrafa de refrigerante.

15. Dos seguintes sistemas, julgue os itens, marcando C para os corretos e E para os errados. 1) Uma panela aberta sobre um fogão contém água fervendo à temperatura constante. O equilíbrio ocorrido é dinâmico. 2) Um balão contém ar e algumas gotas de água. A pressão dentro do balão é constante, logo o equilíbrio é estático. 3) Um formigueiro vive sua faina diária. A população do formigueiro é constante; logo, o equilíbrio é dinâmico. 4) O mercúrio líquido e o vapor de mercúrio num termômetro, permanecendo constante a temperatura, constituem um equilíbrio dinâmico.

1) Com o passar do tempo, notamos a mudança de cor no sistema à medida que as transformações evoluem. 2) Num determinado momento a cor não muda mais, indicando que as transformações cessaram. 3) A transformação é irreversível devido à cor final do sistema. 4) No início, como só há substâncias da cor vermelha, a velocidade de transformação é proporcional à quantidade de reagentes. 5) À medida que vão se formando substâncias de cor amarela, sua concentração vai aumentando e também a velocidade da reação direta.

16. A respeito de equilíbrio químico, julgue os itens, marcando C para os itens corretos e E para os errados: 1) As reações químicas consideradas reversíveis são aquelas que ocorrem em recipiente fechado, ou seja, não há troca de matéria com o ambiente. 2) O equilíbrio químico é atingido quando as reações em ambos os sentidos cessam e o sistema permanece estável. 3) Nos sistemas em equilíbrio, os reagentes permanecem separados dos produtos, apesar da compensação existente.

9. Quando deixamos no sol uma garrafa de água tapada e duas ou três horas depois a abrimos, o que se nota? Essa reação é reversível?

10. Identifique se estas reações estão em equilíbrio químico ou não: a) Água sendo aquecida dentro de uma panela de pressão tapada. b) A combustão de uma vela.

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17. (UFRGS-RS) Uma reação química atinge o equilíbrio químico quando: a) ocorre simultaneamente nos sentidos direto e inverso. b) a rapidez das reações direta e inversa são iguais. c) os reagentes são totalmente consumidos. d) a temperatura do sistema é igual à do ambiente. e) a razão entre as concentrações de reagentes e produtos é unitária.

CAPÍTULO

4) Embora as propriedades macroscópicas, como cor e estado físico do sistema, permaneçam constantes, num sistema em equilíbrio os constituintes microscópicos (átomos, íons ou moléculas) continuam reagindo entre si.

É(são) correta(s) a(s) afirmação(ões): a) Somente I e II. d) Somente I. b) Somente I e III. e) I, II e III. c) Somente II e III.

1

19. (Fatec-SP) Nas condições ambientais, é exemplo de sis-

2

tema em estado de equilíbrio uma: a) xícara de café bem quente. b) garrafa de água mineral gasosa fechada. c) chama uniforme de bico de Bunsen. d) porção de água fervendo em temperatura constante. e) tigela contendo feijão cozido.

3 4 5 6

20. Com relação ao estudo sobre equilíbrio químico, mar-

18. (Cefet-PR) Com relação ao equilíbrio químico, afirma-se: I–

O equilíbrio químico só pode ser atingido em sistema fechado (onde não há troca de matéria com o meio ambiente). II – Em um equilíbrio químico, as propriedades macroscópicas do sistema (concentração, densidade, massa e cor) permanecem constantes. III – Em um equilíbrio químico, as propriedades microscópicas do sistema (colisões entre as moléculas, e transformações de umas substâncias em outras) permanecem em evolução, pois o equilíbrio é dinâmico.

7

que a opção incorreta. a) Em um sistema em equilíbrio químico, as propriedades macroscópicas e microscópicas permanecem em evolução. b) O equilíbrio químico só pode ser atingido em sistemas fechados, pois não ocorre troca de matéria com o meio ambiente. c) O equilíbrio químico é dinâmico. d) Em sistemas em equilíbrio químico, a concentração dos reagentes permanece constante, apesar de a reação ocorrer continuamente. e) O estado de equilíbrio químico é alcançado quando a rapidez da reação direta é igual à da reação inversa.

8

4 ALTERAÇÕES DO ESTADO DE EQUILÍBRIO

o equilíbrio significa que a rapidez da reação direta é igual à rapidez da reação inversa. Por isso, as concentrações de reagentes e produtos permanecem constantes. A seguir, descrevemos uma atividade que lhe permitirá entender melhor o equilíbrio químico. Para iniciar, vamos falar de quantidades, ou seja, de estequiometria. Como exemplo, vamos trabalhar com a reação de síntese da amônia. Segundo sua equação, a estequiometria da reação indica que ela ocorre na proporção de um mol de gás nitrogênio para três mols de gás hidrogênio, produzindo dois mols de amônia. N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)

Todavia, como essa reação é reversível, nem todas as moléculas dos reagentes vão se transformar em produto. Mas quanto haverá de cada substância quando o sistema estiver em equilíbrio? Em outras palavras, em que extensão ocorrerá a reação? Estabelecido o equilíbrio, qual será a concentração de cada substância? Para os químicos, respostas a essas questões são fundamentais. Uma das atividades dos químicos é conhecer as reações e, com isso, descobrir como controlá-las, para otimizar os processos industriais. A extensão de uma reação química é determinada experimentalmente e depende das condições nas quais ela ocorre. Conforme as condições, uma reação poderá ocorrer em maior ou menor extensão. Ou seja, poderá produzir maior ou menor quantidade de produtos. OD ÍNDICE

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A adição de poluentes nas águas altera o equilíbrio do ecossistema, provocando terríveis desastres ambientais, como no caso do óleo que atingiu as praias de Madre de Deus (BA), em 2009. Luciano da Matta/AE

N

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OH

HO

O OH–

C

C

+ 2H3O+

H3O+

O C

COO–

O incolor

vermelho

Fotos: Hely Demutti

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Os indicadores de ácidos e bases são espécies químicas que também apresentam equilíbrio ácido-base. Ao lado temos a equação de equilíbrio da fenolftaleína, que pode ser alterado ao variarmos a concentração do íon hidrônio (H3O+). A cor das espécies químicas em equilíbrio está associada ao número de ligações duplas conjugadas (sequência de ligações duplas intercaladas por uma ligação simples), que é maior na estrutura da direita.

Isso significa que uma reação pode atingir diferentes estados de equilíbrio, dependendo das condições às quais for submetida. Cada estado de equilíbrio corresponderá a diferentes valores constantes de concentração de reagentes e produtos. Esses estados somente serão alterados se houver alteração das condições do sistema. Como já vimos, quando há equilíbrio, a rapidez da reação direta é igual à rapidez da reação inversa. De acordo com a teoria das colisões, variações de concentração ou de temperatura alteram a rapidez das reações e, consequentemente, interferem nos equilíbrios. Também em reações envolvendo gases, a pressão pode alterar o equilíbrio. Vejamos nos próximos tópicos como isso acontece.

A tonalidade e a cor da hortênsia dependem do tipo de solo em que a flor é cultivada: quanto mais ácido for o solo, mais azuis serão as flores.

Hely Demutti

Viragens de alguns indicadores J. Yuji

amarelo de alizarina (10,1 – 12,0) fenolftaleína (8,2 – 10,0) azul de bromotimol (6,0 – 7,6) púrpura de metila (4,8 – 5,4) azul de bromofenol (3,0 – 4,6) azul de timol (1,2 – 2,8)

As flores apresentam cores variadas pela presença de substâncias orgânicas que possuem diversas ligações duplas intercaladas. Como essas substâncias normalmente são sensíveis à acidez, os extratos dessas plantas podem ser utilizados como indicadores de pH.

0

1

4

5

6

7

8

9

14

13 12 11 10

9

8

7

6

5

3

10 11 12 13 14 pH 4

3

2

1

0 pOH

Os indicadores são formados por diferentes substâncias e, por isso, apresentam cores diferentes que alteram em diferentes faixas de pH.

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CAPÍTULO

Efeito da variação da temperatura Fotos: Hely Demutti

Imagine a seguinte situação: na metade de um copo com água são adicionadas 10 gotas de detergente de lavar louças. Depois, são adicionadas 4 gotas de solução de fenolftaleína. A solução toma uma coloração rósea. Depois, a mesma solução é aquecida e perde a coloração rósea, ficando incolor. O que você acha que aconteceu? A amônia do detergente produz o hidróxido de amônio, conforme a reação:

4 5 6

O hidróxido de amônio é uma base e a sua solução ficará rósea na presença de fenolftaleína. Os resultados do experimento indicam um dos fatores que Detergente dissolvido em alteram o favorecimento do estado de equilíbrio: a tempeágua com gotas do inratura. O aquecimento da solução faz com que o equilíbrio dicador fenolftaleína, à favoreça a formação dos reagentes (amônia e água), levantemperatura ambiente. do ao desaparecimento da coloração rosa, pois a concentração dos íons OH – e NH+4 diminui. Ao se colocar o tubo aquecido no banho de gelo, aos poucos a coloração rosa reaparece, indicando o favorecimento da reação direta (formação dos produtos). Um aumento de temperatura, em geral, implica aumento na rapidez de uma reação. Moléculas submetidas a temperaturas maiores são mais energéticas, ou seja, possuem mais energia cinética. Dessa forma, suas colisões têm maior probabilidade de resultar em reações. Assim, tanto a rapidez da reação direta como a da reação indireta crescem com o aumento de temperatura. Entretanto, a reação que ocorre com absorção de calor (endotérmica) aumenta de forma mais acentuada.

Pense

7 8 Detergente dissolvido em água com gotas do indicador fenolftaleína, aquecido a 60 °C. O gás NO2 fica em equilíbrio com o gás N2O4. O gás NO2 apresenta cor castanho-escura, mas, ao colocarmos o tubo em um recipiente com gelo (o da direita), percebemos a sua descoloração, o que significa que a temperatura favoreceu a formação do gás N2O4, cuja reação é exotérmica. Sendo assim, houve um deslocamento do equilíbrio.

Quando se aquece o sistema em equilíbrio, há favorecimento da reação na qual ocorre a absorção de calor. Nesse caso, o sentido inverso da reação é favorecido, e pode ser percebido pela diminuição de cor da solução. Do ponto de vista energético, as equações das reações podem ser descritas da seguinte maneira, em que H é uma grandeza de variação de calor que pode indicar se a reação é exotérmica ou endotérmica:

J. Yuji

A reação da amônia com a água é endotérmica ou exotérmica (liberação de calor)?

NH3(aq) + H2O(l)

2 3

NH3(aq) + H2O(l) F NH+4 (aq) + OH– (aq)

Reação direta:

1

água a 25 °C

( NH+4(aq) + OH–(aq) ΔH < 0 (reação exotérmica)

Reação indireta: NH+4(aq) + OH–(aq) ( NH3(aq) + H2O(l) ΔH > 0 (reação endotérmica)

O aquecimento favorece a reação indireta, que é endotérmica. Já o resfriamento implica favorecimento da reação em que há liberação de energia, ou seja, da reação exotérmica. Nesse sentido, ao resfriarmos o sistema ocorre o favorecimento do sentido direto da reação, resultando no reaparecimento da coloração rosa. OD ÍNDICE

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água com gelo

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Efeito da variação da concentração Pense

Vamos agora imaginar uma solução que, às vezes, é preparada em casa. O bicarbonato de sódio (NaHCO3) é um sal que, quando dissolvido em água, forma os íons sódio (Na+) e bicarbonato (HCO3–), segundo a equação:

Hely Demutti

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Soprar em uma solução altera algum equilíbrio? Por quê?

Na2CO3(aq) ( Na+(aq) + HCO3– (aq) O íon bicarbonato reage com a água segundo a equação: HCO3– (aq) + H2O(aq) F H2CO3(aq) + OH– (aq) Após a adição de colher de café de bicarbonato de sódio (cerca de 0,2 g) em meio copo de água, o que acontecerá se forem adicionadas algumas gotas de fenolftaleína a essa solução?

A formação do íon hidroxila confere pH básico à solução, que ficará com coloração rósea devido à fenolftaleína. Você já tomou água mineral com gás? Se não tomou, experimente. Você vai perceber que ela apresenta um sabor diferente, picante. Isso acontece porque a água gasosa é uma solução cujo principal soluto é o gás carbônico (CO2). Nela, temos o equilíbrio químico descrito pela equação: CO2(g) + H2O(l) F H2CO3(aq) Quando sopramos no fundo de um recipiente com água, aumentamos a concentração de gás carbônico nesse líquido. Para manter a situação de equilíbrio, mais produto é formado, aumentando a concentração do ácido e diminuindo a concentração do gás. Dizemos que o equilíbrio se desloca para a direita, isto é, a alteração do equilíbrio está favorecendo a formação de produtos. Às vezes, aumentamos o tamanho de uma das setas, indicando o sentido para o qual a reação é deslocada para compensar variações impostas ao sistema. Veja:

Fotos: Hely Demutti

O borbulhamento de gás carbônico, presente em nosso sopro, na solução de bicarbonato de sódio leva à formação de ácido carbônico na solução, aumentando a sua concentração. Esse aumento de concentração favorece o sentido inverso da reação, consumindo íons OH – e formando o íon bicarbonato; consequentemente, a solução perderá sua cor. Antes

CO2(g) + H2O(l) F H2CO3(aq) O ácido carbônico, por sua vez, ioniza em água, segundo a equação: H2CO3(aq) + H2O(aq) F HCO3– (aq) + H3O +(aq) Por isso, o borbulhamento de gás carbônico na solução aumenta a concentração de ácido carbônico, deslocando o equilíbrio para a direita e, consequentemente, aumentando a acidez. Com esse aumento, a fenolftaleína deixa de apresentar sua coloração rósea, característica de meio básico.

Depois

Pense O que acontecerá com esse sistema se ele for aquecido?

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Hb(sangue) + O2(sangue) F HbO2(sangue) O equilíbrio hemoglobina-oxigênio se altera com a diminuição na concentração de oxigênio que favorecerá o equilíbrio no sentido da direita para a esquerda (reação inversa). Essa variação diminui a concentração de óxi-hemoglobina (HbO2 – hemoglobina ligada a oxigênio), causando a hipoxia. Aos poucos, o organismo pode se adaptar, aumentando a concentração de hemoglobina (Hb), o que vai favorecer gradualmente a reação no sentido direto, levando a uma produção de óxi-hemoglobina e à diminuição da sensação de mal-estar. Quando se aumenta a concentração de uma substância em um sistema em equilíbrio, há favorecimento no sentido da reação em que essa substância é consumida.

CAPÍTULO

Para que você possa responder adequadamente a essa questão, vamos lembrá-lo de um detalhe importante: a solubilidade dos gases em água diminui com o aumento da temperatura. As reações resultam de colisões entre moléculas ou íons dos reagentes. A rapidez de tais reações pode ser alterada mudando-se a concentração dos reagentes ou dos produtos. Um aumento na concentração dos reagentes resulta em mais espécies reativas para colisões, provocando um aumento na rapidez da reação. Assim, o equilíbrio é alterado quando se muda a concentração de um ou mais de seus componentes. Como consequência, a concentração de todas as espécies mudará e um novo estado de equilíbrio será estabelecido. Um exemplo de equilíbrio que é afetado pela variação da concentração é o transporte de oxigênio no sangue, pela hemoglobina. Em regiões de altitudes elevadas, as pessoas que não são da localidade podem sentir hipoxia. A hipoxia,, conhecida como “mal das alturas”, consiste na deficiência da quantidade de oxigênio que chega aos tecidos do corpo, e seus sintomas são dor de cabeça, náusea, fadiga e outros incômodos. Ela acontece devido à menor concentração de oxigênio no sangue como consequência da menor concentração de oxigênio no ar. No sangue, a reação do oxigênio com a molécula de hemoglobina (Hb) é uma reação complexa (veja ilustração na página 144), que pode ser representada da seguinte forma:

1 2 3 4 David Mercado/Reuters

5 6 7 8

Pesquisas apontam que os habitantes de cidades altas, como Cidade do México, Bogotá (2235 m acima do nível do mar) e La Paz (3630 m acima do nível do mar), chegam a ter 50% a mais de hemoglobina no sangue do que aqueles que moram no nível do mar. Atletas de regiões de menor altitude sofrem quando chegam a esses locais. Dá para imaginar que o equilíbrio químico possa influir no resultado de um jogo de futebol?

Efeito da variação da pressão Pense O que acontecerá com a acidez de uma água gasosa deixada em um recipiente aberto?

A pressão também influencia equilíbrios nos quais pelo menos uma das substâncias envolvidas é gasosa. Vejamos por quê. O aumento de pressão de um sistema gasoso, à temperatura constante, implica o aumento da pressão dos gases presentes. Se houver um maior número de moléculas gasosas de reagentes do que de produtos, a pressão dos reagentes será maior do que a dos produtos. Com isso, haverá maior número de colisões entre os reagentes, favorecendo a reação direta, ou seja, deslocando o equilíbrio no sentido em que há menor número de moléculas. Por outro lado, se houver diminuição de pressão, a reação inversa será favorecida, deslocando o equilíbrio no sentido em que há maior número de moléculas. OD ÍNDICE

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Kursk, RU

EQUILÍBRIO QUÍMICO

O submarino russo Kursk afundou, em 12 de agosto de 2000, no mar de Barents, vitimando 118 tripulantes. A morte desses tripulantes pode ter sido ocasionada por uma série de fatores, entre os quais a pressão, que no submarino era de 12 atmosferas devido à profundidade na qual se encontrava.

Com iguais condições de temperatura e pressão, os gases ocupam volumes proporcionais à quantidade de matéria; podemos afirmar que um aumento de pressão desloca a reação no sentido de menor volume, enquanto a diminuição de pressão desloca o equilíbrio no sentido de maior volume. Como em sistemas nos quais estão presentes apenas sólidos ou líquidos, as alterações de pressão não provocam variações perceptíveis de volume, tais alterações não afetam o equilíbrio, como ocorre em sistemas contendo gases. Para avaliar o efeito da variação da pressão sobre as reações químicas, deve-se verificar, por meio de suas equações, os coeficientes das substâncias gasosas envolvidas, pois eles indicam a quantidade de moléculas que estão sob o efeito da pressão. Comparando o somatório dos coeficientes das substâncias gasosas envolvidas, podemos ter três situações: • se a soma dos coeficientes dos reagentes gasosos for maior que a soma dos coeficientes dos produtos gasosos, o aumento da pressão deslocará o equilíbrio para a formação dos produtos; • se a soma dos coeficientes dos reagentes gasosos for menor que a soma dos coeficientes dos produtos gasosos, o aumento da pressão deslocará o equilíbrio para a formação dos reagentes (reação inversa); • se a soma dos coeficientes dos reagentes gasosos for igual à soma dos coeficientes dos produtos gasosos, variações de pressão não afetarão o equilíbrio químico. A reação de equilíbrio entre os gases dióxido de nitrogênio (NO2), castanho-avermelhado e tetróxido de dinitrogênio (N2O4), praticamente incolor, é um bom exemplo para estudar o efeito da pressão em reações de equilíbrio. 2NO2(g) F N2O4(g) 2 mol

Pela equação, observa-se que a reação ocorre na proporção de dois mols de reagentes gasosos para um mol de produto. Um aumento na pressão sobre o sistema favorece a reação no sentido de menor quantidade de matéria gasosa, ou seja, a reação direta. Dessa forma, o aumento de pressão imposto ao sistema é compensado pela diminuição da quantidade de matéria de gás. J. Yuji

Nas duas seringas, foram colocadas as mesmas quantidades de gás NO2 e N2O4. Com o aumento da pressão em uma das seringas, diminuindo seu volume, favoreceu-se a formação do tetróxido de dinitrogênio, que ocupa menor volume no sistema, fazendo com que essa mistura apresente uma coloração mais tênue.

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1 mol

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CAPÍTULO

5 PRINCÍPIO DE LE CHATELIER

A

s alterações dos estados de equilíbrio, em consequência de alterações de condições físicas ou químicas, foram estudadas pelo químico francês Henry Louis Le Chatelier (1850-1936). Ele lançou uma generalização simples, mas de grande alcance, a respeito do comportamento de sistemas em equilíbrio: o chamado princípio de Le Chatelier. Como você já sabe, no equilíbrio não é possível perceber mudanças macroscópicas, ou seja, observáveis. No entanto, microscopicamente, em nível atômico-molecular, a atividade é grande, pois a reação continua acontecendo nos dois sentidos. Entretanto, o equilíbrio pode ser alterado por fatores como temperatura, concentração e, em certos casos, pressão.

1 2 3 Infográfico

I

Consideremos a reação química hipotética dada pela seguinte equação: 2A(g) F A2(g) ΔH > 0

4 5 6 7 8

J. Yuji

Para estudar os efeitos de variações externas, vamos representar A por uma esfera verde e A2 por duas esferas alaranjadas unidas.

estado inicial

redução da temperatura

redução da pressão aumento da pressão

aumento de temperatura

retirada de metade das moléculas de A

adição do dobro de moléculas de A

H L L C

H

enry Louis Le Chatelier nasceu em Paris. Seu pai, o arquiteto e engenheiro Louis Le Chatelier, foi quem lhe ensinou química e matemática. Juntos, criaram a indústria de alumínio da França, permitindo que Henry aprendesse muito sobre química e metalurgia. Sua mãe, uma católica muito devota e dedicada, incentivou os filhos a apreciar a leitura e as artes. Henry Louis Le Chatelier [1850-1936], engenheiro químico, metalúrgico e professor, foi grande divulgador da importância da Química para a indústria. Inventou também o pirômetro óptico, um instrumento que mede a temperatura de fornos em olarias e metalúrgicas.

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Edgar Fahs Smith Collection

A Ciência na História

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EQUILÍBRIO QUÍMICO

Le Chatelier graduou-se pelo College de France e, em seguida, foi trabalhar como engenheiro de mineração em uma mina em Besanco. Dois anos depois, foi convidado a ocupar o cargo de professor de Química em diferentes instituições de ensino. A carreira de Le Chatelier foi marcada por uma grande busca de relações entre teoria e prática na Ciência, defendendo a racionalização da investigação científica e buscando solucionar problemas de aplicação industrial, em um momento em que a Química apresentava status de Ciência “pura”. O reconhecimento acadêmico leva ao surgimento de cursos para formar químicos qualificados para atuarem na indústria. Há uma substituição gradual do “artista químico” pelo químico com formação acadêmica. Como exemplo de seu empenho como químico, podem-se destacar suas contribuições para o desenvolvimento da química dos cimentos, aplicando conhecimentos da termodinâmica e na busca de metodologia de produção de amônia, matéria-prima fundamental na época. Com base em sua lei do deslocamento químico, de 1888, define as condições de temperatura e pressão para a síntese da amônia, a partir do nitrogênio atmosférico. Registrou a patente, mas não chegou à produção industrial, o que foi feito posteriormente por Fritz Haber [1868-1934]e Carl Bosch [1874-1940]. Seu nome é sempre lembrado na Química quando se fala em equilíbrio químico. Em seu livro didático, Linus Pauling [1901-1994] dá o seguinte conselho aos estudantes: “anos depois de terminar sua faculdade, você pode (a menos que você se torne um químico ou trabalhe em alguma área próxima) esquecer-se de todas as equações matemáticas que se relacionem ao equilíbrio químico. Eu espero, entretanto, que você não se esqueça do princípio de Le Chatelier.”

De acordo com Le Chatelier, quando alteramos qualquer condição de um sistema em equilíbrio, o sistema tende a buscar um novo estado que minimize as alterações impostas, até atingir uma nova condição de equilíbrio. O deslocamento das condições iniciais cessará quando a rapidez das duas reações se igualarem e as concentrações dos reagentes e produtos permanecerem novamente constantes. O princípio de Le Chatelier pode ser enunciado da seguinte forma: Quando uma perturbação externa é imposta a um sistema químico em equilíbrio, esse equilíbrio irá se deslocar de forma a minimizar tal perturbação.

A terminologia deslocamento de equilíbrio, utilizada pelos químicos, refere-se à situação de busca de uma nova condição de equilíbrio, pelo favorecimento de um dos sentidos da reação. Se a alteração imposta favorecer a formação de produtos, dizemos que o equilíbrio irá se deslocar para a direita. Se, no entanto, a alteração favorecer a formação de reagentes, dizemos que o equilíbrio irá se deslocar para a esquerda. Resumindo e reforçando o que foi estudado, podemos dizer que uma reação química reversível irá sempre buscar atingir um estado de equilíbrio, em função das condições impostas ao sistema.

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CAPÍTULO

De acordo com o princípio de Le Chatelier, podemos afirmar que para um sistema em equilíbrio:

Um exemplo da aplicação industrial do princípio de Le Chatelier foi o desenvolvimento do processo de síntese da amônia. Esse processo foi desenvolvido levando-se em conta os diversos fatores que afetam o equilíbrio da reação de síntese de amônia, descrita pela equação:

1 2 Hely Demutti

• um aumento de temperatura favorece o sentido da reação endotérmica; • um abaixamento de temperatura favorece o sentido da reação exotérmica; • um aumento de concentração de uma substância favorece o sentido da reação em que tal substância é consumida; • a retirada de alguma substância favorece o sentido da reação em que tal substância é produzida; • um aumento de pressão favorece o sentido da reação no qual há menor quantidade de matéria de substâncias gasosas; • uma diminuição de pressão favorece o sentido da reação no qual há maior quantidade de matéria de substâncias gasosas.

3 4 5

O trabalho de Le Chatelier foi fundamental para a produção industrial da amônia, tão importante na indústria química moderna, principalmente na produção de fertilizantes.

6 7 8

Por essa ser uma reação exotérmica, o abaixamento da temperatura do sistema favorece a formação da amônia. Além disso, de acordo com a estequiometria da reação, quatro moléculas de gás formam uma molécula. Isso significa que o aumento de pressão favorece a reação de síntese direta. Dessa forma, para se obterem melhores rendimentos, a reação deve ser processada a baixas temperaturas e altas pressões! Fácil? Teoricamente sim, mas para a indústria o estabelecimento dessas condições não é tão elementar assim.

Hely Demutti

N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)

Síntese da amônia: uma revolução da indústria química Entre os átomos de diferentes elementos químicos que constituem os seres vivos, os de nitrogênio possuem um papel relevante para a manutenção da vida, por fazer parte da constituição das proteínas, grandes moléculas imprescindíveis aos organismos vivos. O nitrogênio é incorporado à cadeia alimentar por meio das plantas.

Processos a temperaturas baixas são lentos. Processos realizados sob alta pressão, caros! Fritz Haber e Carl Bosch viabilizaram a produção industrial da amônia, propondo valores intermediários de temperatura e pressão, combinados com a utilização de catalisadores. A Petrobras é uma das poucas empresas brasileiras produtoras de amônia.

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Na agricultura, um grande desafio é fornecer nitrogênio em quantidades adequadas para as plantações. Desde meados do século XlX, os cientistas procuravam métodos baratos e compensadores para a produção de fertilizantes artificiais que suprissem a carências dos solos. Por volta de 1905, os químicos alemães Fritz Haber e Carl Bosch conseguiram resolver problemas técnicos da fabricação industrial de amônia por meio da reação entre os gases hidrogênio (H2) e nitrogênio (N2). O processo, que se mostrou economicamente viável, ficou conhecido como Haber-Bosch. Pelos trabalhos nesse campo, Haber e Bosch foram agraciados com prêmio Nobel de Química em 1918 e 1931, respectivamente. Atualmente, quase toda produção mundial de amônia é feita por tal método, que se baseia na utilização de ferro metálico como catalisador, temperaturas próximas a 500 ºC e pressões entre 200-600 atm. AKG Images/Latinstock

SPL/Latinstock

Album/AKG-images

EQUILÍBRIO QUÍMICO

A amônia tornou-se uma das substâncias mais importantes da indústria química, por causa da crescente necessidade de atender à demanda dos fertilizantes nitrogenados. A síntese industrial da amônia representa uma das grandes descobertas na história da Química.

Fritz Haber

Carl Bosch

Haber e Bosh desenvolveram processo de síntese da amônia fundamental na preparação de adubos químicos.

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Indique o favorecimento do equilíbrio se: a) o CO2 fosse removido do sistema. b) o Na2CO3 fosse adicionado ao sistema. c) o NaHCO3 fosse removido do sistema.

1. Por que um aumento de temperatura faz aumentar a rapidez de uma reação?

2. Por que a rapidez de uma reação geralmente cresce quando se aumenta a concentração de um dos constituintes dessa reação?

6. Em cada sistema em equilíbrio, abaixo, os reagentes

3. Explique a influência da pressão em um sistema gasoso

nos refrigerantes, conforme a equação CO2(g) + H2O(l) F H2CO3(aq), é um processo exotérmico. Explique o favorecimento da reação ao aquecermos uma garrafa aberta de refrigerante e ao resfriá-la.

estão contidos em um cilindro com êmbolo móvel e temperatura constante. Qual o efeito do aumento da pressão em cada um dos sistemas? a) X(s) F 2Y(s) b) 2X(l) F Y(l) c) X(s) F Y(g) d) X(g) F Y(g) e) X(g) F 2Y(g)

5. Em um sistema fechado aqueceu-se bicarbonato de sódio

7. Na reação CaCO3(s) F CaO(s) + CO2(g) em equilí-

em equilíbrio.

4. A dissolução de um gás em água, como por exemplo

sólido e se estabeleceu o seguinte sistema em equilíbrio: 2NaHCO3(s) F Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)

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brio, provoca-se um aumento de pressão sobre o CO2. Em que sentido a reação será favorecida?

a

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SEGURANÇA


sobre a reação a seguir: PCl3(g) + Cl2(g) F PCl5(g) a) Remoção de Cl2. b) Adição de PCl3. c) Diminuição do volume do recipiente.

9. Um dos mais importantes processos industriais é a fixação do nitrogênio através de sua transformação em amônia, podendo ser representado pela equação abaixo: N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) ΔH = –92 kJ ⋅ mol–1 Em relação a esse processo, podemos dizer que irá ocorrer maior concentração do produto quando: a) ocorrer aumento da temperatura. b) ocorrer diminuição da pressão parcial do hidrogênio. c) ocorrer uma maior agitação das moléculas do produto. d) ocorrer um aumento na pressão total pela adição de um gás inerte. e) ocorrer um aumento da pressão dos reagentes.

13. O ponto básico para os processos tecnológicos é o controle das reações químicas. A produção comercial em larga escala de substâncias de nitrogênio constitui um exemplo prático da aplicação do princípio de Le Chatelier. N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) ΔH < 0. De acordo com o texto acima, responda aos itens a seguir. a) Você poderia prever quais as melhores condições para se obter um alto rendimento na produção de NH3? b) Cite outros sistemas que possam ser descritos pelo princípio de Le Chatelier.

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15. As cascas de ovos são compostas principalmente de carbonato de cálcio (CaCO3), formado de acordo com a reação Ca2+(aq) + CO2– 3 (aq) F CaCO3(s) 2– Os íons carbonatos (CO3 ) são fornecidos pelo dióxido de carbono, produzido no metabolismo. Explique por que as cascas de ovos são mais finas no verão, quando há aumento no ritmo da respiração (aumento da concentração de oxigênio no sangue) das galinhas.

16. (PUC-SP) Considere o seguinte sistema em equilíbrio: 2HCl(g) F H2(g) + Cl2(g) ΔH = 22,1 kcal

do trióxido de nitrogênio conforme a equação abaixo: N2O3(g) F NO2(g) + NO(g) Com relação a esse processo, podemos afirmar que: a) um aumento da pressão não altera o estado de equilíbrio. b) um aumento da pressão desloca o equilíbrio no sentido do produto. 26

3

a) Caso o sistema em equilíbrio seja perturbado pela adição de N2, em que direção deverá ocorrer o favorecimento da reação? b) Caso o sistema em equilíbrio seja aquecido, em que sentido deverá ocorrer o favorecimento da reação?

12. O óxido de nitrogênio é formado pela decomposição

Fe

2

4NH3(g) + 3O2(g) F 2N2(g) + 6H2O(g) ΔH = +1531 kJ

11. Observe o equilíbrio: N2(g) + 2O2(g) F NO2(g) Para ocorrer formação de N2(g) e O2(g), devemos: a) aumentar a pressão do N2. b) diminuir as pressões parciais do N2 e O2. c) diminuir a pressão do NO2. d) aumentar a pressão total do sistema. e) aumentar a agitação das moléculas do produto.

1

14. Considere o seguinte sistema em equilíbrio:

10. A reação abaixo representa a formação de estalactites, depósitos de carbonato de cálcio existentes em cavernas que estão localizadas em regiões ricas em calcário. Ca2+ + 2HCO–3(aq) F CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) Das seguintes condições, qual(is) favorece(m) a formação de estalactites? a) Evaporação constante da água. b) Elevação da temperatura no interior da caverna. c) Abaixamento da temperatura no interior da caverna. d) Aumento da corrente de ar frio e úmido.

CAPÍTULO

c) um aumento da pressão desloca o equilíbrio para a esquerda. d) um aumento da concentração de NO desloca o equilíbrio para a esquerda. e) uma diminuição na concentração de N2O3 desloca o equilíbrio para a direita.

8. Para cada item abaixo, indique qual o efeito dos fatores

a) Em que sentido ocorre deslocamento da reação aumentando a temperatura do sistema? b) O que ocorre com a concentração do HCl(g) se aumentarmos a pressão total sobre o sistema? c) Em que sentido se desloca o equilíbrio se diminuirmos a concentração de H2(g)? d) Supondo que, no equilíbrio, as concentrações molares de HCl(g), Cl2 são, respectivamente, iguais a 2 mol/L, 2 mol/L e 1 mol/L, calcule a constante de equilíbrio (Kc) para a reação.

B

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SEGURANÇA

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17. Considere o seguinte sistema em equilíbrio:

21. Considere o equilíbrio abaixo e julgue cada item como C (certo) ou E (errado):

EQUILÍBRIO QUÍMICO

N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) ΔH < 0 Em seu caderno, complete a tabela abaixo, indicando A para aumento, D para diminuição e N para nenhuma mudança em relação à quantidade de matéria, e qual a direção da reação. Perturbação imposta sobre o sistema em equilíbrio

N2O4(g) F 2NO2(g) Incolor

1) Ao reduzirmos o volume desse sistema, haverá menor produção de NO2(g). 2) Ao adicionarmos mais N2O4(g) ao sistema, e este permanecendo com volume fixo, ocorrerá um favorecimento no sentido de formação do NO2(g). 3) Ao adicionarmos NO2(g) ao sistema, mantendo-se o volume constante, ocorrerá menor produção de N2O4(g). 4) Ao aumentarmos o volume total do sistema, não haverá favorecimento do equilíbrio em nenhum sentido porque não há alteração na quantidade de mols dos participantes da reação.

Mudança Direção da da reação, quantiesquerda ou dade de direita, para matéria restabelecer o equilíbrio N2 H2 NH3

a)

Adição de NH3

zzzzz

z

z

z

b)

Aumento do volume disponível para a reação

zzzzz

z

z

z

c)

Adição de H2 e N2 simultaneamente

zzzzz

z

z

z

d)

Diminuição da temperatura

zzzzz

z

z

z

22. (Fuvest-SP) Em condições industrialmente apropriadas para se obter amônia, juntaram-se quantidades estequiométricas dos gases N2 e H2.

18. Para cada uma das reações abaixo, indique em que

N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) Depois de alcançado o equilíbrio químico, uma amostra da fase gasosa poderia ser representada corretamente por:

b) 4NH3(g) + 3O2(g) F 2N2(g) + 6H2O(g) ΔH > 0

a)

Ilustrações: J. Yuji

sentido será favorecido o equilíbrio quando forem feitas as seguintes alterações: aumento de temperatura e aumento de pressão. a) 2SO3(g) F 2SO2(g) + O2(g) ΔH = 197 kJ c) OF2(g) + H2O(g) F O2(g) + 2HF(g) ΔH > 0

19. Utilizando o princípio de Le Chatelier, indique em que sentido haverá o favorecimento da reação: b)

C2H6(g) F C2H4(g) + H2(g) ΔH > 0 a) Retirando-se C2H6 do sistema. b) Aumentando-se o volume do recipiente. c) Aumentando-se a temperatura.

c)

20. Com relação ao estudo sobre equilíbrio químico, julgue cada item como C (certo) ou E (errado): 1) Em uma reação em equilíbrio, as concentrações dos produtos e reagentes são iguais. 2) Um aumento de temperatura redunda em um aumento da concentração dos produtos presentes no equilíbrio numa reação exotérmica. 3) De acordo com o princípio de Le Chatelier, em um sistema gasoso em equilíbrio o aumento da pressão total desloca o equilíbrio no sentido de menor volume. 4) Em um sistema de reação em equilíbrio, adicionando-se qualquer participante, o equilíbrio se desloca no sentido de consumi-lo tendendo a minimizar o efeito dessa adição.

OD ÍNDICE

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Vermelho

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d)

e)

Legenda: N= H=

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SEGURANÇA


CAPÍTULO

Tema em foco Tema

& QS S Química e Sociedade

A QUÍMICA, O TRATAMENTO DE ÁGUA E O SANEAMENTO BÁSICO

& QS S

1

Química e Sociedade

2 3 4 5 6 7

Tiago Queiroz/AE

8

Renato Spencer/JC Imagem

Celso Junior/AE

A água poluída pode causar diversos problemas à saúde humana, devido a organismos patogênicos que a contaminam, tais como bactérias, vírus, protozoários e vermes. O problema se agrava ainda mais à medida que o processo de urbanização se intensifica, aumentando os riscos de transmissão de diversas doenças veiculadas pela água. Fatores como pobreza, falta de habitação, higiene deficiente e, principalmente, ausência de tratamento de água e esgoto conduzem à debilidade orgânica. Estima-se que doenças causadas pela poluição das águas são as que matam mais em todo o mundo. A Organização Mundial de Saúde (OMS) apresenta dados alarmantes de 2010: 783 milhões de pessoas no mundo não têm acesso à água potável e 2,6 bilhões vivem em áreas sem tratamento de esgoto. Tal estimativa favorece um quadro desesperador: mais de quatro milhões de crianças morrem todos os No Brasil, 63% das inanos pelo uso de água contaminada. Nesses locais, a solução é o investimento público ternações pediátricas e 30% dos óbitos de crianprioritário em saneamento básico. ças com menos de um ano Antigamente, quando muitas pessoas eram infectadas por tais doenças, dizia-se que isso de vida são causados pela era um castigo divino, que recebia o nome de epidemia (palavra que vem do grego e signifipoluição das águas. ca: epi = "sobre" e demos = "povo"). Na Europa Ocidental, no final da Idade Média, as pessoas atingidas por epidemias, como peste bubônica, peste negra, varíola, cólera e disenteria, eram obrigadas a se manter em isolamento por cerca de 40 dias (quarentena). Ainda hoje, essa prática de isolamento de pessoas ou animais com suspeita de infecção é adotada como medida sanitária com passageiros de navios e astronautas, sendo que o tempo de duração da quarentena varia de caso a caso. Hoje, epidemia significa a rápida propagação de uma doença transmissível, que atinge um grande número de pessoas ao mesmo tempo, embora isso não tenha nada a ver com castigos divinos, e sim com a São Paulo (SP), 2006. pouca atenção dispensada à saúde pública.

Recife (PE), 2009.

São Luís (MA), 2009.

Saneamento básico significa economia para um Estado. Segundo dados do BNDES, de 1998, 65% das internações de crianças menores de 10 anos de idade nos hospitais do Brasil estão associados à falta de saneamento básico.

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Com o avanço do conhecimento científico e da tecnologia, as epidemias passaram a ser controladas principalmente com medidas de saneamento básico. Doenças como cólera e tifo, que mataram milhões de pessoas no passado, hoje são controladas nas regiões em que há tratamento de água, mas, infelizmente, ainda matam milhares de pessoas em regiões onde há consumo de água contaminada.

J. Yuji

EQUILÍBRIO QUÍMICO

População atendida por rede de esgoto sanitário em 2008 Sudeste 80,6%

Brasil 52,5% Centro-Oeste 37,6%

Nordeste 32,1%

Sul 33,4%

Norte 9,5%

Fonte: IBGE, Pesquisa Nacional de Saneamento Básico.

QUADRO DAS PRINCIPAIS DOENÇAS CAUSADAS POR ÁGUA CONTAMINADA Transmissão

Doença

Agente patogênico

Medidas

Cólera Febre tifoide Leptospirose Giardíase Amebíase Hepatite infecciosa Diarreia aguda

Vibrio cholerae Salmonella typhi Leptospira interrogans Giardia lamblia Entamoeba histolytica Hepatite vírus A Balantidium coli, E. coli, S. aureus, Rotavirus A e B

Escabiose (sarna) Pediculose (piolho) Tracoma Conjuntivite Salmonelose Tricuríase Enterobíase Ancilostomíase Ascaridíase

Sarcoptes scabiei Pediculus humanus Chlamydia trachomatis Haemophilus aegyptius Salmonella typhimurium Trichuris trichiura Enterobius vermiculares Ancylostoma duodenale Ascaris lumbricoides

Implantar sistema adquado de esgotamento sanitário. Instalar melhorias sanitárias domiciliares e coletivas. Instalar abastecimento de água preferencialmente com encanamento no domicílio.

Por meio de vetores que se relacionam com água.

Malária Dengue Febre amarela Filaríose

Plasmodium sp. Arbovírus Flavivírus Wuchereria bancrofti

Eliminar o aparecimento de criadouros com inspeção sistemática e medidas de controle. Dar destinação final adequada aos resíduos sólidos (lixo).

Associada à água.

Esquistossomose

Schistosoma mansoni

Controle de vetores e hospedeiros intermediários.

Pela água.

Pela falta de limpeza, higienização com água.

Implantar sistema de abastecimento e tratamento da água, com fornecimento em quantidade e qualidade para o consumo. Proteção de contaminação dos mananciais e fontes de água.

Fonte: Movimento de Amparo Ecológico – MAE Natureza. Disponível em: <www.maenatureza.org.br/projetoeducando/folders/poster21_saneamento/index.html>. Acesso em: 18 abr. 2013.

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J. C. Fonseca

Centers for Disease Control and Prevention's, EUA

Doenças como a filariose e a esquistossomose são decorrentes da contaminação das águas por agentes patogênicos. A primeira provoca obstrução do sistema linfático, deformando o órgão afetado, a segunda, causada por vermes, deixa o doente muito fraco e com uma enorme barriga.

esquistossomose

CAPÍTULO

filariose

1 2 3 4

Fundação Oswaldo Cruz

Mauricio Simonetti/ Pulsar Imagens

5 Manaus (AM), 2007.

6 Oswaldo Cruz [1872-1917], médico e sanitarista, é considerado o fundador da saúde pública no Brasil. Doutorou-se em 1892, pela Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro, defendendo a tese da veiculação microbiana pelas águas. Promoveu diversas campanhas de saneamento para erradicar da cidade do Rio de Janeiro epidemias como a febre amarela e a varíola. Em dez anos a cidade ficou livre dessas doenças.

8

Museu do Prado, Madri

A falta de saneamento básico e de vigilância sanitária favorece o surgimento de epidemias. Dengue, hanseníase, leishimaniose, doença de Chagas, esquistossomose, febre amarela e malária são doenças endêmicas no Brasil e requerem ações contínuas para não gerar epidemias.

7

Triunfo da Morte (1562, óleo sobre tela, 117 × 162 cm), do pintor belga Peter Bruegel, reflete a epidemia da Peste Negra que ocorreu no século XV na Europa. Cerca de 25 milhões de pessoas morreram. Por que ainda hoje, com todo o desenvolvimento científico e tecnológico, ocorrem epidemias?

Segundo a OMS, saneamento é o controle de todos os fatores do meio físico humano que exercem ou podem exercer efeito deletério sobre o bem-estar físico, mental ou social. Nesse sentido, o saneamento básico envolve o planejamento e a construção de rede de abastecimento de água e esgoto e também o tratamento do lixo residencial e industrial antes que sejam lançados em rios, represas, córregos e lagos. No presente capítulo, vamos estudar princípios químicos ligados a processos de tratamento de água para consumo e de tratamento de esgotos. OD ÍNDICE

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Estação de Tratamento de Água (ETA)

Pense

Hely Demutti

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Toda água límpida pode ser usada para o consumo humano? O que é água potável?

Hely Demutti

Essa água é potável?

VALORES MÁXIMOS DE ALGUNS CONTAMINANTES PERMITIDOS EM ÁGUA POTÁVEL

Afetam a qualidade organoléptica

Afetam a saúde

Excesso de sais de ferro e manganês causa manchas em porcelana, além de corrosão.

A água é considerada potável quando pode ser usada para o consumo humano. No entanto, mesmo com a aparência de límpida, a água pode conter uma infinidade de substâncias tóxicas e de micro-organismos patogênicos. Além disso, muitas outras impurezas podem ser encontradas na água, na forma de suspensão – como bactérias, larvas de mosquitos, protozoários, areia e argila, resíduos industriais e domésticos – ou na forma coloidal – como corantes vegetais e vírus. Muitas dessas impurezas têm efeito nocivo à saúde, outras dificultam o uso da água. Sendo assim, para ser considerada potável, a água deve, também, ter aspecto e sabor agradáveis. A definição de potabilidade da água destinada ao abastecimento das populações humanas é feita a partir de parâmetros que são estabelecidos para limites máximos de diferentes substâncias e micro-organismos. Esses parâmetros referem-se às propriedades físicas, químicas e biológicas. As propriedades físicas da água analisadas são cor, turbidez (propriedade que mede a intensidade do grau de opacidade da água), odor, sabor, temperatura e pH. As propriedades químicas relativas à potabilidade são conferidas em função da concentração de substâncias que podem apresentar efeito tóxico sobre o organismo humano e/ou inconvenientes econômicos (veja a tabela a seguir). Componentes Arsênio Bário Benzeno Bromatos Cádmio Chumbo Cianetos Crômio DDT Mercúrio Nitratos Selênio Alumínio Cloreto Dureza Ferro Manganês Sólidos dissolvidos totais Sulfato Surfactantes Zinco

Concentração 0,01 mg/L 0,7 mg/L 5 µg/L 0,025 mg/L 0,005 mg/L 0,01 mg/L 0,07 mg/L 0,05 mg/L 2 µg/L 0,001 mg/L 10 mg/L 0,01 mg/L 0,2 mg/L 250 mg/L 500 mg/L 0,3 mg/L 0,1 mg/L 1000 mg/L 250 mg/L 0,5 mg/L 5 mg/L

Fonte: Ministério da Saúde, Portaria nº- 518, de 25 de março de 2004.

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CAPÍTULO

Um exemplo de característica química inconveniente que pode causar danos econômicos é a presença de sais de cálcio e magnésio. Estes dificultam a utilização da água para fins de lavagem e danificam sistemas de muitos aparelhos que usam água aquecida, principalmente maquinários industriais. A medida da presença desses sais na água é denominada dureza da água. As propriedades ou características biológicas da água referem-se à presença de diferentes organismos vivos: protozoários, algas e bactérias. Uma série desses organismos pode causar doenças infecciosas a seus hospedeiros e, por isso, são denominados organismos patogênicos. A identificação de organismos patogênicos em água é difícil devido à sua reduzida concentração. Além disso, as técnicas de identificação são, na maioria das vezes, complexas e caras. As bactérias do grupo coliforme são utilizadas como indicadores de contaminação da água por esgotos domésticos. A presença de coliformes fecais, como são chamados, indica a possível presença de outras bactérias mais perigosas, tornando a água e os alimentos impróprios para o consumo.

1 2 3 4 5 6

Pense

7

A água utilizada em sua casa é tratada previamente? Como?

8

O tipo de tratamento de água de uma estação varia de acordo com a origem da água e a sua qualidade.

Sabesp

Há vários milênios, japoneses e chineses já utilizavam processos de filtração em porcelanas para tratar as águas de consumo. Por conta do surgimento das cidades, houve um avanço nas tecnologias para o tratamento da água, desenvolvidas com base no reconhecimento das infecções causadas por água contaminada, principalmente por resíduos humanos, em reservatórios para abastecimento público. Contudo, ainda hoje, muitas cidades utilizam processos comuns no século passado, baseados na filtração da água através de um leito de areia, denominado atualmente de filtros lentos. O processo de tratamento da água pode ir de uma simples filtração, para uma água potável, até complexos processos de remoção de agentes patogênicos e contaminantes químicos. As estações são preparadas em função da água que recebem. Alguns procedimentos comuns são: captação; leitura de vazão; precloração; adição de cal hidratada; floculação; decantação; filtração; desinfecção; e distribuição.

ETA Guaraú, São Paulo (SP).

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A seguir são descritos alguns desses procedimentos.

EQUILÍBRIO QUÍMICO

1. Sedimentação e floculação Quando a água apresenta baixa turbidez, ela pode ser tratada simplesmente por decantação e filtração. No entanto, uma das formas de tratamento mais comum é a sedimentação, feita em grandes tanques, com adição de coagulantes como sulfato de alumínio ou sais de ferro, que fazem com que as finas partículas se aglutinem, formando flocos que sedimentam em poucas horas. Esses flocos com as impurezas são chamados de lodo químico. O processo químico ocorre quando o sulfato de alumínio reage com os álcalis, produzindo hidróxido de alumínio gelatinoso (Al(OH)3), os quais absorvem as impurezas. A reação pode ser representada da seguinte forma:

Fotos: Hely Demutti

Al2(SO4)3 ⋅ 18H2O(s) + 3Ca(HCO3)2(s) ( 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 18H2O(l) + 6CO2(g)

ETA Guaraú (SP), 2010. A floculação é um procedimento utilizado para retirar da água partículas maiores de sujeira que estão em suspensão. É um dos primeiros procedimentos de tratamento da água. Finalizado o processo, a água turva fica com aspecto cristalino. Este também é um procedimento utilizado para a limpeza da água em piscinas e o tratamento de esgoto.

Atitude sustentável Como lavar a caixa-d'água de sua casa Recomenda-se lavar a caixa-d’água de casa a cada seis meses. Programe para esvaziar a caixa e não ter necessidade de jogar água fora, nem ficar sem ela em horários críticos. Esvazie totalmente a caixa para a limpeza; Limpe as paredes e o fundo do reservatório, usando um balde, uma pequena pá, uma escova de roupa e panos limpos e desinfetados; b Não utilize detergentes ou sabões; b Dilua um litro de água sanitária em um balde com cinco litros de água (solução desinfetante) e passe no fundo e nas paredes do reservatório com pano (recomenda-se o uso de luvas de borracha); b Deixe em repouso por meia hora; b Esgote completamente a solução desinfetante; b Lave a caixa com jatos de água e retire toda água acumulada (esta pode ser recolhida em uma torneira e utilizada para lavar o piso, por exemplo), duas vezes; b Encha a caixa e não se esqueça de tampá-la bem. b b b b

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Hely Demutti

CAPÍTULO

2. Filtração Já decantada, a água passa pelos filtros de areia, denominados filtros rápidos, constituídos de uma camada de cascalho, uma camada de areia grossa e, finalmente, uma camada de areia fina. À medida que a água vai passando, os espaços entre os grãos de areia vão sendo entupidos pelas partículas em suspensão, sendo necessária a lavagem desse filtro regularmente. Logo depois da filtração, é necessário corrigir o pH da água e passar por uma fluoração, como forma preventiva de cárie. E a última etapa do tratamento é a desinfecção da água.

1 2 3 4

3. Desinfecção Nessa etapa do tratamento, é aplicado cloro gasoso (Cl2) ou hipoclorito de cálcio (Ca(OCl)2) e hipoclorito de sódio (NaOCl) em quantidade suficiente para eliminar micro-organismos patogênicos, evitando futuras contaminações. A adição do cloro, ou de sais que reagem produzindo cloro, mantém a água potável para o consumo. A cloração é um processo confiável, de baixo custo e fácil de ser aplicado. Existem outros tipos de agentes desinfetantes, como cloraminas, dióxido de cloro, ozônio e radiação ultravioleta. O cloro é um gás altamente tóxico, sendo normalmente dissolvido na água que será tratada. Ao se dissolver na água, o cloro reage formando o ácido hipocloroso (HOCl) e o ácido clorídrico (HCl), de acordo com a reação:

5 6 7 8

Cl2(g) + H2O(l) F HCl(ag) + HOCl(g) O ácido hipocloroso formado reage com a água, formando o íon hipoclorito: HOCl(aq) F H+(aq) + OCl—(aq) Na água, o cloro presente na forma de ácido hipocloroso e de íon hipoclorito é definido como cloro residual livre, sendo o responsável por efeitos bactericida, algicida e fungicida. Por ser muito reativo, ao ser adicionado a substâncias orgânicas ou inorgânicas o cloro pode oxidá-las. Com essa oxidação, nem todo cloro adicionado produzirá cloro residual livre. Não é recomendável que haja excesso de cloro, pois a água pode apresentar um sabor característico e indesejado, exigindo a realização frequente de testes para avaliar a dosagem de cloro. Além desses cuidados, existe um outro problema, que está relacionado com sua capacidade de reagir com substâncias orgânicas presentes na água, como o clorofórmio, considerado cancerígeno. Esse tipo de substância não é tratado convencionalmente, por isso é importante a ausência de matéria orgânica em tratamentos com cloro.

Estação de Tratamento de Água de Esgoto (ETE)

A filtração é um procedimento que retira as impurezas menores que não puderam ser retiradas no processo da floculação, livrando a água dos agentes sólidos.

Pense Você já se perguntou para onde vai a água que escoa pelo esgoto de sua casa? E sabe se existe um tratamento de esgoto no seu município?

Atualmente, a adoção de medidas de saneamento básico é fundamental para a preservação de nossos recursos hídricos, revertendo a contaminação de águas utilizadas em centros urbanos. Uma medida fundamental nesse sentido é o tratamento de esgotos. Vejamos em que consiste esse tratamento. OD ÍNDICE

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LIMITES DE CONDIÇÕES DE QUALIDADE DOS ESGOTOS LANÇADOS NOS RIOS DEPOIS DE SAÍDOS DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO (ETE) Parâmentro

Sabesp

EQUILÍBRIO QUÍMICO

O tratamento da água de esgoto consiste em diminuir aos menores índices possíveis a quantidade de substâncias e materiais que podem provocar problemas ambientais por interferir no ecossistema aquático, como substâncias que contenham fósforo e nitrogênio. Segundo resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), no 357, de 17 de março de 2005, as cidades devem devolver seus esgotos para os rios com condições mínimas de qualidade, conforme apresenta a tabela a seguir.

Condição

pH

Entre 5 a 9

Temperatura

Inferior a 40 °C (variando a do receptor em no máximo 3 °C)

Materiais sedimentáveis

Até 1 mL/L em teste de 1 hora em cone Imhoff

Vazão

Máxima de até 1,5 vez a vazão média do período de atividade diária

Óleos minerais

Até 20 mg/L

Óleos vegetais e gorduras animais

Até 50 mg/L

Materiais flutuantes

Ausentes

A principal maneira de despoluir os rios é tratar a água de esgoto. Se não jogarmos mais água contaminada no rio, e sendo a matéria orgânica dos esgotos (lançada antes da implantação da estação de tratamento de esgoto) naturalmente decomposta, o rio voltará a ter águas límpidas, despoluídas. Foi o que aconteceu com o lago Paranoá, em Brasília, com o rio Tâmisa, em Londres, e com o rio Sena, em Paris.

Fonte: Conama. Resolução no 357, de 17 de março de 2005.

Como a decomposição de matéria orgânica por microrganismos aeróbios depende da presença de oxigênio (O2) na água, um importante parâmetro utilizado no tratamento de esgoto é seu teor de oxigênio, quantidade denominada demanda bioquímica de oxigênio (DBO). Em rios não poluídos, a DBO apresenta valores entre 8 e 9 mg de oxigênio por litro de água. Já rios que recebem esgotos não tratados podem apresentar DBO com valores superiores a 80 mg/L. Veja como a água de esgoto é tratada. O quadro a seguir apresenta algumas etapas presentes no tratamento de esgotos, que são divididos em três estágios:

TIPOS DE TRATAMENTOS DE EFLUENTES Tratamento primário

Gradeamento Decantação / Flotação

Separação de óleo / Equalização Neutralização

Tratamento secundário

Lagoas de estabilização / Lagoas aeradas Lodos ativados e suas variantes Filtros de percolação

RBCs (sistemas rotativos) Reatores anaeróbicos etc.

Tratamento terciário

Microfiltração / Filtração Precipitação e coagulação Adsorção (carvão ativado) Troca iônica / Osmose reversa

Ultrafiltração / Eletrodiálise Processos de remoção de nutrientes (N, P) Cloração / Ozonização Processos Avançados de Oxidação (PAOs) etc.

Fonte: Química Nova na Escola. Poluição e Tratamento de Água, n. 10, nov. 1999, p. 24.

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CAPÍTULO Sabesp

Sabesp

1. Tratamento primário Utiliza processos físicos para remover objetos de grandes dimensões e materiais insolúveis nos esgotos. Pode fazer uso das seguintes etapas: gradeamento, decantação, flotação, separação de óleo, equalização e neutralização.

1 2 3 4 5 6 7 8

No tratamento secundário aeróbico, a água do esgoto é agitada para aumentar a sua aeração, propiciando condições mais favoráveis às bactérias que degradam o material.

No processo de decantação, os sólidos depositam no fundo do tanque e a água escoa pela parte superior.

2. Tratamento secundário Nesse estágio, busca-se eliminar substâncias biodegradáveis utilizando tratamentos biológicos. Existem dois processos biológicos básicos para esse tratamento: aeróbicos e anaeróbicos. Os sistemas aeróbicos são aqueles que empregam microrganismos que utilizam o oxigênio (O2) para degradar a matéria orgânica. Os sistemas aeróbicos mais utilizados para o tratamento são: lagoas facultativas, lagoas aeradas, filtros biológicos aeróbicos, valos de oxidação, disposição controlada no solo e lodo ativado. Os sistemas anaeróbicos são aqueles que empregam microrganismos que não utilizam o oxigênio (O2) para degradar a matéria orgânica. Os sistemas mais utilizados nesse tratamento são: digestores de lodo, tanques sépticos e lagoas anaeróbicas. Além desses sistemas, é comum a utilização de reatores biológicos nos quais bactérias transformam aminoácidos e polipeptídios em amônia (NH3), ortofosfato (PO3– 4 ) e ácidos voláteis. Ao final do processo, essas bactérias serão removidas para um decantador secundário, onde se retira o lodo ativado. Parte desse lodo é devolvida ao tanque de aeração para aumentar a rapidez da degradação.

Sabesp

3. Tratamento terciário Fase final do tratamento, faz uso de produtos químicos para retirar a sujeira que as bactérias não retiraram no tratamento secundário. São processos físicos e químicos, sendo a coagulação, a floculação, a decantação, a flotação, a separação por membranas, a adsorção e a oxidação os mais utilizados. Finalmente, a água tratada é lançada em seu curso e o lodo restante do biodigestor é prensado por telas que formam adubos, utilizados em diversas culturas agrícolas. Esse processo para a formação de adubos é chamado de desidratação mecânica. Na flotação, os sedimentos vão para a superfície, devido ao borbulhamento de ar, onde são separados.

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Companhia de Saneamento Ambiental do DF

EQUILÍBRIO QUÍMICO

As estações de tratamento de esgoto ocupam grandes áreas, como esta existente no Gama (DF). Em uma das etapas, o esgoto recebe uma dosagem de sulfato de alumínio e polieletrólito aniônico (coagulantes) para flotar o material. Esta unidade é chamada de câmara de flotação (ou de saturação). Por injeção de água pressurizada (água e ar) no fundo da câmara, o material flota mais rápido, sendo raspado por pás. Esse material raspado, chamado de lodo químico, é levado também para o biodigestor. Tratamento terciário é o polimento final no qual são aplicados produtos químicos para retirar a sujeira que as bactérias não conseguiram eliminar.

Outra água que precisa ter tratamento adequado é a água das piscinas. A falta de controle de qualidade dessas águas é responsável pela transmissão de diversas doenças. O controle de qualidade dessas águas deve fazer com que o pH fique na faixa de 7,2 e 7,6 e a concentração de cloro (Cl2) entre 1 e 3 ppm. Além disso, deve ser feita a remoção de resíduos sólidos e o controle da quantidade de algicidas à base de cobre, pois o seu excesso pode ser prejudicial à saúde. PRINCIPAIS MECANISMOS DE REMOÇÃO DE POLUENTES NO TRATAMENTO DE ESGOTOS

Sólidos

Dimensões

Principais mecanismos de remoção

maiores dimensões (maiores que 1 cm)

gradeamento

dimensões intermediárias (maiores que 0,001 mm)

sedimentação

dimensões diminutas (menores que 0,001 mm)

adsorção

Hely Demutti

Poluente

sedimentação Matéria orgânica

dimensões superiores a 0,001 mm

adsorção estabilização

Organismos patogênicos

As águas das piscinas precisam ter tratamento adequado. A falta de controle de qualidade dessas águas pode ser responsável pela transmissão de diversas doenças aos banhistas. No medidor acima é possível medir o pH e o teor de cloro.

radiação ultravioleta

Fonte: Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola, n. 1, maio de 2001, p. 27.

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CAPÍTULO

Atitude sustentável

& QS S Química e Sociedade

1 Tânia Rêgo/ABr

Como reduzir a poluição das águas b Reduza o uso de detergentes não biodegradáveis. b Evite o desperdício de sabões e detergentes. b Verifique se a rede de esgotos de sua casa está corretamente ligada ao sistema de escoamento de sua cidade. b Não jogue lixo nas ruas, já que ele pode ser levado pelas águas das chuvas para o rio mais próximo, além de entupir redes de águas pluviais e causar enchentes. b Use sua capacidade de falar para orientar as pessoas à sua volta e oriente-as sobre o uso mais correto da água. b Lembre-se: as águas utilizadas devem ser devolvidas ao ambiente em condições iguais ou melhores que as iniciais, e na mesma quantidade. Se isso não for possível, a devolução deve ser feita pelo menos em quantidade e qualidade semelhantes às condições iniciais. b Recolha todo e qualquer tipo de resíduo sólido na beira de lagos, rios e mar. b Nunca jogue resíduos sólidos no vaso sanitário, como absorventes e fraldas, pois eles não são tratados e irão poluir os rios.

2 3 4 5 6 7 8

Sempre tenha sacos de coleta de lixo se estiver perto de algum manancial hídrico, e recolha todo e qualquer resíduo sólido.

Debata e entenda FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Em 2004, foram detectados em Brasília casos de morte provocada por hantavirose (doença infecciosa grave causada por vários vírus e transmitida por ratos silvestres). Que medidas de saneamento básico poderiam ser adotadas para evitar a propagação dessa doença?

2. 3. 4. 5.

Em que consiste o saneamento? Qual a finalidade do saneamento básico em uma cidade? Com base no texto, aponte qual a relação entre o processo de urbanização e a transmissão de doenças. Discuta com seus colegas sobre as condições atuais da sua cidade em relação ao saneamento básico oferecido. Qual seria a porcentagem de pessoas, em sua cidade, que não tem acesso a saneamento básico? Quem seriam essas pessoas?

6. Identifique os principais objetivos do tratamento de esgoto de uma cidade. 7. Faça um esquema identificando as principais características de cada etapa do tratamento de água comentado no texto.

8. Que aspectos são considerados para a definição de potabilidade da água?

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6 ASPECTOS QUANTITATIVOS DE

EQUILÍBRIOS QUÍMICOS

A

EQUILÍBRIO QUÍMICO

té o momento, estudamos um pouco sobre os equilíbrios químicos e suas implicações e os fatores que os alteram. Para se ter uma melhor compreensão destes é fundamental seu estudo quantitativo. Ou seja, podemos estudar e compreender os processos de equilíbrio químico, considerando os valores das concentrações das espécies químicas envolvidas.

Concentração e rapidez de reações no equilíbrio químico

Rapidez

Até aqui, estudamos aspectos qualitativos do equilíbrio químico. Ou seja, a observação da constância de propriedades macroscópicas, o fato de que as reações continuam se processando e as condições que afetam o equilíbrio. Para os químicos, a determinação de quantidades presentes nas condições de equilíbrio é fundamental. Essa determinação permite o cálculo de rendimento e possibilita a busca de condições mais favoráveis aos objetivos do processo no qual a reação está envolvida. Para um estudo quantitativo, vamos considerar a reação genérica, descrita pela equação:

reação direta

reação inversa

Gráfico da variação da rapidez das reações envolvidas no equilíbrio químico (A + B F AB) em função do tempo. Inicialmente, a reação direta é rápida e a inversa muito lenta. Com o passar do tempo, a rapidez da reação direta diminui enquanto a rapidez da reação inversa aumenta, até que se igualem.

A + B F AB Imaginemos o caso de um frasco no qual quantidades iguais de reagentes são colocadas em contato em um sistema fechado. O gráfico indica que, no instante inicial, os reagentes começam a interagir em uma rapidez que diminui à medida que o tempo passa. Nesse instante inicial, a reação inversa não acontece porque a concentração dos produtos é nula. Iniciado o processo, a rapidez da reação direta diminui, devido à redução das concentrações de reagentes, enquanto aumenta a rapidez da reação inversa por causa do aumento das concentrações dos produtos, até um momento em que as duas reações apresentam a mesma rapidez e, a partir daí, permanecem constantes. A partir desse instante, o consumo de cada substância é igual à Tempo sua produção, estabelecendo o equilíbrio no qual as concentrações das espécies envolvidas permanecerão constantes. Quando o sistema atinge o equilíbrio, as duas curvas se encontram. É importante salientar que o estado de equilíbrio dependerá das condições do sistema e poderá ser perturbado por fatores externos. Isso levará à busca de um novo estado de equilíbrio. Como já vimos, equilíbrio químico não significa que as concentrações das substâncias envolvidas sejam iguais. Essas concentrações tendem a valores determinados que permanecem fixos no estado de equilíbrio. Alterações no sistema podem provocar mudanças no estado de equilíbrio, acarretando variações de concentrações de reagentes e produtos. Isso levará a reação a se processar até atingir novo estado de equilíbrio. Observe, portanto, que a concentração final dos reagentes e produtos no estado de equilíbrio depende das concentrações no início da reação e das condições em que se encontra o sistema. Todavia, estudos sobre concentrações de reagentes e produtos, para diversas reações químicas no estado de equilíbrio, demonstram que existe uma regularidade entre as concentrações e que essa pode ser expressa matematicamente por meio de uma constante física.

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CAPÍTULO

Equilíbrio químico e constante de equilíbrio O trabalho de diversos químicos demonstrou que um equilíbrio químico pode ser descrito por relações matemáticas que permitem avaliar as condições do estado de equilíbrio e como ele é afetado por alterações no sistema. Por meio de equações é possível prever qualitativa e quantitativamente o estado de equilíbrio e seu comportamento. Para isso, vamos considerar uma reação genérica entres as substâncias A e B, produzindo as substâncias C e D, pela equação descrita:

1 2 3 4 Hely Demutti

aA + bB F cC + dD Nessa equação, a, b, c e d correspondem aos coeficientes estequiométricos das substâncias A, B, C e D. Para qualquer sistema em equilíbrio, os químicos constataram que existe uma relação simples entre as concentrações dos reagentes e as concentrações dos produtos, dada pela seguinte expressão matemática: c

5 6 7 8

d

C  ⋅ D K c =   a  b  A  ⋅ B 

Essa expressão indica que, no estado de equilíbrio, há uma constância entre a razão do produto das concentrações das substâncias formadas, tendo como expoente seus coeficientes estequiométricos, e o produto das concentrações das substâncias reagentes, tendo como expoente seus coeficientes estequiométricos. Essa relação matemática nos fornece a constante matemática K, denominada constante de equilíbrio. Para cada sistema, determina-se uma constante de equilíbrio com base na equação da reação e na temperatura, fator determinante de seu valor. Quando a constante K é calculada em função das concentrações, ela é identificada por KC . No caso de reações entre gases, a constante pode ser definida em função da pressão parcial de cada substância envolvida e será representada por Kp. O valor da constante de equilíbrio pode ser determinado por meio de dados experimentais ou utilizando valores de outras propriedades físico-químicas. Vamos calcular o valor da contante de equilíbrio da reação de decomposição do ácido iodídrico (HI), representada pela equação: 2HI(g) F H2(g) + I2(g)

Dá para imaginar que em um aquário existam tantos sistemas químicos que possam ser descritos por equações matemáticas? Há o equilíbrio de ionização da água, o equilíbrio de solubilidade do gás oxigênio, o equilíbrio de solubilidade do gás carbônico, o equilíbrio de acidez do ácido carbônico etc.

Para essa equação em equilíbrio, temos que: H  ⋅ I  K c =  2  2 2  HI

CONCENTRAÇÕES DE EQUILÍBRIO DA REAÇÃO DE DECOMPOSIÇÃO DO ÁCIDO IODÍDRICO A 425,6 ºC

A tabela ao lado apresenta os valores de concentração depois de atingido o equilíbrio da reação conduzida a diferentes condições, mas todas à temperatura de 425,6 ºC. Os sistemas 1, 2 e 3 foram obtidos pela mistura de gás hidrogênio e gás iodo, em diferentes concentrações, enquanto os sistemas 4 e 5 foram obtidos a partir de diferentes quantidades de ácido iodídrico. OD ÍNDICE

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[H2]/mol ⋅ L–1

[I2]/mol ⋅ L–1

[HI]/mol ⋅ L–1

1

1,8313 ⋅ 10 –3

3,1292 ⋅ 10 –3

17,671 ⋅ 10 –3

2

2,9070 ⋅ 10 –3

1,7069 ⋅ 10 –3

16,482 ⋅ 10 –3

3

4,5647 ⋅ 10 –3

0,7378 ⋅ 10 –3

13,544 ⋅ 10 –3

4

0,4789 ⋅ 10 –3

0,4789 ⋅ 10 –3

3,531 ⋅ 10 –3

5

1,1409 ⋅ 10 –3

1,1409 ⋅ 10 –3

8,410 ⋅ 10 –3

Sistema

a

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Pense Há diferença em um sistema se este for obtido a partir de reagentes ou a partir de produtos? Por que as concentrações de HI são diferentes para cada teste?

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Como os equilíbrios foram obtidos a partir de diferentes condições iniciais, obtêm-se diferentes condições de equilíbrio, com diferentes concentrações das substâncias envolvidas. Para essa reação, a constante de equilíbrio é definida por: H  ⋅ I  K c =  2  2 2  HI

VALORES CALCULADOS PARA A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DA DECOMPOSIÇÃO DO ÁCIDO IODÍDRICO, A PARTIR DE DADOS EXPERIMENTAIS Teste

KC

1

1,8351 ⋅ 10 –2

2

1,8265 ⋅ 10 –2

3

1,8359 ⋅ 10 –2

4

1,8390 ⋅ 10 –2

5

1,8403 ⋅ 10 –2

média

1,8350 ⋅ 10 –2

Utilizando os dados obtidos experimentalmente, podemos calcular o valor de KC para cada sistema, os quais são apresentados na tabela ao lado. Veja um outro exemplo, o cálculo do valor de KC para a reação de formação da amônia: N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) Sabendo-se que as concentrações dos reagentes e produtos são: [N2] = 0,28 mol/L [H2] = 0,55 mol/L [NH3] = 0,65 mol/L 2

2

NH3  0 , 65 Kc = → Kc = = 8 , 8 mol / L 3 3 0 , 28  ⋅ 0 , 55 N2  ⋅ H2 

Pense

Hely Demutti

O equilíbrio cromato/ dicromato é afetado pela variação do pH da solução, segundo a equação química: Cr2O2– 7 + H2O F + F 2CrO2– 4 + 2H

Por que os valores da constante de equilíbrio não são todos iguais? O que significa o valor da constante de equilíbrio ser maior do que um? E ser menor do que um?

Apesar da regularidade obtida nos valores da constante de equilíbrio calculada, é possível observar que, a partir da segunda decimal, existem divergências de valores. Isso acontece porque, apesar de toda a precisão que a Ciência almeja, qualquer medida experimental está sujeita a erros. Ou seja, os valores de concentração obtidos em laboratórios diferem um pouco dos valores reais. Entretanto, é possível observar que todos os valores apresentam os dois primeiros algarismos e igual ordem de grandeza. Para obter valores experimentais mais próximos dos reais, os cientistas trabalham com valores médios de várias medidas experimentais. Tendo o valor da constante, podemos calcular a concentração de equilíbrio de cada espécie, considerando os valores iniciais utilizados para gerar o sistema. Além disso, podemos saber em que extensão a reação ocorre. O valor da constante de equilíbrio fornece algumas informações sobre o sistema. Valores acima de um (1,00) indicam que, no estado de equilíbrio, o produto das concentrações dos produtos é maior do que o produto das concentrações dos reagentes. Se o valor da constante de equilíbrio for menor do que um (1,00), no estado de equilíbrio, o produto das concentrações dos reagentes é maior do que o produto das concentrações dos reagentes. Para cada caso, a ordem de grandeza do valor da constante indicará a extensão da reação química, no equilíbrio.

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CAPÍTULO

Constante de equilíbrio em reações envolvendo gases

1

Normalmente, os valores de constantes de equilíbrio são calculados considerando-se as concentrações em quantidade de matéria das substâncias envolvidas. Em sistemas formados por gases, a constante pode ser calculada a partir das pressões parciais destes. Para uma mistura de gases, a pressão total é a soma das pressões parciais de todos os gases. De acordo com a equação geral dos gases (PV = nRT), a concentração em quantidade de matéria (n/V) de um gás é diretamente proporcional à sua pressão (n/V = p/RT). Por isso, podemos calcular a constante de equilíbrio de uma reação entre gases, considerando suas pressões parciais. Consideremos a reação hipotética:

2 3 4 5 6 7

aA + bB F cC + dD

8

a constante de equilíbrio (Kc) será: Kc =

pCc ⋅ pDd paA ⋅ pBb

⋅ RT(

)

a+b−c −d

Se: Kc =

pCc ⋅ pDd

teremos : K c = K p ⋅ RT(

p ⋅p a A

b B

)

a+b −c −d

Nessas equações, p representa a pressão parcial de cada substância envolvida. Por exemplo, pA representa a pressão parcial da substância A. O valor de Kp poderá ou não ser igual a Kc, dependendo dos coeficientes estequiométricos da equação em questão. Veja, como exemplo, o cálculo do valor de Kp para a reação de decomposição da água, considerando o sistema no qual a pressão parcial da água é de 0,976 atm, do gás oxigênio, 0,008 atm, e do gás hidrogênio, 0,016 atm. A equação que descreve essa reação é: 2H2O(g) F 2H2(g) + O2(g) A equação para a constante de equilíbrio, Kp, é: pH2 ⋅ pO 2

Hely Demutti

Kp =

Para que uma planta aquática como esta viva, é necessário que diversos equilíbrios químicos sejam mantidos no sistema onde ela está.

2

pH2 O 2

Substituindo os valores fornecidos na equação, teremos:

(0, 008 atm) ⋅ (0, 016 atm) = (0, 976 atm)

2

Nesse caso, portanto,

→ K p = 2,15 ⋅ 10 −6 atm

2

K c = K p (RT

)

−1

ou K c =

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Kp

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Kp

.

RT

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A quantidade de sistemas que apresentam reações de equilíbrio é enorme. Para a Química, é muito importante estudarmos os equilíbrios que acontecem em meio aquoso, por ser a água fundamental para a vida e muitos equilíbrios acontecerem nesse meio. A seguir, estudaremos um tipo de equilíbrio em que as moléculas se ionizam.

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Equilíbrio iônico da água Em qualquer quantidade de água, parte de suas moléculas se ionizam, conforme a equação: H2O(l) ( H+(aq) + OH– (aq) Como essa ionização é reversível, temos também a reação de união dos íons formando moléculas de água, descrita pela equação: H +(aq) + OH– (aq) ( H2O(l) Essas duas reações constituem o equilíbrio que envolve as espécies químicas H2O, H+ (H3O+) e OH – e é representada pela equação: H2O(l) F H+(aq) + OH– (aq) Para esse sistema, a constante de equilíbrio Kc será: H+  ⋅  A −  Kc =     HA 

Como a densidade da água é igual a 1 kg/L, em um litro de água temos 1000 gramas de água. Já que sua massa molar é de 18 g/mol, em um litro temos 55,5 mols. Portanto, a concentração da água é de 55,5 mol/L. Em condições de equilíbrio, em um litro de água 1 ⋅ 10 –7 moléculas se ionizam produzindo íons H+ e OH–. A quantidade de moléculas não ionizadas será de (55,5 – 0,0000001) mols. Como a quantidade de moléculas que se ionizam é muito pequena, podemos considerar esse valor como sendo constante e igual a 55,5 mol. Como a concentração da água é constante, a constante (Kc ) pode ser multiplicada por 55,5 mol/L, fornecendo outra constante. Essa nova constante de equilíbrio será denominada constante de equilíbrio iônico da água e será representada por (Kw) (water, que significa “água” em inglês). A equação matemática que define tal constante é:

Hely Demutti

Kw = Kc ⋅ [H2O] = [H +] ⋅ [OH– ] ( Kw = [H +] ⋅ [OH– ] Determinações experimentais indicam que, à temperatura de 25 °C, as concentrações dos íons H+ e OH – na água pura são iguais a 1,00 ⋅ 10 –7 mol/L. Sendo assim, qual o valor de Kw? Veja, abaixo, como é simples esse cálculo: Kw = [H +] ⋅ [OH– ] = 1,00 ⋅ 10 –7 mol/L ⋅ 1,00 ⋅ 10 –7mol/L = 10 –14 mol2/L–2 Como o valor de Kw varia com a temperatura, temos de dizer que a 25 °C o valor da constante de ionização da água é de 10 –14 mol2/L–2.

Embora não possamos ver, moléculas de água estão constantemente se ionizando e produzindo íons, enquanto outros íons se unem para formar novas moléculas de água.

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CAPÍTULO

Equilíbrio iônico da água em soluções aquosas de ácido, base e sais

E+ Estude mais

Vejamos o que acontece quando adicionamos à água pura substâncias que liberam íons hidrogênio (H+) ou hidroxila (OH –). Uma solução é ácida quando a concentração do íon H+ é maior que a concentração do íon OH –. Por outro lado, se a concentração do íon OH – for maior que a concentração do íon H+, a solução será básica. Ao adicionarmos ácido, base ou certos sais à água, há alteração das concentrações dos íons H+ e OH –, provocando alteração no estado de equilíbrio. Determinações experimentais permitem CONCENTRAÇÕES DE H+ E OH – NO EQUILÍBRIO que saibamos as concentrações desses íons Soluções aquosas a 25 ºC no novo estado de equilíbrio. [OH –] [H+] Substância Concentração A tabela ao lado apresenta os valores de concentração para esses íons em diferentes NaOH 10 –2 mol/L 10 –12 mol/L 10 –2 mol/L soluções. 10 –3 mol/L 10 –11 mol/L 10 –3 mol/L KOH

Pense Analisando a tabela ao lado, observe o que há em comum nas concentrações de H+ e de OH – para cada substância.

HCl

10 –1 mol/L

10 –1 mol/L

10 –13 mol/L

HNO3

10 –2 mol/L

10 –2 mol/L

10 –12 mol/L

NaCl

10 –1 mol/L

10 –7 mol/L

10 –7 mol/L

KNO3

10 –3 mol/L

10 –7 mol/L

10 –7 mol/L

1 2 3 4 5 6 7 8

Como as concentrações do hidrogênio e da hidroxila variam muito nas soluções, os químicos buscaram formas diferentes de expressá-las. Vamos saber mais sobre isso?

Potencial hidrogeniônico (pH) Como a concentração dos íons produzidos na ionização da água é extremamente baixa, variando normalmente entre 1 e 10 –14 mol/L, é comum expressar as quantidades dos íons H+ e OH – por meio da função logarítmica de suas concentrações. Essa forma simplificada de expressar a concentração é chamada de pH – potencial hidrogeniônico – e de pOH – potencial hidroxiliônico. Matematicamente, pH e pOH são definidos da seguinte maneira: pH = –log [H +] pOH = –log [OH– ] Se aplicarmos a mesma função à constante de ionização da água (Kw = [H+] ⋅ [OH –]), teremos: –log Kw = –log [H +] –log [OH– ] pKw = pH + pOH Logo, como a 25 °C Kw é igual a 10 –14 mol2/L2, no equilíbrio iônico da água: 14 = pH + pOH De acordo com essa expressão matemática, se conhecermos o pH de uma solução, teremos o pOH subtraindo esse primeiro valor de 14. OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

175


Hely Demutti

Hely Demutti

EQUILÍBRIO QUÍMICO

O peagâmetro, medidor de pH, mede a acidez das soluções com maior precisão do que os indicadores.

Uma das principais características das águas minerais é o valor do pH.

Solução-tampão: o controle do pH

Ricardo Azoury/Pulsar Imagens

O pH dos oceanos é mantido próximo a 8,4, como consequência da presença de bicarbonatos (HCO3–) e silicatos (SiO42–).

O controle do pH é importante em diversos aspectos. Na indústria de alimentos, tal controle significa maior tempo de conservação de alimentos. Na agricultura, seu controle no solo pode significar maior ou menor produtividade. No corpo humano, o pH é rigidamente controlado. No sangue humano, por exemplo, ele só pode variar na estreita faixa entre 7,37 e 7,44. Em caso de doenças graves, podem ampliar essa faixa para valores entre 6,9 a 7,6. Agora, como controlar o pH em nosso corpo? Algumas substâncias têm a propriedade de impedir que o pH do meio aumente pela adição de base ou diminua pela adição de ácido. Além da hemoglobina, o principal mecanismo de controle de pH utilizado no sangue é o íon bicarbonato. Esse íon, formado a partir de moléculas de água e do gás carbônico produzido pela respiração das células, pode reagir com ácidos, aumentando o pH, ou com bases, abaixando o pH, de acordo com as equações: HCO3– (aq) + H +(aq) ( H2CO3(aq) HCO3– (aq) + OH– (aq) ( H2O(aq) + CO32– (aq) Os sistemas que possuem a capacidade de evitar variações bruscas de pH são denominados tampões e são muito importantes para controlar a acidez de diferentes meios. As soluções-tampões mais comuns são soluções aquosas de ácidos fracos, contendo seus sais como, por exemplo, solução de ácido acético e acetato de sódio (H3CCOOH e H3CCOONa). Outro exemplo comum é a solução de amônia com cloreto de amônio (NH3 e NH4Cl). Em função de sua constituição, cada tampão mantém o pH em faixas determinadas. O tampão ácido acético/acetato apresenta valores próximos a 4,75, enquanto o tampão amônia/amônio apresenta valores próximos a 9,25.

Força de ácidos e bases Soluções de ácido e bases apresentam diferentes valores de pH. Esses valores dependem da concentração e da natureza do ácido ou da base presente. Os ácidos são substâncias moleculares que se ionizam quando dissolvidos em água. A intensidade dessa ionização depende do valor da constante de equilíbrio do ácido (Ka).

176

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


CAPÍTULO

Bases podem ionizar-se ou dissociar-se, dependendo de sua natureza. Bases formadas por átomos de elementos metálicos dissociam-se, dependendo de suas solubilidades. Bases formadas por átomos de elementos não metálicos ionizam-se parcialmente, de acordo com valores das constantes de equilíbrio da base (Kb).. Uma maneira de avaliar a intensidade de ionização de ácidos e bases é por meio dos valores de suas constantes de ionização. Consideremos um ácido genérico, representado por HA, cuja reação de ionização é:

1 2

HA(aq) F H+(aq) + A– (aq)

3

A constante de ionização desse ácido será definida por:

4

H+  ⋅  A −  Ka =     HA 

5

No caso das bases, podemos ter duas situações. Para uma base de elemento não metálico, que é formada por íons, temos:

7

6

8

BOH(aq) F B (aq) + OH (aq) +

A constante de dissociação dessa base será definida por: B+  ⋅ OH−   Kb =    BOH

Já no caso de uma base MOH, formada por átomos de elementos metálicos, teremos uma reação de dissociação, relacionada à constante do produto de solubilidade da base (Kps será estudada mais adiante), que pode ser representada da seguinte maneira: MOH(s) F M +(aq) + OH– (aq) Quanto maiores forem os valores de Ka e de Kb, mais fortes serão os ácidos e as bases.

Que solução é mais ácida ou mais básica?

S Simulador

Pense

Por que bebemos soluções de alguns ácidos (ácido acético e ácido cítrico) e outros são tão corrosivos (ácido sulfúrico e ácido clorídrico) que não podem ser ingeridos?

Soluções de ácidos ou bases podem ser mais ou menos corrosivas. O que vai diferenciá-las? Vamos resolver dois exercícios para entender como responder a essas questões.

Hely Demutti

Como explicar que alguns ácidos e bases são ingeridos naturalmente e outros nem se pode cheirar?

OD ÍNDICE

Ferro

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Fe

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55,8

T. PERIÓDICA

a

B

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! TABELAS

SEGURANÇA

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1. Quais são os valores de pH das seguintes soluções: ácido acético 0,1 mol/L e ácido clorídrico 0,1 mol/L? O valor da constante de equilíbrio de ionização do ácido acético (Ka) é de 1,8 ⋅ 10 –5 mol/L. A equação que representa sua ionização é:

EQUILÍBRIO QUÍMICO

CH3COOH(aq) F H+(aq) + CH3COO – (aq) Depois de estabelecido o equilíbrio, parte das moléculas do ácido formam íons. A equação matemática que representa esse equilíbrio é: CH3COO−  ⋅ H+     K a (C CH H3COOH =  CH3COOH

)

Como não conhecemos a concentração dos íons, vamos representá-la pela letra x. A concentração do ácido acético será dada pela concentração inicial (0,1 mol/L) menos o que ionizou (x), ou seja, 0,1 mol/L – x. Como o valor de x é normalmente muito pequeno, ele é desprezado e considera-se o valor da concentração, mesmo depois de estabelecido o equilíbrio, como 0,1 mol/L. Substituindo os valores na equação anterior, temos: [CH3COOH]

[H+]

[CH3COO –]

Concentração antes do equilíbrio

0,1 mol

0

0

Concentração em equilíbrio

0,1 – x

x

x

Aplicando os dados da tabela na fórmula matemática de Ka, temos:

Logo: x = CH3COOH = H+  = 1, 8 ⋅ 10 −6 mol2 / L2 ou x = 0 , 001342 mol / L

Conhecendo a concentração do íon hidrônio, podemos calcular o pH pela equação:

pH = –log [H +] = –log(0,001342 mol/L) = –(–2,87) pH = 2,87 Portanto, a solução 0,1 mol/L de ácido acético apresentará pH igual a 2,87. O ácido clorídrico possui constante de ionização muito grande. Isso quer dizer que, quando dissolvido em água, suas moléculas não estabelecem um equilíbrio, mas se ionizam totalmente. Por isso, sua equação de ionização é:

HCl(aq) ( H+(aq) + Cl– (aq) A partir de uma solução 0,1 mol/L de ácido clorídrico, obtém-se uma solução cuja concentração do íon hidrogênio é igual a 0,1 mol/L. O pH dessa solução será dado por:

pH = –log [H +] = –log(0,1 mol/L) = –(–1) = 1 Pelos valores de pH, podemos perceber que uma solução de ácido clorídrico é mais ácida que uma solução de ácido acético de mesma concentração. É isso que torna o ácido clorídrico mais corrosivo do que o ácido acético. Isso pode ser percebido pelo maior valor de sua constante de equilíbrio. Dizemos que o ácido clorídrico é um ácido forte porque praticamente todas as suas moléculas se ionizam. Já o ácido acético é considerado um ácido fraco, porque só uma pequena fração de suas moléculas se ioniza.

178

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


A amônia, um gás em condições ambientes, é muito solúvel em água por ter um par de elétrons não ligantes que interage fortemente com as moléculas desse solvente. Dissolvida em água, a amônia forma o hidróxido de amônio, de acordo com a equação:

CAPÍTULO

2. Quais são os valores de pH das soluções 0,1 mol/L de hidróxido de amônio e 0,1 mol/L de hidróxido de sódio?

1 2

NH3(g) + H2O(aq) F NH4OH(aq)

3

O hidróxido de amônio é uma base que se ioniza, conforme a equação:

NH4OH(aq) F NH4+(aq) + OH– (aq)

4

A constante de equilíbrio (Kb) dessa ionização, cujo valor é igual a 1,8 ⋅ 10 –5 mol/L, é representada pela equação:

5 6

NH+4  ⋅ OH−     K c (NH4 OH =  NH 4 OH

)

7 8

Como não conhecemos a concentração dos íons, vamos representá-la pela letra x e substituir os valores na equação acima. Teremos: [NH4OH]

[NH4+]

[OH –]

Concentração antes do equilíbrio

0,1 mol

0

0

Concentração em equilíbrio

0,1 – x

x

x

Aplicando os dados da tabela na fórmula matemática de Kb, temos:

Kc(NH4OH) = 1,8 ⋅ 10 –5 mol/L 1, 8 ⋅ 10 −5 mol / L =

x⋅x → x 2 = 1, 8 ⋅ 10 −6 mol2 / L2 0 ,1 mol / L

Logo: x = NH+4  = OH−  = 1, 8 ⋅ 10 −6 mol2 / L2 x = 0 , 001342 mol / L

Conhecendo a concentração do íon hidroxila, podemos calcular o pOH pela equação:

pOH = –log [OH– ] = –log(0,001342 mol/L) pOH = –(–2,87) = 2,87 como pH mais pOH é igual a 14, teremos: pH = 14 – pOH = 14 – 2,87 = 11,13. Como demonstrado, o pH da solução de hidróxido de amônio será de 11,13. Vamos agora calcular o pH da solução de hidróxido de sódio a 0,1 mol/L. Assim como os sais, as bases formadas pelos metais ionizam-se totalmente quando dissolvidas em água. Por isso, a equação de dissolução do hidróxido de sódio será:

NaOH(s) ( Na+(aq) + OH– (aq)

Concentração antes da dissociação Concentração após a dissociação

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

[NaOH]

[Na+]

[OH – ]

0,1 mol

0

0

0

0,1 mol

0,1 mol

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

179


Como a concentração inicial da base é igual a 0,1 mol/L, o pOH e o pH serão dados por: pOH = –log [OH– ] = –log(0,1 mol/L) = –(–1) = 1 pH = 14 – pOH = 14 – 1 = 13

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Pelos valores obtidos para as duas soluções, podemos constatar que o hidróxido de sódio é uma base mais forte que o hidróxido de amônio. O pH da referida solução de hidróxido de sódio é 13 e o da solução de hidróxido de amônio é 11,13.

Constante de equilíbrio de solubilidade

Hely Demutti

Outro tipo de equilíbrio em solução é o de dissolução e precipitação de substâncias pouco solúveis. Se a um recipiente contendo água adicionarmos mais cloreto de sódio (NaCl) do que o líquido é capaz de dissolver, teremos a formação de um sistema heterogêneo, constituído pela solução e pelo precipitado. A adição do cloreto de prata, sal pouco solúvel, a um recipiente com água fará com que parte do sal se dissocie e dissolva, conforme a equação: AgCl(s) ( Ag+(aq) + Cl– (aq) Imediatamente, os íons irão regir precipitanto o sal, de acordo com a equação: Ag+(aq) + Cl– (aq) ( AgCl(s)

Nesse sistema, o sal depositado no fundo do recipiente está em equilíbrio com o sal dissolvido na solução.

Com o passar do tempo, o sistema atinge um ponto de equilíbrio e a rapidez da dissolução se iguala à rapidez da precipitação. Nesse caso, na solução teremos um equilíbrio, representado pela equação: AgCl(s) ( Ag+(aq) + Cl– (aq) Esse equilíbrio de um sal precipitado e sua solução saturada, pode ser expresso matematicamente pela constante de produto de solubilidade, representada por Kps. O valor de Kps é dado por:  Ag +  ⋅ Cl−     Kc =   AgCl

O que poderia ser expresso ainda da seguinte forma por Kps ⋅ [AgCl] = [Ag+] ⋅ [Cl–]. Como a concentração do sólido é constante, o produto Kc ⋅ [AgCl] será uma outra constante: constante de produto de solubilidade, o Kps. Portanto, temos: Kps = [Ag+] ⋅ [Cl–]. Assim, para o equilíbrio de um sólido genérico AB, teremos: AbBa(s) F aAm+(aq) + bBn– (aq) Kps = [Am+]a ⋅ [Bn– ] b

VALORES DE Kps A 25 °C DE ALGUNS SAIS Sal

Kps

Sal

Kps

CaCO3

5,0 ⋅ 10 –9

Fe(OH)2

4,9 ⋅ 10 –18

PbCl2

1,2 ⋅ 10 –5

Ca(OH)2

4,7 ⋅ 10 –6

AgCl

1,8 ⋅ 10 –10

Ag2S

6,0 ⋅ 10 –30

Hg2Cl2

1,5 ⋅ 10 –18

Hg2SO4

8,0 ⋅ 10 –7

A partir do valor da constante do produto de solubilidade (Kps), é possível avaliar a quantidade de um determinado sal que se dissolverá em certa quantidade de água, solvente mais comumente utilizado. A tabela ao lado apresenta a constante do produto de solubilidade de alguns sais. Analisando a tabela ao lado, escreva os sais numa sequência de solubilidade do maior para o menor.

180

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Analise o gráfico e responda às questões de 8 a 10.

1. Qual a importância de se prever, em termos quantitativos,

rapidez da reação direta

Rapidez

a concentração dos reagentes e produtos em uma reação química e que aspectos devem ser analisados?

2. Explique a relação existente entre as constantes de equi-

3

rapidez rd = rapidez ri

3. (UEMG) O gráfico mostra a variação das velocidades

rapidez da reação inversa

das reações direta e inversa em função do tempo para o processo representado pela equação:

Tempo

2SO2(g) + O2(g) F 2SO3(g)

8. Explique por que a rapidez da reação direta decresce.

Velocidade

1 2

condição de equilíbrio

líbrio em função da concentração e da pressão.

CAPÍTULO

Exercícios

4 5 6

9. Explique por que a rapidez da reação inversa aumenta.

7

10. Explique o que acontece quando as duas velocidades

8

se igualam. a

b

c

11. Em um determinado sistema em equilíbrio químico, a

Tempo

Sobre esse processo, todas as afirmativas são corretas, exceto: a) A velocidade da reação direta é maior que a da inversa no tempo “a”. b) No tempo “c”, o sistema é constituído apenas por SO3. c) As duas velocidades são iguais no tempo “c”. d) O equilíbrio é atingido no tempo “b”.

concentração molar de reagentes é diferente da dos produtos; então podemos afirmar que a rapidez da reação direta é diferente da indireta?

12. (UFPR) Os gases hidrazina (N2H4) e dióxido de nitrogê-

nio reagem produzindo vapor-d’água e gás dinitrogênio (nitrogênio molecular). O processo da reação de um mol de hidrazina e um mol de dióxido de nitrogênio em um recipiente fechado, à temperatura ambiente, pode ser representado pelo gráfico abaixo.

4. Escreva a expressão para a constante de equilíbrio de

Concentração (mol/L)

cada reação abaixo: a) PCl5(g) F PCl3(g) + Cl2(g) b) N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) c) 4NH3(g) + 5O2(g) F 4NO(g) + 6H2O(g)

5. Escreva a expressão para a constante de equilíbrio, em termos de pressão, de cada reação abaixo: a) N2O4(g) F 2NO2(g). b) 2CO(g) + O2(g) F 2CO2(g). c) CH4(g) + 2O2(g) F CO2(g) + 2H2O(g). 230 °C: 2NO(g) + O2(g) F 2NO2(g). As concentrações de equilíbrio das espécies reagentes foram determinadas experimentalmente e podem ser representadas pelas equações: [NO] = 0,0542 mol/L, [O2] = 0,127 mol/L e [NO2] = 15,6 mol/L. Calcule a constante de equilíbrio da reação a essa temperatura.

ÍNDICE

Ferro

OD

55,8

T. PERIÓDICA

produto x

0,2

reagentes

0,1 t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7 t8

13. (UFBA) Com relação às reações reversíveis, ao concei-

CO(g) + Cl2 (g) ( COCl2(g) são: [CO] = 1,2 ⋅ 10 –2 mol/L, [Cl2] = 0,054 mol/L, [COCl2] = 0,14 mol/L. Calcule a constante de equilíbrio. 2 8 14 2

0,3

a) Escreva a equação química balanceada para a reação entre a hidrazina e o dióxido de nitrogênio. b) Qual das curvas do gráfico representa as variações da concentração de vapor-d’água no tempo? Justifique. c) Qual a coordenada de tempo em que o sistema gasoso atinge o estado de equilíbrio? Justifique.

7. As concentrações no equilíbrio para a reação

26

produto y

Tempo de reação

6. Considere o sistema em equilíbrio à temperatura de

Fe

0,4

a

to de equilíbrio químico e aos fatores que o afetam, é correto afirmar: a) Uma reação química cessa após o estabelecimento do equilíbrio, pois as concentrações molares de reagentes e produtos permanecem constantes.

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

181


EQUILÍBRIO QUÍMICO

b) Para o equilíbrio H2(g) + CO2(g) ( H2O(g) + CO(g) ΔH = +41 kJ, um aumento da temperatura provocará um aumento da concentração de H2(g) e CO2(g). c) Uma reação atinge o equilíbrio quando a velocidade de formação dos produtos é maior do que a velocidade da reação inversa. d) Os reagentes se transformam totalmente em produtos quando uma reação atinge o equilíbrio. e) Para o equilíbrio

Ácido

1

2

Uma redução no volume do recipiente desloca o equilíbrio no sentido indicado por 1.

15. A constante de equilíbrio Kp da reação 2NO2(g) F 2NO(g) + O2(g) é 158 a 1000 K.

16. A pressão total sobre o sistema abaixo, a 2 000 °C, é 1 atm. Sabendo-se que a pressão parcial do vapor-d’água é de 0,976 atm, calcule o Kp da reação: 2H2O(g) F 2H2(g) + O2(g).

Kps, de cada reação abaixo: a) Fe(OH)3(s) F Fe3+(aq) + 3OH – (aq). b) CaF2(s) F Ca2+(aq) + 2F– (aq). c) Ba3(PO4)2 F 3Ba2+(aq) + 2PO43– (aq).

18. (Fuvest-SP) Considere o equilíbrio de dissolução do fos-

c) Kps = [Ca2+] ⋅ [PO43–] d) Kps = [3Ca2+] ⋅ [2PO43–]2 e) Kps = [Ca2+]3 ⋅ [PO43–]2

19. (Fatec-SP) Considere volumes iguais de soluções

0,1 mol ⋅ L–1 dos ácidos listados a seguir, designados por I, II, III e IV e seus respectivos Ka. Ferro

Ácido dicloroacético

CHCI2COOH

5,0 ⋅ 10 –2

Ácido tricloroacético

CCI3COOH

2,3 ⋅ 10 –1

[H+]

[OH –]

Leite

1,0 ⋅ 10 –7

1,0 ⋅ 10 –7

Água do mar

1,0 ⋅ 10

–8

1,0 ⋅ 10 –6

Refrigerante de cola

1,0 ⋅ 10 –3

1,0 ⋅ 10 –11

Café preparado

1,0 ⋅ 10

–5

1,0 ⋅ 10 –9

Lágrima

1,0 ⋅ 10 –7

1,0 ⋅ 10 –7

Água sanitária

1,0 ⋅ 10 –12

1,0 ⋅ 10 –2

no sul do nosso país, depende da acidez do solo, podendo ser azuis em solo ácido e rosadas em solo básico. Assim, se adicionarmos calcário (CaCO3) ao solo onde as flores forem plantadas, de modo que uma análise deste revele uma concentração hidrogeniônica de 10 –8 mol/L, as hortênsias nascerão: a) azuis, já que o pH do solo será 1,8. b) rosadas, já que o pH do solo será 10,8. c) brancas, já que o pH do solo será neutro. d) rosadas, já que o pH do solo será 8. e) azuis, já que o pH será 4.

b) Kps = [Ca2+]2 ⋅ [PO43–]

T. PERIÓDICA

1,3 ⋅ 10 –3

22. (Univali-SC) A coloração das hortênsias, muito comum

fato de cálcio em água. A expressão do produto de solubilidade correspondente é: a) Kps = [3Ca2+] ⋅ [2PO43–]

ÍNDICE

CH2CICOOH

tração de íons H+ é igual a 2,0 ⋅ 10 –4 mol/litro? (Dado: log10 2 = 0,30) a) 2,4 b) 3,0 c) 3,7 d) 4,0 e) 4,3

17. Escreva a expressão para o produto de solubilidade,

55,8

Ácido monocloroacético

21. (Fatec-SP) Qual o pH de uma solução em que a concen-

(Dado: Pressão total = Págua + Phidrogênio + Poxigênio)

OD

1,7 ⋅ 10 –5

tem caráter ácido apenas: a) o leite e a lágrima. b) a água sanitária. c) o café preparado e o refrigerante de cola. d) a água do mar e a água sanitária. e) o refrigerante de cola.

Calcule PO2 se PNO2 = 0,400 atm e PNO = 0,270 atm.

182

CH3COOH

Líquido

SO2(g) + O2(g) F SO3(g) quando as concentrações em equilíbrio dos gases a 530 °C são: [SO3] = 11,0 M, [SO2] = 4,20 M, [O2] = 0,60 ⋅ 10 –3 M.

2 8 14 2

Ácido etanoico

20. (Fuvest-SP) Entre os líquidos da tabela a seguir:

14. Calcule a constante de equilíbrio para a reação:

26

Ka

A concentração de H+ será: a) maior na solução do ácido IV. b) maior na solução do ácido I. c) a mesma nas soluções dos ácidos II e III. d) a mesma nas soluções dos ácidos I, II, III e IV. e) menor na solução do ácido IV.

1PCl3(g) + 1Cl2(g) F 1PCl5(g)

Fe

Fórmula

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA


do acético (HAc) em água pode ser representada pela equação: HAc F H+ + Ac–. Considere uma solução aquosa de ácido acético 0,100 mol/L, sendo que [H+] = 0,001, e julgue os itens abaixo, marcando C ou E. 1) As espécies presentes na solução são: H3O+, Ac–, HAc, OH – e H2O.

2) A concentração de H+ no equilíbrio, [H+], é 0,100 mol/L. 3) [Ac–] > [HAc]. 4) O pH da solução é 1. 5) A constante de equilíbrio da reação acima é igual à constante de dissociação do ácido acético. 6) Na água pura, o pH é diferente do pOH. 7) O pH não varia com a temperatura.

CAPÍTULO

23. (UnB-DF-adaptado) A reação de “dissociação” do áci-

1 2 3 4 5

ER

Reações químicas e reversibilidade

6

Exercícios de revisão

7

b Processos reversíveis são aqueles que podem retornar ao estado inicial. Processos irreversíveis são aqueles que

8

não podem retornar ao estado inicial. Algumas reações são irreversíveis, como a combustão do álcool, e outras são reversíveis, como a hidratação e desidratação de um sal.

Sistemas químicos reversíveis b Determinadas reações químicas são reversíveis. Outras, não. A reversibilidade está associada a condições como temperatura, pressão e concentração dos reagentes. Algumas reações só são reversíveis sob condições específicas.

Equilíbrio químico b Em uma reação química em equilíbrio, a taxa de consumo de reagentes é igual à sua taxa de consumo, de forma que nesse estado não ocorre alterações macroscópicas. b Muitos processos físicos também apresentam-se em equilíbrio dinâmico. São exemplos de equilíbrios físicos: equilíbrio líquido/vapor em sistemas fechados; dissolução de gases em líquidos; e dissolução e cristalização de sólidos fase líquida.

Alterações no estado de equilíbrio b O estado de equilíbrio de uma reação química pode ser caracterizado pela temperatura, pressão, concentração dos reagentes e produtos. Uma reação pode atingir diferentes estados de equilíbrio, dependendo das condições às quais foi submetida.

Princípio de Le Chatelier b De acordo com o princípio de Le Chatelier, quando um sistema em equilíbrio sofre uma perturbação externa, esse equilíbrio irá se deslocar no sentido de atenuar a perturbação externa.

Aspectos quantitativos de equilíbrio químico b Há uma regularidade entre as concentrações de reagentes e produtos quando as reações estão no estado de

b b

26

OD ÍNDICE

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b b

equilíbrio, que pode ser expressa matematicamente por meio de constante: K. Na água coexistem moléculas de H2O e íons H+ e OH –, sendo que esse equilíbrio é definido por Kw. A 25 °C, em soluções ácidas [H+] > [OH –], o pH é menor que 7. Em soluções básicas [H+] < [OH –], o pH é maior que 7. Em soluções neutras o pH é 7. Quanto maiores forem os valores de Ka e de Kb, mais fortes serão os ácidos e as bases. Em um sistema de equilíbrio de um precipitado e sua solução saturada, a constante de equilíbrio é expressa matematicamente pela constante de produto de solubilidade, representada por Kps.

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2 8 14 2

55,8

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SEGURANÇA

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UNIDADE

3

AFP PHOTO/VANDERLEI ALMEIDA

Recursos energéticos e energia nuclear

Vista geral de Angra 1 e Angra 2, centrais nucleares de Angra dos Reis, a 250 km, sul do Rio de Janeiro, 2011.

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SEGURANÇA


Como conciliar produção de energia e ambiente? Capítulo 6 Termoquímica 1. Termoquímica e calor 2. Calorimetria 3. Transformações de energia 4. Calor de reação: entalpia 5. Lei de Hess 6. Espontaneidade das transformações: entropia

Capítulo 7 Cinética química 1. Cinética química 2. Teoria das colisões 3. Fatores que influenciam a rapidez das reações 4. Mecanismos de reação 5. Catálise

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Radiação e radioatividade A descoberta da radioatividade Emissões nucleares Leis das desintegrações radioativas Cinética da desintegração radioativa Radioatividade: seus efeitos e aplicações Transformações nucleares Usinas nucleares Rejeitos nucleares Acidentes de usinas nucleares e acidentes radioativos Bombas atômicas

Hely Demutti

Capítulo 8 Energia nuclear

Temas em foco:

• Energia, sociedade e ambiente • Ciência para a paz • Fontes de energia • Política energética • Energia nuclear como fonte de produção de energia elétrica

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TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS

C apít ulo 6

TERMOQUÍMICA Como medimos a variação de energia em reações químicas? Como reduzir o impacto energético no ambiente?

Tema em foco

& QS S

ENERGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE

Química e Sociedade

O deslocamento de pessoas, o transporte de materiais, a construção de moradias e de ambientes de trabalho, a produção de ferramentas são exemplos corriqueiros de processos típicos que são realizados fazendo uso de energia. Podemos dizer que o conceito de energia está associado à capacidade de fazer algo acontecer. Nesse sentido, pode-se dizer que o Universo é constituído por matéria e energia. Sabe-se que nenhuma matéria no Universo é totalmente estática. Os gases da atmosfera estão em constante movimento. Até mesmo nas rochas há movimento: seus átomos estão vibrando continuamente. Todos esses movimentos, dos planetas aos átomos, ocorrem associados a variações de energia. A vida, processo muito mais complexo, é, na verdade, uma manifestação de energia associada a uma grande organização de matéria. Quanto mais complexa a forma de vida, maior a necessidade de energia. As estruturas mais simples de vida, como as dos seres unicelulares, consomem menos energia. Já os mamíferos, por exemplo, possuem metabolismos que envolvem a transformação de maiores quantidades de energia. Quanto mais o ser humano se afastou do modo de vida animal, mais energia ele passou a requerer. A organização das sociedades também envolve o consumo de energia. Sociedades primitivas necessitam de menores quantidades de energia, enquanto sociedades mais avançadas tecnologicamente necessitam de maiores quantidades de energia. Esse é um desafio para as sociedades modernas: como garantir a energia necessária para sua manutenção.

O consumo de energia na sociedade

Consumo de energia ao longo da humanidade

A demanda por maior quantidade de energia impulsionou o desenvolvimento mais eficiente de transformação de energia. Assim, sucessivamente, passamos do domínio da combustão à máquina humana, à tração animal, ao moinho hidráulico ou de vento, à máquina a vapor, até chegarmos aos atuais processos de produção de energia elétrica. Esses processos mais eficientes de produção de energia trouxeram um aumento de qualidade de vida para a população. A expansão dessa qualidade de vida implicou o auConsumo evolutivo de energia mento significativo do consumo de energia nos últimos séculos. Anteriormente, o aumento de consumo energético crescia muito lentamente. No século XIX, o crescimento aumentou cinco vezes e no século XX acelerou para um fator de dezesseis vezes, atingindo uma escala exponencial, sobretudo, depois da Segunda Guerra Mundial, mais precisamente na década de 1940 (veja o gráfico ao lado). I

X

XX

Até o século XX não havia formas de se medir o consumo, mas este pode ser estimado indicando um crescimento exponencial até o início deste século.

Século

Fonte: ACIOLI, José de Lima. Fontes de energia. Brasília: Ed. UnB, 1994.

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1 2 3 4

6,5% energia nuclear

80% combustíveis fósseis (34,4% petróleo, 24,4% carvão e 21,2% gás natural)

CAPÍTULO

Essa revolução ocorreu justamente com o avanço tecnológico que substituiu a energia da biomassa advinda da queima da lenha pela queima de combustíveis fósseis potencialmente mais energéticos como o carvão e o petróleo. Como resultado, passamos a depender massivamente desses combustíveis fósseis. Ocorre que uma pequena parcela da população do planeta pode usufruir do bem-estar gerado pelo consumo de energia. Para o conforto dessa minoria há um gasto elevado de combustíveis que causam problemas ambientais profundos e hoje comprometem o desenvolvimento daqueles que não puderam ainda usufruir do conforto proporcionado pelo consumo energético.

5

2,2% energia hidroelétrica

6

10,8% biomassa

7

0,5% outras energias renováveis (geotérmica, solar, eólica, marés e ondas)

8 Apesar de toda a problemática ambiental da queima de combustíveis fósseis como o petróleo, ele ainda é a maior fonte de obtenção de energia em uma escala global.

Fonte: SANTOS, F. D. Que futuro? Ciência, tecnologia, desenvolvimento e ambiente. Lisboa: Gradiva, 2007, p. 239.

O gráfico anterior mostra que, no início do século XXI, as fontes primárias de energia do planeta concentravam-se em 80% advindas de combustíveis fósseis. O problema da concentração da obtenção de energia de combustíveis fósseis está no fato de que a queima desses combustíveis é a principal fonte de emissão de gases do efeito estufa que têm provocado um crescente aumento do aquecimento global. Aliado ao problema ambiental do aquecimento global, temos o da desigualdade na utilização da energia consumida. Dados revelam que 90% da energia mundial têm sido consumidos somente por aqueles que vivem nos países desenvolvidos – 30% da população mundial. Apesar de o processo de eletrificação ter sido intensificado no fim do século XIX, hoje, em pleno século XXI, cerca de 600 milhões de pessoas vivem sem acesso à eletricidade. Consumo mundial de energia – 1980-2030

800

Quadrilhões de BTU (1 BTU = 1 055 Joules)

histórico

600

projeção 472

400 283

308

348

366

508

552

596

637

678

398

200

0

O uso intenso e a comercialização da energia levaram ao desenvolvimento de sistemas de medidas de seu consumo que nos permitem acompanhá-lo e fazer estimativas para o futuro.

1980 1985 1990 1995 2000 2006 2010 2015 2020 2025 2030

Fonte: Histórico: Energy Information Administration (EIA). International Energy Annual 2006 (jun./dez. 2008). Projeção: EIA. World Energy Projection Plus (2009).

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bHistória z da energia na civilização

Máquina humana – Os primeiros agrupamentos humanos a fixar-se em espaços com características de cidade necessitavam de energia para o levantamento de suas casas e demais construções. Solução: converter força muscular escrava em energia mecânica. Bibliotheque Nationale. Paris, França

SPL/Latinstock

500 000 a.C.

18000 a 5000 a.C. SPL/Latinstock

Agricultura – Na Idade da Pedra (18 000 a 5 000 a.C.), grupos nômades fixam-se à terra e iniciam atividades de agricultura. Por meio da conversão de energia solar em energia química armazenada nos carboidratos de cereais, o ser humano começou a desenvolver meios para transformar e utilizar energia.

4000 a.C.

2000 a.C.

RMN/R-G. Ojéda

TERMOQUÍMICA

Fogo – Na Pré-História, nossos antepassados aprenderam a utilizar o fogo. Os indícios mais antigos encontrados indicam que o fogo já era utilizado pela humanidade há mais de 500 mil anos. O domínio do fogo propiciou o desenvolvimento de algumas tecnologias e contribuiu para que o ser humano pudesse se fixar à terra.

Animais (burros, bois etc.) – A partir do IV milênio a.C., com o uso dos metais e a invenção da roda, parte da força motriz humana pôde ser substituída pelos animais. O uso da força animal possibilitou um maior desenvolvimento da agricultura e dos meios de transportes, por meio das carroças e carruagens.

Na presente unidade, vamos estudar as fontes de energia disponíveis em nossa sociedade, discutindo os problemas relacionados a cada uma e as suas perspectivas. No presente capítulo, vamos nos concentrar no estudo do petróleo e do álcool combustível, que consiste numa importante fonte energética que teve o incentivo do governo brasileiro. Antes, porém, vejamos um quadro-sinopse das fontes de energia. Existem várias maneiras de classificar as fontes de energia. No quadro abaixo é apresentada uma classificação que leva em consideração as propriedades de transformação, pois no estudo de reservas de energia interessa a capacidade de transformação em energia útil: calor, luz e trabalho mecânico. FONTES DE ENERGIA E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA Energia potencial química – rompimento e formação de ligações químicas. Processos de transformação: Biomassa: álcool, óleos vegetais, lenha, carvão vegetal, resíduos agrícolas e florestais, lixo urbano. Fósseis: petróleo, gás natural, carvão mineral, xisto. Outras: hidrogênio, metanol etc. (energia química ( calor ( mecânica e eletricidade) Nuclear – energia de transformações de núcleos atômicos. Processos de transformação: Fissão e fusão nucleares (potencial nuclear ( calor ( eletricidade) Hidrelétrica – energia potencial da água. Processos de transformação: Hidrelétrica (potencial ( mecânica ( eletricidade)

Ferro

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Energia solar direta – energia da radiação solar. 26 Processos de transformação: Fe OD 55,8 Células fotovoltaicas (luz ( eletricidade) ÍNDICE T. PERIÓDICA Aquecedor solar (luz ( calor) 2 8 14 2

Eólica – energia do movimento das massas de ar (ventos).

a

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SEGURANÇA


Ricardo Azoury/Olhar Imagem

Biblioteca Municipal de São Paulo

100 a.C.

Radioatividade – A descoberta da radioatividade e de formas de controlá-la possibilitou o desenvolvimento de grandes usinas termonucleares, principal fonte de energia atualmente. O risco de acidentes em grandes proporções e as dificuldades de se lidar com os rejeitos radioativos não permitiram que essa fonte de energia substituísse as anteriores. Luciana Whitaker/Olhar Imagem

Máquina a vapor – No século XVIII, o engenheiro e mecânico James Watt [1736-1819] construiu a primeira máquina a vapor, grande alavanca para a Revolução Industrial. A busca do aumento da eficiência das máquinas a vapor levou ao surgimento da Termodinâmica e da Termoquímica.

séc. XIV

séc. XVII

CAPÍTULO

Moinho hidráulico e de vento – As forças da água e do vento, já utilizadas para a navegação marítima, passam a ser aproveitadas também para mover moinhos, economizando tempo e energia na trituração de grãos. Desde o final do século passado, a energia dos ventos vem reconquistando espaço na matriz energética mundial.

1 2 3 4 5 6

séc. XVIII

séc. XX

7

Hely Demutti

Hely Demutti

8 Alto-forno – Apesar dessa tecnologia já ser usada desde 1200 a.C., no século XIV aumenta a utilização do carvão vegetal como fonte de energia, por causa de sua maior eficiência na combustão. Isso ampliou em muito a sua utilização na fundição de metais e na construção de diferentes utensílios, pela possibilidade de se alcançar temperaturas mais altas.

Eletricidade – A invenção de meios para gerar eletricidade é um marco na história da produção de energia. O advento dos motores elétricos modificou e continua modificando o modo e a qualidade de vida das pessoas. A Química foi de fundamental importância para que a eletricidade se tornasse cada vez mais presente em nossas vidas. A Eletroquímica é a área dedicada ao estudo dos aspectos elétricos das reações químicas.

FONTES DE ENERGIA E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA Energia solar direta – energia da radiação solar. Processos de transformação: Células fotovoltaicas (luz ( eletricidade) Aquecedor solar (luz ( calor) Eólica – energia do movimento das massas de ar (ventos). Processos de transformação: Aerogerador (mecânica ( eletricidade e mecânica) Marítima – energia do movimento de massas de água (ondas). Processos de transformação: Wavebob (energia cinética das ondas do mar ( eletricidade) Maremotriz (energia cinética das ondas da praia ( eletricidade) Maremotriz (energia potencial da diferença de mares ( eletricidade) Geotérmica – energia do calor interno da Terra. Processos de transformação: Gêiseres (calor ( eletricidade) Erupções vulcânicas (calor ( eletricidade) Fonte: ACIOLI, José de Lima. Fontes de energia. Brasília: Ed. UnB, 1994 (adaptado).

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Hely Demutti

Cris Berger/Olhar Imagem

Rogério Reis/Olhar Imagem Mauricio Simonetti/Pulsar Imagens

TERMOQUÍMICA

Angra dos Reis (RJ), 2006.

Usina hidrelétrica de Itaipu (PR), 2007.

Sem energia, qualquer sociedade para! Por isso, é necessário aperfeiçoar processos de transformação de energia energia. Esses processos dependem da disponibilidade de fontes primárias de energia, de condições tecnológicas para a produção e, sobretudo, atualmente, dos efeitos ambientais decorrentes de sua utilização.

Osório (RS), 2008.

O petróleo

Painéis solares

E+

Bettmann/Corbis

Estude mais

O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos e a sua utilização do petróleo como fonte energética mudou drasticamente a história da sociedade nos últimos 100 anos e assumiu o lugar de principal fonte de energia para diversos setores da economia. Conhecer um pouco dessa história permite compreender melhor nossa sociedade. O petróleo já era conhecido desde a Idade Antiga. No Egito, era utilizado para iluminação, impermeabilização de casas, construção de pirâmides, embalsamamento de corpos e como medicamento para o tratamento de cálculos renais, escorbuto, cãibras, gota e reumatismo. Como as formas de extraí-lo não eram muito eficientes, era pouco utilizado como combustível. Somente na década de 1860, com a perfuração dos primeiros poços na Califórnia, Estados Unidos, o petróleo passou a ser explorado comercialmente. Inicialmente, somente querosene e lubrificantes eram aproveitados; a gasolina obtida era jogada nos rios, misturada ao querosene ou simplesmente queimada. Posteriormente, a iluminação pública começou a ser feita com lampiões a petróleo, em substituição a óleos animais. No entanto, a grande revolução do petróleo ocorreu com a invenção dos motores de combustão interna e a produção de automóveis em grande escala. Esse fato causou uma reviravolta e a gasolina passou a ser uma das frações mais importantes do petróleo. Hoje, estamos mergulhados na civilização do petróleo, que, além de ser uma fonte básica de combustível para os principais meios de transporte, é matéria-prima estratégica para boa parte dos materiais usados diariamente, como, por exemplo, roupas, calçados, tintas, detergentes e computadores. O norte-americano Coronel Drake encontrou petróleo no oeste da Pensilvânia. Ele utilizou uma máquina perfuratriz para a construção do poço, produzindo 19 barris por dia.

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CAPÍTULO 1 2 3 4 5 6 7 8

Ricardo Azoury/Tyba

A utilização de petróleo como combustível e matéria-prima se expandiu muito. Como consequência, países consumidores – aqueles que consomem mais do que produzem – tornaram-se dependentes dos países produtores – aqueles que produzem mais do que consomem. Até o início da década de 1970, a exploração do petróleo nos países produtores era controlada por alguns países consumidores. Quando os países produtores do Oriente Médio resolveram tomar o controle da exploração e estabelecer o preço do barril de petróleo, surgiu a crise do petróleo (1973-1974). Essa crise impulsionou a sociedade consumidora a mudar seus hábitos e a buscar outras fontes de energia. Nos dias atuais, o desequilíbrio entre a produção e o consumo de petróleo ainda é grande e está associado a conflitos internacionais e má distribuição de rendas. Dado o elevado consumo do petróleo, o domínio de sua exploração tem sido fator de desenvolvimento das nações. Nesse processo, o Brasil tem enfrentado o desafio tecnológico na identificação de reservas petrolíferas e no processo de sua extração desenvolvendo técnicas sofisticadas de prospecção em grandes profundidades marítimas. Em 2008, a Petrobras anunciou a descoberta de um gigantesco reservatório de petróleo e gás natural no litoral dos estados de Santa Catarina ao Espírito Santo. Essa jazida foi denominada pré-sal por estar localizada abaixo da camada de sal, no fundo do mar, a uma profundidade de cinco a sete quilômetros abaixo do nível do mar. Estima-se que essas reservas foram formadas pela decomposição de matéria orgânica, 100 milhões de anos atrás. Essa descoberta muda totalmente a posição do Brasil no atual quadro dos países detentores de reservas de petróleo. Atualmente, o Brasil é o quinto produtor entre os países americanos.

Para a prospecção de petróleo em grandes profundidades no mar é necessária uma tecnologia específica, a qual a Petrobras já domina há muito tempo, graças a investimentos tecnológicos.

Macaé (RJ), 2002.

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J. Yuji

TERMOQUÍMICA

Nem sempre há equilíbrio entre consumo e produção de petróleo. Essa discrepância fez com que, no século passado, o petróleo se tornasse umas das principais moedas de troca entre as sociedades desenvolvidas tecnologicamente. As disputas pelo domínio e controle do petróleo fizeram surgir guerras, derrubaram governos, levaram à invasão de países, entre outros conflitos. Analise os gráficos da próxima página e procure justificar alguns desses conflitos. Ocorre que todo esse desenvolvimento tecnológico tem data marcada para terminar, pois, apesar de estudos controversos, há um consenso de que as reservas globais de petróleo devem se esgotar nos próximos cem anos. Isso representa outro desafio tecnológico, o de substituir essa fonte de energia por outras que não esgotem em prazo tão curto.

plataforma

oceano

riser

camada pós-sal a maior parte das reservas de petróleo e gás brasileiras se encontram nesta área

2 000 m

3 000 m

camada de sal na formação geológica dos oceanos, em muitas regiões houve a deposição de rochas sedimentares constituídas por diversos tipos de sais (carbonatos, sulfetos, boratos, cloratos) que ocorreu pela evaporação de águas oceânicas, depois foram cobertas por outras camadas de rochas (camada pós-sal).

4 000 m

5 000 m

6 000 m

camada pré-sal área profunda onde o petróleo se encontra armazenado nos poros das rochas

O petróleo do pré-sal está localizado nos oceanos, numa profundidade de cerca de 6 000 m, depois de uma camada de deposição de rochas sedimentares geologicamente formada ao longo do tempo, como descreve a figura. Para retirá-lo é necessário alta tecnologia e grandes investimentos. O debate atual sobre a exploração desse petróleo não envolve somente questões técnicas, mas também econômicas, políticas e ambientais. Afinal, frente ao aquecimento global, não deveríamos investir em outras fontes de energia menos poluentes?

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J. Yuji

6 879 milhões

CAPÍTULO

Produção diária de barris de petróleo no ano de 2007

1 2

3 477 3 309 milhões milhões

698 mil Estados Unidos

Canadá

561 mil

Argentina

México

2 613 milhões

1 833 milhão

Brasil

520 mil

154 mil

114 mil

Colômbia Equador

Peru

3 4

141 mil

Trinidad Venezuela Outros países das Américas e Tobago Central e do Sul 13 665 milhões

Produção de petróleo de alguns países em 2007, com destaque para os maiores produtores americanos.. O Brasil é o quinto produtor americano, mas se aproximará do primeiro com a descoberta do pré-sal.

20 680

5

25 176 milhões

6

17 835 milhões 10 318 milhões

6 633 milhões

Total da Total da Total da América América Central Europa e e do Sul Eurásia do Norte

Total do Oriente Médio

Total da África

7

7 907 milhões

8

Total da Ásia

J. Yuji

mil barris por dia

Fonte: <www.bp.com>. Acesso em: 07 fev. 2010.

7 565 5 007

Estados Unidos

China

Japão

2 820

2 800

Rússia

Índia

2 456

2 400

2 365

2 214

2 210

2119

1950

1740

1708

1702

Alemanha Brasil

Canadá

Coreia do Sul

Arábia Saudita

México

França

Reino Unido

Irã

Itália

Principais consumidores de petróleo do mundo em 2007 mil barris por dia

8 038 7 054

O grande comércio de petróleo se dá devido às diferenças entre consumo e produção. Analise os gráficos e veja como se colocam os países nessas relações. Qual precisa vender, qual precisa comprar etc. 2 507

mil barris por dia

12 224

2 340

2 326

Arábia Rússia Emirados Noruega Saudita Árabes 4 874

Irã

2 291

2 082

1960

1907

1711

Kuwait Nigéria Venezuela Argélia Angola

1584

1501

Líbia

Iraque México Cazaquistão Canadá

1381

1213

1057

Principais exportadores de petróleo do mundo em 2007 3 653 2 310

Estados Japão Unidos

2 184

China Alemanha Coreia do Sul

1 919

Índia

1 879

1 583

1 533

França Espanha

Itália

967

907

901

Taiwan Cingapura Países Baixos

645

617

Turquia

607

Bélgica Tailândia

Principais importadores de petróleo do mundo em 2007 Fonte: Energy Information Administration. Official Energy Statistics from the US Government.

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E+

Álcool, o combustível brasileiro

Estude mais

Delfim Martins/Pulsar Imagens

Delfim Martins/Pulsar Imagens

TERMOQUÍMICA

Como resultado de pesquisas que buscavam a substituição do petróleo como combustível surgiu o álcool etílico (etanol), substância presente em bebidas alcoólicas e com ampla aplicação na indústria, na área de saúde e no cotidiano das pessoas. Um das grandes vantagens da substância do petróleo pelo álcool como combustível está no ponto de vista ambiental. Há uma diferença entre a combustão do álcool e da gasolina. Como a gasolina é uma mistura de substâncias extraídas do petróleo, a sua queima produz, além de dióxido de carbono, monóxido de carbono e vapor-d’água, uma série de outros gases nocivos ao ambiente. Já o álcool combustível é menos complexo, constituído basicamente pelas substâncias etanol e água. Assim a combustão do álcool produz basicamente dióxido de carbono, monóxido de carbono e vapor-d’água. A combustão do álcool produz uma quantidade menor de monóxido de carbono. As primeiras tentativas de utilização do etanol como combustível datam do início do século passado. Entretanto, o Programa Nacional do Álcool (Proálcool) foi instituído em 1975. Colaborou para a implantação desse programa, além da escassez do petróleo, a crise internacional do açúcar, motivando o direcionamento da produção de cana-de-açúcar para a produção de álcool para fins combustíveis. Entre erros e acertos, pode-se considerar que o Programa Nacional do Álcool obteve algum saldo positivo, pois várias metas foram alcançadas, demonstrando o potencial da biomassa no Brasil, apesar de severas críticas que o programa sofreu. No Brasil, o álcool utilizado como combustível apresenta 96% de etanol e 4% de água. A diminuição da poluição do ar e a redução da dependência internacional são os principais benefícios do uso do álcool como combustível. Um carro a álcool polui 70% menos que um carro a gasolina.

Lins (SP), 2009.

Sabino (SP), 2009.

Um ponto negativo do Programa Nacional do Álcool foi a exagerada invasão da fronteira agrícola alimentar pelos superextensivos canaviais, com mão de obra desprotegida de seus benefícios sociais: os boias-frias. Além disso, verificaram-se vários problemas de poluição ambiental provocados pela monocultura, com o uso intensivo de agrotóxicos e o lançamento do vinhoto nos rios.

O Brasil é o maior produtor mundial de açúcar e álcool, sendo que a cana-de-açúcar ocupa cerca de 9% da área cultivada no país, perdendo somente para o cultivo da soja e do milho. O emprego do álcool como combustível para veículos automotores colocou o Brasil em primeiro lugar na substituição de derivados de petróleo para esse fim. Atualmente, cerca da metade dos veículos em circulação é ou pode ser movida pelos 17 bilhões e meio de litros produzidos anualmente. O vinhoto, inicialmente um grande problema do Proálcool, atualmente pode ser utilizado para produzir metano e fertilizantes. O bagaço pode ser utilizado em biodigestores para gerar energia elétrica ou como matéria-prima para produção de diferentes bens de consumo. Outros aspectos positivos do Proálcool foram: grande potencial de produção devido a fatores climáticos; diminuição da dependência do petróleo; diminuição dos gastos com importações; e, na época, grandes investimentos em pesquisas. Entre os aspectos negativos, destacamos: o esgotamento do solo de muitas regiões; prejuízo aos cofres públicos devido a subsídios para incentivar o programa; exploração da mão de obra dos boias-frias (homens, mulheres e crianças) que são remunerados por tarefas, obrigando-os a jornadas extenuantes de trabalho.

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CAPÍTULO

Apesar dos pontos positivos, a queda nos preços do petróleo e o crescimento da dívida dos produtores acabaram com o Proálcool. Com novas possibilidades de aumento nos preços do petróleo e seus derivados, a indústria automobilística tem investido em diferentes alternativas. Desde 2003, com o advento do carro flex fuel ou bicombustíveis, veículos que podem utilizar como combustível gasolina, álcool ou uma mistura destes, o mercado de etanol cresceu muito. Em 2009, mais de 80% dos veículos de passeio produzidos no Brasil foram do tipo flex.

1

Alexandre Tokitaka/Pulsar Imagens

Hely Demutti

2 3 4 5 6 7 8

Segundo a Folha Online, em 2007, a cana-de-açúcar respondeu por 16% da matriz energética brasileira, perdendo apenas para o petróleo e seus derivados, com 36,7%. A energia hidráulica caiu para o terceiro lugar, com 14% de importância.

O programa brasileiro de uso de álcool como combustível obteve reconhecimento internacional como política de substituição do petróleo, recurso não renovável com reservas limitadas. Atualmente, com a elevação de seu preço, seu uso está comprometido.

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Debata e entenda

1. Cite as principais mudanças sociais ocorridas para cada período apresentado no texto “História da energia na civilização”, referente a novos processos tecnológicos de obtenção de energia.

2. Em sua opinião, analisando o gráfico sobre o consumo mundial de energia de 1980 a 2030, como deverá ser o consumo de energia em 2030?

3. Desde quando o petróleo é conhecido e como ele era utilizado no passado? 4. Cite duas importantes aplicações do petróleo para a nossa sociedade. 5. Por que há necessidade de buscar fontes de energia que substituam o petróleo? 6. Em sua opinião, quais os benefícios do Proálcool para o Brasil de hoje? 7. Que outras fontes, além da cana-de-açúcar, podem ser utilizadas na produção de etanol? 8. Do ponto de vista ambiental, quais as vantagens da utilização do álcool como combustível?

Combustão A maior parte da energia utilizada pelas sociedades modernas é obtida por meio da queima de combustíveis fósseis. No entanto, isso tem provocado graves problemas ambientais, entre os quais o aquecimento global. Neste capítulo, vamos estudar as variações de energia em reações químicas, sobretudo, em reações de combustão. O estudo dessas reações nos permitirá propor alternativas tecnológicas para obtermos melhor aproveitamento do potencial energético de diferentes combustíveis, gerando mais energia e menos poluição. OD ÍNDICE

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Hely Demutti Hely Demutti

Hely Demutti

TERMOQUÍMICA

A combustão é um tipo de reação química comum em diversas situações de nosso cotidiano. Parte dos alimentos que ingerimos, por exemplo, é preparada graças à combustão do gás de cozinha. Os veículos que nos levam à escola, ao trabalho etc. são movidos pela energia gerada pela queima de combustíveis.

A combustão está presente em um grande número de atividades realizadas pelas pessoas.

Nas reações de combustão, as ligações químicas existentes nas moléculas do combustível são rompidas e os átomos se ligam a átomos de oxigênio, oriundos de moléculas de oxigênio. Isso é o que acontece também no nosso organismo, mas de forma mais complexa, com os alimentos que ingerimos. Por isso, embora o processo de digestão seja tão diferente, falamos em queima de alimento e calculamos as calorias de cada um deles. No entanto, não são essas as reações que abordaremos neste momento. Para discutirmos os problemas ambientais, estamos interessados em alguns produtos importantes resultantes da combustão: os gases e as cinzas. Os gases resultam de combinações de átomos do combustível com átomo de oxigênio. As cinzas são os resíduos sólidos resultantes do processo. Elas são constituídas de substâncias cujos átomos não produziram gases, como é o caso de metais presentes na composição da madeira, mas sim substâncias sólidas. Para entender esse processo, vamos analisar dois tipos de combustão.

Combustão completa, combustão incompleta e o ambiente Podemos dizer que combustão é uma reação rápida de uma substância ou material com oxigênio (O2), na qual há emissão de luz e calor. Esse tipo de reação ocorre sob condições que possibilitam uma maior interação do combustível com moléculas de oxigênio. Nesse caso, teremos uma reação de combustão completa. Todavia, há casos nos quais há menor interação da substância com moléculas de oxigênio não possibilitando a combustão completa, mas sim uma combustão incompleta. Para entender a diferença dessas reações, vamos analisar duas reações comuns em nossas casas: a queima do gás de cozinha e a queima de uma vela. O gás de cozinha, também denominado gás liquefeito de petróleo (GLP), é uma mistura de hidrocarbonetos que tem como principal componente o butano (C4H10).

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CAPÍTULO

Ocorre combustão completa de hidrocarbonetos (substâncias que só possuem átomos de carbono e hidrogênio) quando há oxigênio suficiente para que todo combustível se transforme em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Nesse caso, a reação de queima completa do butano do gás de cozinha pode ser descrita pela equação: 13 O (g) → 4CO2(g) + 5H2O(g) 2 2

1

∆H < 0

Nessa equação ,o símbolo ∆H H representa a variação de entalpia. A entalpia é uma grandeza de extrema importância para a Química. Como veremos neste capítulo, quando a variação de entalpia de uma reação é menor do que zero, há liberação de energia; quando essa variação é maior do que zero, há absorção de energia. Ao observarmos a combustão no fogão de nossas casas, notamos um tom azul bem claro na chama. A queima de uma vela, entretanto, produz uma chama amarelada com formação de uma fumaça escura, denominada fuligem. Essas diferenças ocorrem apesar de tanto a parafina (usada na fabricação da vela) quanto o gás GLP (consumido no fogão) serem constituídos por misturas de alcanos (tipo de hidrocarboneto que só possui ligação simples). Enquanto o gás de cozinha é constituído por moléculas de alcanos que possuem três ou quatro átomos de carbono, a parafina é uma mistura de alcanos cujas moléculas possuem de 20 a 36 átomos de carbono. Na combustão complePara entender o porquê da diferença de cores entre as chamas, vamos considerar a ta do butano (gás de combustão da vela como sendo a combustão de um alcano cujas moléculas possuem cozinha), a cor da chama 23 átomos de carbono. possui tom azul. Para uma reação em que ocorra a combustão completa desse alcano, teríamos a seguinte equação:

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C4H10 (g) +

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C23H48 (s) + 35O2(g) → 23CO2(g) + 24H2O(g) ∆H < 0 Hely Demutti

Pela equação acima, percebe-se que a combustão completa de uma molécula do alcano C23H48 vai requerer quase cinco vezes mais moléculas de oxigênio do que a quantidade necessária para a combustão completa de uma molécula de butano. Como o ar é uma mistura gasosa que possui cerca de 20% de oxigênio, a disponibilidade imediata de moléculas é insuficiente para realizar a combustão completa dos alcanos da parafina da vela, o que leva a uma combustão incompleta da parafina. Na combustão incompleta se produz água (H2O) e parte dos átomos de carbono dá origem a monóxido de carbono (CO) ou simplesmente carbono (C), também chamado de fuligem. Veja as equações de algumas reações que representam combustões incompletas: C23H48 (s) + 47 O2(g) → 23CO(g) + 24H2O(g) ∆H < 0 2 C23H48 (s) + 12O2(g) → 23C(s) + 24H2O(g)

∆H < 0

Embora ambas as reações de combustão completa e incompleta sejam exotérmicas (liberam energia), a segunda produz menor quantidade de energia (chama mais amarelada) do que a primeira, além de gerar resíduos mais tóxicos. A combustão completa também pode ocorrer com outros combustíveis além de hidrocarbonetos, como no caso da combustão do etanol ilustrada a seguir: CH3CH2OH(l) + 2O2(g) → 2CO2(g) + H2O

∆H < 0

O dióxido de carbono produzido na combustão completa é um gás incolor, inodoro e 50% mais denso que o ar. Ele é razoavelmente solúvel em água, com a qual reage formando ácido carbônico (H2CO3). OD ÍNDICE

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Durante a queima da vela, a reação não é completa, como representa a equação ao lado. Por isso, há formação de fuligem, constituída apenas por átomos de carbono.

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Jim Sugar/Corbis

TERMOQUÍMICA

A concentração média de CO2 na atmosfera é 0,035% (0,035 g em 100 g de ar). Em elevadas concentrações tem efeito asfixiante, sendo a concentração máxima permitida para a permanência de pessoas no ambiente igual a 0,5% e para ambientes em que as pessoas têm presença temporária igual a 1,5%. Concentrações acima de 5% são consideradas perigosas e acima de 10% levam à inconsciência, podendo até provocar a morte por asfixia. Assim, ambientes onde pode haver a formação de dióxido de carbono proveniente da decomposição de matéria orgânica, fermentação, combustão, respiração de seres vivos etc. devem ser bem ventilados. Locais perigosos que podem oferecer risco por conta da elevada concentração de dióxido de carbono são cavernas, cisternas e outros ambientes subterrâneos. Tenha sempre muito cuidado ao entrar nesses locais. A combustão incompleta ocorre sempre que não há gás oxigênio em quantidade suficiente para a reação. Assim, pode ocorrer também combustão incompleta com o butano, representada pela equação:

Hely Demutti

Em cavernas profundas há necessidade de tubos de oxigênio, pois a elevada concentração de CO2 torna a atmosfera fatal. Tenha muito cuidado ao entrar em ambientes subterrâneos.

C4H10 (g) + 5 O2(g) → 4C(s) + 5H2O(g) 2 butano

fuligem

água

Você já deve ter visto uma combustão incompleta em casa, quando o fogão a gás está produzindo uma chama amarela. Isso pode acontecer por dois motivos: ou a entrada de ar não está sendo suficiente para fornecer a quantidade de oxigênio necessária para queimar o butano ou este já acabou e os gases que estão sendo queimados são os de moléculas maiores que ficam no fundo do botijão. Essa mistura final, rica em substâncias mais densas, demora mais a escapar e requer maior quantidade de oxigênio para queimar completamente. Nessas duas hipóteses, a chama fica amarelada e o fundo das panelas, preto, devido à fuligem resultante da combustão incompleta. A chama amarelada no foOutro exemplo de combustão incompleta é o carro mal regulado. A fumaça preta gão, exemplo de combusque sai de um automóvel desregulado nada mais é do que a fuligem resultante de comtão incompleta, é sinal bustão incompleta. Fuja dela! A emissão de fuligem na atmosfera é uma das grandes de alerta: o gás pode estar responsáveis pelos danos ambientais e problemas respiratórios enfrentados nos granacabando. des centros urbanos. Os caminhões e os ônibus são movidos, em geral, pela combustão do óleo diesel. Os motores desses veículos, quando bem regulados e funcionando a altas temperaturas, fazem com que o combustível seja praticamente todo queimado, produzindo quase exclusivamente dióxido de carbono e vapor-d’água. Veículos menores, cujos motores queimam gasolina e álcool, quase não produzem fuligem, mas geram o monóxido de carbono, o que praticamente não ocorre com caminhões e ônibus. O monóxido de carbono, produzido da combustão incompleta, é um gás incolor, inodoro e possui a propriedade química de combinar-se com a hemoglobina presente nos glóbulos vermelhos do sangue, prejudicando o transporte de oxigênio para as células do corpo. Isso acontece porque a hemoglobina, que deveria se combinar com o oxigênio para transportá-lo para as células do corpo, fica comprometida com o monóxido de carbono. Além de provocar doenças como rinite, bronquite, pneumonia e asma, em altas concentrações essa contaminação pode até matar. Além do controle da regulagem de motores para que os motores fiquem em condição de fazer a combustão completa, os químicos buscam controlar a eficiência dos combustíveis. Uma das formas é a adoção do índice de octanagem.

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CAPÍTULO

Octanagem: um índice para medir a eficiência da gasolina

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Hely Demutti

5 A fumaça preta que sai do ônibus, resultado da combustão incompleta do óleo diesel, é muito prejudicial à saúde. O que poderia ser feito para que veículos mal regulados não circulassem?

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J. Yuji

O melhor aproveitamento da energia liberada em motores a combustão requer o uso de aditivos, o controle da qualidade de combustíveis e regulagens que proporcionem misturas em quantidades adequadas. Um bom exemplo está no controle da eficiência da explosão da gasolina, por meio de um índice que os químicos chamam de octanagem. Os motores a combustão são desenvolvidos para utilizar quantidades específicas de mistura de ar-gasolina (gasolina vaporizada e ar) nos cilindros. Explosões sincronizadas nos pistões produzem movimentos sincronizados que são transferidos para eixos e polias e, depois, às rodas do automóvel, fazendo o veículo se movimentar. A gasolina é volátil e, vaporizada na presença de oxigênio, pode explodir. Entretanto, no motor, essa explosão tem de acontecer no momento adequado, para que ocorra uma sequência certa nos cilindros e permita produzir o movimento do eixo do motor. O processo é dinâmico, muito rápido e sincronizado. Desses fatores depende a potência de um motor. Se a mistura de gasolina com ar explodir no momento errado, o motor não funcionará direito e a potência cairá. O segredo para o melhor funcionamento está em obter uma mistura de combustível que não seja muito explosiva nem muito resistente à explosão. Para isso, os químicos desenvolveram um índice denominado octanagem. A determinação da octanagem é feita comparando-se a resistência à explosão do combustível em análise com dois combustíveis puros de referência: o isoctano (daí o nome octanagem), resistente à explosão e cujo valor é 100; e o heptano, pouco resistente à explosão e que recebe o valor zero.

O octano é um dos constituintes da gasolina que resiste a uma maior compressão, antes de explodir.

Para a determinação da resistência à explosão, utilizam-se motores de referência que possuem um só pistão e são resistentes a explosões. A gasolina é boa quando suporta grande compressão e somente queima quando a faísca provoca a ignição da mistura ar-combustível. A octanagem de combustíveis pode ser alterada pela utilização de aditivos. Por muito tempo foram utilizados como aditivos da gasolina o chumbo tetrametila Pb(C2H5)4 e o chumbo tetraetila Pb(CH3)4. Entretanto, essas substâncias caíram em desuso por causar problemas ambientais quando lançadas na atmosfera. Os primeiros países a abandoná-las, em 1989, foram Brasil e Japão. Como a resistência à detonação do álcool é 1,3 vez maior do que a do octano, a adição dessa substância à gasolina aumenta sua octanagem, melhorando as propriedades do combustível e evitando o uso de substâncias que contêm chumbo em sua composição. Esse é mais um dos motivos pelos quais nossa gasolina contém mais de 20% em volume de álcool.

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Os gases poluentes da combustão

QSS

SO2(g) + 1 O2(g) → SO3(g) 2 SO3(g) + H2O(g) → H2SO4(aq) O crescente aumento do uso de combustíveis fósseis tem levado a um aumento da concentração de gases de dióxido de enxofre na atmosfera, agravando o problema de chuva ácida.

Hely Demutti

Hely Demutti

Hely Demutti

Ca da c h u m a ç o d e algodão foi colocado, por 5 minutos, na saída do cano de escapamento de três carros, movidos a diferentes combustíveis: álcool, gasolina e óleo diesel. Será que dá para dizer a qual dos carros corresponde cada chumaço de algodão?

J. Yuji

TERMOQUÍMICA

Como vimos, a combustão é uma das principais fontes geradoras de energia. Cerca de 90% dos & gases liberados na atmosfera, resíduos de atividades humanas, originam-se de reações de combustão Química e produzidas, em sua grande maioria, por veículos automotivos e atividades industriais. Sociedade A nossa sociedade consome muita energia e, consequentemente, produz enorme quantidade de poluição. A quantidade de fumaça despejada na atmosfera é tão grande que preocupa a comunidade científica que estuda o ambiente. Além de causar danos à saúde humana, esses gases provocam a deterioração de diversos materiais, como couro, borracha, materiais sintéticos, tecidos, pigmentos, papel, metais, entre outros. Essa deterioração exige manutenção frequente dos equipamentos, levando muitas vezes à necessidade de conserto e substituição de peças. Além do dióxido e do monóxido de carbono, outros gases são produzidos na queima de combustíveis fósseis. O carvão, a gasolina e o óleo diesel, entre outros, são combustíveis fósseis originados da decomposição de organismos vivos. Por isso, possuem em sua constituição pequenas quantidades de substâncias que contêm átomos de enxofre. A queima dessas substâncias libera gases que, em contato com o oxigênio do ar e o vapor de água, dão origem ao ácido sulfúrico, uma das substâncias responsáveis pelas chuvas ácidas. A reação de formação do ácido sulfúrico pode ser descrita pelas equações:

Qual desses combustíveis é mais poluente?

Outro fator que contribui muito para a poluição do ar é a falta de regulagem dos motores automotivos. Um motor mal regulado não fornece misturas adequadas de ar-combustível, favorecendo a combustão incompleta que gera o gás tóxico monóxido de carbono (CO) e a fuligem (C). Os motores devem ser bem regulados para que produzam menor quantidade de poluentes e consumam menos combustível.

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CAPÍTULO

Com relação à quantidade de combustível consumida, vejamos o exemplo da combustão do álcool combustível, cujo principal constituinte é o etanol. As equações a seguir representam duas possíveis reações de combustão do etanol. 1) C2H5OH(l) + 2O2(g) → 2CO(g) + 3H2O(l)

1

2) C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)

2

Observando as equações, é possível constatar que a combustão completa (2a equação) consome maior quantidade de oxigênio do que a combustão incompleta (1a equação), para uma mesma quantidade de etanol. O gráfico ao lado representa a variação energética de combustão completa e incompleta. A análise dele nos fornece um bom motivo para que os motores estejam bem regulados. combustão incompleta combustão completa Embora muitos possam imaginar que carvão só serve para fazer churrasco, seu consumo no Brasil é elevado. Um dos maiores consumidores dessa fonte energética é Tempo a siderurgia, que consome, anualmente, cerca de 3,5 miA combustão incompleta lhões de toneladas de carvão vegetal. O carvão é matéria-prima essencial por ter função produz gases mais tóxicos e dupla: como combustível que aquece os altos-fornos e como reagente que consome o gera menos energia, sendo, oxigênio do minério (Fe2O3) na produção do metal (Fe). portanto, desaconselhável em Além da análise do teor calorífico do carvão, devemos levar em conta seu custo todos os sentidos. ambiental e social. Apesar da grande vantagem de ser uma fonte renovável, a existência de carvoarias ilegais estão associadas a diversos problemas: o desmatamento ilegal; o despejo na atmosfera de grandes quantidades de gases e resíduos tóxicos; as péssimas condições às quais são submetidos os trabalhadores, chegando ao trabalho escravo; e a prática de trabalho infantil. Energia

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Hely Demutti

DM9DDB/Unicef

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O carvão vegetal é um combustível barato, abundante e renovável. O processo de obtenção em carvoarias artesanais leva a vários problemas, como as condições dos trabalhadores que ficam em grande situação de risco.

Infelizmente, o trabalho infantil ainda é uma prática comum em diversas regiões do Brasil. Trabalhando nas carvoarias, as crianças deixam de frequentar a escola, se expõem a um enorme risco físico que lhes causa diversos ferimentos, frequentam ambientes altamente insalubres e não têm tempo para brincar. Ou seja, são furtadas de seu direito de ser criança.

O controle da combustão incompleta é tão importante que chega a ser política de governo. No Brasil, desde 1993, há legislação sobre a redução de emissão de poluentes por veículos automotores. Essa lei obriga os fabricantes de automóveis a produzirem veículos que emitam menores quantidades de gases (CO, NOx, hidrocarbonetos e aldeídos) e material particulado (fuligem). Cabe destacar que essas metas são possíveis somente via investimento em pesquisa e desenvolvimento de tecnologias. É por isso que os veículos atuais, apesar de utilizarem motores mais potentes, consomem menor quantidade de combustível e poluem menos. Essa diferença tecnológica pode ser comparada por meio de algumas características de duas gerações de um mesmo veículo, como mostram os dados a seguir. OD ÍNDICE

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TERMOQUÍMICA

1984

Hely Demutti

Ano

Ano

2012

Combustível

Gasolina

Combustível

Álcool

Peso

801 kg

Peso

1 364 kg

Cilindrada

1 584 cc

Cilindrada

1 984 cc

Aceleração 0-100 km/h

17,16 s

Aceleração 0-100 km/h

Velocidade máxima Potência Consumo urbano

7,5 s

Velocidade máxima

135,8 km/h

223 km/h

Potência

57 cv a 4 200 rpm

200 cv a 5 200 rpm

Consumo urbano

6,88 km/L

13,17 km/L

Hely Demutti

Apesar de ser mais pesado, o Novo Fusca é mais potente, veloz e econômico econômico, além de emitir menos gases poluentes do que o Fusca 1.5 que o originou, que é 28 anos mais antigo do que ele.

Ocorre que não basta ter legislação para que o desenvolvimento tecnológico propicie melhores condições ambientais. Por exemplo, no Brasil foi desenvolvido um programa e uma legislação para melhorar a qualidade do óleo diesel. Apesar disso tudo, os fabricantes e a Petrobras não investiram o suficiente para alcançar as metas estabelecidas em 2002, segundo as quais, até 2009, o diesel deveria ter, no máximo, 50 partes de enxofre por milhão (ppm) – o chamado diesel S-50. As metas não foram cumpridas e, em vez de penalizar os responsáveis, adiou-se o prazo para atingi-las. Dessa Não adianta regular os motores a diesel se o combustível forma, o país continuou a queimar um tipo de óleo diesel que libeusado não for de boa qualidade, pois este lançará na atmosfera ra na atmosfera muito mais partículas de enxofre do que deveria. uma grande quantidade de gases de enxofre e de material parResultado, o óleo diesel brasileiro permaneceu por um longo ticulado. Melhorar a qualidade do diesel brasileiro é uma meta tempo como um dos piores do mundo, tanto em rendimento que há muito tempo deveria estar sendo cumprida. energético quanto em emissão de enxofre. Em termos de produção de monóxido de carbono e de óxido nitroso, o óleo diesel não polui mais do que a gasolina ou o álcool em veículos bem regulados, todavia, o seu problema está na elevada emissão de material particulado, como a fuligem que se deposita nos pulmões e provoca câncer. Além disso, o óleo diesel gera uma grande quantidade de enxofre que provoca diversas doenças respiratórias, causando a morte de milhares de pessoas que residem em grandes centros urbanos. FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Debata e entenda 1. Que critérios devemos adotar na seleção de um

6. Do ponto de vista ambiental, qual a vantagem de

combustível?

utilizar o álcool como combustível?

2. De que modo os carros com motores desregulados

7. Cite atitudes que os proprietários de automóveis de-

afetam o ambiente?

vem adotar para diminuir a poluição atmosférica.

3. Como os químicos podem contribuir para a redução

8. Cite duas importantes aplicações do petróleo para a

dos efeitos ambientais da queima de combustíveis?

nossa sociedade.

4. Relacione medidas que poderiam ser adotadas pela po-

9. Quais são os produtos da combustão de

pulação em geral, pelo governo, pelos empresários e pelos institutos de pesquisa de ciência e tecnologia para diminuir a poluição atmosférica oriunda dos automóveis.

hidrocarbonetos?

10. Enumere as vantagens e desvantagens do uso dos seguintes combustíveis: lenha, carvão vegetal, carvão mineral, gasolina e álcool.

5. Explique como o monóxido de carbono impede o transporte de oxigênio para as células do corpo.

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Radoslaw Lecyk/Shutterstock

NOVO FUSCA 2.0

FUSCA 1.5


CAPÍTULO

1 TERMOQUÍMICA E CALOR

O

ramo da Física que estuda as relações das transformações com a transferência de calor é a Termodinâmica,, palavra criada a partir de "termo", que se relaciona a calor, e "dinâmica", que se relaciona a movimento ou mudanças. A área de estudo da Termodinâmica ampliou-se, englobando os processos físicos relacionados à energia. Nessa área, foram desenvolvidas leis que permitem prever se determinados sistemas materiais, como, por exemplo, um novo combustível na presença de faísca em um motor, poderão ou não reagir. O estudo termodinâmico das transformações químicas é desenvolvido por uma área da Termodinâmica conhecida como Termoquímica. O estudo da Termoquímica está relacionado aos processos de queima dos combustíveis fósseis que são a principal fonte de energia da sociedade atual. Assim, o estudo deste capítulo vai nos ajudar a compreender o processo de obtenção de energia de reações químicas. Neste estudo, vamos iniciar discutindo o conceito de calor.

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Ricardo Azoury/Olhar Imagem

Hely Demutti

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Salto das Orquídeas, em Sapopema (PR), 2007. Tiradentes (MG).

A vegetação das florestas constitui um sistema onde solo, energia solar, água e diversos fatores interagem, mantendo um equilíbrio. Falta de chuva e altas temperaturas podem provocar desequilíbrios, secando folhas e partes das árvores e facilitando o aparecimento de queimadas. Ao serem queimadas, as árvores passam por combustão e transformam-se, gerando o carvão, as cinzas e os gases que fogem para a atmosfera. Essas transformações são estudadas pela Termoquímica.

O que é energia? Esse é um conceito complexo. Na busca de máquinas a vapor mais eficientes, no século XVIII, os físicos definiram energia como a capacidade de realizar trabalho. Mais recentemente, considera-se energia aquilo que deve ser fornecido ou retirado de um sistema – parte do universo em estudo – para movimentá-lo ou transformá-lo.

Equilíbrio térmico e o princípio zero da Termodinâmica Pense De onde surge a energia da combustão?

Há milênios o fogo é usado tanto para iluminar como para aquecer residências e abrigos. Ele é o resultado da reação química entre diferentes combustíveis e o gás oxigênio. Muitas pessoas acreditam que a combustão é o fogo observado, por exemplo, na queima da madeira em uma fogueira. No entanto, cientificamente, a combustão é a reação entre o combustível e o comburente, o oxigênio. O fogo observado é, na verdade, o calor liberado pela reação. Esse calor liberado pode também ser convertido em outros tipos de energia, como ocorre, por exemplo, nas usinas termelétricas. OD ÍNDICE

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Ronaldo Bernardi/Agência RBS/AE

SPL/Latinstock

TERMOQUÍMICA Gerson Gerloff/Pulsar Imagem

Há muito tempo o homem aprendeu a utilizar o fogo para aquecer-se. Ainda hoje é comum essa prática em épocas frias.

A energia liberada durante a combustão está associada à diferença de energia entre produtos e reagentes e é conhecida como energia química. Dessa forma, podemos dizer que as transformações químicas estão associadas a processos de transformação de energia. Ou seja, às reações químicas estão associadas duas transformações: a transformação dos constituintes das substâncias em outras substâncias e a liberação ou a absorção de energia. Quando ocorre uma combustão, a temperatura na vizinhança aumenta. Esse aumento significa que houve uma transferência de energia do sistema químico em combustão para o ambiente. Quando há troca de energia entre sistemas, acompanhada de variação de temperatura, chamamos essa energia de calor ou energia térmica. Assim, podemos dizer que na combustão há variação de energia térmica, pois há liberação de calor.

Pense O que é calor?

Ao receber calor do fogo, o ferro pode ser moldado com maior facilidade. Após ceder o calor para o ambiente, volta a ficar rígido.

O conceito de calor está associado a processos de nosso cotidiano, levando-nos a diferentes ideias sobre ele. Para chegarmos ao conceito científico de calor, vamos relembrar algumas experiências cotidianas relacionadas a esse conceito. Quando tocamos um objeto frio de metal, temos sensação térmica maior do que se tocássemos um objeto de madeira, apesar de os dois estarem à mesma temperatura. Como isso é possível? Um ferreiro aquece o metal para poder moldá-lo com mais facilidade. Depois, para esfriá-lo, coloca-o dentro da água, que chega a ferver. Em seguida, pode tocá-lo porque estará mais frio, embora a água tenha aquecido um pouco. Em festas, é comum colocar refrigerantes em caixas de isopor com gelo. O refrigerante gela e o gelo derrete. A explicação para esses processos está vinculada a uma constatação básica da Termodinâmica que ficou conhecida como princípio zero. Esse princípio está baseado no fato de que, quando dois corpos estão em contato, há transferência de calor de um para o outro, até os dois atingirem um estado de mesma temperatura, chamado equilíbrio térmico. Assim, podemos dizer que: O princípio zero da Termodinâmica estabelece que quando dois sistemas são colocados em contato térmico eles atingem um estado de equilíbrio no qual apresentam a mesma temperatura.

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CAPÍTULO

O que esse princípio prevê é a transferência térmica entre vizinhanças de um sistema. Aqui empregamos um termo importante usado no estudo da termodinâmica: sistema, conceito esse associado a outros termos importantes, como vizinhança e fronteira, os quais são definidos em Termodinâmica como:

Vizinhança é a região que envolve o sistema. Fronteira é a região que separa o sistema da vizinhança. Pode ser isolante ou não. O tipo da fronteira é que determina a relação de troca do sistema com a vizinhança. Se a fronteira permitir a troca de energia e matéria, temos um sistema aberto. Como exemplo, podemos considerar uma xícara de café. Ela é um sistema aberto que permite a troca com a vizinhança de calor (esquenta a mão que tocar no fundo da xícara) e matéria (libera vapores-d’água e substâncias voláteis que dão o cheiro agradável de café). Se a fronteira não permite a troca com a vizinhança nem de energia nem de matéria, temos um sistema isolado,, como, por exemplo, uma garrafa térmica fechada. Finalmente, se a fronteira não permite a troca de matéria, mas permite a troca de calor, temos um sistema fechado,, como, por exemplo, uma lata de refrigerante lacrada (conserva o líquido e os gases no recipiente, mas esfria e esquenta conforme a temperatura de sua vizinhança). No decorrer de nosso estudo, veremos aplicações desses conceitos. Para avaliarmos a eficiência dos combustíveis, precisamos medir a variação de calor associada à queima destes. Para saber como essas medições são feitas, vamos estudar o conceito de calor.

2

Para que o café não esfrie, é necessário que seja isolado termicamente. A garrafa térmica possibilita esse isolamento por causa do dispositivo de vidro existente em seu interior, que dificulta a transferência de calor. Já com a temperatura do café na xícara, sabemos o que acontece...

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Sistema é a porção do Universo cujas propriedades estão em estudo.

1

O conceito de calor O corpo humano é dotado de um metabolismo que mantém o organismo em uma temperatura praticamente constante. Isso ocorre devido a uma série de reações químicas que ocorrem com as substâncias presentes nos alimentos. Quando esse metabolismo é alterado, por exemplo, por uma infecção, a temperatura do corpo aumenta. Quando estamos em uma região fria, a circulação sanguínea na superfície da nossa pele aumenta para compensar a transferência de calor do nosso corpo para o ambiente, evitando que a temperatura corporal abaixe. Nessa situação, moléculas de carboidratos são queimadas, liberando energia em nosso organismo para compensar a energia transferida ao ambiente. Por isso é comum sentirmos mais fome no frio do que no calor. Já quando estamos em uma região quente, nosso corpo precisa perder energia para compensar a energia recebida do ambiente. Quando transpiramos, nosso corpo cede calor para o líquido evaporar e resfria-se. Assim, nossa temperatura corporal diminui. Por causa das reações internas que liberam energia, nosso organismo geralmente tem uma temperatura mais elevada que a do ambiente, salvo em ambientes muito quentes. Conhecendo esse princípio de troca de calor no corpo humano, podemos colaborar para abaixar a temperatura de uma pessoa que está com febre alta, enquanto um antitérmico ainda não produziu efeito, encaminhando-a para um banho frio ou colocando uma toalha molhada sobre seu corpo. Os materiais metálicos e a madeira não possuem metabolismo interno. Por isso, tendem a ficar em equilíbrio térmico com o ambiente, isto é, apresentam temperatura igual à do ambiente. OD ÍNDICE

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Quando seguramos objetos feitos com esses materiais, há troca de energia térmica entre os corpos até que se estabeleça um equilíbrio térmico. Como os metais são bons condutores térmicos, a taxa de transferência dessa energia com nosso corpo é muito mais rápida do que a taxa de transferência com a madeira. A energia que flui de um corpo mais quente para um corpo mais frio é chamada calor.

Hely Demutti

TERMOQUÍMICA

Pense Se você colocar uma mão dentro de um recipiente com água fria e a outra mão em um recipiente com água quente, e após uns três minutos colocar as duas mãos ao mesmo tempo dentro de um recipiente com água na temperatura ambiente, qual será a sensação térmica que você vai sentir em cada mão? Justifique.

Hely Demutti

Água gelada gelada.

Muitas pessoas acham que tomar bebidas frias em recipientes de alumínio é bom porque ficam mais frias. Estão enganadas. Embora pareçam mais frios quando segurados, esses recipientes têm uma desvantagem: a bebida “esquenta” mais depressa.

Água quente.

A sua mão que estava mergulhada na água quente vai transferir calor para a água que está a uma temperatura menor que ela. Essa saída de calor de sua mão vai provocar uma sensação de frio. Já a mão que estava mergulhada na água gelada vai receber calor da água que está a uma temperatura maior do que a sua mão. Essa transferência de calor da água para a sua mão vai lhe provocar a sensação de que ela está ficando quente. Os termos “quente“, “frio“ e “calor“ têm diferentes significados na ciência e em nosso dia a dia. “Quente“ pode significar “em temperatura mais elevada” ("o ferro está quente"), “que transmite calor” ("sol quente") ou “que tem propriedade de conservar calor” (tecido quente). “Frio“, da mesma forma, pode significar “em temperatura mais baixa” ou “que tem a propriedade de não conservar calor”. Já “calor“ pode significar “qualidade do que é quente” ("o calor do sol", "o calor da lareira") ou “sensação que se experimenta em ambiente aquecido”. Por isso, enquanto se diz corriqueiramente que um material de madeira é mais quente do que o de metal, na linguagem científica se diz que a madeira conserva durante um tempo maior mais calor do que o metal. Assim, quando você diz que sente mais calor ao tocar um objeto de madeira do que ao tocar um objeto metálico, na realidade o que você está querendo dizer é que a transferência de energia é mais rápida quando se toca o objeto metálico. Em Ciência, a linguagem deve ser precisa e os termos devem ter significados claros. Por isso, no estudo da Termodinâmica, os significados de “frio“ e “quente“ decorrem da comparação da temperatura de dois ou mais sistemas. A temperatura mais baixa corresponde ao frio e a mais alta, ao quente. “Calor“ é definido como a transferência de energia térmica entre corpos de temperaturas diferentes. Assim, podemos dizer que em uma noite fria a nossa mão está mais quente do que o metal e a madeira, e que esses objetos estão à mesma temperatura. Na linguagem científica, dizemos que, ao segurarmos em uma noite fria um metal e um pedaço de madeira, o sistema atinge um equilíbrio térmico em que há transferência de calor da mão para o metal e para a madeira. Dizemos ainda que a madeira é um isolante térmico melhor do que o metal, pois ela não permite transferência de calor muito rápida com as suas vizinhanças. Calor (Q) é uma forma de energia que se transfere de um sistema a outro como resultado da diferença de temperatura entre eles.

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Água na temperatura ambiente.

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CAPÍTULO

Se você colocar um objeto dentro de uma geladeira, ele ficará mais frio porque perderá calor para a geladeira. O calor irá sempre se transferir para o objeto mais frio, ou seja, de menor temperatura, até ser atingido o estado de equilíbrio térmico, no qual ambos têm a mesma temperatura. Em outras palavras, o material mais quente sempre perde calor e esfria, enquanto o material mais frio sempre recebe calor e esquenta. De acordo com o Sistema Internacional de Medidas – SI –, a unidade-padrão para medir energia é o joule, cujo símbolo é J.. Essa unidade é uma homenagem ao engenheiro inglês James Prescott Joule [1818-1889] por ter determinado a relação entre energia e calor.

1 2 3 4

Por definição, o joule é 1 J = 1 kg m2/s2

5

Ec =

1 m v2 2

, temos: Ec =

1 ⋅ 2 kg (1 m / s 2

)

2

= 1 kg kg m2 / s 2 = 1 J

A geladeira possui um motor que retira calor de seu interior e o libera para o ambiente. Já viu como atrás dela o ar fica quente?

Outra unidade comumente empregada para quantificar energia é a caloria, que tem cal como símbolo. Originalmente, essa unidade foi definida como a quantidade de energia necessária para elevar em 1 °C a temperatura de 1 g de água. Com a adoção do SI, a caloria passou a ser definida como sendo exatamente:

6 7 8

Hely Demutti

que corresponde à quantidade de energia cinética presente em um objeto de 2 kg que se move a 1 m/s. Utilizando a equação que relaciona energia com massa em movimento:

1 cal = 4,184 J

A unidade caloria e seus múltiplos são muito utilizados para expressar o valor energético de alimentos. Entretanto, cuidado para não confundir: a caloria nutricional dos alimentos é grafada Caloria (C maiúsculo), com símbolo Cal, e equivale a 1000 cal, ou 1 kcal.

A Ciência na História

C

omo tudo muda na Ciência, em busca de ideias mais precisas, o significado científico de calor mudou com o tempo. No passado, diversas teorias sobre o calor foram propostas. Em 1770, o cientista francês Joseph Black [1728-1799] propôs a teoria do calórico, baseada nos seguintes postulados: 1. O calórico é formado por partículas que se repelem mutuamente, mas que penetram qualquer material. 2. Qualquer material atrai partículas de calórico. 3. O calórico sempre se conserva. Joseph Black, cientista 4. Embora sempre presente, o calórico pode ou não ser percebido. francês que propôs a teoria 5. O calórico tem peso. do calórico. Essa teoria foi muito aceita na época porque explicava diversos fenômenos ligados à transferência de calor. Entretanto, no século XIX, começou a ser contestada, sendo definitivamente derrubada pela determinação do equivalente mecânico de calor. Embora não aceita cientificamente, a ideia de calórico está muito presente em nosso cotidiano. São muito comuns expressões como: “essa blusa é muito quente!” Essa afirmação dá a ideia de que a blusa possui muito calor. Na verdade, a blusa não é quente, mas impede que o corpo ceda calor para o ambiente frio. 26

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SPL/Latinstock

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2 CALORIMETRIA

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á vimos que diferentes combustíveis liberam diferentes quantidades de calor.

TERMOQUÍMICA

Pense Como podemos medir a quantidade de calor liberada por um combustível?

O termômetro clínico apresenta um tubo que possui um estreitamento logo acima do bulbo. Quando você coloca o bulbo na axila ou na boca, o líquido aquecido se expande e passa além do estreitamento. Você pode ler o termômetro mesmo depois de afastá-lo de seu corpo, porque o estreitamento dificulta a volta do líquido ao bulbo. Se você agitar o termômetro, o mercúrio voltará ao bulbo e ele estará pronto para ser usado novamente.

Os termômetros de mercúrio têm sido substituídos por termômetros digitais que facilitam a leitura da temperatura e evitam a contaminação ambiental pelo mercúrio, que é um metal tóxico.

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Hely Demutti Hely Demutti

Alguns termômetros utilizam álcool com corante vermelho no lugar do mercúrio. São os termômetros de álcool.

Hely Demutti

O físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit [1686-1736] inventou, em 1709, o termômetro de álcool e, em 1714, o termômetro de mercúrio. Além disso, propôs, em 1724, uma escala de temperatura que hoje leva o seu nome.

Termômetro a gás: usado para medir temperaturas muito baixas. As variações de pressão indicam as correspondentes variações de temperatura, uma vez que o volume é mantido constante.

Hely Demutti

Enciclopédia Britânica

A quantidade de calor liberada na combustão pode ser medida por meio da variação de temperatura determinada em um equipamento chamado de calorímetro, apresentado no experimento a seguir. Para essa medida deve-se usar um termômetro adequado. O termômetro é um instrumento dotado de algum dispositivo que mede a variação de temperatura a partir do comportamento de seu material que varia proporcionalmente com a temperatura. Em geral, a propriedade adotada é a dilatação de líquidos como o mercúrio e o álcool, mas existem termômetros que se baseiam na resistência elétrica de metais, que variam com a temperatura (veja as fotos a seguir).

SEGURANÇA


CAPÍTULO

Química na escola

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

1

Todos os materiais se aquecem do mesmo modo? Para estudarmos o comportamento dos materiais em relação à transmissão de calor, usamos um equipamento chamado calorímetro. Neste experimento, que pode ser demonstrado pelo professor ou realizado por grupos de alunos, será construído um calorímetro simples, com o qual estudaremos o aquecimento de alguns materiais.

2 3 4 5

Material • 1 lata de refrigerante vazia • 2 porta-latas de isopor (usados para latas de refrigerante) • 1 termômetro • 1 abridor de latas • 1 proveta de 100 mL (ou vasilha medidora de volume)

6

• 1 estilete • 1 panela para ferver água • pedaços de metais (chumbo, cobre, alumínio etc.) com mesmo valor de massa (próximo a 50 g) Materiais encontrados em lojas de ferragens

7 8

Procedimento 1. Com um abridor, retire a parte superior da lata (cuidado para não se machucar).

3. Corte o outro porta-latas 3 cm acima do fundo. Ele servirá de tampa para colocar sobre o primeiro porta-latas, e nele deverá ser fixado o termômetro de forma que a boca da lata fique dois centímetros abaixo da boca do isopor, conforme mostra a foto.

Atenção no momento de cortar os objetos, para não haver erros. Fotos: Hely Demutti

2. Coloque a lata sem tampa dentro de um porta-latas.

Hely Demutti

Parte A – Construção do calorímetro

4. Importante: antes da leitura de cada medida de temperatura, espere por 3 minutos para que o termômetro entre em equilíbrio com o sistema. Parte B – Usando o calorímetro 1. Com o termômetro, meça a temperatura ambiente (tamb) e anote. 2. Deixe o calorímetro aberto para que fique em equilíbrio com a temperatura ambiente. 3. Ferva meio litro de água em uma panela. 4. Meça cuidadosamente 100 mL da água fervente e determine sua temperatura (t1 água). 5. Meça a temperatura do calorímetro (t1 calorímento) e anote-a, coloque a água quente e feche-o com a tampa contendo o termômetro. 6. Espere 5 minutos, meça novamente a temperatura (t2 sistema) e anote-a. 7. Repita os procedimentos de 2 a 4, colocando um dos metais dentro do calorímetro antes de colocar a água e fechar. 8. Meça a temperatura do calorímetro contendo o metal (t1 calorímento) e anote-a. Coloque a água, aguarde 5 minutos, meça a temperatura novamente (t2 sistema) e anote-a.

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9. Repita o procedimento anterior com diferentes metais e anote os dados em uma tabela, conforme exemplificado abaixo, em seu caderno.

TERMOQUÍMICA

CONTEÚDO DO CALORÍMETRO

TEMPERATURA FINAL TEMPERATURA FINAL (t1 calorímento) (t2 sistema)

TEMPERATURA INICIAL (t1 água)

100 g de água

°C

°C

°C

100 g de água + X g de Al

°C

°C

°C

100 g de água + Y g de Cu

°C

°C

°C

100 g de água + Z g de Pb

°C

°C

°C

Destino dos resíduos Os materiais deste experimento deverão ser guardados para utilização em outras atividades.

Análise de dados 1. Foi observada a mesma variação de temperatura para os diferentes metais? 2. A massa do metal vai alterar o resultado do experimento? Justifique.

Pense Por que o nosso calorímetro foi revestido com isopor?

Relembrando os conceitos aplicados à Termodinâmica, observe que nesse calorímetro as transformações (química ou física) que ocorrem no seu interior correspondem ao que chamamos de sistema; a vizinhança, no caso, é a região da sala de aula em que se encontra o calorímetro; a capa de isopor é a fronteira que separa o sistema da vizinhança. O calorímetro é um sistema isolado porque a sua fronteira não permite troca de matéria nem de energia. O princípio do calorímetro para determinação da quantidade de calor liberada pelo sistema baseia-se na Primeira Lei da Termodinâmica, segundo a qual a energia pode ser convertida de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída. Se um sistema não troca energia com o meio, sua quantidade de energia é constante. Considerando o Universo como um sistema, pode-se afirmar que sua energia é constante. Por isso, a Primeira Lei da Termodinâmica é também chamada de Princípio da Conservação de Energia. Uma forma resumida de enunciá-la é:

J. Yuji

O calorímetro é o equipamento utilizado pelos químicos para determinar o calor específico dos materiais e a capacidade calorífica dos corpos, e ainda a energia liberada nas transformações químicas.

O objetivo do experimento foi construir um calorímetro, aparelho que mede a quantidade de calor absorvida ou liberada em um processo químico ou físico, e comparar a quantidade de calor, representada pela letra Q, necessária para o aquecimento de objetos dos diferentes metais testados. Quanto maior a quantidade de calor que o material precisar, menor será a temperatura final do sistema.

termômetro motor do agitador

agitador

isolamento

bomba

A energia interna de um sistema isolado é constante.

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CAPÍTULO

Capacidade calorífica SSPL/Getty Images

Enquanto os metais são condutores térmicos melhores do que a madeira, esta absorve mais calor do que os metais. Por outro lado, já vimos que o potencial calorífico da madeira (lenha) é muito menor do que o de outros combustíveis. Veja, então, que a capacidade calorífica dos materiais de absorver calor é uma propriedade fundamental no estudo da Termodinâmica. Por exemplo, já discutimos no capítulo 2 deste volume que é graças ao calor específico da água que temos vida em nosso planeta, pois o grande volume de água presente na Terra faz com que ocorra uma menor variação de temperatura em sua superfície. Vejamos o significado desses conceitos. A capacidade calorífica (C) de um material ou substância é definida como a quantidade de calor que o material ou substância absorve para aumentar a sua temperatura em um grau Celsius.

1 2 3 4 5 6 7 8

Capacidade calorífica (C) é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um corpo em um grau Celsius (°C). A capacidade calorífica (C)) para um corpo de massa fixa é uma grandeza física cuja determinação é dada em função da variação de temperatura a que ele está submetido. Então, para um corpo, a quantidade de calor (Q) necessária para variar sua temperatura pode ser dada pela equação: Q = C · ∆t

A variação da temperatura (∆t) é calculada subtraindo o valor da temperatura inicial (ti ) do valor da temperatura final (tf ), ou seja:

O postulado da Primeira Lei da Termodinâmica, que se aplica a todos os processos térmicos, foi apresentado por Nicolas Léonard Sadi Carnot [1796-1832] que, por isso, é considerado um de seus fundadores.

∆t = tf – ti

A capacidade calorífica pode ser medida por unidade de massa da substância. Nesse caso, temos o calor específico do material ou da substância, o qual é uma propriedade física das substâncias. Calor específico é então assim definido: O calor específico (c) de um material ou substância é a quantidade de calor necessária para variar a sua temperatura de 1 g em 1 °C. Por essa definição, percebe-se que quanto maior for o calor específico do material, maior será a quantidade de calor necessária para aquecê-lo. Dessa forma, a capacidade calorífica de um corpo é o produto de sua massa e seu calor específico: C=m·c

A tabela a seguir apresenta valores de calor específico de algumas substâncias e alguns materiais. Observe que o calor específico dos metais são relativamente baixos, o que implica que eles aquecem mais rapidamente do que a madeira que tem maior calor específico. Observe, no entanto, que a transferência de calor depende também de OD ÍNDICE

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outra propriedade: a condutividade térmica dos materiais. Os metais são bons condutores de calor. Outros materiais como, por exemplo, a madeira e o isopor, não são bons condutores de calor. Comparada à madeira, a condutividade térmica do ferro é cerca de 500 vezes maior.

TERMOQUÍMICA

CALORES ESPECÍFICOS DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS E MATERIAIS Substância/material

Calor específico

Alumínio(s)

0,903 J g–1 °C–1

Ferro(s)

0,449 J g–1 °C–1

Cobre(s)

0,385 J g–1 °C–1

Água(l)

4,178 J g–1 °C–1

Etanol(l)

2,419 J g–1 °C–1

Madeira*

1,66 J g–1 °C–1

Chumbo(s)

0,128 J g–1 °C–1

* O calor específico varia para os diferentes tipos de madeira.

Delfim Martins/Pulsar Imagem

Hely Demutti

Seria conveniente substituir a madeira por metal na construção de casas em locais quentes ou frios?

É graças a essa propriedade que podemos entender por que, numa noite fria, é melhor se sentar em um banco de madeira do que em um de concreto ou ferro. Nas noites frias, os bancos apresentam baixas temperaturas, em equilíbrio com o ambiente. Quando nos sentamos sobre eles, sendo 36 °C nossa temperatura aproximada, cederemos calor para o banco. Como o ferro possui maior condutividade térmica, irá trocar calor mais rapidamente, retirando-o de nosso corpo. Isso nos causará a sensação térmica de frio. De acordo com dados experimentais, quanto maior o calor específico do material, maior será a temperatura necessária para aquecê-lo. Consequentemente, mais lentamente ele se resfriará.

Casas de madeira, em Curitiba, Paraná.

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Casas de madeira, em Laranjal do Jari, Amapá.

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Q = m · c · ∆t

CAPÍTULO

A definição de calor específico se originou de estudos termodinâmicos que demons∆t) de um corpo ∆ tram que a quantidade de calor (Q) necessária para variar a temperatura (∆t) é proporcional ao seu calor especifico (c) e à sua massa (m), sendo representada, matematicamente, pela equação:

1 2

Para que possamos saber quantas calorias um material necessita para variar sua temperatura, medimos a variação de temperatura de outro material colocado em contato com o primeiro. É o que foi feito no calorímetro. Vamos agora exemplificar alguns cálculos da quantidade de calor efetuados em processos físicos e químicos.

3 4 5 6 7

Cálculo da quantidade de calor de alguns materiais

8

1. Uma amostra de 500 g de água que está na temperatura inicial de 27 °C é aquecida e sua temperatura é elevada para 48,8 °C. Qual a quantidade de calor produzida nesse processo? Dados: (cágua = 1 cal/g °C). Considera-se que: massa da água: m = 500 g; temperatura inicial do sistema: ti = 27 °C; temperatura final: t f = 48,8 °C. Logo, calcula-se a variação de temperatura: ∆t = t f – ti. ∆t = 48,8 °C – 27 °C ( ∆t = 21,8 °C Considerando que a quantidade de calor necessária para variar a temperatura (∆t) de um corpo é Q = C ( ∆t, calcula-se: Q = 500 g ⋅ 1 cal/g °C ⋅ 21,8 °C ( Q = 10 900 cal ou 10,9 kcal 2. Um litro de água está a uma temperatura de 25 °C. Ao receber todo calor de uma reação química que libera aproximadamente 30 kcal, qual será a temperatura final da água? Dados: cágua = 1 cal/g °C; temperatura inicial do sistema: ti = 25 °C; temperatura final: tf = ?; densidade da água: 1 g/cm3; massa da água: 1 L ( 1000 g; Q = 30 kcal = 30 000 cal. Considerando que a quantidade de calor necessária para variar a temperatura (∆t) de um corpo é: Q = m ⋅ c ⋅ ∆t, calcula-se 30000 cal = 1000 g ⋅ 1 cal/(g °C) ⋅ (t f – 25 °C) ( 30000 cal = 1000 cal/ °C (t f – 25 °C) ( ( 30 000 cal = 1000 cal/ °C tf – 25000 cal ( 1000 tf cal/ °C = 30 000 cal + 25000 cal ( ( t f = 55000 °C/1000 ( t f = 55 °C 3. Calcule a variação de calor no processo desenvolvido no calorímetro do experimento anterior. No experimento que realizamos, a água cede calor ao metal estudado. Como conhecemos a massa, o calor específico da água, sua temperatura inicial (t1 água) e sua temperatura final (t2 sistema), podemos saber quanto ela forneceu de calor ao metal. Entretanto, para que possamos realizar os cálculos corretamente, é necessário que o sistema não perca calor para o ambiente. Isso pode ser conseguido isolando-se o sistema termicamente. Nesse caso, a quantidade de calor cedida por um material será igual à quantidade recebida pelo outro. Por convenção, quando o material cede calor o valor é negativo, fazendo com que a soma do calor recebido com o calor cedido seja igual a zero. Qrec + Qced = 0

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TERMOQUÍMICA

Na primeira parte do experimento (procedimentos 1 a 4, p. 209), avaliamos a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro. Ela pode ser calculada por meio da equação anterior: (mágua ⋅ cágua ⋅ ∆t ∆ água) + (Ccalorímetro ⋅ ∆tcalorímetro) = 0 Lembre-se de que as temperaturas iniciais não são as mesmas (t1água ou t1calorímetro), mas a final, sim (t2 sistema). Para o calorímetro, utilizamos a capacidade calorífica porque ele é formado por diferentes materiais em diferentes proporções de massa. Quando repetimos o procedimento colocando pedaços de metais, o calor cedido pela água será absorvido pelo calorímetro e pelo metal, segundo a equação: Qágua + Qcalorímetro + Qmetal = 0

Com essa equação, podemos calcular a quantidade de calor recebida por cada pedaço de metal (t1metal = t1calorímetro), substituindo a equação de definição de calor por variação de temperatura. Qmetal = –Qágua – Qcalorímetro (mmetal ⋅ cmetal ⋅ ∆t ∆ metal) = –(mágua ⋅ cágua ⋅ ∆tágua) – (Ccalorímetro ⋅ ∆tcalorímetro) Logo, considerando a densidade da água igual a 1 g/mL e seu calor específico 1 cal/g ºC, conhecendo as massas e os valores iniciais e finais de temperatura, podemos calcular o calor específico de cada metal, da seguinte forma: cmetal = –(mágua ⋅ cágua ⋅ ∆t ∆ água) – (Ccalorímetro ⋅ ∆tcalorímetro) (mmetal ⋅ ∆t ∆ metal) O experimento desenvolvido é uma simplificação do que os químicos fazem em laboratório. Assim, vamos desprezar a variação do calor do calorímetro. Dessa forma, conclua os cálculos da capacidade calorífica de cada metal com a equação abaixo e depois compare com os valores fornecidos na tabela da página 212. Certamente, seus valores diferem dos da tabela, pois a Ciência exige um rigor muito maior, somente obtido com equipamentos e técnicas sofisticadas de que você não dispõe em sua escola. cmetal = –(mágua ⋅ cágua ⋅ ∆tágua) (mmetal ⋅ ∆tmetal)

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Em que consiste o processo de combustão? 2. Existe erro na frase: “A combustão é a mesma coisa de

9. Por que sentimos mais fome em dias mais frios do que em dias de muito calor?

pegar fogo”. Comente.

10. Explique a diferença entre sistema, vizinhança e

3. Cite exemplos de outros tipos de energia envolvidos

fronteira.

nas transformações químicas, além da energia térmica.

11. Qual é a diferença entre sistema isolado, sistema fechado 4. Qual é a diferença entre calor e temperatura? e sistema aberto? Dê exemplo de cada caso. 5. Explique por que a temperatura é considerada uma pro- 12. Identifique os sistemas em abertos, fechados ou isolados: priedade intensiva e o calor uma propriedade extensiva.

a) Líquido refrigerante na serpentina da geladeira. b) Café em uma garrafa térmica. c) Gasolina queimando em um motor de carro.

6. Quais são os fatores que exercem influência na quantidade de calor de um corpo?

7. Se uma bebida está muito gelada e você deseja tomá-la

13. Explique o que acontece com dois sistemas em tempe-

o mais fria possível, qual seria o copo mais adequado para servi-la: de vidro ou de alumínio?

raturas diferentes quando são colocados em contato.

8. Existe erro na frase: “Esse casaco de lã é muito quen- 14. Explique por que a Primeira Lei da Termodinâmica é te?” Explique.

chamada de Princípio da Conservação de Energia.

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comum passar no corpo dela um algodão umedecido em álcool. Esse procedimento funciona porque: a) o álcool atua como antisséptico. b) ao evaporar, o álcool diminui a temperatura. c) para evaporar, o álcool precisa de energia. d) ao evaporar, o álcool aumenta a temperatura. e) a reação do álcool com a pele é exotérmica.

libera 212,8 kcal. A massa de um mol de moléculas de CH4 é igual a 16 g. Qual a capacidade calorífica do metano?

21. Julgue cada item como certo (C) ou errado (E).

16. (UFJF-MG) Alguns alimentos, como por exemplo o chocolate, que tem 5,18 kcal/g, são proibidos em caso de dietas alimentares para emagrecimento. A corrida, como atividade física, consome cerca de 2600 kJ/h. Assim sendo, quanto tempo uma pessoa que comeu uma barra de 200 g de chocolate deve correr para gastar a energia adquirida? Dado: 1 cal = 4,18 J a) 45 minutos c) 100 minutos e) 160 minutos b) 60 minutos d) 120 minutos

17. Calcule a energia, em joules, necessária para elevar 1 °C da temperatura de 180 g de água.

18. Qual é a quantidade de calor liberada em uma reação química capaz de aquecer 3 kg de água de 30 °C a 38 °C? Dado: calor específico da água = 1 cal/g ⋅ °C.

19. Qual é a quantidade de calor envolvida quando 500 g de água sofrem uma variação de temperatura de 20 °C até 21,3 °C?

1) Os combustíveis são constituídos, principalmente, pelos elementos carbono e hidrogênio. Portanto, a quantidade de calor liberada durante a queima do combustível depende da proporção desses elementos. 2) Nas reações de combustão, não é possível medir o calor liberado, o que medimos é o efeito que o calor liberado causa no ambiente. 3) O poder calorífico de um combustível pode ser expresso como a quantidade de calor liberada por quilograma de material queimado. 4) A água libera calor ao ser eliminada do organismo através do suor. 5) O calor indica a forma em que a energia está sendo retida de um corpo para outro. 6) As geladeiras são máquinas que transferem o calor de uma temperatura mais alta para o meio externo utilizando um compressor (motor). 7) Experimentalmente, verifica-se que cada substância necessita de uma quantidade de calor diferente para aumentar em 1 °C a temperatura de uma unidade de massa.

CAPÍTULO

15. (FURG-RS) Quando uma criança está febril, é prática 20. A 25 °C e 1 atm, a combustão de um mol de metano (CH4)

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3 TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA

N

ossa sociedade necessita de energia em suas diferentes formas; por isso, muitas vezes precisa converter energia de uma forma em outra. A conversão da energia é uma das principais buscas da atual sociedade tecnológica, embora essa questão acompanhe a humanidade há milhares de anos. A conversão de calor em trabalho é de fundamental importância para nossa sociedade. Essa conversão teve grande impulso com a invenção das máquinas a vapor. Elas utilizam a energia química, como a combustão de madeira ou carvão, para produzir calor, e este é convertido em energia mecânica.

Pense O que você entende por energia?

Esse é um conceito complexo e abstrato porque é muito abrangente. Um conceito mais elaborado e completo para energia deveria abranger várias áreas (eletricidade, calor, luz). Nesse nível de abrangência, avolumam-se as definições e com elas as dificuldades para encontrar uma definição clara e generalizada. OD ÍNDICE

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Hans Kwaspen/Shutterstock

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De

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TERMOQUÍMICA

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O termo energia vem do grego enérgeia, que significa “força em ação”. Como não há apenas uma definição para o conceito físico, podemos considerar, em nosso estudo, o conceito clássico de que energia é a propriedade de um corpo, substância ou sistema de realizar trabalho, conforme ela foi definida pelos físicos no século XVIII. Na definição clássica, considera-se trabalho como sendo uma grandeza física referente ao deslocamento de um corpo. Uma possível simplificação desse conceito para abranger a variedade de aspectos a ela relacionada talvez possa ser a de considerar energia como aquilo que deve ser fornecido ou retirado de um sistema – parte do universo em estudo – para movimentá-lo ou transformá-lo. Assim, de forma simplificada, pode-se dizer que: Energia é o que permite a um sistema transformar-se ou movimentar-se.

Andrey Rakhmatulli

n/PhotoX press

Diferentes equipamentos podem transformar energia elétrica em energia sonora, térmica, luminosa, cinética e potencial.

E+ Estude mais

Como energia só pode ser convertida em massa, e vice-versa, em situações muito especiais, pode-se afirmar, de maneira geral, que o Universo é constituído por matéria e energia. Assim, podemos considerar que nas transformações químicas temos sempre dois processos associados: a transformação de materiais e a transformação de energia. Da mesma forma que matéria e energia se conservam no Universo, nas transformações químicas há conservação de massa. A partir da Primeira Lei da Termodinâmica, sabe-se que a energia pode ser convertida de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída. A conversão de energia ocorre de várias formas. Quando soltamos uma bola de certa altura, por exemplo, à medida que ela cai sua energia potencial gravitacional é transformada em energia cinética. Outros exemplos: em uma resistência elétrica, parte da energia cinética dos elétrons em movimento é transformada em energia térmica. Essa, por sua vez, pode ser utilizada para esquentar a água do chuveiro. A energia luminosa absorvida pela clorofila das plantas é transformada em energia química, que é armazenada nos carboidratos sintetizados em processos de fotossíntese. A energia das ligações químicas pode ser transformada em energia elétrica nas reações químicas que ocorrem em pilhas e baterias, processo estudado na eletroquímica. A energia das ligações químicas pode ser transformada em energia elétrica nas reações químicas que ocorrem em pilhas e baterias, processo estudado na eletroquímica. O desenvolvimento de equipamentos que convertem a energia associada a movimentos, calor ou luz em outra forma de energia foi uma das grandes revoluções tecnológicas dos últimos séculos. Diversos sistemas foram desenvolvidos para converter a energia potencial das águas ou a energia química dos combustíveis em energia elétrica. Outros equipamentos foram projetados para converter a energia elétrica em outras formas de energia. O princípio geral desses processos de conversão de energia é a produção de trabalho. A palavra “trabalho“ tem vários significados. Em Física, trabalho é uma grandeza cuja variação é igual ao produto escalar de uma força pelo vetor deslocamento de seu ponto de aplicação. Em outras palavras, trabalho é a capacidade de um corpo ser deslocado. A eletricidade pode ser transformada em trabalho por meio de motores que fazem girar polias. Estas, por sua vez, transferem movimento para sistemas mecânicos que põem outros corpos em movimento, como ventiladores, correias, automóveis, aviões, embarcações etc., produzindo trabalho. Calor também pode ser transformado em trabalho. Esse é o princípio da máquina a vapor, que veremos no próximo item.

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CAPÍTULO

A Termodinâmica e os motores

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A invenção da máquina a vapor impulsionou o desenvolvimento industrial. Nesta ilustração, modelo de carro movido a vapor do século XVIII. AKG/Latinstock

Antes da invenção da máquina a vapor, a humanidade dispunha apenas da energia fornecida pela natureza, ou seja, energia dos ventos, das águas e de músculos de animais e operários. Com isso, era muito vulnerável aos caprichos da natureza. Afinal, o vento pode cessar, a energia da água tem de ser utilizada próxima a seu curso, homens e animais adoecem etc. Após a invenção da máquina a vapor, essa dependência diminuiu. Uma única máquina podia realizar o trabalho de centenas de cavalos. Com um detalhe: sem precisar parar para descansar. Essa invenção contribuiu para a expansão da indústria, a partir do século XVIII. Uma máquina a vapor é formada por cilindros, pistões, bielas, eixos e outras peças que transformam a expansão do vapor-d’água, aquecida em caldeiras pelo calor da queima do combustível, em energia mecânica. Essa energia mecânica faz girar um eixo que movimenta rodas, manivelas, polias, hélices ou outros mecanismos necessários para realizar a tarefa desejada. No século XIX, as máquinas a vapor já eram empregadas industrialmente em larga escala. Por isso, diversos cientistas, entre os quais o engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), buscavam compreender melhor os processos de conversão de calor em trabalho. Carnot, estudando o funcionamento de máquinas térmicas, demonstrou que, para funcionar, toda máquina necessita de uma fonte quente e de uma fonte fria, para que haja transporte de uma quantidade de calor da primeira para a segunda. Por analogia, considerando as diferenças entre os sistemas, pode-se comparar esse tipo de máquina com um moinho de água, no qual a queda-d’água de um nível para outro mais baixo gera trabalho. Ou seja, enquanto para uma roda-d’água funcionar é necessário uma queda-d’água, para o funcionamento de um motor a vapor é necessário transferência de calor de uma fonte quente para um reservatório frio. O trabalho de Carnot e de outros cientistas levou à formulação de princípios e teorias que regem a Termodinâmica, cujos conhecimentos são amplamente utilizados na produção de motores de combustão interna, usinas hidrelétricas, usinas nucleares, sistemas de refrigeração, sistemas de aquecimento, sistemas de propulsão para foguetes, mísseis, aviões, navios, veículos terrestres etc. O princípio geral do funcionamento de um motor foi derivado do mesmo mecanismo da máquina a vapor, que é o mesmo princípio de funcionamento do motor dos automóveis. Ele baseia-se em duas importantes propriedades dos gases: a compressibilidade e a expansibilidade. O motor mais comum é conhecido como motor de quatro tempos (veja ilustração ao lado). No primeiro estágio (1), ou tempo, o pistão move-se para baixo e puxa a mistura de combustível e ar para dentro do cilindro. No segundo (2), a válvula de entrada do ar e combustível é fechada, o pistão sobe e comprime a mistura. No terceiro (3), uma faísca é emitida por um dispositivo elétrico e a mistura combustível-ar explode, provocando uma grande expansão dos gases e empurrando o pistão para baixo. A energia cinética dos gases em expansão é transmitida para o pistão, que movimenta o eixo do virabrequim, fazendo o carro movimentar-se. Ou seja, a energia química proveniente da reação de combustão é transformada em energia mecânica. No quarto estágio (4), o pistão sobe e a válvula de exaustão é aberta, permitindo que os gases provenientes da queima sejam liberados. A partir daí, recomeçam os estágios. A revolução das máquinas mudou a vida de nossa sociedade nos últimos séculos, trazendo conforto e qualidade de vida. No entanto, com ela também veio a crise ambiental, sobretudo, em função da queima de combustíveis fósseis que contribuiu

217


de maneira significativa para o aquecimento global. Isso tudo está relacionado às reações químicas que liberam calor, como as reações de combustão. Nesse sentido, veremos agora o estudo da termoquímica, que se concentra na variação de energia nas reações químicas.

TERMOQUÍMICA

1

válvula de entrada

2

3

4

válvula de exaustão

cilindro eixo do virabrequim

pistão

J. Yuji

Estágios de funcionamento de um motor de combustão

4 CALOR DE REAÇÃO: ENTALPIA

O

s constituintes da matéria são sistemas complexos que envolvem interações entre átomos decorrentes de forças de repulsão e atração entre núcleos e eletrosferas, de saltos e decaimentos energéticos de elétrons em diferentes níveis, de rearranjo eletrônico com mudança de comportamento do elétron que passa a ter influência de mais de um núcleo atômico etc. Esse sistema não permanece imóvel como nos parece quando olhamos os materiais em repouso com o nosso limitado sistema óptico, mas sim em constante movimento por meio de vibrações contínuas. Em uma transformação química esse dinâmico sistema é alterado, com formação de novas interações que vão constituir as estruturas de novas substâncias. Mudando-se o estado de movimento do átomo, consequentemente se altera o seu estado energético. Pode-se dizer, assim, que toda transformação química envolve mudança de energia. Nesse sentido, os químicos estão interessados não só na composição das substâncias e de suas alterações nas reações químicas, mas, sobretudo, em sua organização e seu estado energético. Assim, procuram identificar nas reações químicas a variação de energia que a elas estão associadas, as quais podem ser medidas no laboratório por meio da variação de calor. Vejamos então os estudos básicos que os químicos fazem do calor de reação.

Processos exotérmicos e endotérmicos Pense Todas as reações químicas liberam energia?

No Universo, os corpos tendem a alcançar estados de menor energia potencial, convertendo a diferença de energia potencial em outras formas de energia. Por isso, objetos caem quando soltos no espaço (buscam posições de menor energia potencial, transformando-a em energia cinética), gases se expandem quando liberados (estouro de um balão cheio) etc. Nas reações químicas, isso também é válido, porém a redução de energia potencial nem sempre implica liberação de energia térmica. Assim, apesar de muitas reações químicas ocorrerem com liberação de energia térmica, existem várias que ocorrem absorvendo energia térmica.

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CAPÍTULO

As reações de combustão são exemplos de reações em que há liberação de energia. Já a eletrólise – decomposição da água, produzindo os gases oxigênio e hidrogênio, substâncias com mais energia potencial do que a água – é um exemplo de reação química em que há absorção de energia. Processo exotérmico (ex(o)-, do grego êxo, "fora, fora de, fora para")

1

Processo endotérmico (end(o)-, do grefo êndon, "dentro de")

Libera calor para o ambiente. Transmite sensação de aquecimento.

Absorve calor do ambiente. Transmite sensação de frio.

Processo exotérmico

2 3 4

Processo endotérmico

5 6

CALOR

sistema

CALOR

vizinhança

sistema

Lembre-se, portanto, de que as reações químicas podem ser acompanhadas de liberação ou absorção de energia, normalmente ocorrida na forma de calor. Quando há liberação de calor, a reação é denominada reação exotérmica;; quando a reação absorve calor, recebe o nome de endotérmica. Observe que o prefixo exo significa “para fora” e o prefixo endo, “para dentro”. Podemos representar a variação de energia de reações químicas a partir de diagramas que indicam os níveis de energia de seus reagentes e de seus produtos. Veja, por exemplo, a reação endotérmica:

vizinhança

7 8

Não só as reações químicas ocorrem com liberação ou absorção de calor, como também processos físicos, como a mudança de estado físico; são classificados em processos endotérmicos ou exotérmicos.

Energia

J. Yuji

N2(g) + O2(g) ( 2NO(g) Nesse caso, podemos representar a variação de energia dessa reação da seguinte maneira: 2NO(g) EP

final

Diagrama de representação da variação de energia de uma reação endotérmica. Observe que a energia dos reagentes é menor do que a energia dos produtos.

absorção de energia

ER

N2(g) + O2(g) início

ER

C(grafite) + O2(g) início

Diagrama de representação da variação de energia de uma reação exotérmica. Observe que a energia dos reagentes é maior do que a energia dos produtos.

liberação de energia CO2(g)

EP

final

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Energia

J. Yuji

Já a reação exotérmica abaixo pode ser representada pelo diagrama logo a seguir: C(grafite) + O2(g) ( CO2(g)

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Em síntese: Nos processos endotérmicos endotérmicos, o sistema recebe energia da vizinhança. Nos processos exotérmicos exotérmicos, o sistema cede energia para a vizinhança. TERMOQUÍMICA

Por convenção, diz-se que a variação de energia é positiva nos processos endotérmicos e que nos processos exotérmicos a variação de energia é negativa.

Entalpia A variação de energia em sistemas químicos pode ser medida em calorímetros pela determinação da quantidade de calor Q liberada ou absorvida durante a realização de uma reação em sistema fechado, sem variação de pressão. Essa quantidade de calor é chamada calor de reação. O calor de reação depende das substâncias envolvidas e é uma importante propriedade de sistemas químicos. Seu conhecimento nos permite fazer previsões sobre variações de energia térmica, por exemplo, em reações de combustão. Em processos químicos a pressão constante, em particular, essa propriedade pode ser determinada a partir apenas do estado inicial e do estado final. Nesse sentido, o calor de reação a pressão constante tem um papel fundamental no estudo das variações de energia térmica e foi, assim, definido como uma propriedade do sistema denominada entalpia, representada pela letra H. Resumidamente, podemos dizer que a variação de entalpia corresponde ao calor liberado ou absorvido por reações químicas realizadas a pressão constante.

Representação gráfica da diferença dos níveis de entalpia na reação de obtenção da água. A diferença de entalpia entre reagentes e produtos corresponde ao calor liberado a pressão constante, que, no caso é negativa (veja sentido da seta, para baixo).

H Hr

Variação de entalpia (∆H) é o calor envolvido nas reações químicas a pressão constante. A variação da entalpia de reações químicas é definida como a diferença de entalpia entre as substâncias formadas (produtos) e as substâncias iniciais (reagentes), sendo representada pela equação: ∆Hreação = Hprodutos – Hreagentes Com essa equação, podemos calcular os valores de energia sob a forma de calor, que são absorvidos ou liberados em reações químicas. Em primeira análise, é possível determinar se a reação absorve ou libera calor. Vejamos: quando a entalpia dos produtos for menor do que a entalpia dos reagentes, o valor de ∆H será menor que zero. Nesse caso, o sistema cedeu calor à vizinhança, caracterizando uma reação exotérmica. Isso é o que acontece em reações de obtenção da água, representada no diagrama ao lado.

1 1H2 (g) + O 2 (g) 2 início

Reação exotérmica Hp < Hr ∆H < 0 Calor liberado para a vizinhança

Calor liberado = ∆H = –285,8 kJ 1H2O(l)

Hp

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H2 ( g ) +

final

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1 O ( g ) → H2O(l) ∆H = −285, 8 kJ / mol 2 2

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CAPÍTULO

Quando a entalpia dos produtos for maior do que a entalpia dos reagentes, o valor H será maior que zero e o sistema receberá calor da vizinhança, caracterizando uma de ∆H reação endotérmica. Um exemplo desse caso é a reação de decomposição do óxido de mercúrio II, representada no diagrama abaixo.

2

H

1 1H2 (l) + O 2 (g) 2

Hp

3 Representação gráfica da diferença dos níveis de entalpia na reação de decomposição do óxido de mercúrio II. A diferença de entalpia entre reagentes e produtos corresponde ao calor absorvido na reação a pressão constante, que no caso é positivo (veja sentido da seta, para cima).

final Calor absorvido = ∆H H = +90,7 kJ

Hr

1

Reação endotérmica Hp > Hr ∆H > 0 Calor absorvido da vizinhança

1H2O(s) início

4 5 6 7 8

Resumindo: ∆H < 0 # reação exotérmica ∆H > 0 # reação endotérmica A informação da quantidade de energia que é liberada ou absorvida em reações químicas é de fundamental importância. Por isso, é recomendável que a representação da equação venha seguida do valor da diferença de entalpia. Lembre-se de que o valor de variação de entalpia (∆H) depende da reação química e das condições nas quais ocorre. Por isso, essa grandeza sempre deve estar acompanhada da equação a que se refere. Como a variação de entalpia é dada em quilo joule (kJ) por quantidade de matéria (mol), especificada pelos coeficientes estequiométricos da equação química à qual está vinculada, se houver variação nos coeficientes da equação, o valor de ∆H varia proporcionalmente. Lembre-se ainda de que a variação de entalpia depende das condições nas quais a reação ocorre, como temperatura, pressão e estado de agregação das substâncias. Cada estado de agregação de uma substância corresponde a um valor maior e/ou menor de entalpia (o estado sólido é menos energético e o gasoso é mais energético). Por isso, na equação que representa a reação deve-se especificar essas condições de cada substância. Normalmente, trabalha-se com valores de pressão igual a 100000 Pa e temperatura de 25 °C. Como essas são condições-padrão, geralmente elas são omitidas. A equação química com tais valores é chamada equação termoquímica. Na equação termoquímica é preciso descrever todos os fatores que possam influir no valor da entalpia. Vejamos o caso da formação da água: 1 O ( g ) → H2O(l) 2 2

H = −285, 5 kJ / mol ( 25 °C C; 1 atm)

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H2 ( g ) +

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TERMOQUÍMICA

Veja então que no estudo termoquímico é fundamental descrever com precisão as condições do sistema, ou seja, suas propriedades. Além disso, observar que a quantidade de calor, expressa pelo ∆H, sempre se refere às quantidades dos reagentes e dos produtos. O conjunto das propriedades é denominado estado de sistema. A caracterização do estado de sistema é importante porque, a partir das propriedades desse sistema, é possível determinar outras propriedades termodinâmicas. As propriedades que definem o estado do sistema são chamadas variáveis de estado. São exemplos de variáveis de estado a temperatura e a pressão. A partir das equações podem ser efetuados cálculos de variação de entalpia de outras reações químicas. Para esses cálculos, precisamos, todavia, saber qual o valor da entalpia de formação de cada substância. É o que veremos a seguir.

Entalpia de formação A quantidade de energia envolvida em uma reação química pode ser determinada ao se reproduzir essa reação em um calorímetro. Como a quantidade de reações químicas é infinita, não poderemos realizar todas elas para saber a quantidade de energia envolvida em cada uma. Para diminuir esse trabalho, os químicos desenvolveram uma metodologia que permite calcular a variação de entalpia para as reações. Como a entalpia não pode ser medida para as substâncias, foram definidos e determinados os valores relacionados às quantidades de energia das substâncias quando elas estiverem envolvidas em transformações químicas e físicas. Isso levou à definição da entalpia-padrão de formação, representada por ∆H°f (° indica o valor-padrão e o índice f, formação). A entalpia-padrão de formação das substâncias corresponde à entalpia para produzir um mol da substância a partir das substâncias simples à pressão de 105 Pa (1 atm) em suas formas mais estáveis. Entalpia-padrão de formação é a entalpia de reação para a formação de 1 mol de substância, a partir das substâncias simples mais estáveis, a 105 Pa e a 25 °C. Vejamos o exemplo do etanol:

Andrei Nekrassov/Shutterstock

2C( s ) + 3H2 ( g ) +

1 O ( g ) → C 2H5OH(l) 2 2

Como se espera, na formação de um mol da substância em questão é comum a utilização  1

Uma importante aplicação dos calorímetros está na determinação do calor de reação de uma reação química, mas uma forma usual de determinar o calor de reação é a partir de dados experimentais da entalpia de formação.

de coeficientes fracionários, como no caso do oxigênio   . O carbono considerado é a  2 grafite, sua forma mais comum. A segunda definição importante para a realização desses cálculos é considerar a entalpia-padrão das substâncias simples (H°), em suas formas mais comuns, à 298 K, como sendo igual a zero. Assim, para as substâncias grafite, oxigênio, hidrogênio, cálcio metálico, gás, cloro etc., considera-se que a entalpia-padrão de formação é igual a zero. A tabela a seguir apresenta os valores de entalpia-padrão de formação para algumas substâncias. Esse tipo de dado é importante porque permite calcular valores de entalpia de diferentes reações, conforme veremos mais adiante. OD ÍNDICE

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∆Hof = −277 , 69 kJ / mol ( 298 K , 105 Pa)

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SEGURANÇA


CAPÍTULO

ENTALPIA-PADRÃO DE FORMAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS A 25 °C Substância

∆H°f /kJ/mol

Substância

∆H° H°f /kJ/mol

AgCl(s)

–127,07

Br2(g)

30,91

1

Al2O3(s)

–1 675,7

C(diamante)

1,895

2

Ca(OH)2(s)

–986,09

CCl4(l)

–135,44

CaO(s)

–635,09

CO(g)

–110,53

CaSO4(s)

–1 434,11

CO2(g)

–393,51

CuO(s)

–157,03

H2O(g)

–241,82

Fe2O3(s)

–824,2

H2O(l)

–285,83

Hg(g)

61,32

H2O2(l)

–187,78

KCl(s)

–436,75

H2S(g)

–20,63

NaBr(s)

–361,06

H2SO4(l)

–813,99

NaCl(s)

–411,15

H2SO4(aq)

–887,34

NaOH(s)

–425,61

HBr(g)

–36,40

PbO2(s)

–277,4

HCl(g)

–92,31

PbSO4(s)

–919,94

HF(g)

–271,1

SiO2(s)

–910,94

NH3(g)

–46,11

ZnO(s)

–348,28

NH4Cl(g)

–314,43

O3(g)

142,7

NO(g)

90,25

SO2(g)

–296,83

NO2(g)

33,18

SO3(g)

–395,72

N2O(g)

82,05

3 4 5 6 7 8

Fonte: ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química. Porto Alegre: Bookman, 2001.

Decorou os valores? É claro que não. Não precisa! Essa tabela apresenta dados que devem ser consultados para a resolução de problemas de interesse químico. Você deve ter observado que nela não aparecem diversas substâncias simples conhecidas, como o carbono grafite, o oxigênio, o hidrogênio, os metais etc. Essas e outras substâncias simples não estão tabuladas porque têm, por definição, entalpia-padrão de formação igual a zero. Como essa definição só se aplica à forma mais estável, outras formas de substâncias simples de um mesmo elemento químico apresentam valores diferentes de zero, como o valor apresentado para o carbono diamante na tabela.

Entalpia de ligação Pense Por que o álcool derramado sobre uma mesa não pega fogo?

Na formação de substâncias a partir de outras substâncias simples ou não, há uma ruptura de ligações e formação de outras. Se soubermos a quantidade de energia envolvida em cada tipo de ligação, podemos facilmente calcular a entalpia de formação das substâncias. OD ÍNDICE

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TERMOQUÍMICA

A energia de ligação é definida como a entalpia média, ∆H, necessária para romper 1 mol de ligações covalentes (simples, dupla ou tripla) entre dois átomos, de modo a obter esses átomos isolados na fase gasosa. A formação de ligações químicas libera energia (processo exotérmico, portanto o valor de ∆H é negativo). Consequentemente, no rompimento de ligações químicas há absorção de energia (processo endotérmico, portanto o valor de ∆H é positivo). A tabela abaixo apresenta valores típicos de energia de ligações covalentes entre dois átomos. ENERGIA DE LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS Energia de ligação média Ligação

Energia/(kJ/mol)

Ligação

Energia/(kJ/mol)

436

281

563

241

431

327

366

345

299

614

413

745

353

804

434

463

139

495

Variação de energia

Fonte: BROWN, T. L.; LeMAY Jr., H. E.; BURSTEN, B. E.; BURDGE, J. R. Química: a ciência central, 9. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

As ligações covalentes entre dois átomos são fontes energéticas. Elas “retêm” uma energia potencial química que pode ser liberada na forma de calor. Por isso, os hidrocarbonetos encontrados no petróleo são fontes de energia porque são constituídos por cadeias com ligações covalentes que armazenam energia e a liberam no processo de quebra das ligações, durante a combustão. Lembre-se, no entanto, de que numa reação química há formação de novas ligações nos produtos. Assim, o processo irá liberar energia se as ligações rompidas forem mais energéticas que as ligações formadas, de modo que a energia liberada no rompimento das ligações dos reagentes seja maior que a energia consumida na formação dos produtos. Desse modo, podemos calcular a entalpia de reação desde Energia das ligações nas moléculas que todas as substâncias envolvidas estejam no estado gasode CH3I e H2O so. Considera-se esse estado de agregação porque, nos demais – sólido, líquido – ou em solução aquosa, há que se levar em conta a energia evolvida nas interações intermoleculares. ∆Hf da reação Vejamos alguns exemplos: Energia das ligações nas moléculas de CH3OH e Hl

224

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A variação de energia nas reações químicas depende da diferença entre as ligações químicas rompidas nos reagentes e as ligações químicas formadas nos produtos.

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SEGURANÇA


CH3I(g) + H2O(g) ( CH3OH(g) + HI(g)

∆H = ?

Para esse cálculo, utilize a tabela de ENERGIA DE LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS da página anterior. Nesse caso, teremos a quebra de uma ligação C K I (241 kJ/mol) e de uma ligação H K O (463 kJ/mol), proporcionando a seguinte variação de entalpia dos reagentes (∆H°r ): ∆H°r = H C K I + H H K O ∆H°r = 241 kJ/mol H C K I + 463 kJ/mol H H K O ∆H°r = 704 kJ/mol ligações Simultaneamente, ocorre a formação de uma ligação C K O (353 kJ/mol) e de uma ligação H K I (299 kJ/mol), proporcionando a seguinte variação de entalpia dos produtos (∆H°p):

∆H°p = H C K O + H H K I ∆H°p = (–353 kJ/mol H C K O) + (–299 kJ/mol H H K I ) ∆H°p = –652 kJ/mol ligações No processo global, a variação de entalpia será dada por: ∆H° = ∆H°r + ∆H°p . ∆H° = 704 kJ/mol ligações + (–652 kJ/mol ligações) ∆H° = 52 kJ/mol ligações

CAPÍTULO

1. Calcule a variação de entalpia da reação abaixo a partir da energia de ligação.

1 2 3 4 5 6 7 8

2. Calcule a variação de entalpia da reação de combustão do butano abaixo a partir da energia de ligação. Utilize os valores da tabela da página 224. CH3CH2CH2CH3 ( g ) +

13 O ( g ) → 4CO2 ( g ) + 5H2O( g ) 2 2

Para calcular a variação de energia para essa reação, calcule o valor das ligações rompidas nos reagentes, em kJ. Temos dez ligações entre C K H ; logo, romperam-se dez mols dessa ligação. Temos três ligações entre C K C ; logo, romperam-se três mols dessa ligação. Temos uma ligação entre O O , mas na reação encontramos 6,5 mol de O2; assim, romperam-se 6,5 mol dessa ligação. O saldo energético das ligações rompidas (Hr) será igual à soma de todos esses valores. Agora, iremos calcular o saldo energético nas ligações formadas. Temos duas ligações entre átomos de carbono e oxigênio C O, mas na reação encontramos quatro mols de CO2; logo, formaram-se oito mols desta ligação. Temos duas H K O , mas na reação encontramos cinco mols de H2O; logo, formaram-se dez mols dessa ligação. O saldo energético das ligações formadas (Hp) será igual à soma desses valores. Basta somar as entalpias do reagente e do produto para encontrarmos a variação total de entalpia. Todos esses cálculos podem ser esquematizados da seguinte maneira: 13 ∆Hro = 1 mol ⋅ (10HC–H + 3HC–C ) + mol HO=O 2 13 ∆H°r = 10 mol ⋅ 413 kJ/mol + 3 mol ⋅ 345 kJ/mol + mol ⋅ 495 kJ/mol 2 ∆H°r = 4 130 kJ + 1035 kJ + 3 217,5 kJ

∆H°r = 8 382,5 kJ ∆H°p = 4 mol ⋅ 2HC L O + 5 mol ⋅ 2HC K O ∆H°p = 8 mol ⋅ (–745 kJ/mol) + 10 mol ⋅ (–463 kJ/mol) ∆H°p = –5 960 kJ + (–4630 kJ) # ∆H°p = –10 590 kJ ∆H° = ∆H°r + ∆H°p # ∆H° = 8 382,5 kJ + (–10 590 kJ) ∆H° = –2 207,5 kJ/mol Como o sinal do saldo energético é negativo, a reação analisada é exotérmica, liberando a quantidade de energia indicada acima. Esses cálculos desenvolvidos são aproximados, porque a energia de ligação entre dois átomos depende também das outras ligações presentes na molécula. Entretanto, como a variação é muito pequena, os cálculos realizados desse modo fornecem bons resultados.

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5 LEI DE HESS

TERMOQUÍMICA

C

onhecido o valor da entalpia de formação das substâncias, é possível calcular o valor da entalpia das reações nas quais essas substâncias estão envolvidas. Quem percebeu e postulou essa possibilidade foi o químico e médico alemão Henri Hess [1802-1850], que afirmou que a entalpia de uma reação é a diferença entre o somatório das entalpias de formação de seus produtos e o somatório das entalpias de formação de seus reagentes, nas mesmas condições de temperatura e pressão. Matematicamente, esse enunciado é representado pela equação: ∆Hreação = ΣHprodutos – ΣHreagentes

Representação gráfica da entalpia de formação. H HP

HR

Isso significa que podemos determinar a variação de entalpia de uma reação a partir de valores de ensubstância composta talpia de formação dos reagentes e dos produtos. Esses são dispostos em tabelas que apresentam valofinal res obtidos em laboratórios. O diagrama ao lado representa a entalpia-padrão ∆H de formação de formação de uma substância. Outra importante conclusão dos estudos de Hess, substância simples derivada da compreensão de que a variação de eninício talpia corresponde à diferença entre as entalpias de formação dos produtos e reagentes, é que a variação da entalpia em uma reação independe do caminho percorrido para chegar até os produtos finais. Nesse sentido, a variação de entalpia é função de estado, ou seja, que não depende de como a amostra foi preparada. Essa proposição ficou conhecida como Lei de Hess. A variação de entalpia de uma reação depende apenas dos estados inicial e final. O que a Lei de Hess demonstra é que, tanto partindo de uma reação direta como de uma sequência de reações, a variação de energia é sempre a mesma. Veja como isso ocorre, analisando esquematicamente o diagrama a seguir. Observe que a variação de entalpia da reação é determinada a partir do estado inicial e do estaReagentes: do final e que esse valor corresponde à diferença substância composta entre a variação de entalpia da reação 1 e a variação de entalpia da reação 2. Em outros termos isso significa que a variação de entalpia final cor∆H responde ao somatório das entalpias das reações Produtos: intermediárias até se chegar ao produto desejasubstância composta do. Nesse sentido, pode se considerar que a variação de entalpia de uma reação corresponde ao ∆H reação 2 somatório das equações termoquímicas das reações intermediárias, podendo elas ser invertidas, multiplicadas ou divididas como se fossem equações matemáticas.

A variação de entalpia da reação é igual à diferença de ∆H1 e ∆H2.

H HR

∆H reação 1 HP substância simples

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CH4 ( g ) +

1 O (l) → CH3OH H(l) 2 2

A variação de entalpia dessa reação pode ser obtida a partir de valores de variação de entalpia de uma série de outras reações que somadas correspondem à equação acima. Veja como isso pode ocorrer a partir das reações abaixo:

CAPÍTULO

Para melhor entender isso, vamos analisar a variação de entalpia da reação de produção do metanol, a partir da reação do gás metano, descrita pela equação:

1 2 3

1. CH4 ( g ) + H2O(l)

→ CO( g ) + 3H2 ( g )

∆H° = 206 ,1 kJ / m mo oll o

4

2. 2H2 ( g ) + CO( g )

→ CH3OH(l)

∆H° = − 128 , 3 kkJJ / m mo oll o

3. 2H2 ( g ) + O2 ( g )

→ 2H2O(l)

∆H° H° = − 428 , 6 kJ / mo oll

5

A partir dessas equações devemos montar uma série de equações que, somadas, forneçam

 1 a equação desejada. Para isso, como a reação final envolve apenas mol de O2, então, tem-se  2

6 7 8

que dividir a equação 3 por dois, o que resulta em dividir também o ∆H° H°2. Assim, teremos: H°. 1.

CH4 ( g ) + H2O(l)

CO( g ) + 3H2 ( g )

∆H1o = 206 206 ,1 kJ / mo oll

2.

2H2 ( g ) + CO( g )

CH3OH(l)

∆H2o = − 12 128 8 , 3 kkJJ / mo oll

H2O(l)

∆H3o = − 214 , 3 kJ / moll

CH3OH(l)

o ∆HRF = − 136 , 5 kJ / mol

1 O (g ) 2 2 1 Reação final : CH4 ( g ) + O2 (l) 2 3.

H2 ( g ) +

Observe que ao somar as equações somam-se os coeficientes de substâncias que estão em mais de uma reação de um mesmo lado da equação (reagentes ou produtos) e subtraem-se os mesmos que aparecem de um lado e de outro. Assim, o 2H2, reagente da equação 2, soma-se ao H2, reagente da equação 3, e esse total é cancelado com os 3 mols de H2 que estão do lado dos produtos na equação 1. Da mesma forma o H2O da equação 1 é cancelado com o H2O da equação 3 e o CO da equação 1 é cancelado com o CO da equação 2. Veja ainda que: ∆H°RF = ∆H°1 + ∆H°2 + ∆H°3

Existem casos nos quais precisamos inverter uma equação química e fazer com que produtos tornem-se reagentes, e vice-versa. Se a reação absorve energia em um sentido, ela liberará se ocorrer no outro sentido. Para manter a coerência, temos de inverter o sinal do valor da entalpia. Vamos considerar a equação de síntese da água: H2 ( g ) +

1 O ( g ) → H2O(l) 2 2

∆Hof = − 214 , 3 kJ / mol

Se em um sistema precisarmos produzir 2 mol de oxigênio, podemos obter o valor de ∆H°, invertendo a equação, com inversão do sinal de ∆H°, e multiplicando-se toda a equação por 4 para se ter os 2 mol de O2 desejado. O resultado de ∆H° será: 4H2O(l) ( 4H2(g) + 2O2(g)

∆H° = 857,2 kJ/mol

Utilizando a Lei de Hess, podemos calcular a energia que será liberada em qualquer reação para a qual tenhamos os valores de entalpia-padrão de formação das substâncias envolvidas ou de outras reações que, somadas, formem a equação da reação desejada.

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Universidade Química de Tartu, Estônia

TERMOQUÍMICA

A Ciência na História G H I H

G

ermain Henri Ivanovitch Hess nasceu em Genebra, Suíça, em 1802. Aos três anos, mudou com seu pai para Moscou, onde viveu toda sua vida. Obteve seu título de doutor em Medicina e começou a exercer essa profissão. O grande interesse pela Química e pela Geologia, que sempre o acompanhou, levou-o a visitar o famoso químico sueco Jöns Jacob Berzelius [1779-1848] em Estocolmo. Essa visita de mais de um mês foi decisiva na vida de Hess que resolveu, então, dedicar-se completamente à ciência. Germain Henri Ivanovitch Em 1830, tornou-se professor de Química da Universidade de São Petersburgo, e em Hess sempre teve grande interesse pela Química e 1834 publicou o livro Fundamentos de Química, Química que foi, por muito tempo, amplamente pela Geologia. Pioneiro da utilizado em escolas e universidades russas. Físico-Química, estudou o Um dos pioneiros da Físico-Química, estudou o calor produzido em reações químicalor produzido em reações químicas e seus aspectos cas e seus aspectos energéticos. Esses estudos o levaram a formular, em 1840, uma lei que energéticos, formulando a estabelece que o calor envolvido em uma reação só depende de seus estados inicial e final lei que estabelece que o cae que ficou conhecida como Lei de Hess. lor envolvido em uma reação só depende de seus esDevido a seu interesse pela Geologia, realizou importantes estudos sobre jazidas de tados inicial e final. diferentes minerais e de gás natural na região do mar Cáspio. Ainda como professor da Universidade de São Petersburgo, faleceu em 1850, aos 48 anos, tendo contribuído bastante para o desenvolvimento de diversas áreas da ciência e, em especial, da Química.

6 ESPONTANEIDADE DAS

TRANSFORMAÇÕES: ENTROPIA

Pense Uma xícara de café deixada sobre a mesa pode absorver calor do ambiente e esquentar-se?

D

e acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a quantidade total de energia do Universo é constante. Transformações podem fazer com que a energia do sistema seja absorvida ou liberada para o sistema. Assim, uma xícara de café pode liberar energia na forma de calor para o ambiente. Embora a energia total continue a mesma, a xícara estará mais fria e o ambiente mais quente. Vamos agora imaginar um experimento hipotético. Temos uma caixa de isopor (mal condutor de O que acontecerá após escalor) com as seguintes dimensões internas: 5 cm de ses dois recipientes serem co90 °C largura, 10 cm de comprimento e 8 cm de altura. locados na caixa de isopor? Temos também dois recipientes de alumínio (bom condutor de calor), com as seguintes dimensões externas: 5 cm de largura, 5 cm de comprimento e 10 °C Se uma caixa de alumínio con8 cm de altura. Assim, cabem exatamente dois retém água a 90 °C e a outra, a mescipientes de alumínio na caixa de isopor. ma quantidade de água, mas em Um dos recipientes de alumínio contém água à temperatura a 10 °C, o que acontetemperatura de 90 °C e o outro contém quantidade cerá com o passar do tempo? igual de água à temperatura de 10 °C. J. Yuji

Pense

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CAPÍTULO

Fácil, não? Haverá troca de calor entre os dois recipientes e, depois de estabelecido o equilíbrio, os dois atingirão uma temperatura comum igual a 50 °C. Agora, imagine a situação inversa.

Pense

1 2

J. Yuji

Será que se colocarmos nesses dois recipientes de alumínio igual quantidade de água à mesma temperatura, depois de determinado tempo um poderá estar mais quente do que o outro?

3

50 °C 50 °C

4 5

Se as duas caixas de alumínio contêm a mesma quantidade de água a 50 °C, o que acontecerá com o passar do tempo?

6 7 8

Diversos fenômenos acontecem naturalmente em um sentido, mas não acontecem no sentido contrário, em alguns casos mesmo que seja fornecida a energia necessária. Cacos de um copo jogados para cima não formam o copo novamente. Iluminar uma lanterna não recarrega suas pilhas. A água não recristaliza formando cubos de gelo em um copo de suco deixado sobre a mesa. Esses processos que não retornam ao estado inicial sem que haja uma ação externa são chamados de irreversíveis. Entretanto, tais processos poderiam ocorrer no sentido inverso sem contrariar a Primeira Lei da Termodinâmica. Se os dois recipientes de alumínio apresentando a mesma temperatura fossem colocados em contato e um aumentasse sua temperatura, enquanto o outro diminuísse na mesma proporção, ainda assim haveria conservação de energia. É a Segunda Lei da Termodinâmica que irá justificar o sentido único de transferência de calor, ou seja, a espontaneidade dos fenômenos. Chamamos de processo espontâneo àquele que ocorre sem a necessidade de uma ação externa. Uma das formas de se enunciar essa lei foi apresentada pelo físico alemão Rudolf Julius Emanuel Clausius [1822-1888]: É impossível haver transferência espontânea de calor de um objeto frio para outro mais quente. A condição de ser espontânea é fundamental nessa definição, pois fenômenos a princípio irreversíveis ocorrem devido à realização de trabalho externo. É o que acontece, por exemplo, com as geladeiras. Nelas, o calor é retirado do interior frio e transferido para o exterior mais quente, só que consumindo energia.

Ricardo Azoury/Olhar Imagem

Pense Como podemos saber se uma reação química ou outro fenômeno ocorre espontaneamente ou não?

A chuva, a queda-d’água numa cachoeira, a queda de uma pedra morro abaixo e outros eventos naturais comuns possuem uma característica comum: são irreversíveis e estão de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica. A queda-d’água em uma barragem é um processo espontâneo que transforma a energia cinética de sua queda em energia elétrica, ao girar os geradores elétricos da usina. O que não é espontâneo é a água retornar sozinha para o alto da barragem. Para isso, seria necessária uma ação externa, de uma bomba-d’água, por exemplo.

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Hely Demutti

Para esses sistemas conhecidos é fácil saber em que sentido irão ocorrer. Todos sabemos que um copo de vidro pode quebrar ao cair, espalhando cacos por todos os lados. Sabemos também que o copo não será recuperado se os cacos forem jogados para cima.

TERMOQUÍMICA

Pense O que é necessário para diminuir a desordem de um ambiente? A queda de um copo de vidro, espatifando-se em cacos, é um exemplo de processo irreversível. Seria bom se não fosse, pois assim teríamos o copo de volta.

A variação da desordem de um sistema tem a ver com a espontaneidade de processos físicos. Para prever a espontaneidade de diferentes transformações, químicos e físicos definiram uma grandeza denominada entropia (do grego, en = “em”, e tropee = “mudança”), que é representada por S. Uma definição possível seria: Entropia é a medida da desordem do sistema. O conceito de entropia foi usado pela primeira vez em 1850, pelo físico alemão Rudolf Julius Clausius [1822-1888], para referir-se à dissipação da energia. De acordo com seu enunciado, espontaneamente o calor só pode passar de um corpo para outro de menor temperatura. O matemático e físico britânico lorde Kelvin William Thomson [1824-1907], estudando máquinas térmicas, postulou que seria impossível construir uma máquina térmica que extraísse calor de uma fonte e o transformasse integralmente em trabalho. Desse postulado, surgiu a Segunda Lei da Termodinâmica. Ela fixa os limites naturais da possibilidade de se converter calor em trabalho e define que: Uma mudança espontânea é acompanhada por um aumento da entropia total do sistema e de sua vizinhança. Em outras palavras, isso significa que em qualquer processo natural a entropia do Universo ou de um sistema em estudo sempre aumenta. A entropia, assim como a entalpia, é uma propriedade que depende dos estados inicial e final. Como em todos os processos há aumento de entropia, devemos ter claro que esse aumento pode nos custar caro. Análises imediatas podem não demonstrar um aumento de entropia que só será percebido se analisarmos melhor o processo. As crises de energia pelas quais passam as sociedades estão relacionadas ao aumento de demanda e à degradação das condições ambientais da Terra, causando um aumento na entropia do planeta. Com a crescente necessidade de energia, podemos levar o planeta – nosso sistema – a uma entropia tão grande que inviabilize a vida.

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. As reações químicas podem ocorrer com absorção ou

a) apenas um erro, porque a água não funde. b) apenas um erro, porque a reação química é endotérmica. c) apenas um erro, porque não se trata de reação química, mas de processo físico. d) dois erros, porque não se trata de reação química nem o processo físico é exotérmico. e) três erros, porque a água não sofre fusão, não ocorre reação química e o processo físico é endotérmico.

liberação de energia. Qual é o sinal algébrico da variação de entalpia nessas reações?

2. Por que é importante indicar o estado físico de todas as substâncias ao escrevermos as equações termoquímicas?

3. (FMU-SP) Em um texto encontramos a seguinte frase: "Quando a água funde, ocorre uma reação exotérmica". Na frase há:

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Entalpia

em dias quentes, sente-se uma sensação de frio. Esse fenômeno está relacionado com a evaporação da água que, no caso, está em contato com o corpo humano. Essa sensação de frio explica-se corretamente pelo fato de que a evaporação da água: a) é um processo endotérmico e cede calor ao corpo. b) é um processo endotérmico e retira calor do corpo. c) é um processo exotérmico e cede calor ao corpo. d) é um processo exotérmico e retira calor do corpo.

3 4

do ClF(g) e determine a entalpia de formação do ClF(g).

5

Entalpia

Cl(g) + F(g)

6

∆H1 = +47,3 kcal/mol 1 1 Cl (g) + F2(g) 2 2 2

7 8

∆H2 = 13,3 kcal/mol CIF(g)

14. Compare o resultado da atividade acima com o exercício resolvido da página 224 sobre a variação energética da combustão do butano, principal componente do gás de cozinha. Qual combustível cozinha mais rápido o alimento: o álcool ou o gás de cozinha? Por quê?

15. A partir dos dados de entalpia de formação e energia de ligação fornecidos no texto, escreva as equações termoquímicas que definem as entalpias de: a) combustão do acetileno (C2H2(g)) ∆H = –1 298,3 kJ. ∆H = –45,9 kJ. b) formação do NH3(g) c) energia de ligação do O2(g) ∆H = 497,8 kJ.

8. Represente graficamente a entalpia da seguinte reação: A + B ( C + D ∆H = –10,2 kJ

9. Considere as reações abaixo e indique qual(is) representa(m) entalpias de formação. a) S(rômbico) + O2(g) ( SO2(g). b) C(diamante) + O2(g) ( CO2(g).

16. Utilizando os dados fornecidos na tabela abaixo, calcule a energia envolvida na reação representada e expresse o resultado em kcal/mol de HI. 2HI(g) + Cl2(g) ( I2(g) + 2HCl(g)

c) 2S(rômbico) + 2O2(g) ( 2SO2(g).

10. Considere as entalpias-padrão de formação de

cada substância C2H5OH(l) ∆H = –277,5 kJ/mol; CO2(g) ∆H = –393,3 kJ/mol e H2O(l) ∆H = –285,5 kJ/mol e determine a variação de entalpia para a seguinte reação: C2H5OH(l) + 3O2(g) ( 2CO2(g) + 3H2O(l)

Tipo de ligação Energia de ligação (em kcal/mol)

S(rômbico) + O2(g) ( SO2(g) S(monoclínico) + O2(g) ( SO2(g)

combustão do carbono diamante como mostra a equação: C(diamante) + O2(g) ( CO2(g). Ferro

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36

∆H° = –296,06 kJ ∆H° = –296,36 kJ

18. (UFSC) Dadas as equações:

12. De acordo com o gráfico a seguir, calcule o calor de

Fe

71

Calcule a variação de entalpia para a reação: S(rômbico) ( S(monoclínico)

mol, NO(g) = +21,6 kcal/mol e H2O(g) = –57,8 kcal/mol, determine a entalpia da reação: 5 O (g) → 2NO(g) + 3H2 O( g) 2 2

103

17. A partir dos dados fornecidos

11. A partir das entalpias de formação de NH3(g) = –11,0 kcal/

ÍNDICE

2

13. Analise o gráfico a seguir, escreva a equação de formação

reação é endotérmica ou exotérmica?

OD

1

CO2(g)

7. O calor envolvido em uma reação foi de –20 kJ. Essa

2NH3 (g) +

∆H1 = +0,45 kcal/mol

∆H2 = –94,1 kcal/mol

6. Considere o processo: C(grafite) ( C(diamante) ∆H = +1,8 kJ, calcule a entalpia padrão de formação do diamante.

C(diamante) + O2(g)

C(grafite) + O2(g)

5. (UFBA) Em relação aos aspectos energéticos envolvidos nas transformações químicas, pode-se afirmar: a) a queima da parafina de uma vela exemplifica um processo endotérmico. b) a vaporização da água de uma piscina pela ação da luz solar exemplifica um processo endotérmico. c) a combustão do álcool hidratado em motores de automóveis exemplifica um processo endotérmico. d) a formação de um iceberg a partir da água do mar exemplifica um processo endotérmico. e) o valor de ∆H H de uma transformação depende exclusivamente do estado físico dos reagentes.

CAPÍTULO

4. (UFMG) Ao se sair molhado em local aberto, mesmo

a

1 I — H2 ( g) + O2 ( g) → H2O(l) ∆H = − 68, 3 kcal / mol 2 1 II — H2 (g) + O2 (g) → H2O( v ) ∆H = − 57, 8 kcal / mol 2

B

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! TABELAS

SEGURANÇA

231


TERMOQUÍMICA

A variação de entalpia para o processo H2O(v) ( H2O(l) é: a) –126,1 kcal/mol e o processo é exotérmico. b) +10,5 kcal/mol e o processo é endotérmico. c) +126,1 kcal/mol e o processo é endotérmico. d) –10,5 kcal/mol e o processo é exotérmico. e) –10,5 kcal/mol e o processo é endotérmico.

22. (FEI-SP) São dadas as seguintes variações de entalpia de combustão. C( s ) + O2 ( g) → CO2 (g) ∆H = − 94, 0 kcal 1 H2 ( g) + O2 ( g) → H2O(l) ∆H = − 68, 0 kcal 2 CH4 ( g) + 2O2 ( g) → CO2 ( g) + 2H2O(l) ∆H = − 212,0 kcal

19. (Fatec-SP) Considere as afirmações a seguir, segundo

Considerando a formação do metano, segundo a equação C(s) + 2H2(g) → CH4(g) A quantidade de quilocalorias, em valor absoluto, envolvida na formação de 1 mol de metano, é: a) 442. b) 50. c) 18. d) 254. e) 348.

a Lei de Hess. I – O calor de reação (∆H) depende apenas dos estados inicial e final do processo. II – As equações termoquímicas podem ser somadas como se fossem equações matemáticas. III – Podemos inverter uma equação termoquímica desde que se inverta o sinal de ∆H. IV – Se o estado final do processo for alcançado por vários caminhos, o valor de ∆H dependerá dos estados intermediários através dos quais o sistema pode passar. Conclui-se que: a) as afirmações I e II são verdadeiras. b) as afirmações II e III são verdadeiras. c) as afirmações I, II e III são verdadeiras. d) todas são verdadeiras. e) todas são falsas.

23. (Puccamp-SP) O acetileno (C2H2) usado nos maçaricos de “solda a oxigênio” queima conforme a equação: C2H2(g) + 2,5O2(g) → 2CO2(g) + H2O(l) Dados: 2C(s) + H2(g) → C2H2(g) ∆H = +54,2 kcal/mol H2(g) + 0,5O2(g) → H2O(l) ∆H = – 68,3 kcal/mol C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆H = – 94,1 kcal/mol A diferença de entalpia para a combustão completa do acetileno será: a) –188,2 kcal/mol b) – 330 kcal/mol c) –310,7 kcal/mol d) – 376,4 kcal/mol e) –115 kcal/mol

20. A síntese do metano (CH4 ) pode ser representada

pela equação: C(grafite) + 2H2(g) → CH4 (g). As reações envolvidas nesse processo estão representadas da seguinte forma: a) C(grafite) + O2(g) → CO2(g) ∆H° = –393,5 kJ b) 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ∆H° = –571,6 kJ c) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ∆H° = –890,4 kJ

24. O que é entropia?

Calcule o ∆H°f (CH4).

26. Analise cada sistema abaixo e responda se a entropia

25. Qual é o melhor critério para verificar a espontaneidade ou não de um processo químico?

aumenta ou diminui durante cada um dos processos. Explique o seu raciocínio. 21. (UFMS) Calcule a entalpia, ∆H, em kcal/mol, da reação a) N2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g) CO2(g) → C(grafite sólido) + O2(g) b) CO2(s) → CO2(g) nas condições ambientais (25 °C e 1 atm), sabendo-se c) Resfriamento da água de 50 °C a 4 °C. que: 27. Julgue cada item como certo (C) ou errado (E). a) A formação de gotas de água em uma nuvem ocorre 7 I — C2H6 ( g) + O2 ( g) → 2CO2 ( g) + 3H2O(l) com aumento de entropia. 2 b) A dissolução de açúcar em água ocorre com au∆H° = − 372,7 kcal / mol mento de entropia. c) A vaporização do álcool no carburador do carro se II — 2C( grafite sólido ) + 3H2 ( g) → C2H6 (g) dá com diminuição de entropia. ∆H° = − 20, 2 kcal / mol d) Ao bombearmos ar para encher um pneu, ocorre diminuição na entropia. 1 III — H2 (g) + O2 (g) → H2O(l) ∆H° = − 68, 3 kcal / mol e) Na transformação de Br2(l) + Cl2(g) → 2BrCl(g) 2 ocorre aumento de entropia.

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SEGURANÇA


Termoquímica e calor

Exercícios de revisão

b Pode-se observar diariamente que as reações químicas provocam variação de energia, como a combustão do carvão, o funcionamento de uma pilha etc. A Termoquímica é a área da Química que estuda as quantidades de calor liberadas ou absorvidas durante as reações químicas.

Equilíbrio térmico e o princípio zero da Termodinâmica b Calor é uma forma de energia que se transfere de um sistema a outro como resultado de uma diferença de temperatura entre os dois sistemas. A unidade-padrão para medir energia é o joule (j). Outra unidade utilizada é a caloria (cal), que equivale a 4,184 J. b O princípio zero da Termodinâmica estabelece que quando dois sistemas são colocados em contato térmico eles atingem um estado de equilíbrio, no qual terão a mesma temperatura.

CAPÍTULO

ER

1 2 3 4 5 6 7 8

Calorimetria b A quantidade de calor de uma reação pode ser medida em um calorímetro, por meio da variação de temperatura. O princípio do calorímetro baseia-se na Primeira Lei da Termodinâmica, segundo a qual a energia pode ser convertida de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída.

Capacidade calorífera b A capacidade calorífera de um corpo é quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura de um grau Celsius (°C). O calor específico de um material ou substância e sua capacidade calorífica por grama. b Quanto maior o calor específico de um material, maior será a quantidade de calor necessária para aquecê-lo.

Calor de reação: entalpia b As reações químicas podem ser classificadas quanto à variação de energia em endotérmicas e exotérmicas. As reações endotérmicas são aquelas que absorvem energia. As reações exotérmicas são as que liberam energia. b A variação de entalpia de uma reação (∆H) é a medida da quantidade de calor liberado ou absorvido quando esta ocorre a pressão constante. b A variação de entalpia de uma reação pode ser obtida pela diferença entre a entalpia padrão de formação dos produtos e reagentes (∆Hreação = Hprodutos – Hreagentes).

Lei de Hess b No cálculo do calor da reação aplica-se a Lei de Hess: o calor liberado ou absorvido em uma reação química é o mesmo, caso a reação se processe diretamente ou em etapas.

Espontaneidade das transformações: entropia b Um processo espontâneo é aquele que ocorre sem a necessidade de uma ação externa. b A desordem de um sistema tem a ver com a espontaneidade de processos físicos. A entropia é a medida da desordem do sistema. b Uma mudança espontânea é acompanhada por um aumento da entropia total do sistema e de sua vizinhança.

OD ÍNDICE

Ferro

26

Fe

2 8 14 2

55,8

T. PERIÓDICA

a

B

c D E GLOSSÁRIO

! TABELAS

SEGURANÇA

233


C apít ulo 7 TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS

CINÉTICA QUÍMICA Como controlamos as reações químicas? Quais são as fontes de energia disponíveis?

Tema em foco FONTES DE ENERGIA Quando a humanidade descobriu como produzir o fogo para se aquecer e preparar seus alimentos, estava dando um grande salto para o desenvolvimento da sociedade que hoje conhecemos. No entanto, iniciava com isso uma trilha sem volta. Parece-nos impossível retroceder e voltar a viver sem a tecnologia que tanto gera e consome energia. Imaginar uma grande cidade sem energia elétrica e sem combustíveis nos evoca a ideia de caos. Nesse contexto, o grande problema que enfrentamos é o fato de a principal fonte de energia em todo o mundo ser o petróleo, recurso que vem se esgotando. As necessidades energéticas de um país são diretamente proporcionais ao seu grau de industrialização. Assim, sociedades altamente industrializadas são grandes consumidoras de energia. Esse alto consumo exige também a utilização de variadas fontes, renováveis ou não. A necessidade de buscar novas fontes de energia justifica-se não só pelo risco de colapsos, causados pela falta de energia, aos quais estamos sujeitos, mas, principalmente, pelos problemas ambientais advindos de diversas fontes de energia. Diante do quadro de esgotamento dos combustíveis fósseis e, sobretudo, dos problemas ambientais enfrentados em decorrência de sua combustão, na atualidade, surge a necessidade do desenvolvimento de tecnologias que possam explorar com mais eficiência fontes de energias renováveis. Assim, certamente, no fim do século XXI não teremos uma única fonte de energia predominante, como ocorreu no século XIX com o carvão e no século XX com o petróleo. Espera-se, para essa época, a coexistência de variadas fontes de energia, renováveis e pouco poluidoras. O modo como a sociedade organizou sua produção industrial e agrícola interferiu no modelo de organização e produção de energia. A utilização de energia baseia-se na organização da economia, mas isso nem sempre é coerente. Vejamos o caso do uso do petróleo como fonte de energia e a atual crise. O petróleo não é somente uma fonte (esgotável) de energia, mas principalmente uma importante fonte de matéria-prima. Entretanto, seu consumo como combustível, embora cause muita poluição, é bem maior que sua utilização como matéria-prima para milhares de produtos industrializados. H el

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Um parque de diversões não funciona sem energia: tudo fica parado. Faça um exercício de imaginação e proponha mundos com energia em diferentes intensidades, do zero até uma situação na qual a energia esteja disponível como o ar.

234


CAPÍTULO

Desse ponto de vista, nossa sociedade vem cometendo um grande erro ao queimar, de forma compulsiva, um material tão versátil e esgotável. Como seremos avaliados pelas futuras gerações quando essa matéria-prima faltar? Dessas observações nasce um novo paradigma: a economia de energia em cada residência não é algo desprezível, como uma gota de água em um oceano. A soma de todas essas gotas é que faz a diferença. Para isso, é necessário que todos colaborem. Por outro lado, mesmo reduzindo drasticamente nosso consumo de energia elétrica, não temos como abrir mão de seu uso. Isso leva a outra necessidade: desenvolver e aprimorar fontes de energia que possam fazer funcionar nossas máquinas, prejudicando o menos possível o ambiente. Para isso, neste capítulo vamos analisar fontes de energia de potencial químico, que possui fonte na agregação das moléculas. Já estudamos no capítulo 3 duas dessas fontes: o petróleo, fonte fóssil, e o álcool, biomassa. Veja, agora, outras dessas fontes, começando com o carvão que pode ter origem da biomassa ou de minerais fósseis.

1 2 3 4 5 6

Carvão: vegetal e mineral

7

COMPOSIÇÃO DAS FRAÇÕES DA DESTILAÇÃO SECA DA MADEIRA Fração

Produtos

Utilização

Metano, eteno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor de água, óleo essencial (baixa densidade).

Fabricação de aguardente.

2 Fração (líquida)

Água, ácido acético (6 a 10%), acetona (0,5 a 1%), metanol (2 a 3%), óleo (alta densidade), alcatrão de madeira.

Obtenção de metanol (álcool de madeira). O alcatrão é constituído por uma mistura de substâncias aromáticas, sendo utilizado na preparação de antissépticos e desinfetantes.

3a Fração (sólida)

Carvão vegetal.

Preparação de certos tipos de aço.

1a Fração (gasosa)

a

8

kino.com

A madeira é formada por uma grande variedade de substâncias orgânicas constituídas por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, entre outros. Em 100 gramas de madeira temos, aproximadamente, 52 gramas de carbono, 41 gramas de oxigênio, 6 gramas de hidrogênio, além de uma pequena quantidade de átomos de outros elementos químicos. A umidade pode ser de 20% a 50% da massa da madeira. As principais substâncias constituintes da madeira são a celulose – (C6H10O5)n – e as ligninas – (C9H12)n. Estão também presentes, em menores quantidades, óleos, resinas, taninos, gorduras, corantes, glicídios, substâncias minerais etc. Quando uma madeira é queimada, as substâncias mais voláteis são as primeiras a reagir com o oxigênio, produzindo Município de Turmalina, Vale do Jequitinhonha (MG), 2007. chamas altas e coloridas. Nos fornos para produção de carvão, propositalmente, a quantidade de oxigênio não é suficiente para queimar toda a madeira ali colocada. Dessa forma, ocorre uma combustão incompleta, produzindo como resíduo o carvão vegetal, constituído basicamente por átomos de carbono. Além do carvão, outras substâncias são obtidas na queima da madeira. Por meio da destilação seca, processo que consiste na condensação de gases provenientes dessa queima, obtêm-se as três frações apresentadas na tabela a seguir. No processo industrial de produção de carvão vegetal, utilizam-se fornos, nos quais são colocados pedaços relativamente pequenos de madeira seca à temperatura de 300 °C. Quando sua obtenção é destinada à siderurgia do ferro-gusa e à de subprodutos (metanol, ácido acético, piche, óleo e gás), a escala de produção é bem maior. A madeira utilizada com mais frequência é o eucalipto.

Além do carvão vegetal, temos o carvão mineral, conhecido como carvão fóssil ou de pedra. Esse carvão é muito utilizado para gerar energia em usinas termelétricas. Sua origem é parecida com a do petróleo: a partir do soterramento de enormes florestas com vegetação densa, processo que ocorreu há cerca de 250 milhões de anos. Sua composição varia de acordo com seu tipo, como mostra a tabela a seguir e, em geral, a presença de carbono em sua composição é maior do que no carvão vegetal.

235


Tipo

Oxigênio

Hidrogênio

Carbono

40,0%

6,0%

54 a 60%

25,0%

5,0%

65 a 75%

AleRuaro/Pulsar Imagens

COMPOSIÇÃO PERCENTUAL APROXIMADA DOS DIFERENTES TIPOS DE CARVÃO MINERAL

CINÉTICA QUÍMICA

Wikimedia Commons

Turfa

Hely Demutti

Linhito

Luis Miguel Bugallo Sánchez/ Wikimedia Commons

Hulha

15,0%

4,5%

75 a 85%

3,0%

2,0%

95%

Cleiton Lages

Hely Demutti

Antracito

Quanto maior o teor do carbono do carvão, maior é sua capacidade de gerar calor e energia. Por isso, a turfa nem sempre é aproveitada como combustível, e sim como adubo. Por outro lado, o linhito é largamente empregado na siderurgia ou como matéria-prima na indústria química. O antracito é considerado um carbono quase puro. Diferentemente da madeira, que inicialmente produz chamas altas, a queima do carvão produz pouca chama no início de sua combustão e, depois, as brasas queimam lentamente. Dessa forma, pode-se dizer que o carvão é um combustível mais eficiente que a madeira. Entretanto, é preciso aproveitar adequadamente Mina de Carvão de Candiota (RS). as substâncias geradas em sua produção, que não são combustíveis tão eficientes, mas possuem outras aplicações importantes. Outra diferença do carvão vegetal é que ele é oriundo de uma fonte renovável de As minas subterrâneas são recursos utilizados para a obbiomassa que globalmente gera menos gás carbônico para a atmosfera do que os comtenção do carvão mineral. bustíveis fósseis como o carvão mineral, conforme veremos no próximo item. Entretanto, as minas podem levar a terremotos, resultantes de acomodações de terras superficiais, e podem envolver problemas de drenagem. Além disso, impõem graves ameaças à saúde e à segurança dos mineiros, que enfrentam a morte lenta pela doença negra (ocasionada pela vida em minas, onde se respira um ar muito poluído).

236

Do carvão podem ser extraídas diversas substâncias. Na destilação seca da hulha, a 1 100 °C e na ausência de ar, originam-se três frações de grande valor comercial. A fração gasosa (representa 20%) produz os gases de hidrogênio, metano, monóxido de carbono e é utilizada como combustível e gás de iluminação. Da fração líquida (10%) retiram-se aminas, hidróxido e sais de amônio. Com esses produtos fabricam-se fertilizantes agrícolas, plásticos, tintas, produtos de limpeza, medicamentos etc. A fração líquida também produz o piche, usado em pavimentação e proteção de metais. A fração sólida (70%) produz o carvão coque usado na indústria siderúrgica para a obtenção de aço.

Biocombustíveis Por definição podemos dizer que biomassa é toda matéria orgânica, de origem animal ou vegetal, que pode ser usada para produção de energia. Pode-se considerar que se trata de uma forma indireta de energia solar, já que essa é transformada em energia química, por meio do processo metabólico da planta, a fotossíntese. As plantas podem ser consideradas verdadeiras usinas transformadoras de energia solar em energia química. Elas absorvem dióxido de carbono e água que são metabolizados, produzindo substâncias que constituem os vegetais, utilizando a energia dos


fóton

6CO2(g) + 6H2O(g) ( C6H12O6 (s) + 6O2(g) Do ponto de vista energético, a biomassa se transforma em energia quando pode ser aproveitada em atividades humanas e na natureza, em processos de manutenção da vida. Essa garantia de potencial energético tem de se manter num ciclo, ser renovável e eficaz. Uma das principais vantagens da biomassa é o balanço de carbono, já que nesses processos menor quantidade de CO2 é lançada na atmosfera em termos globais. Isso se deve ao fato de que, enquanto os combustíveis fósseis jogam na atmosfera gás carbônico que estava fossilizado há milhares de anos, os biocombustíveis lançam na atmosfera gás carbônico que já estava na atmosfera e que foi absorvido pelos vegetais. Além disso, parte do gás carbônico lançado será reabsorvido em novas plantações. A biomassa apresenta uma infinidade de matérias-primas que podem ser aproveitadas para produção de energia. Analise o quadro abaixo. Vejamos agora alguns tipos de combustível da biomassa Morro Agudo (SP), 2001. que têm ganhado notoriedade no Brasil, nos últimos anos.

1 2 3 4 Joel Silva/Folhapress

Os biodigestores, além de produzirem energia, ajudam a diminuir um sério problema das sociedades modernas: o lixo. Alguns projetos governamentais vêm aproveitando recursos da biomassa para a produção de eletricidade a partir da cana-de-açúcar, de resíduos agrícolas, de resíduos da madeira e de óleos vegetais.

CAPÍTULO

fótons da radiação solar. O oxigênio é liberado para a atmosfera e, depois, parcialmente consumido no processo de respiração. Nesse processo há formação de moléculas de glicose que são a base de formação de moléculas orgânicas produtoras de carboidratos e outras substâncias da estrutura dos vegetais. Esse processo de fotossíntese pode ser representado pela seguinte equação abaixo:

5 6 7 8

PRINCIPAIS EXEMPLOS DE BIOCOMBUSTÍVEIS Biocombustível

Matéria-prima

Processos de obtenção

Composição química

Carvão vegetal

Madeira

Pirólise

Carbono

Álcool

Açúcares (glicose, amido, celulose etc.)

Fermentação aeróbica

Etanol (CH3CH2OH)

Biogás

Todo o tipo de biomassa

Fermentação anaeróbica

Hidrocarbonetos leves

Biogás de síntese

Biomassa em geral

Gaseificação

Mistura de vários gases, essencialmente CO e H2

Biodiesel

Óleos e gorduras

Esterificação ou transesterificação

Monoésteres de ácidos graxos

Bio-óleo

Óleos e gorduras

Craqueamento ou hidrocraqueamento

Mistura de hidrocarbonetos e compostos oxigenados

Fonte: OLIVEIRA, Flavia C. da C.; SUAREZ, P. A. Z.; W. L. P. S. Biodiesel: possibilidades e desafios. In: Química Nova na Escola, v. 28, p.3-8, 2008.

Biodiesel O biodiesel é um combustível derivado de biomassa, é renovável e biodegradável. Pode ser produzido a partir de gordura animal e de óleos vegetais, como mamona, dendê, girassol, amendoim, pinhão manso, soja, entre outros. O biodiesel é assim uma mistura de ésteres de ácidos graxos com monoálcoois de cadeia curta, como o metanol ou o etanol. Apesar de o biodiesel possibilitar a substituição do diesel, a sua composição química é bem diferente da do diesel. O óleo diesel é constituído por hidrocarbonetos com cadeias que podem chegar a vinte e oito átomos de carbono, contendo baixas concentrações de átomos de enxofre, oxigênio e nitrogênio. Ele é obtido a partir do refino do petróleo por destilação fracionada em temperaturas na faixa de 150 a 400 °C.

237


Os dois veículos lançam CO2 na atmosfera, mas enquanto o primeiro lança na atmosfera carbono que estava armazenado no subsolo há milhares de anos, o segundo lança átomos de carbono que já estavam na atmosfera.

Acervo do autor

Agilberto Lima/AE

CINÉTICA QUÍMICA

Os processos químicos de obtenção do biodiesel são: craqueamento, esterificação e transesterificação. Este último, o mais utilizado deles, consiste de reações químicas de óleos vegetais ou gorduras de origem animal com etanol ou metanol, em presença de catalisador. Desse processo também se extrai a glicerina, empregada para fabricação de sabonetes e diversos outros cosméticos. No quadro abaixo são ilustradas reações de transesterificação usadas na obtenção de um biodiesel. Segundo a lei no 11.097, de 13 de janeiro de 2005, o biodiesel “tem seu uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou, conforme regulamento para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil”.

1

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Fonte: OLIVEIRA, Flavia C. da C.; SUAREZ, P. A. Z.; SANTOS, W. L. P. Biodiesel: possibilidades e desafios. In: Química Nova na Escola, v. 28, p.3-8, 2008.

As pesquisas na área já promoveram vários avanços para o favorecimento da utilização comercial do biodiesel. Entre esses, busca-se a utilização de misturas formadas pela adição de óleo vegetal ao óleo diesel, visando a minimizar os problemas nos motores; a modificação e adaptação de motores; ou, ainda, a modificação de óleos vegetais para que se assemelhem ao óleo diesel. Em 2011, o Brasil manteve-se entre os maiores consumidores de biodiesel do mundo. Porém, a produção das 60 usinas espalhadas por nosso território equivale a somente 40% do total de sua capacidade produtiva. A adição de biodiesel no diesel, que hoje é de 4%, deverá subir para 10% em 2014 e chegar a 20% em 2020.

238


CAPÍTULO

Do ponto de vista ambiental, o biodiesel é muito menos agressivo do que o diesel pelo fato de reduzir o processo de emissão de gás carbônico que contribui para o aumento do aquecimento global; de não possuir átomos de enxofre, como o diesel, que durante a sua queima gera gases tóxicos que provocam a formação de chuva ácida, além de, globalmente, emitir menos outros poluentes do que o diesel. Por outro lado, o uso de biodiesel também gera problemas ambientais derivados do cultivo em larga escala de vegetais, com uso de agrotóxicos e técnicas agressivas ao solo. Surge aí outro problema: a substituição de lavouras de alimentos por lavouras de matéria-prima para combustíveis, o que pode reduzir a disponibilidade de alimentos para a população. No caso, o que precisa ser feito é uma discussão sobre a redução desses problemas para que o uso do biodiesel seja ambientalmente mais favorável do que o uso de combustíveis fósseis.

1 2 3 4 5

Hidrogênio

6

National Hydrogen Association, EUA

Car Culture/Corbis

Michael Maloney/Corbis

7 8

Car Culture/Corbis

Photoresearchers/Latinstock

Por muitos aspectos, o hidrogênio é considerado, por muitos cientistas, o “combustível do futuro”. O primeiro aspecto se deve ao fato de seus átomos serem os mais abundantes no universo e o terceiro mais abundante em nosso planeta. Sua substância simples, o gás hidrogênio (H2), é um excelente combustível. A combustão de um quilograma dessa substância libera energia equivalente a energia liberada pela queima de 2,8 quilogramas de gasolina. Pode ser produzido a partir da eletrólise da água, e sua combustão gera água novamente. Ou seja, é produzido a partir de uma matéria-prima barata, e seu produto não agride o ambiente. Assim, é uma fonte não poluente, inesgotável e renovável. Na verdade, o hidrogênio é uma forma limpa para armazenagem de energia, por meio do uso de células combustíveis, já que sua produção consome energia. Uma das principais dificuldades de utilização do hidrogênio está em seu armazenamento, já que em condições ambientes é um gás e pode ser combustível. No entanto, vários países e indústrias têm investido no desenvolvimento de tecnologias que possibilitam o uso seguro e crescente dessa fonte de energia. A tecnologia de células combustíveis de hidrogênio está evoluindo rapidamente. Em 2009, já estava disponível nos EUA para carros mais modernos e com uma autonomia para rodar cerca de 400 km.

A tecnologia de carro hidrogênio vem se aprimorando, de forma que o abastecimento e controle de consumo não é muito diferente do abastecimento de carros movidos a combustíveis fósseis. A diferença é que, nesse caso, a descarga libera vapores de água e não gases do efeito estufa como nos motores a combustão.

239


Debata D ebata e entenda FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Aponte vantagens e desvantagens de cada fonte alternativa de energia. 2. Pesquise sobre outras fontes alternativas de energia e apresente-as em forma de cartaz. 3. Indique medidas que precisam ser adotadas visando à economia de energia e à substituição dos atuais combusCINÉTICA QUÍMICA

tíveis fósseis pelos seguintes setores: indústria, governo e população.

4. Debata sobre as possíveis razões pelas quais outras fontes de energia ainda não foram muito exploradas, apesar da crise do petróleo do início da década de 1970.

5. Debata sobre as possíveis medidas que sua comunidade pode tomar para diminuir o consumo de energia. 6. Seria a biomassa uma fonte de energia limpa? Por quê? 7. Quais seriam os possíveis impactos ambientais e econômicos da produção de biodiesel no setor agrário?

1 CINÉTICA QUÍMICA

R

eações químicas podem ser rápidas ou lentas, e as reações de combustão constituem bons exemplos desses fatos. Enquanto as transformações de carboidratos que liberam energia em nosso organismo ocorrem lentamente, a combustão do TNT – trinitrotolueno – ocorre em fração de segundos. Os químicos buscam mecanismos que permitam o controle das reações químicas, diminuindo seus efeitos prejudiciais às pessoas e ao ambiente. Esses conhecimentos permitem aumentar o rendimento de certas reações ou retardar outras que são indesejáveis, possibilitando o melhor emprego da Química em diferentes situações de cotidiano como, por exemplo, na conservação de alimentos. O estudo do controle das reações químicas é feito na área de estudo chamada Cinética Química, que estudaremos no presente capítulo. Para isso, vamos inicialmente exemplificar o controle de reações essenciais no processo de obtenção de energia que estamos estudando nesta unidade: as reações de combustão.

Combustão Pense Que atitudes podem ser tomadas para apagar um incêndio? Será que podemos retardar ou aumentar a rapidez de uma reação de combustão?

Para responder a essas perguntas, precisamos responder a outra:

Pense O que é necessário para que ocorra uma combustão?

240


Flávio Florido/Folhapress

CAPÍTULO 1 2 3 4 5

Com conhecimento químico sobre como se processa o fogo, os bombeiros usam técnicas diferenciadas para apagá-lo.

6 7 8

J. Yuji

Para ocorrer uma reação de combustão, são necessários: um combustível, um comburente, uma fonte de ignição e uma reação em cadeia. Combustível é todo material oxidável (sólido, líquido ou gasoso) capaz de reagir com o gás oxigênio, denominado comburente. As reações de combustão liberam energia na forma de calor e luz e produzem, geralmente, o gás dióxido de carbono (CO2) e água. Além desses gases, dependendo da composição do combustível e das condições da reação, outros podem ser produzidos, tais como dióxido de enxofre e monóxido de carbono. Para que uma reação de combustão ocorra, é necessário um agente responsável pelo início do processo de queima: a ignição.. Esse agente fornece a energia necessária para que a reação inicie e se mantenha, constituindo uma reação em cadeia. Nesse processo, enquanto existir combustível e comburente a reação continua espontaneamente. A combustão pode ser representada pelo esquema abaixo:

O triângulo do fogo representa as condições necessárias para que ocorra fogo. São necessários três componentes: combustível, oxigênio e energia. O combustível propaga o fogo na presença de oxigênio (comburente) e de um acontecimento que forneça o calor inicial (ignição). Após o início da queima, a reação continua até que um dos três fatores seja eliminado. Sabendo disso, os bombeiros utilizam essa técnica para controlar o fogo: eliminam um desses componentes.

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Outra representação comum das condições para que ocorra fogo é o quadrado do fogo, quem considera também a necessidade de uma reação em cadeia.

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fogo

J. Yuji

calor

comburente

reação em cadeia

A combustão é a reação do oxigênio do ar com moléculas ou átomos do combustível. Quando isso ocorre só na superfície do material, o processo é relativamente lento. Porém, é possível interferir nesse processo para controlá-lo ou para tirar o maior proveito energético. Como, por exemplo, a pulverização do combustível para acelerar e homogeneizar o processo de combustão, como ocorre nos motores dos veículos automotivos. Conhecendo o processo de combustão, é possível controlar o fogo de incêndios, reduzindo sua ocorrência e diminuindo seus danos. Veja alguns cuidados que devemos ter nesse caso.

241


CINÉTICA QUÍMICA

Presença de materiais combustíveis, como madeira e tecido, uso de velas e botijões de gás, sobrecargas em redes elétricas, faíscas, uso simultâneo de vários equipamentos em uma mesma tomada, uso de extensões elétricas inadequadas, entre outros fatores, aumentam os riscos de incêndios, pela associação imediata dos agentes do fogo: combustíveis, faísca e comburente presente no ar. Locais sujeitos a esses e outros riscos devem, obrigatoriamente, possuir sistemas adequados de combate a incêndios. Nesses casos, a principal preocupação consiste em eliminar um dos três fatores do triângulo do fogo, esquematizado anteriormente. Os materiais combustíveis são, normalmente, constituídos de matéria orgânica, e a rapidez de queima é maior em combustíveis líquidos e gasosos, em relação aos sólidos. Um dos equipamentos básicos usado no combate ao fogo é o extintor de incêndio. Você já deve ter notado que, embora todos extintores de incêndio sejam recipientes de metal pintados de vermelho, existem diferentes tipos. Conhecê-los é fundamental para sua utilização correta em situações de emergência. De acordo com o material consumido (combustível), os incêndios são classificados em diferentes classes. Veja, nos quadros a seguir, as classes de incêndio e os tipos de extintores que devem ser usados em cada uma delas. CLASSIFICAÇÃO DE INCÊNDIOS Classe

Tipos de incêndios

Tipos de extintores

A

Incêndio em materiais sólidos (madeira, papel, tecido etc.). Esses materiais queimam em superfícies e em profundidade, deixando resíduos (brasas, cinzas, carvão etc.).

Extintor com água pressurizada, extintor com pó químico seco – NaHCO3, extintor com gás carbônico.

B

Incêndio em líquidos inflamáveis (óleo, gasolina, querosene, álcool etc.). Esses materiais queimam somente em superfície e não deixam resíduos quando queimados.

Extintor com pó químico seco – NaHCO3, extintor com gás carbônico.

C

Incêndio em equipamentos ou rede elétrica energizados. Desligada a corrente elétrica, o incêndio passa a ser de classe A.

Extintor com pó químico seco – NaHCO3, extintor com gás carbônico.

D

Incêndio em metais que inflamam facilmente (sódio, potássio, magnésio, titânio, alumínio em pó etc.).

Abafamento com areia.

Só por curiosidade, procure um extintor em sua escola ou em sua casa e observe de que tipo ele é e qual a sua composição. TIPOS DE EXTINTORES DE INCÊNDIO

Extintor com água pressurizada

Extintor com gás carbônico

242

Princípio de funcionamento

A água, impulsionada por um gás (nitrogênio ou dióxido de carbono), resfria e abafa o fogo. Usado para controle de fogo em material sólido, como madeira.

O gás, além de abafar e resfriar, não conduz eletricidade. Usado para controle de fogo em material sólido ou líquido, além de equipamentos elétricos.

Tipo

Princípio de funcionamento

Extintor com pó químico seco – NaHCO3

O pó abafa e sua decomposição, que produz H2O, CO2 e Na2CO3, resfria o sistema. Usado para controle de fogo em material sólido ou líquido, além de equipamentos elétricos.

Extintor de espuma mecânica

Contém água, espumante e ar pressurizado. A espuma resfria e abafa. Usado em locais onde há risco de vazamento de grandes quantidades de combustível como, por exemplo, em aeroportos.

Fotos: Hely Demutti

Tipo


CAPÍTULO

Rapidez de reação

1 2 3 4 5 6 7 8

O que torna os explosivos tão violentos é a grande rapidez com que as reações ocorrem. Paulo Liebert/AE

Em algumas situações é necessário aumentar ou retardar a rapidez de reações químicas, e para isso os químicos controlam a taxa em que essas reações se processam, a qual se refere à variação da quantidade de reagente consumido ou de produto formado por uma unidade de tempo, e é denominada rapidez de reação. Em muitos livros, essa taxa é denominada velocidade da reação. Todavia, considerando que o conceito de velocidade é definido como a variação de espaço por unidade de tempo, preferimos adotar aqui a denominação rapidez, como também já vem sendo utilizado em outros livros. Para a determinação da rapidez de reações químicas, as quantidades consumidas e produzidas são expressas em unidades de concentração (se as substâncias estiverem em solução) ou em termos de pressão parcial (se as substâncias forem gases). A unidade de tempo a ser usada deve levar em conta a reação em estudo. Assim, pode-se usar microssegundos para a explosão do gás de cozinha, minutos para a combustão de uma vela, dias para o enferrujamento de uma lâmina de ferro ou para a degradação do princípio ativo de um medicamento, meses para o apodrecimento da madeira, anos para a oxidação espontânea da celulose de um papel – que se torna amarelado e, depois de mais tempo, assume a tonalidade café. É bom observar que a rapidez se aplica a cada instante, ou seja, é um valor instantâneo. Isso acontece porque, à medida que a reação avança, a concentração dos reagentes diminui e a concentração dos produtos aumenta, afetando a rapidez da reação, como veremos mais adiante. O estudo da rapidez de reações químicas e dos fatores que a afetam está relacionado com o movimento das moléculas. Vamos agora analisar alguns processos químicos comuns e os fatores que neles interferem. A combustão é uma transformação espontânea que pode trazer grandes benefícios ou malefícios. A maioria dos combustíveis pode ficar na presença de oxigênio por muito tempo sem que haja reação. Entretanto, iniciada uma reação de combustão, pode ser difícil controlá-la. Diferentes materiais queimam com diferente rapidez, produzindo diferentes quantidades de calor. A rapidez de combustão de alguns materiais é tão grande que eles são considerados explosivos, ou seja, podem provocar reações extremamente rápidas, com grande expansão de gases. Imagine a chama de uma fogueira em uma festa junina, aquecendo uma noite fria. Se não forem tomados alguns cuidados por quem preparou a fogueira, o fogo poderá se espalhar e provocar um incêndio com terríveis consequências. São Paulo, 2008. Veja a seguir como os químicos controlam essa reação.

243


Química Q uímica na escola

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

CINÉTICA QUÍMICA

Por que a vela apaga? As atividades a seguir poderão ser realizadas facilmente em sala de aula, com materiais que podem ser trazidos de casa. No caso de alguma dúvida, consulte seu professor.

Material • 1 copo de 300 mL • água fria • seringa descartável de 5 mL ou 10 mL

• 1 comprimido efervescente • bicarbonato de sódio • uma caixa de fósforos

• espátula metálica (ou faca de mesa) • 50 cm de mangueira de aquário • 2 velas

1. Após terminada cada parte do procedimento, limpe rigorosamente o sistema e deixe-o em condições para o próximo procedimento. 2. Fixe a vela no fundo do copo de forma que a ponta do pavio não ultrapasse a altura da borda do copo, como indica a figura ao lado. Parte A 1. Acenda a vela. 2. Encha a seringa de água. 3. Esguiche cuidadosamente a água da seringa na parte superior da chama. 4. Repita o procedimento, direcionando o jato para a base da chama da vela. 5. Observe e anote. Parte B 1. Coloque água até um terço da altura do copo. Cuidado para não molhar o pavio. 2. Acenda a vela. 3. Adicione metade de um comprimido efervescente à água e observe. 4. Observe e anote.

J. Yuji

Procedimento

Parte C 1. Acenda a vela. 2. Com uma espátula de metal, adicione uma boa quantidade de bicarbonato de sódio ao pé da chama. 3. Observe e anote. Parte D 1. Cuidadosamente, coloque água até um terço da altura do copo. 2. Adicione 10 mL de detergente à água. 3. Acenda a vela. 4. Coloque uma ponta da mangueira no fundo da água com detergente e sopre pela outra extremidade (cuidado para não aproximar o rosto da chama da vela). 5. Observe e anote.

Destino dos resíduos Os resíduos sólidos desta atividade podem ser descartados no lixo comum e os resíduos líquidos, na pia.

Análise de dados 1. Onde o jato de água deve ser direcionado para apagar a chama mais rápido? 2. Descreva quimicamente para cada parte por que o fogo apagou, utilizando o triângulo do fogo para justificar.

Na vela, o combustível é a parafina, mistura de hidrocarbonetos (CnH2n + 2) que contém de 20 a 36 átomos de carbono. Ao acendermos uma vela, a temperatura da chama funde a parafina que sobe pelo pavio por um processo denominado capilaridade. Essa parafina líquida queima e gera calor para fundir mais parafina que irá subir pelo pavio, alimentando a chama.

244


CAPÍTULO

A queima da vela pode ser descrita, de forma simplificada, pela equação: 2C20H42(l) + 61O2(g) ( 40CO2(g) + 42H2O(g) Esse sistema mantém a reação em cadeia pelo fornecimento constante de combustível: vapores de parafina. Com o mesmo princípio, apagamos o fogo: retirando o comburente com o abafamento e o gás carbônico. Este é um fator importante no controle da rapidez da reação: o aumento ou diminuição da concentração de um dos reagentes. Outra forma de controle do fogo está no controle da temperatura. A presença de água não só retira o comburente, como também reduz a temperatura, diminuindo a energia do sistema necessária para a continuidade da reação em cadeia. Esse fator justifica a dificuldade do controle de incêndios florestais em período de seca e muito calor. A volatilização da parafina aumenta a rapidez da combustão da vela, pelo fato de os vapores se misturarem mais facilmente com o gás oxigênio, aumentando o contato das moléculas reagentes, que no caso de sólidos e líquidos o contato se restringe à superfície do material. O entendimento do efeito desses fatores (concentração, temperatura e superfície de contato) pode ser explicado por uma teoria que apresenta um modelo sobre como ocorrem as reações, apresentada a seguir.

1 2 3 4 5 6 7 8

2 TEORIA DAS COLISÕES

C

Hely Demutti

Um queijo minas frescal armazenado em atmosfera modificada com uma mistura de 70% de gás carbônico e 30% de nitrogênio tem sua durabilidade aumentada em mais de cinco vezes.

Hely Demutti

ompreender passo a passo como ocorre uma reação química, embora não seja tarefa simples, é de extrema importância para o controle, por exemplo, da combustão. A partir dessa compreensão, é possível controlar o fogo e outras reações indesejáveis, além de otimizar procedimentos de produção e viabilizar modificações que alterem os rumos das reações. Afinal, as rupturas de ligações entre átomos de substâncias reagentes e a formação de novas ligações, originando os produtos da reação, acontecem em etapas. Nessas etapas, ocorre formação de espécies químicas intermediárias diferentes dos reagentes e produtos da reação. Como não é possível visualizar átomos e suas formas de interação, os químicos desenvolveram teorias, ou modelos, que explicam como as reações químicas se desenvolvem. No estudo de uma reação química, o primeiro fator a ser levado em conta é se os reagentes, quando colocados em contato, causam ou não uma reação. Um alimento colocado num recipiente contendo gás oxigênio irá se deteriorar muito mais rapidamente do que se for guardado em um recipiente contendo exclusivamente nitrogênio. Muitas substâncias podem ficar em contato por longo tempo sem que nada ocorra com elas, ou seja, sem que haja reação química. Outras, quando em contato, podem reagir ou não, dependendo das condições a que estiverem expostas.

Enquanto o gás butano está confinado no interior do botijão lacrado e o gás oxigênio está do lado de fora, não há perigo de que a reação química aconteça. Entretanto, se houver vazamento...

245


J. Yuji

J. Yuji

A

B

A substância H2 ( ) só irá reagir com a substância Cl2 ( ) se ambas estiverem em contato. Para isso, é importante retirar a parede que as separa, permitindo esse contato.

J. Yuji

J. Yuji

CINÉTICA QUÍMICA

Vamos estudar a cinética de reações químicas, considerando o modelo atômico de Dalton. Consideremos a reação entre o hidrogênio (H2) e o cloro (Cl2) para a formação do ácido clorídrico (HCl). Se trabalharmos com 1 mL de um desses gases nas CNTP, teremos uma quantidade de moléculas em torno de 3 ⋅ 1019. É muito! Certamente, se tivermos essa quantidade de gases confinada em um espaço de 1 mL, fica fácil imaginar que, como estão em movimento constante, as moléculas irão se chocar constantemente. Podemos, então, imaginar o que acontece com algumas moléculas apenas e generalizar nossas observações.

Para as substâncias reagirem, não basta estarem misturadas; há necessidade de haver colisões entre as moléculas dos reagentes. Na situação A, as moléculas se movimentam em uma direção na qual podem colidir e reagir. Já na situação B, não há colisão e, consequentemente, não há reação.

É quando colidem que as moléculas entram em contato e reagem. Nesse sentido, podemos dizer que uma condição necessária para que ocorra a reação entre moléculas é haver colisão entre elas. Porém, estar em contato, apesar de ser condição necessária, não é suficiente para que duas substâncias reajam. Vejamos um exemplo: imagine que entre as moléculas ocorram colisões como representado nos esquemas abaixo (as setas representam as direções dos movimentos).

Qual dos tipos de colisão você imagina ser mais eficiente para que ocorra reação química?

A

J. Yuji

Pense B Possíveis orientações em choques entre moléculas de hidrogênio e cloro.

Para que se processe a reação química, é necessário que a colisão entre as moléculas ocorra com uma orientação favorável. Se a orientação não for favorável, dizemos que a colisão não foi efetiva, e a reação não ocorrerá.

246


CAPÍTULO

Veja qual seria o resultado das colisões para as duas direções citadas. O esquema a seguir mostra cinco instantes de cada colisão.

J. Yuji

Pense Qual resultado dos dois esquemas abaixo representa a formação de novas substâncias? Por quê? T1

T1

T2

T2

T3

T3

T4

T5

T4

T5

1 2

Sequência de instantes de choques entre duas moléculas, com setas indicando a direção do movimento de cada uma delas. Nos dois primeiros instantes, elas estão se aproximando até que colidem (T3) e depois afastam-se (T4 e T5 imagens).

3 4 5 6 7 8

Colisões como as representadas no primeiro esquema não formam novas substâncias como acontece nas colisões representadas no segundo esquema. Nesse caso, dizemos que a colisões de moléculas como as representadas no segundo esquema são efetivas, enquanto as colisões como as representadas no primeiro esquema não são efetivas. Percebemos, assim, que para ocorrer uma reação é necessário haver colisão entre as moléculas conforme uma orientação adequada, que favoreça a união entre os átomos que formarão as novas substâncias. No entanto, colisões como as representadas no segundo esquema não levam necessariamente à formação de produtos. Após a colisão entre as moléculas, de acordo com a orientação desse esquema, duas situações diferentes são possíveis. Veja a representação a seguir.

Pense Ilustrações: J. Yuji

J. Yuji

O que é necessário para que ocorra a segunda situação ilustrada abaixo? 1

2

Possíveis resultados, após colisões com orientações corretas, entre moléculas de dois reagentes.

A orientação correta do choque entre duas moléculas não é garantia de que a reação aconteça. Quando ocorre uma colisão, como a representada nos esquemas da figura anterior, há formação de uma nova espécie química (A2B2), muito instável, na qual há interações entre os quatro átomos. Essa espécie, chamada espécie intermediária, tem vida curta e desintegra-se rapidamente. Isso poderá ocorrer, como no esquema superior, com o rompimento das ligações entre os

247


∆H da reação

Energia de ativação

Reagentes

Produtos

Reagentes Curso da reação

Curso da reação

O modelo que imaginamos para explicar as reações químicas é conhecido como teoria das colisões. Segundo essa teoria, para que ocorra uma reação química entre duas substâncias é necessário que: • as substâncias sejam reativas; • ocorra choque entre as moléculas que as constituem; • o choque entre as moléculas ocorra com orientação favorável; • o choque orientado favoravelmente possua energia suficiente para formar os produtos. A teoria das colisões baseia-se na reação entre gases, mas também se aplica aos líquidos e sólidos, embora existam grandes diferenças de organização em cada estado de agregação. Com base na teoria das colisões, podemos entender os três principais fatores que afetam a rapidez de uma reação. Vejamos quais são e como atuam cada um desses fatores.

248

Alexandre Bueno

Entalpia

Representação gráfica da energia de ativação para uma reação endotérmica (I) e para uma reação exotérmica (II).

Produtos

Energia de ativação

II) Entalpia

I)

∆H da reação

CINÉTICA QUÍMICA

átomos de hidrogênio e entre os átomos de cloro, mas com a formação de novas ligações entre átomos de hidrogênio e de cloro. Nesse caso, há formação de uma nova substância. Já no segundo esquema de desintegração da espécie intermediária A2B2, as ligações iniciais (H K H e Cl K Cl) são mantidas e as ligações novas são H K Cl. Portanto, não há formação de novas substâncias, mas sim a regeneração das substâncias anteriores. No primeiro caso, a energia da colisão entre as moléculas dos reagentes foi suficiente para romper as ligações existentes e produzir novas ligações. No segundo caso, a energia da colisão não foi suficiente e, consequentemente, não levou à formação de novas substâncias. Os choques efetivos entre moléculas levam à formação de espécies intermediárias que irão formar os produtos, denominadas complexos ativados. Sendo assim, podemos dizer que o segundo esquema da figura anterior é resultante de uma colisão de baixa energia, enquanto o primeiro é resultante de colisão com energia suficiente para promover a reação. A energia necessária para que as colisões sejam efetivas é denominada energia de ativação. Sem essa energia os reagentes, mesmo entrando em contato, não reagem. É por isso que a mistura de gás de cozinha com o oxigênio do ar não provoca de imediato uma reação de combustão. Para iniciar a reação, é necessário o fornecimento de energia de ativação, a qual pode ser oriunda de uma faísca ou da energia liberada pela combustão de um palito de fósforo, por exemplo. Nas reações exotérmicas, depois de iniciada a reação, a energia liberada pelas moléculas que já reagiram é suficiente para ativar novas reações, sem ser necessário fornecer mais energia. Já nas reações endotérmicas para manter a continuidade da reação é necessário fornecer mais energia do que a diferença efetiva de energia entre os produtos e reagentes. Os gráficos a seguir representam a energia de ativação necessária para que uma reação exotérmica e outra, endotérmica, aconteçam.


C

DAS REAÇÕES

CAPÍTULO

3 FATORES QUE INFLUENCIAM A RAPIDEZ

1

omo vimos, os químicos podem controlar as reações, aumentando ou diminuindo sua rapidez.

2 3

Pense

4

O que pode tornar uma reação química mais ou menos rápida?

5 6

Você vai descobrir isso ao realizar os experimentos a seguir.

7 8

Química na escola

Consulte as normas de segurança no laboratório, na última página deste livro.

Você pode controlar reações? Como? Os experimentos a seguir poderão ser realizados facilmente em sala de aula, com materiais que podem ser trazidos de casa. Os béqueres e o almofariz com pistilo, por exemplo, podem ser substituídos por copos de vidro e por um socador de alho. No caso de alguma dúvida, consulte o professor. Parte A

Materiais • 3 béqueres de 100 mL • 1 comprimido efervescente

• água fria • água quente • água em temperatura ambiente

Procedimento 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Divida o comprimido efervescente em quatro partes iguais. Coloque água fria em um béquer, mais ou menos até a metade de seu volume. Coloque a mesma quantidade de água em temperatura ambiente em outro béquer. No terceiro béquer, coloque a mesma quantidade de água quente (não fervendo). Adicione, simultaneamente, um pedaço do comprimido efervescente em cada béquer. Observe e anote o que acontece.

Destino dos resíduos Os resíduos dessa atividade podem ser descartados no sistema de esgoto.

Análise de dados 1. 2. 3. 4. 5.

Descreva o que você observou. Como você explica o que observou? Que fator influenciou a rapidez da reação? Cite exemplos do seu cotidiano em que o calor é utilizado para acelerar processos químicos. De acordo com os resultados obtidos nesse experimento, o que é necessário para aumentar ou para diminuir a rapidez de uma reação?

249


Parte B

Materiais

CINÉTICA QUÍMICA

• 1 comprimido efervescente • 2 béqueres de 100 mL

• água em temperatura ambiente • almofariz e pistilo

Procedimento 1. 2. 3. 4. 5.

Divida o comprimido efervescente em duas partes iguais. Triture uma das partes no almofariz, transformando-a em um pó bem fino. Coloque a mesma quantidade de água nos dois béqueres. Simultaneamente, adicione em um béquer a parte do comprimido que foi triturada e, em outro béquer, a parte sem triturar. Observe e anote.

Destino dos resíduos Os resíduos dessa atividade podem ser descartados no sistema de esgoto.

Análise de dados 1. Descreva o que você observou. 2. No preparo de alimentos, cite exemplos em que o tamanho do material é utilizado como forma de alterar a rapidez de um processo químico. Como você explica o que observou? 3. Como você chamaria o fator que influenciou a rapidez da reação? 4. De que forma esse fator aumenta ou diminui a rapidez de uma reação? Parte C

Materiais • 2 tubos de ensaio 2 • conta-gotas • lã de aço • solução de sulfato de cobre penta-hidratado (CuSO4 ⋅ 5H2O), de concentração igual a 0,1 mol/L (aproximadamente uma medida de colher de café bem cheia, dissolvida em 100 mL de água)

Procedimento 1. Com dois pedaços da lã de aço, faça duas bolinhas de mesmo tamanho. 2. Coloque 5 mL da solução de sulfato de cobre em um tubo de ensaio (tubo 1). 3. Coloque 1 mL da solução de sulfato de cobre em outro tubo de ensaio e acrescente 4 mL de água (tubo 2). Agite a solução. 4. Coloque, ao mesmo tempo, uma bolinha de lã de aço em cada tubo. 5. Observe por cinco minutos e anote.

Destino dos resíduos O resíduo sólido dessa atividade pode ser descartado no lixo seco e o resíduo líquido no sistema de esgoto.

Análise de dados 1. Descreva o que você observou. 2. Qual a diferença entre as duas soluções utilizadas no experimento?

250


O que aconteceu à lã de aço? Por quê? Represente, por meio de desenhos, as reações ocorridas nos tubos 1 e 2, destacando a diferença entre elas. Cite exemplos do seu cotidiano em que o fator estudado aqui pode alterar a rapidez de um processo químico. Como você chamaria a esse fator? Com base nos resultados desse experimento, tente explicar como esse fator aumenta ou diminui a rapidez de uma reação.

• água oxigenada a 10 volumes • 2 placas de Petri (ou pires) • conta-gotas

Procedimento 1. 2. 3. 4.

2

4

Materiais uma batata crua uma batata cozida um pequeno pedaço de fígado cru um pequeno pedaço de fígado cozido

1

3

Parte D

• • • •

CAPÍTULO

3. 4. 5. 6. 7.

5 6 7 8

Em uma placa de Petri, coloque um pedaço da batata crua e um pedaço da cozida. Coloque três gotas de água oxigenada em cada pedaço e observe. Em outra placa, coloque um pequeno pedaço de fígado cru e um outro pedaço cozido. Goteje três gotas de água oxigenada em cada pedaço, observe e anote.

Destino dos resíduos O resíduo sólido dessa atividade pode ser descartado no lixo orgânico e o resíduo líquido no sistema de esgoto.

Análise de dados 1. A água oxigenada se decompõe naturalmente produzindo água e gás oxigênio. Essa reação pode ter sua rapidez aumentada, produzindo maior quantidade de oxigênio. 2. Compare a rapidez da reação ocorrida em cada placa de Petri. O que diferenciou a rapidez das reações? 3. Como você chamaria esse fator que alterou a rapidez da reação?

Temperatura Pense Por que os alimentos se conservam por muito mais tempo quando guardados na geladeira do que em temperatura ambiente?

De forma geral, um aumento de temperatura gera aumento na rapidez das reações químicas, enquanto o abaixamento da temperatura reduz a rapidez destas. A energia das moléculas, no momento da colisão, constitui um fator determinante para a ocorrência de reações químicas. Muitas vezes, há necessidade de fornecer energia às substâncias ou materiais para que a energia cinética aumente e as reações comecem. Assim, variações de quantidade de energia das moléculas fazem com que as reações ocorram com maior ou menor rapidez. O efeito da temperatura é de fácil compreensão se lembrarmos que as partículas, em líquidos e gases, estão em constante movimento, devido à energia cinética.

251


Hely Demutti Hely Demutti

CINÉTICA QUÍMICA

Como já vimos, a energia cinética está relacionada diretamente à temperatura do material. A rapidez de uma reação é proporcional à temperatura. Isso ocorre porque quando a temperatura é mais alta a movimentação das moléculas também é maior, o que eleva a quantidade de colisões entre as partículas, aumentando também a quantidade de colisões efetivas do sistema. Esse princípio é, geralmente, válido para reações que se processam em uma única etapa, pois, como veremos mais adiante, existem reações que ocorrem em Bananas são transportadas verdes por semais de uma etapa. Nesses casos, é possível que a temperatura afete a formação rem, assim, mais resistentes. Depois, para de complexos intermediários, influenciando a rapidez da reação como um todo. amadurecerem e irem para as prateleiras, Um exemplo desse tipo de reação é a que ocorre entre os gases monóxido são colocadas em estufas abafadas, de nitrogênio (NO) e oxigênio (O2), formando dióxido de nitrogênio (NO2), que onde amadurecem mais. diminui sua rapidez com o aumento da temperatura por causa da diminuição da estabilidade do complexo intermediário. O controle da temperatura é muito importante em diversos ramos da indústria. Normalmente, há necessidade de aumentar a rapidez das reações envolvidas nos processos de produção para diminuir custos, pois as indústrias consomem muita energia nesses processos. Em outros casos, como nos alimentos, há necessidade de que as reações de degradação sejam retardadas para que eles se conservem por mais tempo. A luz também pode influenciar na rapidez de certas reações químicas. Nesse caso, a energia de ativação é fornecida pela energia da radiação luminosa. Reações que ocorrem devido à presença de luz são chamadas reações fotoquímicas. Como exemplos, podemos citar o processo de fotossíntese e a impressão de A baixa temperatura pode diminuir a rapidez das chapas fotográficas.

Ricardo Azoury/Olhar Imagem

reações que contribuem para a degradação de certos alimentos. Por isso, muitos alimentos devem ser conservados sob refrigeração.

Navios naufragados no litoral brasileiro, como a Corveta Ipiranga, em Fernando de Noronha, enferrujam mais rapidamente do que navios naufragados em regiões próximas aos polos Norte ou Sul, devido à temperatura mais elevada de nosso litoral, o que acelera as reações.

252

Superfície de contato Talvez você já tenha visto um combustível líquido, como gasolina ou álcool, pegar fogo. O fogo fica na superfície do líquido (classe B) porque é aí que existe o contato com o outro reagente: o oxigênio do ar. Quando um combustível é vaporizado ou pulverizado no ar, a reação com o oxigênio é muito rápida, praticamente instantânea. Justamente por essa rapidez é que não se deve acender lâmpadas em locais com suspeita de vazamento de gás de cozinha. Por essa mesma razão, para se acender uma fogueira utilizam-se gravetos para só depois colocar a lenha formada por pedaços maiores de madeira. A justificativa é simples: quanto maior a superfície de contato entre os reagentes de uma reação, maior é sua rapidez. Já sabemos que, quanto maior o número de moléculas em contato, maior será o número de colisões. Concluímos, então, que aumentando a superfície de contato entre as partículas dos reagentes, estaremos aumentando a frequência de choques entre elas, o que provoca um aumento na quantidade de choques efetivos e influencia na rapidez da reação. Nos sólidos, a combustão começa pelas partículas da superfície, e só depois atinge as partículas de seu interior. No caso dos líquidos, a reação ocorre na superfície, a não ser que eles sejam pulverizados, o que aumenta a área de contato com o oxigênio. Por isso, em um motor a combustão, o combustível é pulverizado nos pistões, causando explosões. Quando partimos um sólido ao meio, além de toda a superfície externa, a região interna que ficou exposta depois da divisão também entrará em contato com os reagentes. Nesse caso, dizemos que houve um aumento da superfície de contato do material, ou seja, houve um aumento da região em que os reagentes vão entrar em contato. Consequentemente, mais rápida será a reação com os demais reagentes. Para você ter uma ideia da diferença, compare a superfície de um cubo de 10 cm de aresta com a superfície total de mil cubos de 1 cm de aresta.


J. Yuji

10 cm

1 cm

CAPÍTULO

Um exemplo dessa possibilidade de aumentar a rapidez de uma reação é o costume de picar alimentos para aumentar a rapidez do seu cozimento. Essa prática pode significar uma economia de gás de cozinha; no entanto, do ponto de vista nutricional não é um bom negócio: quanto mais os legumes são partidos, maior é a perda de substâncias nutritivas, extraídas por dissolução na água ou decompostas pela ação do ar.

1 2 3 4

Caio Guatelli/Folhapress

Renata Mello/Olhar Imagem

5 Quantas vezes a superfície de um cubo de 10 cm de aresta é maior do que a soma das superfícies de 1000 cubos de 1 cm de aresta?

6 7 8

Um escoteiro sabe que para acender uma fogueira é necessário juntar gravetos bem finos, que têm uma superfície de contato muito maior do que a lenha e, por isso, pegam fogo com mais facilidade.

Hely Demutti

Explosões em silos podem acontecer devido ao fino pó que fica suspenso e pode ter sua combustão iniciada, por exemplo, por uma faísca ao acender um interruptor.

Qual das duas batatas irá cozinhar mais rapidamente? Qual delas perderá mais nutrientes?

Concentração Pense Outro fator que pode alterar a rapidez de uma reação é a concentração das espécies químicas envolvidas – os reagentes. A explicação desse fato, considerando a teoria das colisões, é fácil: quanto maior o número de partículas dos reagentes, maior será a probabilidade de choques entre elas e, consequentemente, mais rápida será a reação. Para substâncias no estado gasoso, a medida do efeito da concentração está relacionada à pressão parcial do gás. Quanto maior for essa pressão, maior será o número de moléculas presentes e maior será a quantidade de colisões por unidade de volume. Um bom exemplo da importância da concentração numa reação química pode ser dado pela queima do álcool. Comumente, o álcool comercial contém água. Quanto mais água, menor a concentração do álcool e, consequentemente, menor a rapidez da reação. A concentração do reagente pode diminuir a valores tão baixos que a combustão nem ocorre. Antigamente, o álcool comercializado era muito concentrado, com menos de 10%

Hely Demutti

Por que assoprar uma brasa aumenta a combustão e assoprar uma vela a interrompe?

Por medida de segurança, tem-se recomendado a venda de álcool em gel, com baixo teor alcoólico, para evitar acidentes.

253


CINÉTICA QUÍMICA Caio Guatelli/Folhapress

Quando bebês prematuros nascem, necessitam de cuidados especiais, assim são colocados em estufas, como mostra a foto. Nelas, é possível aumentar a concentração de oxigênio fornecida para as crianças. Assim, as reações de oxigenação do seu corpo são aceleradas e, com isso, gastam menos energia.

de água. Atualmente, o álcool mais comumente comercializado possui metade de seu volume em água. Consequentemente, enquanto o primeiro era utilizado para fazer fogo, o segundo não adianta em nada nesse caso. Por que, em certos casos, assoprar aumenta a intensidade da reação e, em outros casos, a interrompe? Vamos responder a essa questão considerando o caso da vela e o da brasa, apresentado na seção "Pense" da página anterior. Vamos, inicialmente, analisar o processo de combustão de uma vela. Como você sabe, a vela é formada por um pavio de barbante envolvido por parafina, material derivado do petróleo. Depois de aceso o pavio, o calor da chama derrete a parafina que, líquida, sobe, por capilaridade, no pavio e queima na chama. A queima da parafina é uma reação de combustão. Quando a reação é completa, os produtos são o dióxido de carbono (CO2) e a água (H2O). Quando a reação não é completa, parte da parafina é transformada em moléculas menores de outros hidrocarbonetos que também podem ser queimados. Entretanto, em condições normais, não existe oxigênio em quantidade suficiente para reagir com todo o combustível. Isso faz com que a combustão seja incompleta, formando outros produtos além dos já citados, como o monóxido de carbono (CO) e a fuligem (aquela parte escura que são pequenas partículas em suspensão). Agora você tem segurança para responder à pergunta anterior? Se você assopra a vela, diminui muito a temperatura do pavio, interrompendo a combustão. Retirando a fonte de ignição, a reação cessa porque não há mais energia de ativação para alimentá-la. Por outro lado, ao abanarmos uma churrasqueira, a chama aumenta, pois a corrente de ar retira a cinza, facilitando o contato do oxigênio com a brasa. Pode-se dizer que a brasa é o combustível já aquecido pela energia de ativação; aumentando o contato entre os reagentes, aceleramos a reação de combustão.

Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Diferencie a combustão completa da incompleta. 10. Explique, de acordo com a teoria das colisões e a do estado ativado, por que existem reações que são rápi2. Em um incêndio, causado por vazamento de gás, qual seria o procedimento mais fácil para apagar a chama do gás: despejar água na chama ou jogar uma toalha molhada em cima do local onde está escapando o gás? Justifique sua resposta.

3. Qual a importância do estudo da Cinética Química? O que é Cinética Química?

das e outras lentas.

11. Por que o aumento de temperatura aumenta a rapidez de uma reação química?

12. Justifique a seguinte afirmação: o aumento da temperatura diminui a energia de ativação.

13. Qual é a influência da superfície de contato na rapidez 4. Em que consiste a rapidez de uma reação química? de uma reação química? 5. Como podemos expressar a taxa de rapidez de uma 14. Explique como a concentração pode alterar a rapidez reação química?

de uma reação química.

6. O que é a energia de ativação? 15. Justifique a seguinte afirmação: analisando uma equa7. Explique, utilizando a teoria das colisões, em que conção química é possível prever como a rapidez varia com siste uma colisão eficaz.

a concentração dos reagentes dessa reação.

8. Quais são as condições necessárias para que uma rea- 16. Alguns medicamentos são apresentados na forma ção química possa ocorrer?

9. Explique o que é o complexo ativado. 254

de comprimidos que, quando ingeridos, se dissolvem lentamente no líquido presente no tubo digestório,


c) A rapidez da produção de bolhas aumenta com a elevação da temperatura da água. d) As bolhas são constituídas de gás carbônico. e) O fenômeno corresponde a uma reação química.

17. (UFRGS-adaptado) O carvão é um combustível consti-

19. (UFMG-adaptado) A tabela abaixo mostra o resultado

tuído de uma mistura de substâncias ricas em carbono. A situação em que a forma de apresentação do combustível e do comburente e a temperatura utilizada favorecerão a combustão do carbono com maior rapidez é: COMBUSTÍVEL

COMBURENTE

TEMPERATURA

A

carvão em pedaços

ar atmosférico

0 °C

B

carvão pulverizado

ar atmosférico

30 °C

C

carvão em pedaços

oxigênio puro

20 °C

D

carvão pulverizado

oxigênio puro

100 °C

E

carvão em pedaços

oxigênio liquefeito

50 °C

18. (UFMG-adaptado) Quando se coloca um comprimido efervescente em um copo com água, o qual constitui um sistema aberto, observam-se o aparecimento de bolhas e a dissolução do comprimido. Sobre esse fenômeno, todas as afirmações estão corretas, exceto: a) A dissolução será mais rápida se o comprimido for pulverizado. b) A massa do sistema se mantém inalterada durante a dissolução.

de experiências em que comprimidos efervescentes foram dissolvidos em água. Estado do comprimido

CAPÍTULO

garantindo um efeito prolongado no organismo. Contudo, algumas pessoas, por conta própria, amassam o comprimido antes de tomá-lo. Que inconveniente existe nesse procedimento?

1 2 3

Temperatura da água (°C)

Tempo para dissolução total, em minutos

4

Inteiro

20 °C

1,0

5

Inteiro

30 °C

0,5

6

Pulverizado

20 °C

0,7

7

Pulverizado

40 °C

0,2

8

Considerando-se os resultados da tabela e os fatores que, em geral, influenciam a rapidez de reação, marque a alternativa errada. a) A pulverização aumenta a energia cinética das partículas. b) A pulverização aumenta a frequência de colisões das partículas do comprimido com as moléculas de água. c) A rapidez de dissolução depende de mais de um fator. d) O aquecimento aumenta a energia média das colisões. e) O aumento da superfície de contato favorece a dissolução.

4 MECANISMOS DE REAÇÃO

S

egundo a teoria das colisões, para ocorrer reação química as partículas de espécies químicas reativas precisam colidir. Essas partículas podem ser átomos, moléculas ou íons que, ao colidirem, provocam rearranjos de átomos, com rompimento e formação de novas ligações químicas. Nesse sentido, reações que envolvem rearranjo de muitos átomos tendem a ser lentas e, consequentemente, reações que envolvem rearranjo de poucos átomos tendem a ser rápidas. Para explicar como as reações acontecem, são propostos modelos de mecanismos que justificam os fenômenos observados. De acordo com um desses mecanismos, as reações não ocorrem em uma única etapa. Antes da formação dos produtos, as colisões levam à formação de espécies intermediárias. Obviamente, quanto maior for o número de espécies químicas envolvidas, maior a necessidade de rearranjos e a quantidade de etapas envolvidas até a formação dos produtos da reação. Como exemplo, vamos considerar a reação de combustão de vapores de octano, um dos componentes da gasolina. 2C8H18 (g) + 25O2(g) ( 16CO2(g) + 18H2O(g)

Se a reação ocorresse em uma única etapa, de acordo com a equação, haveria necessidade de que duas moléculas de octano colidissem com 25 moléculas de oxigênio. Isso

255


J. Yuji

CINÉTICA QUÍMICA

Para que a reação ocorresse em uma só etapa, seria necessário que cada duas moléculas de octano colidissem, simultaneamente, com 25 moléculas de oxigênio.

significaria a colisão simultânea de 27 moléculas, formando um complexo ativado que se desintegraria, produzindo as 34 moléculas dos produtos. Parece óbvio que essa reação não ocorre em uma única etapa, pois produz muitos rearranjos de ligações químicas. A probabilidade da colisão simultânea entre tantas moléculas é tão pequena que a rapidez dessa reação seria imensurável. Ou seja, se dependesse dessas colisões, em vez de explosões na combustão de vapores de gasolina em um motor, teríamos uma reação lenta cuja liberação de energia seria imperceptível, incapaz de produzir qualquer movimento. Para que o modelo explicativo da ocorrência de reação química possa se ajustar à realidade observável da rapidez da combustão de vapores de gasolina, teremos de concluir que essa reação complexa provavelmente se dá em uma série de etapas mais elementares, envolvendo menor número de colisões simultâneas. A essa série de etapas é que denominamos mecanismo de reação. Vejamos um exemplo. Estudar os mecanismos de uma reação que envolve tantas espécies químicas não é fácil. Por isso, vamos estudar uma reação mais simples: a reação de decomposição do monóxido de nitrogênio, formando os gases nitrogênio e oxigênio. Essa reação pode ser descrita pela equação a seguir. 2NO(g) ( N2(g) + O2(g) Essa reação não acontece em uma única etapa. Nela há a formação de uma espécie intermediária que, posteriormente, irá se decompor, formando os produtos. Assim, o mais preciso seria escrever a reação segundo a equação a seguir. 2NO(g) ( N2O2(g) ( N2(g) + O2(g) Uma outra forma de representar a reação seria apresentando as etapas: 1a etapa: 2NO(g) ( N2O2(g) 2a etapa: N2O2(g) ( N2(g) + O2(g) Somando-se as etapas, podemos cancelar substâncias que se repetem nos produtos e nos reagentes. Veja como ficaria esta equação: NO(g) ( (NO)2(g) 1a etapa: a N2O2(g) ( N2(g) + O2(g) 2 etapa: Reação global: 2NO(g) ( N2(g) + O2(g) A figura abaixo representa, microscopicamente, a reação. 1

2

1a etapa

3

2a etapa

O complexo ativado, espécie intermediária, é instável e rapidamente se decompõe dando origem aos produtos da reação. Por isso, a segunda etapa da reação (passagem da figura 2 para a 3) ocorre rapidamente.

256

Ilustrações: J. Yuji

Nessa sequência de figuras, as bolinhas vermelhas representam átomos de oxigênio e as amarelas representam átomos de nitrogênio. Do grande número de moléculas presentes no sistema, estamos representando apenas cinco, mas vamos dar destaque a duas que estão no canto direito das imagens. Na figura 1, duas moléculas estão em rota de colisão. Na figura 2, como a energia, a direção e orientação do choque são favoráveis, há formação do complexo ativado. Na figura 3, o complexo ativado se decompõe dando origem a moléculas dos produtos.


J. Yuji

Energia potencial

CAPÍTULO

Entretanto, a ocorrência da primeira etapa (passagem da figura 1 para a 2) exige quantidade de energia, por formar uma substância que é energeticamente desfavorável. Isso faz com que essa etapa seja lenta. A figura ao lado representa graficamente a variação de energia dessa reação. A rapidez total da reação depende da soma da rapidez de cada etapa que constitui a reação global. Se pelo menos uma das etapas da reação for lenta, a rapidez do processo global também será lenta. Assim, a etapa mais lenta da reação é que determina a rapidez de todo o processo; por isso, ela é denominada etapa determinante da rapidez da reação.

intermediários

1 2 3 reagente

4 produtos

5 6

Evolução da reação

7

Representação da variação de energia durante a reação de decomposição do monóxido de nitrogênio em nitrogênio e oxigênio.

8

Q

uando colidem reagentes com suficiente energia cinética, parte dessa energia se transforma em energia potencial que fica armazenada nas ligações da espécie intermediária, denominada complexo ativado. Esse complexo tem uma energia superior à dos reagentes, e a diferença entre essas energias é denominada energia de ativação (Ea). Ela é a menor quantidade de energia, nas condições do sistema, necessária à formação do complexo ativado e, consequentemente, para a ocorrência da reação. Mesmo as reações exotérmicas precisam de energia de ativação. Depois de iniciadas, essas reações produzem energia suficiente para se autossustentarem enquanto houver reagentes. No caso da queima de um combustível, essa energia pode ser fornecida por uma simples faísca. Depois de iniciada, a reação libera energia suficiente para outras espécies reagirem. Assim como o palito de fósforo, o isqueiro precisa de um “empurrãozinho” (energia de ativação) para que a reação ocorra. O contato dos reagentes é condição necessária, mas não suficiente, para as reações ocorrerem. A energia de ativação está diretamente relacionada com a rapidez da reação química.

Os palitos de fósforos usados diariamente só entram em combustão quando riscados, pois a energia de ativação é obtida pelo atrito.

Hely Demutti

5 CATÁLISE

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

J. Yuji

Analise o gráfico abaixo e responda: Qual das etapas (I, II e III) é a mais lenta? E qual é a mais rápida?

Energia armazenada

Pense

EaI

reagente

I

produtos

EaII EaIII

II

III Caminho da reação

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Air bags de automóveis protegem motoristas e passageiros durante choque e/ou colisões. O dispositivo é inflado pelo gás nitrogênio (N2), produzido em uma reação rápida, praticamente instantânea, que ocorre entre nitreto de sódio e óxido de ferro III. Uma faísca é a energia de ativação da reação, cuja equação é: CINÉTICA QUÍMICA

faísca

6NaN3(l) + Fe2O3(s) ( 3Na2O(s) + 2Fe(s) + 9N2(g)

Divulgação Divulgação

A etapa mais lenta é a que apresenta maior valor para a energia de ativação, e a mais rápida, a que apresenta menor valor para a energia de ativação. Uma forma de aumentar a rapidez de reações químicas é a utilização de catalisadores: substâncias ou materiais que alteram a rapidez de reações químicas, não sendo consumidos de forma considerável na reação. Esse processo que ocorre com a presença de catalisadores é chamado de catálise. O estudo da catálise é um importante campo de pesquisa na química que tem tido várias aplicações tecnológicas. São vários os tipos de catálise e os processos envolvidos com os catalisadores para aumentar a rapidez da reação. De modo geral, os catalisadores são recuperados no fim do processo, tendo sido pouco consumidos. Pelo fato de serem relativamente muito pouco consumidos nas reações, os catalisadores não são considerados reagentes. Eles têm grande importância econômica em processos químicos, pois, além de reduzir significativamente o tempo de duração das reações, podem ser recuperados e utilizados diversas vezes e por muito tempo.

Os catalisadores são substâncias ou materiais que alteram a rapidez de reações químicas, sem serem consumidos de forma considerável.

Pense Por que não é necessário utilizar grandes quantidades de catalisador nas reações químicas?

Cada catalisador atua de forma diferente em uma reação química. Vejamos um pouco do seu mecanismo de ação.

Ação dos catalisadores A função dos catalisadores foi descoberta pelo químico sueco Jöns Jacob Berzelius [1779-1848]. Em 1835, ele publicou um trabalho comunicando que poderia aumentar a rapidez de uma transformação química acrescentando aos reagentes determinadas substâncias que, no entanto, não eram consumidas. A ação de um catalisador sobre uma reação química é chamada catálise. O estudo da catálise é tão importante para a ciência e a indústria que constitui um ramo específico de pesquisas. No Brasil, as atividades nessa área começaram em 1970, por iniciativa do químico Remolo Ciola [1923-2010]. O número de pesquisadores interessados em desenvolver conhecimento e tecnologia na área cresceu e esses passaram a organizar simpósios e congressos sobre o assunto. As descobertas geraram tecnologias que foram incorporadas por indústrias, levando ao surgimento de fábricas especializadas na produção de catalisadores. Os mecanismos de ação dos catalisadores são complexos e ainda não estão completamente esclarecidos. O que se sabe, contudo, é que eles alteram o caminho da reação, tornando algumas de suas etapas mais rápidas.

258


CAPÍTULO

A linha contínua representa a variação de energia durante a reação de decomposição do monóxido de nitrogênio em nitrogênio e oxigênio, na presença de catalisador. A linha pontilhada representa a mesma reação na ausência de catalisador.

1 2 3 4 5 J. Yuji

Embora não sofram alterações na composição química, certos catalisadores alteramse fisicamente, podendo ser recuperados, mesmo assim, no fim do processo. Essa propriedade justifica o alto investimento no seu desenvolvimento, pois, por ser muito pouco consumida nas reações químicas, a quantidade de catalisadores necessária para produção de grande quantidade de substâncias é muito pequena. Apesar da complexidade da atuação dos catalisadores, já se sabe que muitos deles agem sobre a etapa mais lenta da reação, facilitando a formação do complexo ativado por exigir menor quantidade de energia para sua formação. Com a diminuição dessa barreira energética, uma maior quantidade de reagentes forma o complexo ativado que, posteriormente, dá origem aos produtos da reação. Com isso, a reação global se processa mais rapidamente. A variação de energia da reação de decomposição do monóxido de nitrogênio, com e sem a presença de catalisador, pode ser representada pelo diagrama ao lado. Em certos casos, pode ser necessário diminuir o ritmo de reações que se processam muito rapidamente. Para isso, pode ser usada uma substância ou material que dificulte a formação do complexo ativado, aumentando a barreira energética da reação e tornando-a mais lenta. Essas substâncias ou materiais são conhecidos como inibidores. Um bom exemplo desse tipo de processo é a adição de determinadas substâncias a alimentos com intuito de retardar reações naturais de decomposição.

6 7 8

Aplicações dos catalisadores

Fotos: Hely Demutti

Os catalisadores têm ampla aplicação industrial, sendo muito utilizados na síntese de substâncias empregadas por indústrias alimentícias, farmacêuticas, de plásticos etc. Um exemplo de catalisador encontrado em nosso cotidiano são os conversores catalíticos utilizados em descargas de automóveis, conhecidos simplesmente como catalisadores. Semelhantes a uma colmeia de abelha, conversores catalíticos são recipientes metálicos com revestimento interno à base de cerâmica, com finos orifícios, instalados nas descargas dos automóveis, ou seja, nos escapamentos. Essa estrutura cerâmica serve de suporte para uma mistura de metais na forma de um pó fino. Na realidade, são esses metais que funcionam como catalisadores. Esses catalisadores aumentam a rapidez de uma série de reações que converterão gases poluentes em outros gases menos nocivos. O catalisador automotivo contém uma colmeia impregnada com metais específicos. Para veículos a gasolina, utiliza-se uma mistura de paládio e ródio, enquanto para veículos a álcool se utiliza uma mistura de paládio e molibdênio.

Para decompor os gases poluentes com eficiência, é necessário aumentar a superfície de contato dos catalisadores, o que é obtido por estruturas semelhantes a colmeias.

259


CINÉTICA QUÍMICA

Os gases poluentes são gerados na queima dos combustíveis. Como exemplos de gases tóxicos, temos o monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), dióxido de enxofre (SO2) e fragmentos de hidrocarbonetos que não queimaram completamente. Na combustão dos combustíveis, há ainda a produção de outros gases menos tóxicos ou não tóxicos – dióxido de carbono (CO2), água (H2O), ácido sulfídrico (H2S), oxigênio (O2) e nitrogênio (N2). Os conversores catalíticos aceleram as reações de transformação desses gases em outros menos poluentes, como ilustram as equações abaixo: 2CO(g) + O2(g) ( 2CO2(g) 2NO(g) + 2CO(g) ( N2(g) + 2CO2(g) C7H16 (g) + 11O2(g) ( 7CO2(g) + 8H2O(g) Essas reações são aceleradas nos conversores pela ação dos metais que as catalisam. A estrutura dos catalisadores em forma de colmeia aumenta a superfície de contato, produzindo uma área de aproximadamente dois a três campos de futebol. Um exemplo de utilização industrial de catalisadores está na produção do oxigênio (O2) a partir do clorato de potássio (KClO3), utilizando como catalisador o dióxido de manganês (MnO2). MnO2

2KClO3(s) **( 2KCl(s) + 3O2(g) Em condições normais de temperatura e pressão, essa reação é muito lenta. Quando realizada a altas temperaturas e na presença de dióxido de manganês, ocorre rapidamente, tornando-se mais adequada a processos industriais. Entre os catalisadores naturais estão os zeólitos, catalisadores à base de aluminosilicato, usados em processos de tratamento de água, separação de gases, craqueamento de petróleo etc. Esses materiais também têm sido usados para produzir gasolina a partir de álcool, por possibilitar que moléculas de álcoois formem hidrocarbonetos com um número de átomos de carbono desejado. Uma vantagem desse tipo de catalisador é que suas estruturas tridimensionais contêm canais de tamanhos seletivos que permitem interromper as reações quando a cadeia carbônica da substância em produção atinge o número de átomos desejado. Um exemplo dessa propriedade é a utilização do catalisador ZSM-5 na conversão de metanol em hidrocarbonetos de aproximadamente oito átomos de carbono, ou seja, gasolina. A vantagem da conversão de álcool em gasolina está no fato de que o poder energético (entalpia de combustão) da gasolina é maior que o do álcool. Isso ocorre porque o álcool é um hidrocarboneto parcialmente oxidado. Outra aplicação dos catalisadores está no processo de transesterificação para obtenção de biodiesel, como foi ilustrado nas reações da página 238. Vários investimentos têm sido feitos para desenvolvimento de novos catalisadores para essas reações.

Enzimas: catalisadores da vida Enzimas são proteínas (sequência de aminoácidos) sintetizadas pelas células que catalisam reações fundamentais para o funcionamento adequado dos processos bioquímicos. O funcionamento preciso de todas as funções de nosso corpo se deve à ação das enzimas. A digestão, por exemplo, começa na mastigação com a amilase, enzima presente em nossa saliva que quebra moléculas dos constituintes do amido, amilopectina e amilose, e do glicogênio, presentes em alimentos. Um dos produtos dessa reação é a glicose. Por isso, é possível sentir um sabor adocicado após mastigar um pedaço de pão por tempo suficiente para que haja a reação. Milhares de enzimas são produzidas por organismos vivos, sendo cada uma delas responsável por atuar em reações específicas que ocorrem no organismo. Por exemplo, a anidrase carbônica liga-se ao gás carbônico para transportá-lo até as moléculas de água e transformá-lo em ácido carbônico, que será eliminado do organismo.

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Hely Demutti

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J. Yuji

Química Verde: catalisando processos em favor do ambiente

Princípios da Química Verde 1. Prevenção. 2. Economia de átomos. 3. Síntese de produtos menos perigosos. 4. Desenvolvimento de produtos seguros. 5. Solventes e auxiliares mais seguros. 6. Busca pela eficiência de energia. 7. Uso de fontes renováveis de matéria-prima. 8. Evitar a formação de derivados.

8

A Química Verde tem como objetivo desenvolver produtos e processos que permitam uma relação mais saudável com o meio ambiente.

Hely Demutti

Um grande problema ambiental preocupa os ambientalistas: o consumo pela sociedade moderna de grandes quantidades de materiais e de energia. A raiz para solução desse consumo exagerado tem relação com a Química, ciência que tem como objeto central de estudo processos de transformações de materiais que geram novas substâncias e energia. Com essa preocupação, químicos de diversos países, desde a década de 1990, vêm desenvolvendo processos químicos que têm contribuído para a redução do consumo, tanto de materiais como de energia. Esse movimento dos químicos ficou conhecido como “Química Verde”. Seu principal propósito é desenvolver e aplicar produtos e processos químicos que reduzam ou eliminem o uso e a geração de substâncias perigosas à saúde humana e ao meio ambiente. Para alcançar esse objetivo da Química Verde, os químicos passaram a adotar princípios que não se resumem na busca de meios que reduzam de forma global materiais e energia. No quadro abaixo, são apresentados os doze princípios que têm fundamentado a ação dos químicos na perspectiva ambientalista.

CAPÍTULO

Representação da molécula de glicose, um dos produtos da digestão que é produzido durante a mastigação, graças à presença da enzima amilase.

Para preparar iogurtes, adicionam-se ao leite bactérias que contêm enzimas que aceleram as reações com o açúcar e as proteínas lácteas.

9. Catálise. 10. Desenvolvimento de sistema para a

degradação. 11. Análise em tempo real para a prevenção

da poluição. 12. Química intrinsecamente segura para a

prevenção de acidentes.

A catálise se configura no nono princípio, na medida em que ela assegura uma economia de tempo, de materiais e de energia. O seu estudo acaba sendo fundamental para se alcançar os demais princípios, pois o uso de catalisadores pode reduzir a quantidade de reagentes, auxiliar na síntese de produtos menos agressivos, aumentar a eficiência energética do sistema, evitar a formação de subprodutos indesejáveis e facilitar a degradação de substâncias tóxicas.

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Exercícios 1. Por que as reações químicas para a formação de produtos

CINÉTICA QUÍMICA

ocorrem em etapas?

2. A reação de 2A + B ( A2B apresenta as seguintes etapas: Etapa lenta: A + A ( A2 Etapa rápida: A2 + B ( A2B a) Qual é a espécie intermediária? b) Por que a primeira etapa é mais lenta e a segunda, mais rápida?

3. Explique por que a etapa lenta é mais importante no mecanismo de uma reação química.

4. Qual a importância da energia de ativação nos mecanismos de reação?

5. Qual a diferença entre reação endotérmica e exotérmi-

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

a) a curva II refere-se à reação catalisada e a curva I refere-se à reação não catalisada. b) se a reação se processar pelo caminho II, ela será mais rápida. c) a adição de um catalisador à reação diminui seu valor de ΔH. d) o complexo ativado da curva I apresenta a mesma energia do complexo ativado da curva II. e) a adição do catalisador transforma a reação endotérmica em exotérmica.

9. (Unirio-RJ) O gráfico a seguir refere-se ao diagrama ener-

gético de uma reação química (reagentes ( produtos), no qual se veem destacados dois caminhos de reação:

ca, em relação à energia de ativação?

6. Por que a energia de ativação indica se a reação será lenta ou rápida?

7. (UFMG) As curvas I e II representam caminhos possíveis para a reação de hidrogenação do propeno:

a) Indique a curva correspondente ao caminho da reação mais rápida. b) Escreva o fator responsável por essa diferença de rapidez. c) Compare os complexos ativados formados nos dois caminhos da reação. d) A reação ocorre pelos dois caminhos no mesmo sistema? Justifique sua resposta.

8. (UFPR) No diagrama a seguir estão representados os caminhos de uma reação na presença e na ausência de um catalisador:

Após uma análise das entalpias dos reagentes, dos produtos e dos valores a, b, c e d, podemos afirmar que: a) a reação é endotérmica e a presença do catalisador diminui o ΔH de a para b. b) a reação é endotérmica e a representa o ΔH com a presença do catalisador. c) a reação é exotérmica e a energia de ativação, sem a presença do catalisador, é representada por c. d) a presença do catalisador diminui o ΔH da reação representada por c. e) a presença do catalisador diminui a energia de ativação de a para b e mantém constante o ΔH da reação representada por d.

10. Explique como o catalisador influi na rapidez de uma reação.

11. Qual a importância dos catalisadores para as indústrias? 12. Explique o funcionamento do conversor catalítico dos automóveis, conhecido como catalisador.

13. Qual a importância, em termos de aplicação, da zeólita como catalisador natural? Com base nesse diagrama, é correto afirmar que:

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14. Por que as enzimas são consideradas catalisadores?


16. Explique por que a luz não é considerada um catalisador. 17. Nas reações químicas, o inibidor é um material que se caracteriza por:

a) b) c) d) e)

auxiliar o catalisador. aumentar a rapidez da reação. diminuir a rapidez da reação. agir como catalisador. diminuir a energia de ativação.

CAPÍTULO

15. Como atua um inibidor?

1 2 3 4

Cinética Química

5

b Algumas reações podem ser lentas e outras rápidas. A cinética é a área da Química que estuda a rapidez com

6

que as reações ocorrem e os fatores que a alteram.

b A rapidez da reação é a taxa que se refere à variação da quantidade de reagente consumido ou de produto formado por unidade de tempo. b Para a determinação da rapidez de reações químicas, as quantidades consumidas e produzidas são expressas em unidades de concentração (se as substâncias estiverem em solução) ou em termos de pressão parcial (se as substâncias forem gases).

7 8

Teoria das colisões b Para que duas ou mais substâncias possam reagir, é necessário que suas moléculas colidam para que haja quebra das ligações e formação de novas substâncias. As colisões devem ser efetivas, com orientação favorável e energia suficiente. b Energia de ativação é a energia necessária para iniciar uma reação.

Fatores que influenciam a rapidez das reações b Temperatura: de forma geral, um aumento de temperatura aumenta a energia cinética das moléculas provocando um aumento na rapidez das reações químicas; enquanto o abaixamento da temperatura reduz a rapidez destas. b Superfície de contato: quanto maior o número de moléculas em contato, maior será o número de colisões e consequentemente haverá um aumento na rapidez da reação. b Concentração: quando a concentração dos reagentes é alta, aumenta-se a possibilidade de ocorrem colisões efetivas, provocando um aumento na rapidez das reações.

Mecanismos de reação b As reações químicas tendem a ocorrer em etapas. Antes da formação dos produtos, as colisões dos reagentes levam à formação de espécies intermediárias. Essas etapas elementares pelas quais passam a reação principal são denominadas mecanismos de reação. b A rapidez total da reação depende da soma da rapidez de cada etapa que constitui a reação global. Se pelo menos uma das etapas da reação for lenta, a rapidez do processo global também será lenta. b Para que as reações ocorram, é necessário uma energia mínima para iniciar o processo. Essa energia é necessária para ativar as moléculas fazendo com que elas colidam efetivamente, recebendo o nome de energia de ativação (Ea). b Quando a energia é suficiente para a reação, ocorre a formação de um composto intermediário, instável, denominado complexo ativado. b Quanto menor a energia de ativação, mais facilmente se forma o complexo ativado e mais rápida será a reação.

Catálise b Uma forma de aumentar a rapidez de reações químicas é a utilização de catalisadores. Essas substâncias ou materiais alteram a rapidez de reações químicas, sem serem consumidos de forma considerável.

263


C apít ulo 8 TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS

ENERGIA NUCLEAR De onde vem a energia nuclear? Como devemos fazer uso da radioatividade e da energia nuclear?

Tema em foco ENERGIA NUCLEAR COMO FONTE DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Na primeira metade do século passado, o conhecimento sobre a estrutura do átomo avançou vertiginosamente. Além de descobrir mais sobre a constituição e a organização do átomo, os cientistas também constataram que era possível manipular a grande quantidade de energia envolvida em transformações nucleares. Tal conhecimento favoreceu inúmeras descobertas que, hoje, melhoraram a qualidade de vida das pessoas, mas que também geram questões importantes sobre os perigos envolvidos com a manipulação desses materiais. O crescimento populacional, associado ao desenvolvimento tecnológico, levou a uma necessidade cada vez maior de energia elétrica. Alguns países, como o Brasil, possuem diversas fontes para a obtenção de energia elétrica. Entretanto, na maioria dos países não há tanta diversidade de recursos disponíveis. A energia nuclear, em razão disso, despontou como alternativa para ajudar a suprir essa necessidade. Geração de energia elétrica no mundo Podemos classificar a energia elétrica no mundo em função de sua forma de geração. O gráfico ao 40% carvão lado apresenta essa distribuição.

São utilizadas várias fontes para atender às necessidades de energia elétrica no mundo. As usinas de energia nucleoelétrica colaboram com 17% do total da energia elétrica produzida no mundo, mas correspondem com apenas 12% da capacidade elétrica instalada.

11% derivados de petróleo 17% nuclear 13% gás 19% hidrelétrica

264

O Brasil apresenta um enorme potencial hidrelétrico e também utiliza a energia elétrica gerada pelas usinas nucleares de Angra 1 e Angra 2. Para evitar falta de energia no futuro, o país deve investir em qual das duas formas de geração?

Juca Martins

Juca Martins/Olhar Imagem

Nota: geotérmica e outras = menos de 0,5%


Wikimedia Foundation

CAPÍTULO 1 2 3 4 5

Jacques Demarthon/AFP Photo

Vários países europeus abrangem territórios pequenos e não dispõem de recursos hídricos que lhes permitam gerar energia elétrica suficiente para suprir suas demandas. Para atender a essa necessidade de energia elétrica, utilizam usinas termelétricas que usam como fonte de energia o carvão, um material altamente poluente. Uma das possibilidades de solucionar essas questões é gerar energia elétrica por meio de usinas nucleoelétricas. Assim, a energia nuclear é uma das alternativas disponíveis para suprir a grande necessidade energética de muitos países. Porém, o uso dessa fonte é cercado de grandes controvérsias. Enquanto alguns propõem sua erradicação, devido aos riscos de acidentes que podem ser muito graves, outros defendem seu uso alegando que essa é a única fonte de energia capaz de substituir, de forma global, combustíveis fósseis e impedir catástrofes relacionadas às mudanças climáticas, oriundas do aquecimento global causado por emissão de gases. No ano de 2006, segundo a Agência Internacional de Energia Atômica, havia 443 usinas nucleares em funcionamento no mundo gerando um total de 367 GW. Imagine se essa energia fosse oriunda de usinas termelétricas que utilizam combustíveis fósseis, certamente as previsões climáticas catastróficas previstas pelos cientistas para as próximas décadas já estariam acontecendo! Para muitos países, sobretudo os emergentes, dispor de tecnologia para enriquecimento de urânio com o objetivo de produzir energia elétrica é fundamental e pode representar soberania, mas ao mesmo tempo pode gerar risco para os demais países. A humanidade já teve provas dos riscos aos quais está exposta ao manipular a energia contida nos átomos, como os acidentes da usina soviética de Chernobyl e da usina japonesa Patrick Moore, funde Fukushima. O acidente com Césio-137, em Goiânia, é o exemplo brasileiro desses riscos. dador do Greenpeace, e James Lovelock, o criaEm 2005, o Brasil viu reacender a discussão sobre o emprego da energia nuclear para a gedor da Teoria de Gaia, seração de energia elétrica, com a construção da usina nuclear de Angra 3, que deverá entrar em gundo a qual a Terra é um operação no ano de 2014. Essa discussão persiste até os dias atuais, pois o país precisa enconorganismo autorregulátrar alternativas energéticas que favoreçam o crescimento e minimize os problemas ambientais. vel e vivo, têm defendido Apesar de toda a controvérsia em torno das aplicações da radiação e da energia nuclear, se a ideia de que a energia por um lado elas provocaram a morte de milhares de pessoas por meio de bombas ou acidennuclear é alternativa enertes, não há como negar que também produziram uma série de benefícios para a sociedade. gética viável para a socieA polêmica está posta. Quem deve decidir sobre as utilizações da energia nuclear e da dade moderna. radioatividade? Os cientistas? Os tecnocratas que trabalham para as empresas? Os políticos? A população? Seria melhor, acreditamos, que a sociedade como um todo se posicionasse sobre essas questões. O debate envolve aspectos econômicos, éticos, políticos e ambientais. Neste capítulo, você estudará um pouco sobre o funcionamento de usinas nucleares, seus potenciais e riscos. Dessa maneira, compreenderá novos conceitos que lhe darão melhores condições de participar de debates sobre o uso e as consequências da energia nuclear, formando opinião a respeito dessa questão. Comecemos vendo opiniões divergentes sobre o assunto.

6 7 8

Energia nuclear: energia limpa? Assim como os transgênicos, a energia nuclear é um assunto polêmico. Por isso, é alvo de debates acalorados que envolvem ciência e sociedade. Entretanto, sempre que se fala em radioatividade, as pessoas demonstram receio ou mesmo medo. Não é de estranhar, uma vez que milhares de pessoas já morreram em decorrência de efeitos da radiação proveniente de bombas ou acidentes. Entretanto, também não podemos esquecer da quantidade de pessoas que são curadas ou tratadas com métodos que envolvem o uso de diferentes tipos de radiações. Além da medicina, outros segmentos da nossa sociedade utilizam-se da radioatividade e, embora nem percebamos, usufruímos dos benefícios dessa utilização. A verdade é que, logo após a descoberta da radioatividade, os cientistas se preocuparam em evitar acidentes causados pelo seu uso descontrolado. Não podemos esquecer também que a exposição a diferentes formas de radiações é absolutamente natural, como discutimos anteriormente.

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Claudia Otte/Dreamstime

Department of Defense, USA

ENERGIA NUCLEAR

Graças à desmontagem de arsenais militares de países como os EUA e a antiga União Soviética, o mercado tem reprocessado ou reciclado materiais para serem usados como combustível em usinas nucleares.

Wuppertal, Alemanha 2009.

No entanto, o fato atual reside na necessidade de expansão da oferta de energia para a sociedade tecnológica. O que vamos fazer se as reservas de combustíveis fósseis correm o risco de acabar e seu uso em grande escala gera problemas climáticos de grande ordem? Precisamos encontrar alternativas, e o uso da energia nuclear é apresentado como sendo uma delas. As usinas nucleares que são usinas termelétricas apresentam algumas vantagens em relação às demais usinas termelétricas e às hidrelétricas na geração de eletricidade: • representam um potencial energético relativamente maior quando comparado com as reservas de combustíveis fósseis ou de recursos hídricos associados a acidentes geográficos que permitem a construção de hidrelétricas; • se não considerarmos a ocorrência de acidentes de grandes proporções como o de Chernobyl (veja texto adiante), afetam o ambiente de forma muito menos agressiva que as demais usinas termelétricas, altamente poluentes, e as hidrelétricas, que represam grandes quantidades de água, causando impactos ambientais de grandes proporções. Dados estatísticos apontam que, ao contrário do que muitos pensam, a energia nuclear para geração de eletricidade é segura. Os registros históricos demonstram que o uso da energia nuclear é seguro. Até os dias atuais, tivemos apenas um único acidente grave e de grandes proporções em termos de vítimas humanas, o de Chernobyl, que abordaremos mais adiante. Porém, existem outras questões preocupantes quanto ao uso da energia nuclear: • A geração de resíduos é perigosa, contendo isótopos radioativos cujo período de decaimento é muito longo. Alguns, como o amerício-241, são produzidos em pequenas quantidades, mas permanecem ativos por milhões de anos. Outros, como o césio-137 e o estrôncio-90, têm suas vidas médias na ordem de centenas de anos. • A produção do combustível é menor que a demanda, dificultando a expansão da energia nuclear para geração de eletricidade. • A segurança de reatores nucleares que podem tornar-se alvos de terroristas, com vista à obtenção de material radioativo para fabricação de armas nucleares. Mais adiante aprofundaremos esta polêmica do uso da energia nuclear.

Os países que não possuem potencial hidrelétrico necessitam de usinas termelétricas. Enquanto as usinas termelétricas à base de combustíveis fósseis liberam gases do efeito estufa, as usinas nucleares não emitem tais gases.

Controvérsia científica GREENPEACE LANÇA RELATÓRIO SOBRE OS RISCOS DAS USINAS NUCLEARES Possibilidade de acidentes como o de Chernobyl são reais em todo o mundo, inclusive em Angra 1 e 2; a organização é contra a construção de Angra 3.

No 19o aniversário do acidente em Chernobyl, onde morreram 30 mil pessoas e três milhões foram atingidas, o Greenpeace lança um relatório sobre o risco das usinas nucleares no mundo, comprovando a deficiência deste tipo de energia. [...] Um acidente envolvendo estes reatores [os de Angra] poderia ser mais severo que o de Chernobyl. Nesse relatório, o Greenpeace analisa a situação atual e exige a eliminação da energia nuclear como a única medida eficiente para reduzir seus riscos. A solução está na geração de energia por fontes alternativas (eólica, solar, pequenas hidrelétricas e biomassa) e o uso eficiente da energia gerada. [...] Para o Greenpeace, a retomada do programa nuclear brasileiro representaria um retrocesso, já que diversos países – como Alemanha,

266

Espanha e Suécia – estão repensando suas políticas energéticas, apostando em fontes renováveis de energia. "Investir numa usina nuclear no Brasil vai na contramão do bom senso e uso apropriado de recursos públicos. Usinas nucleares são inseguras, caras, ultrapassadas e sujas. Juntas, Angra 1 e 2 são incapazes de produzir mais do que 2% da eletricidade gerada no Brasil", afirma Sérgio Dialetachi, coordenador da campanha antinuclear do Greenpeace. O Greenpeace divulgou nesta terça-feira uma carta, informando a população sobre os enormes riscos e desvantagens que a construção de Angra 3 traria ao País. Fonte: Greenpeace. Disponível em: <www.greenpeace.org/brasil/pt/ Noticias/greenpeace-lan-a-relat-rio-sob>. Acesso em: 26 nov. 2012.


CAPÍTULO

O GANDHI NUCLEAR Autor da Teoria de Gaia, James Lovelock era herói dos ecologistas. Agora, ele causa polêmica ao defender que só usinas nucleares podem nos livrar de um desastre. Por Eduardo Szklarz

podem morrer antes do esperado com cânceres provocados por radiação, mas lembre-se: em 1952, cinco mil pessoas morreram em Londres, num único dia, envenenadas por fumaça de carvão. Estima-se que centenas de milhares morreram desde então em decorrência de câncer do pulmão causado pela inalação de substâncias cancerígenas na fumaça. Mas a mídia não fala da queima de carvão como causa massiva de tumores”. Quanto à oposição ao uso da energia nuclear: “As pessoas sempre têm medo de algo. Antes, eram fantasmas e vampiros. Hoje, energia nuclear. A oposição baseia-se numa ficção hollywoodiana, na mídia e em lobbies do movimento verde”. Quanto a ter sido um ecologista e agora criticá-los: “Os verdes são importantes, mas estão errados. Eles se preocupam com as pessoas e esquecem da saúde da Terra. Não percebem que somos parte do planeta e dependemos dele. Eu mesmo sou um verde, mas tento mostrar que estão errados sobre energia nuclear [...]”. Quanto ao lixo atômico: “O volume de lixo atômico de alto nível produzido pelas usinas nucleares do Reino Unido, em seus 50 anos de atividade, equivale a 10 metros cúbicos. É o tamanho de uma casa pequena. Se colocado numa caixa de concreto, esse lixo seria totalmente seguro e a perda de calor ainda poderia ser aproveitada para aquecer minha casa [...]”.

2 3 4 5 6 7 8

Revista Superinteressante, dez. 2004.

Fabio Motta/AE

Quem diria. A energia nuclear, alvo histórico dos protestos ambientalistas, pode ser a chave para nos salvar do aquecimento global. Mais surpreendente ainda: quem defende a ideia é o inglês James Lovelock, uma espécie de guru dos ecologistas. Aos 84 anos, o cientista afirma que precisamos interromper imediatamente a queima de combustíveis fósseis, que piora o efeito estufa. “A única forma de energia imediatamente acessível que não causa aumento de temperatura é a nuclear. Não temos tempo para experimentar”, diz. A ideia logo foi rechaçada por organizações ambientais como Greenpeace e Amigos da Terra. E fez o cientista ver renegado o apelido que ganhou da revista New Scientist : “Gandhi da ciência”. [...] Químico com doutorado em medicina e biofísica, Lovelock foi um dos primeiros ambientalistas a falar do aquecimento global, num relatório elaborado em 1989.[...] Sobre o uso de energia nuclear e não outras formas tidas como ecologicamente corretas, como a eólica e a solar, ele responde: “Seria ótimo se pudéssemos contar somente com essas fontes de energia, mas elas não satisfazem nossas necessidades. Se houvesse um bilhão de pessoas no mundo, bastaria usar as energias solar, eólica, hidrelétrica e uma quantidade modesta vinda da queima de madeira. Mas já somos mais de seis bilhões e a população continua aumentando. A energia nuclear é limpa e não provoca aquecimento [...]”. Sobre o acidente de Chernobyl: “Há muita mentira em torno desse assunto. De acordo com informes da ONU, houve 45 mortos em consequência da explosão do reator em Chernobyl. [...] É verdade que alguns

1

A utilização de energia nuclear não é consenso. Muitos grupos ambientalistas têm protestado pela sua utilização, alegando que existem outras formas “mais limpas” de produção de energia, como nessa manifestação contrária à construção da usina nuclear de Angra 3.

267


ENERGIA NUCLEAR

Debata D ebata e entenda 1. 2. 3. 4. 5.

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

Analisando as notícias, identifique e enumere possíveis vantagens e riscos da utilização da energia nuclear. A partir das notícias, debata com seus colegas quais seriam os possíveis fatores que levam a tantas controvérsias. Pesquise com seus colegas a atual situação do Brasil em relação à construção da usina de Angra 3. Em sua opinião, quais seriam os grandes riscos relacionados ao uso da energia nuclear como fonte geradora de eletricidade? Comente a seguinte afirmação: “Seja qual for a estratégia adotada, o incremento no uso da energia nuclear passa necessariamente pela cooperação internacional, com a priorização de uma agenda diplomática na qual o assunto seja tratado da maneira muito cuidadosa e abrangente.” (Vichi e Mansor, 2009).

6. Em sua opinião, por que a afirmação “A energia nuclear é mais segura do que muitos imaginam” é verdadeira? 7. Quais as fontes energéticas da energia nuclear? 8. Analise a tabela abaixo e responda à seguinte questão: podemos afirmar que uma usina nuclear é menos poluente que uma usina de carvão? Justifique. COMPARAÇÃO ENTRE CENTRAIS A CARVÃO E NUCLEARES DE 1300 MWE Usina Capacidade instalada

Carvão

Nuclear

2 ⋅ 650 MWe

1300 MWe

Combustível Consumo anual de combustível

antracita

urânio enriquecido

2,8 milhões de toneladas

170 toneladas de minério de urânio

Área para mineração e rejeitos Área para estocagem de combustível Necessidade de transporte de combustível

415 ha

5 ha

25 ha (reserva de 2 meses)

alguns m2 somente

33 000 vagões por ano

5 caminhões por ano

Emissão anual de CO2, de SO2 e de NOX

8 500 000 t CO2

Rejeitos anuais

220 000 t cinzas 120 000 t cinzas volantes

12 000 t SO2

6 000 t NOx

70 000 t enxofre 130 000 t gesso

0 3,5 m3 de rejeitos de alta radioatividade

Adaptado de: CTMSP – Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (http://www.mar.mil.br).

1 RADIAÇÃO E RADIOATIVIDADE Pense O que é radioatividade?

E

xistem diversos tipos de radiação, como a eletromagnética, na qual se inclui a luz, ou a radiação de partículas provenientes do núcleo atômico, também conhecidas como emissões radioativas. A energia elétrica que passa por uma lâmpada incandescente interage com os átomos do filamento metálico. Esses átomos liberam parte da energia absorvida sob a forma de luz. Essa radiação, diferentemente da radioatividade que ocorre no núcleo atômico, é devida a transições dos elétrons em níveis energéticos da eletrosfera. Algumas substâncias fosforescentes, como as presentes nos interruptores elétricos, absorvem energia luminosa e depois liberam-na lentamente. Por isso, conseguimos ver os interruptores brilhando, mesmo após as lâmpadas serem apagadas. Alguns átomos possuem núcleos muito energéticos devido à grande quantidade de partículas neles contidas. A emissão de diferentes partículas leva à formação de núcleos

268


Hely Demutti

Radioatividade é a emissão de radiações nucleares.

CAPÍTULO

mais estáveis. Essas emissões foram chamadas de radiações nucleares ou, simplesmente, radioatividade e os átomos que as emitem chamados de radioativos.

1 2

Entre os diferentes tipos de radiação, certas emissões nucleares de átomos de determinados elementos químicos são largamente utilizadas na indústria, na agricultura, na medicina, entre outras aplicações.

3 4

Pense

5

As radiações nucleares são invenções humanas?

O material desses interruptores absorvem energia luminosa, que depois é emitida lentamente na forma de luz, tornando-os visíveis no escuro.

Nós estamos expostos à radiação desde o momento de nossa concepção até o último instante de nossas vidas. Ao contrário do que se imagina, a radioatividade não é uma invenção humana, mas sim um fenômeno natural ao qual estamos sujeitos a todo instante. O planeta Terra é radioativo; o ar que respiramos, as ruas por onde andamos, a água que bebemos, enfim, toda matéria contém uma dose de radiação. Ver gráfico abaixo. Fontes de radiação

6 7 8

8% radionuclídeos presentes no solo e nas rochas

55% radiação natural de fundo a que estamos submetidos

8% raios cósmicos 11% radionuclídeos presentes no corpo (ex. carbono-14, potássio-40)

15% raios X (medicina, odontolodia) e raios Y (medicina nuclear) Fonte: KRAUSKOPT, K. B.; BEISER, A. The phisical universe. 7. ed. New York: McGraw-Hill, 1993. p. 201.

Jim Ross/Nasa Photo

O nosso planeta é bombardeado incessantemente por radiações oriundas do Sol e de outros astros de nossa galáxia, denominadas radiações cósmicas. Apesar de serem extremamente energéticas, a maioria dessas radiações não consegue atravessar as camadas mais altas da atmosfera, situadas acima de 25 quilômetros da superfície terrestre. Embora esse fato não seja alarmante para o cidadão, com o advento da era espacial tornou-se de grande importância, porque os astronautas, durante todo o período em que se encontram no espaço, ficam sujeitos a elevados fluxos de radiação cósmica.

Nos voos realizados a grandes altitudes, as aeronaves recebem uma quantidade de radiação cósmica significativamente superior à média que normalmente recebemos aqui na superfície.

Proporções entre os diferentes tipos de radiação às quais estamos expostos. Na maioria, são fontes que não oferecem riscos à saúde.

Nasa Solar and Heliospheric Observatory

3% exposição relativa à profissão, produtos industrializados, resíduos de testes nucleares e de usinas nucleares

O Sol emite a maior parte da radiação que incide sobre a Terra.

269


Além da radiação cósmica, existem alguns tipos de radiação emitidos espontaneamente por átomos de certas substâncias que estão presentes em todo o planeta e, por isso, estamos sujeitos às suas radiações o tempo todo. Na verdade, em nossos corpos também estão presentes pequenas quantidades desses átomos. A cada minuto, cerca de 250000 átomos se desintegram em nosso corpo, emitindo radiações. Ou seja, nós também somos radioativos. Os primeiros metros da nossa atmosfera, a partir da superfície, são dominados por radiações produzidas diretamente pelo solo e rochas da superfície terrestre. O intenso processo geológico de formação do magma, que ocorreu no início da formação da Terra, concentrou algumas substâncias radioativas na crosta terrestre, tornando o planeta radioativo. Em certas regiões, as condições geológicas propiciaram maior acúmulo de minerais contendo substâncias radioativas. Por isso, os habitantes de tais regiões estão sujeitos a doses de radiação bem mais elevadas que a média do planeta. Na região costeira de Guarapari (ES), por exemplo, existem praias com um acúmulo de areias monazíticas, ricas em minerais que contêm substâncias radioativas devido à presença de átomos de tório. Isso faz com que as doses de radiação nessas praias cheguem a ser cem vezes superiores à média. Outra região brasileira famosa pela sua radioatividade natural é a estância hidromineral de Poços de Caldas (MG). Nas proximidades da cidade, está a primeira e mais famosa mina de urânio do Brasil, localizada no Morro de Ferro. Além da radiação natural, em alguns locais, o nível de Praia da Areia Preta, Guarapari (ES), 2010. radiação é aumentado devido ao uso de equipamentos que produzem radiação, como aparelhos de raios X, televisores e fornos de micro-ondas, ou que contêm material radioaA Agência Internacional de Enertivo, como bombas de césio usadas em tratamento de ragia Atômica (AIA), ligada à ONU, redioterapia. Em locais onde o nível de radiação é superior comenda o uso desse símbolo como ao natural, é obrigatória a divulgação desse fato por meio alerta à presença de fontes radioativas do símbolo da figura trifólio (página 312), que tem a finalipotencialmente perigosas. dade de alertar as pessoas sobre a presença de radioatividade em maior intensidade. A Agência Internacional de Energia Atômica – AIA recomenda o uso do símbolo ao lado de aparelhos que tenham fontes de radiação classificadas como perigosas e capazes de causar morte e danos graves. J. Y u ji

Ricardo Azoury/Pulsar

ENERGIA NUCLEAR

J. Yuji

O símbolo da presença de radiação (trifólio)

Photo Researchers/Latinstock

2 A DESCOBERTA DA RADIOATIVIDADE

270

N

a década de 1870, o físico inglês William Crookes [1832-1919] desenvolveu uma ampola de vidro de cristal na qual se podiam observar raios luminosos que ficaram conhecidos como raios catódicos. Em 1895, fazendo estudos com esses tubos, o físico alemão Wilhelm Röntgen [1845-1923] descobriu, acidentalmente, um tipo de radiação a qual praticamente todos já fomos expostos mais de uma vez: os raios X. Röntgen usava em seus estudos chapas fotográficas sensíveis à luminescência produzida nos tubos de raios catódicos. Um dia, Röntgen percebeu que uma de suas chapas, mesmo encoberta, estava sendo revelada. Ao Deve-se a Wilhelm Conrad Röntgen os primeiros investigar o fato, ele identificou uma radiação estudos dos fenômenos radioativos e a descoberta não luminosa que estava sendo produzida nos dos raios X, em 1895, o que lhe valeu o primeiro tubos de raios catódicos com o mesmo efeito Prêmio Nobel de Física em 1902. da luz. Deu o nome a essa radiação de raios X.


CAPÍTULO

A descoberta dessa radiação logo foi difundida e aplicada em diferentes situações. Esse é um bom exemplo de rápida aplicação tecnológica de descobertas científicas. Ela foi tão importante que, em apenas um ano após ser anunciada, os médicos já começaram, em todo o mundo, a utilizar os raios X para diagnósticos.

1

Pense

2

Que propriedade dos raios X permite que eles sejam tão utilizados na Medicina?

3 4 5 6 7 8

SPL/Latinstock

SPL/Latinstock

Library of Congress

Hoje sabemos que os raios X são emitidos quando elétrons, acelerados em alta voltagem, são arremessados contra outros átomos e sofrem frenagem. Esse movimento faz com que os átomos percam energia, que é irradiada por meio de ondas eletromagnéticas, cuja frequência é maior do que a dos raios ultravioleta. Anos depois da descoberta dos raios X, o físico francês Antoine Henri Becquerel [1852-1908] resolveu testar a possível emissão de uma radiação semelhante por uma substância fosforescente de urânio. Acidentalmente, descobriu que tal substância emitia radiação espontaneamente, e não radiação absorvida de raios solares, por exemplo. Estudando detalhadamente outras substâncias, constatou que qualquer substância de urânio possuía essa propriedade. Ele sugeriu à sua aluna de doutorado, a polonesa Marie Sklodowska Curie [1867-1934], que estudasse um minério de urânio chamado pechblenda ou uranita (UO2). Esse minério apresentava uma quantidade de radiação consideravelmente maior que os demais minérios já estudados. Marie Curie, conhecida por Madame Curie, e seu marido, Pierre Curie [18591906], trabalharam com 1400 litros do minério e isolaram átomos de dois elementos químicos até então desconhecidos. Ao primeiro, que é cerca de 400 vezes mais radioativo que o urânio, deram o nome de rádio, por ser o mais radioativo. E ao outro, cerca de 60 vezes mais radioativo que o urânio, deram o nome de polônio, em homenagem à terra natal. Mesmo concentrando grande esforço nisso, Becquerel, Marie e Pierre não conseguiram explicar a origem da radiação emitida pelos átomos dos elementos citados. Os conhecimentos sobre o fenômeno da radioatividade ainda eram escassos. Atualmente, considera-se radioatividade a emissão de radiações pelos núcleos de alguns tipos de átomos, na forma de energia ou partículas subatômicas (partículas menores que constituem o átomo). Deve-se destacar assim que nem toda radiação emitida por átomos pode ser considerada radioatividade, pois, como já vimos no modelo atômico de Bohr, os elétrons emitem radiação ao fazerem saltos quânticos entre os níveis de energia do átomo. Essas radiações que têm origem na eletrosfera, como também os raios X, não são consideradas radiações nucleares. Vejamos a seguir o que são radiações nucleares.

Becquerel, Marie Curie e Pierre Curie, em reconhecimento à descoberta da radioatividade espontânea, foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física em 1903.

271


3 EMISSÕES NUCLEARES Pense As emissões radioativas são transformações físicas ou químicas?

N

ENERGIA NUCLEAR

as reações químicas, ocorre o rearranjo de átomos, acompanhadas de alterações em suas estruturas eletrônicas. No entanto, os núcleos dos átomos permanecem inalterados. A radioatividade, ao contrário, é um fenômeno nuclear. Isto é, acontece a partir do núcleo do átomo – daí o termo reações nucleares. Tais fenômenos envolvem grandes quantidades de energia e dependem muito pouco de fatores físicos, como temperatura e pressão, ou de fatores químicos, como estado de oxidação e interações com outros átomos. O fato de um elemento químico emitir radiação por átomos depende basicamente de seus núcleos serem ou não instáveis. Como o processo pode envolver variação da carga nuclear (positiva), também é possível haver alteração na eletrosfera (negativa) para compensar. Dessa maneira, havendo transformação nuclear, poderemos ter alteração nas substâncias. No entanto, didaticamente tratamos separadamente as transformações físicas e as transformações químicas. Assim, sempre que nos referirmos a uma transformação nuclear, estaremos considerando simplesmente o processo físico, a não ser que destaquemos o processo químico paralelo. Existe uma série enorme de tipos de radiações nucleares. A seguir, estudaremos um pouco sobre as mais importantes.

Emissões alfa () Os estudos realizados por Henri Becquerel sobre a emissão de radiação por substâncias contendo átomos de urânio despertaram a atenção do físico neozelandês Ernest Rutherford [1871-1937]. Em seus experimentos, Rutherford observou diferentes níveis de penetração da radiação alfa (α) em relação às demais radiações.

Pense Library of Congress, Washington

O que acontece com átomos que emitem radiação alfa (α)? Após todos os átomos de uma substância emitirem radiação alfa (α), suas propriedades químicas continuarão as mesmas?

Rutherford, além de ter contribuído para a proposta de um modelo atômico que muito nos ajuda a compreender os processos químicos, desenvolveu importantes estudos que possibilitaram a identificação das radiações nucleares.

272

Aplicando um potencial elétrico sobre o percurso da radiação α, Rutherford concluiu que essa radiação seria formada por partículas positivas, tendo em vista que eram desviadas para o lado negativo da placa. A radiação α é constituída por partículas positivas, formadas por dois prótons e dois nêutrons, ou seja, iguais ao núcleo do átomo de hélio. Por isso, também usamos o termo partícula alfa. Esse tipo de radiação é lento, quando comparado a outros tipos, por ser constituído de partículas relativamente pesadas. É por isso também que o poder de penetração dessas partículas é pequeno, sendo retidas até mesmo por uma folha de papel. Por outro lado, seu poder de ionização é alto, pois captura elétrons do ambiente, transformando-se em átomos de hélio, de acordo com a equação a seguir. α + 2 e– ( 24He

4 2+ 2

Na equação acima, representamos a carga das partículas α, porém isso normalmente não é feito, como representa a equação para a emissão de radiação α por átomos de urânio-234: 234 92

4 U ( 230 90 Th + 2α


CAPÍTULO

Nas transformações nucleares, átomos de um elemento químico são transformados em átomos de outro elemento, mas, como previa Lavoisier, nada se perde, tudo se transforma. Mais adiante, veremos como variam a massa e a carga nas transformações nucleares.

1

Emissões beta ()

2 3

Átomos de alguns elementos químicos, como os de urânio, emitem um tipo de radiação que foi denominada radiação beta (β). Em 1900, estudando a radiação β,, Becquerel observou que, quando submetida a um campo elétrico, ela se desviava para o lado das cargas positivas; possuía carga negativa e massa muito menor do que as partículas alfa. Entretanto, essa radiação não é originária da eletrosfera, e sim de núcleos de átomos radioativos. Quando um núcleo radioativo emite uma partícula beta, seu número de massa não se altera, mas seu número atômico aumenta em uma unidade. Após grande quantidade de evidências, Becquerel concluiu que essa radiação é constituída por partículas iguais aos elétrons, emitidas a altíssimas velocidades por núcleos radioativos com poder de penetração intermediário entre as radiações alfa () e gama (). A equação a seguir representa a emissão de radiação β por átomos de chumbo-210.

Pense

Pb (

210 82

4 5 6 7 8

Bi + –10β

210 83

O que acontece com um átomo que emite uma partícula beta (β)? Após todos os átomos de uma substância química emitirem uma partícula beta (β), suas propriedades químicas continuarão as mesmas?

A radiação beta é geralmente aceita como sendo uma série de emissões que podem ser sintetizadas pela reação descrita na seguinte equação: n ( 11p + –10β

1 0

Ou seja, um nêutron desintegra-se, fornecendo um elétron e um próton.

Emissões gama () A ilustração mostra a diferença entre o poder de penetração das radiações alfa, beta e gama. Observe que a radiação alfa, constituída por dois prótons e dois nêutrons, tem menor poder de penetração que a radiação gama, constituída por ondas eletromagnéticas. Parede de concreto

Chumbo

J. Yuji

O físico francês Paul Villard [1860-1934] descobriu um terceiro tipo de radiação, a qual deu o nome de radiação gama (γ), seguindo a notação adotada por Rutherford para as citadas anteriormente. Villard observou que a radiação gama é mais energética do que as radiações α e β e que ela não é afetada por campos elétricos. A radiação gama é constituída por ondas eletromagnéticas, semelhantemente aos raios X. No espectro eletromagnético, ela possui frequência maior do que os raios X. Ocorre que, enquanto os raios X são produzidos na eletrosfera, a radiação gama é produzida no núcleo atômico. Por outro lado, ao contrário das radiações α e β, a radiação γ, assim como os raios X, não possui carga nem massa. Ela é dotada de alta velocidade e poder de penetração maior que as radiações α e β. Esse tipo de radiação pode atravessar o corpo humano, mas é bloqueada por lâminas de Alumínio Papel chumbo com mais de 8 mm de espessura. Para minimizar α os efeitos da exposição durante a utilização, empregam-se β barreiras de chumbo ou concreto. Átomos que emitem radiação gama não perdem sua γ identidade, ou seja, continuam com seus números atômico e de massa inalterados.

273


A emissão de radiação γ por núcleo atômico é normalmente acompanhada por emissões de radiações α e β. Na verdade, essas radiações, assim como outras que não iremos estudar agora, são processos que ocorrem simultaneamente. A opção de estudar separadamente esses processos visa facilitar a sua compreensão. Como exemplo de emissão gama, podemos citar o caso do cobalto-60, que emite radiação beta, formando níquel-60. Este, por sua vez, emite radiação gama, segundo a equação: Co ( –10β + 60 28 Ni γ ↝ 60 28Ni

ENERGIA NUCLEAR

60 27

Pense

J. Yuji

A emissão de radiação gama é um processo físico ou químico? As emissões de radiações alfa e beta são processos físicos ou químicos?

Para responder a essas questões, devemos saber claramente o que é uma transformação química. Como já se falou anteriormente, nas transformações químicas ocorre a formação Esse esquema represende novas substâncias, por meio do rearranjo dos átomos. Nelas, os átomos não perdem sua ta o comportamento identidade, ou seja, não ocorrem mudanças em seus núcleos. Por isso, para uma reação quídas radiações α, β e mica, podemos realizar um balanceamento de equação em que a quantidade de cada tipo γγ, quando passam por um campo elétrico. de átomos dos reagentes deverá ser igual à quantidade dos mesmos átomos nos produtos. Nas reações químicas, só ocorrem mudanças nas eletrosEsquema indicativo da trajetória de emissões feras dos átomos. Em muitos casos, nem nas eletrosferas radioativas ao atravessar um campo elétrico ocorrem variações. placa Nas reações nucleares, no entanto, as transformações eletroímã fotográfica não ocorrem devido ao rearranjo entre os átomos que forβ mam as substâncias. Em uma reação nuclear, os átomos perdem sua identidade, transformando-se em átomos de γ outros elementos químicos. Por isso, essas reações são consideradas transformações físicas. α As principais conclusões a respeito da natureza das três fonte bloco de principais radiações nucleares até aqui estudadas podem ser radioativa chumbo extraídas quando se analisa o comportamento dessas radiações ao passar por um campo elétrico. Veja esquema ao lado.

Pense O que leva a radiação alfa a ser atraída pelo lado negativo do campo elétrico? Por que a radiação beta é atraída para o polo positivo, sofrendo um desvio maior do que a radiação alfa?

Uma análise do esquema acima indica que a radiação alfa é positiva com massa superior à da radiação beta, que é composta por partículas negativas, pois se desviam para o polo positivo do campo elétrico. Em síntese, a tabela a seguir apresenta as características das radiações alfa, beta e gama.

274

Nome

Símbolo

Alfa

α

Beta

β

Gama

γ

CARACTERÍSTICAS DAS RADIAÇÕES α, β E γ Carga elétrica Massa Natureza –24 +2 6,65 ⋅ 10 g/partícula Dois prótons e dois nêutrons. –1 9,11 ⋅ 10 –28 g/partícula Elétron produzido a partir de transformações nucleares. 0 0 Radiação eletromagnética.


CAPÍTULO

Outras emissões radioativas e partículas elementares

1

Pense

2

De que a matéria é constituída?

3

Uma característica do ser humano é que a resposta a uma pergunta leva a outras perguntas. Por isso, a questão anterior não tem uma resposta definitiva. Tem diferentes respostas. Demócrito e Leucipo, Aristóteles, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr e muito outros ajudaram a responder à questão acima. Insatisfeitos, o cientistas buscam mais respostas e, em meados do século passado, os físicos romperam a barreira das partículas consideradas elementares e descobriram outras ainda menores. Por isso, além das emissões citadas anteriormente, os átomos das substâncias radioativas também emitem outros tipos de radiações e partículas de grande importância para a ciência e tecnologia. Essas não serão nosso objeto de estudo neste curso, mas vale a pena listar algumas para deixar claro que trabalhamos com um modelo de átomo constituído de prótons, nêutrons e elétrons que, embora muito útil à Química, não é absoluto. A seguir listamos algumas dessas partículas e emissões.

4 5 6 7 8

ALGUMAS PARTÍCULAS E EMISSÕES SUBATÔMICAS Símbolo

Ano de descoberta e descobridor

Fóton

γ

1888 Gilbert Lewis

Elétron

E

Nome

1891 George Stoney 1930 Wolfgang Pauli 1931 Carl Anderson

Observações Em 1900, Planck propôs o conceito de quantum; em 1905, Einstein explicou o efeito fotoelétrico e, em 1926, Gilbert Lewis propôs o nome fóton. A radiação γ é constituída por fótons bastante energéticos. Participa das reações químicas.

Neutrino

0 0

Pósitron

0 +1

Quark

Próton

p

1919

Em 1886, Eugen Goldstein observou os raios canais, opostos aos raios catódicos. Em 1919, Rutherford publicou seu trabalho apresentando a descoberta dos prótons.

Nêutron

n

1932

Inicialmente imaginada como partícula elementar, é fundamental para a estabilidade do núcleo.

Múon

µ

1937 Seth Neddermeyer e Carl Anderson

Píon

π

1947 Giuseppe Occhialini, Cecil Powell e César Lattes

n β

Similar ao elétron, porém sem carga. Emitido com a radiação beta. Também denominado “antielétron”. Existem diferentes tipos de quarks, subpartículas que dão origem a prótons, nêutrons e elétrons.

Pode apresentar carga positiva ou negativa e tem massa 207 vezes maior que o elétron. Radiação cósmica detectada na alta atmosfera. César Lattes era brasileiro, e em sua homenagem a plataforma de currículos e projetos dos cientistas brasileiros chama-se Plataforma Lattes.

As partículas subatômicas são divididas, de acordo com seus spins, em férmions e bósons. Os férmions apresentam valores de spin semi-inteiros (1/ 2, 3/ 2 etc.) e os bósons, spin inteiros (0, 1, 2). Elétrons, prótons e nêutrons são férmions. Acha que acabou? Não! Outras subpartículas foram e têm sido descobertas, mas vamos parar por aqui, já que os prótons, nêutrons e elétrons são suficientes para nossos estudos químicos.

275


Exercícios

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Qual a diferença entre radiação e radioatividade? 2. Cite alguns tipos de radiação a que estamos expostos ENERGIA NUCLEAR

diariamente.

3. Quais foram as contribuições históricas de Becquerel para o estudo da radioatividade?

4. Por que Becquerel, Marie e Pierre não conseguiram explicar a origem da radiação emitida pelos elementos radioativos?

5. Considere as seguintes informações: I – O cientista Röntger observou que os raios X podiam atravessar materiais de baixa densidade e, usando chapas fotográficas, percebeu que podia reproduzir o que existia dentro dos objetos. II – Becquerel foi o descobridor dos raios X. III – Becquerel descobriu a radioatividade e demonstrou que a radiação emitida pelo urânio compartilhava certas características como os raios X, porém não era como os raios X, pois podia ser desviado por um campo magnético e, por essa razão, deveria ser composto por partículas carregadas. IV – Pierre e Marie Curie descobriram e divulgaram a radioatividade de determinados materiais e alguns radioativos não apresentam essas características. Das afirmações feitas, estão corretas: a) apenas I e II. d) apenas II e III. b) apenas I e III. e) apenas II e IV. c) apenas I e IV.

6. Complete as reações nucleares utilizando as partículas α, β, p, n, +10e (pósitron): a) 13H ( 23He + ... b) 157N + +11p ( 126C + ... 36 19 K + 01n ( 17 Cl + ... c) 39

d) e)

N + 24α ( 178O + ... C ( 105B + ...

14 7 10 6

7. Existem diversos tipos de radiação, como a eletromagnética, na qual se inclui a luz, ou a radiação de partículas provenientes do núcleo atômico, também conhecidas como emissões radioativas. Com relação a esse assunto, a afirmativa incorreta é: a) Ondas ou radiações eletromagnéticas são formadas por um campo elétrico e um campo magnético, perpendiculares entre si e à direção de propagação da radiação. b) A luz solar, por exemplo, é composta por ondas eletromagnéticas, e seu espectro apresenta radiações, muitas das quais não podemos ver, que diferem entre si pela frequência. c) Os raios X são radiações eletromagnéticas visíveis de alta energia.

276

d) Radioatividade é o nome dado à propriedade que certos elementos possuem de emitir partículas radioativas. e) As partículas alfa possuem carga positiva e massa, enquanto as gama são ondas.

8. Os átomos radioativos são responsáveis por emitirem certos tipos de radiação. Quais são os tipos de radiação?

9. No átomo, qual é a região responsável pela radioatividade? 10. A descoberta da radioatividade contrapôs o modelo atômico de Dalton. Justifique essa afirmação.

11. Em que consistem as emissões nucleares? 12. Por que, ao atravessarem um campo eletromagnético, partículas alfa são menos defletidas do que partículas beta?

13. Estabeleça a distinção entre as radiações alfa, beta e gama, do ponto de vista de: a) carga. b) massa relativa.

14. Com relação ao estudo da radioatividade, julgue os itens em certo (C) ou errado (E). 1) A emissão de um raio gama pelo núcleo de um átomo introduz uma modificação no seu número atômico e em seu número de massa. 2) A perda de uma partícula beta pelo núcleo de um átomo diminui o seu número de massa e aumenta o seu número atômico em uma unidade. 3) Em uma reação nuclear, os átomos perdem sua identidade, transformando-se em outros átomos. Por isso, essas reações são consideradas transformações químicas. 4) Os radionuclídeos são átomos que emitem raios X.

15. Sobre emissões radioativas, julgue os itens em certo (C) ou errado (E). 1) Raios alfa são núcleos de átomos de hélio, formados por 4 prótons e 4 nêutrons. 2) O poder de penetração dos raios alfa aumenta com a elevação da pressão. 3) Os raios beta são elétrons emitidos pelos núcleos dos átomos dos elementos radiativos. 4) Os raios gama são radiações da mesma natureza que os raios alfa e beta. 5) Os raios beta possuem massa desprezível.

16. A respeito do produto da desintegração de um átomo que só emite raios alfa: a) Tem o mesmo número de massa e número atômico menor que o emissor.


a) b) c) d) e)

23. As radiações naturais alfa, beta e gama apresentam um determinado poder de penetração. Com relação a essa atividade, podemos afirmar que: a) α < β > γ b) γ > β > α c) α = β < γ d) β > α > γ e) β > α > β

17. De que são constituídas as emissões gama? Compare o seu poder de ionização com as emissões alfa.

18. Explique por que o poder de penetração da partícula alfa é menor, se comparado ao poder da partícula beta.

19. Explique como são afetados o número atômico e o número de massa de um átomo após a emissão de uma partícula alfa.

24. Considere a reação nuclear:

20. Explique como são afetados o número atômico e o número de massa de um átomo após a emissão de uma partícula beta.

21. Dada a sequência de decaimento, informe quais radiações foram emitidas: 235 79

A→

B→

231 77

C→

231 78

D→

231 79

227 77

têm o mesmo número de massa. são isótopos radioativos. não ocupam o mesmo lugar na tabela periódica. possuem números atômicos diferentes. são isóbaros radioativos.

E

14 7

CAPÍTULO

b) Apresenta o mesmo número de massa e número atômico menor que o emissor. c) Possui número de massa menor e número atômico menor que o emissor. d) Seu número de massa é maior e o número atômico é menor que o emissor. e) Apresenta número de massa e número atômico iguais aos do emissor.

1 2 3 4 5 6 7 8

N + 42 α → 179 F + X,

podemos afirmar que X representa: a) um nêutron. b) um elétron. c) uma partícula alfa. d) uma partícula beta. e) uma partícula gama.

22. Quando um átomo emite uma partícula alfa e, em se- 25. Com relação ao poder ionizante, qual das emissões guida, duas partículas beta, os átomos inicial e final:

apresenta a maior capacidade de ionizar os gases?

4 LEIS DAS DESINTEGRAÇÕES

RADIOATIVAS

O

Lei de Soddy A equação a seguir representa a emissão de radiação alfa por átomos de urânio-238 (238U). 4 U ( 234 90 Th + 2α

238 92

Por sua vez, o tório-234 (234Th) também pode emitir radiação alfa, conforme representa a equação abaixo: 234 90

Th (

Ra + 42α

230 88

Album/AKG/Latinstock

s estudos das desintegrações dos núcleos atômicos, por meio das emissões de partículas radioativas alfa ou beta, levaram à formulação das leis estabelecidas pelos estudiosos Frederick Soddy e Kasimir Fajans, às quais veremos a seguir.

Em 1921, Frederick Sodd y [1877-1956] recebeu o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho sobre a radioatividade das substâncias e a origem e a natureza dos isótopos.

277


ENERGIA NUCLEAR

Nesses casos, podemos observar pelas equações que a emissão de radiação alfa levou à formação de átomos de novo elemento químico, cujo número atômico é menor do que o inicial em duas unidades, e os valores de número de massa diminuíram em quatro unidades. Por sua vez, esses valores citados correspondem aos valores de número atômico e de número de massa das partículas alfa. Estudando essas e outras reações similares, podemos propor a seguinte equação ge por átomos de diferentes elementos químicos, reprenérica para emissão de radiação , sentados por A, fornecendo átomos de outro elemento químico, representado por B: A(

x y

B + 42α

x–4 y–2

Em todas as equações representadas, se somarmos os números atômicos dos produtos, obteremos o número atômico do átomo que se desintegra. Da mesma maneira, se somarmos o número de massa dos produtos, obteremos o número de massa do átomo inicial. Ou seja, também nas reações de emissão de radiação alfa há conservação da carga e da massa. Analisemos a equação: 4 U ( 234 90 Th + 2α

238 92

O somatório das massas dos átomos dos produtos (234 + 4) é igual à massa do átomo do reagente (238), e o somatório dos números atômicos dos átomos dos produtos (90 + 2) é igual à massa do átomo do reagente (92). O químico britânico Frederick Soddy [1877-1956], trabalhando com Rutherford, foi quem observou tal regularidade e a enunciou na forma de uma lei que pode ser definida da seguinte maneira:

Universidade de Munique; Alemanha

Quando átomos de um elemento químico emitem radiação alfa, formam-se átomos de outro elemento químico cujo número atômico é menor em duas unidades e cujo número de massa é menor em quatro unidades.

Lei de Soddy-Fajans-Russel Estudos similares foram realizados com substâncias que emitem radiação beta. Vejamos a equação que representa tal emissão feita por átomos de bismuto-214 (214Bi).

Pense

214 83

Bi (

Po + –10β

214 84

Na equação anterior, o número de massa é conservado. E o número atômico? Kasimir Fajans propôs a lei da desintegração radioativa de um átomo pela emissão de uma partícula alfa simultaneamente com Frederick Soddy. De acordo com essa lei, quando um átomo radioativo decai emitindo uma partícula alfa, o seu número atômico diminui em duas unidades e o seu número de massa diminui em quatro unidades.

278

Do mesmo modo, protactínio-234 (234Pa) emite radiação beta, sendo essa transformação descrita pela equação: 234 92

Pa (

U + –10β

234 91

Ao emitir uma partícula beta, os átomos do elemento químico têm seu número atômico aumentado em uma unidade. Nesse caso, seu número de massa permanece inalterado. Nestes e em outros casos de emissão de radiação beta, um nêutron de cada átomo é transformado em próton. Por isso, o átomo obtido possui um próton a mais do que aquele que lhe deu origem. Essa constatação feita por Soddy e pelo químico polonês Kasimir Fajans [1887-1985] levou a proposição de uma segunda lei da radioatividade, que pode ser assim definida:


Charles Spooner Forbes

Frederick Soddy, Kasimir Fajans e Alexander Smith Russel perceberam a regularidade acima e de número atômico. Dessas observações, apresentaram uma lei geral sobre decaimento radioativo, que pode ser assim enunciada:

CAPÍTULO

Quando átomos de um elemento químico emitem radiação beta, formam-se átomos de outro elemento químico cujo número atômico é maior em uma unidade e cujo número de massa não é alterado.

1 2 3 4

Em uma reação nuclear,, a soma dos números de massa dos reagentes é sempre igual à soma dos números de massa dos produtos. Esse enunciado, diferentemente do primeiro, se aplica a qualquer tipo de radiação.

5 CINÉTICA DA DESINTEGRAÇÃO

Smith Russel [1868-1972]. O trabalho de Alexander Smith Russel também contribuiu para o estabelecimento das leis da desintegração radioativa..

5 6 7 8

RADIOATIVA Pense Por que será que alguns são e outros não?

A

explicação está relacionada ao equilíbrio de forças que existem no núcleo atômico. Sabemos que cargas de mesma natureza se repelem. Como no núcleo atômico estão concentrados todos os prótons em uma região extremamente pequena, existe uma força elétrica coulombiana de repulsão entre essas partículas muito grande. A força que anula essa repulsão é denominada força nuclear forte. Ela é muito forte e é resultante da interação de subpartículas que existem no núcleo atômico, entre elas os nêutrons. Em determinados átomos, há uma instabilidade grande, de forma que a energia nuclear que mantém os prótons unidos não é suficiente para reter todos eles. Como resultado, o núcleo atômico fica instável e começa a desintegrar. À medida que o número de prótons dos átomos vai aumentando, é necessária uma maior quantidade de nêutrons para manter estável a crescente quantidade de cargas positivas. Veja os dados da tabela a seguir. NÚMERO DE PRÓTONS E NÊUTRONS DE ALGUNS ÁTOMOS ESTÁVEIS Elemento

H

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Z

1

2

10

18

36

54

86

A

1

4

20

40

84

131

222

n

0

2

10

22

48

77

136

n/Z

0

1,0

1,0

1,2

1,3

1,4

1,6

Quanto maior o número de prótons, maior a quantidade de nêutrons necessária para estabilizá-los. A última linha da tabela da página anterior representa a proporção necessária entre o número de prótons e nêutrons. Enquanto no hélio o número de nêutrons é igual

279


J. Yuji

ao número de prótons, no xenônio o número de nêutrons é 1,4 vezes maior que o número de prótons. Ou seja, à medida que aumenta o número de prótons, necessita-se cada vez mais de nêutrons para estabilizar a carga do núcleo. No entanto, a partir da faixa ideal, o aumento do número de nêutrons também torna o núcleo instável. Cálculos foram desenvolvidos para identificar a proporção ideal entre prótons e nêutrons para cada elemento químico e a zona de estabilidade encontrada está representada no gráfico ao lado. Observe que em núcleos com poucos prótons a zona de estabilidade está próxima de 1:1, mas para núcleos maiores esta zona está mais distante dessa proporção. Experimentalmente, sabemos que nem todos os tipos de átomos do mesmo elemento químico são radioativos. Daí, a importância de identificarmos claramente os átomos com a sua massa, e não apenas com o seu número atômico. A identificação de um tipo de átomo específico é denominada nuclídeo.

120 209 83

Bi

Número de nêutrons (A-Z)

ENERGIA NUCLEAR

100

128 56

Ba

proporção nêutron/próton = 2:1

80

zona de estabilidade

60

84 36

Kr proporção nêutron/próton = 1:1

40

20

40 20

Ca

20

40 60 Número de prótons (Z)

Os nuclídeos são átomos que possuem números atômicos iguais e números de massa diferentes. Já vimos que, quando os átomos de um dado elemento químico ocorrem com mais de um nuclídeo, esses são denominados isótopos. Assim, muitas vezes os nuclídeos são simplesmente denominados isótopos. É importante observar, contudo, que se deve identificar claramente o nuclídeo ou isótopo pelo seu número de massa. Assim, devemos nos reportar ao nuclídeo carbono-14 (14C) ou ao isótopo de césio-137 (137Ce). Nem todos os nuclídeos dos átomos são radioativos, pois, dependendo da sua quantidade de nêutrons, eles podem ser estáveis.

J. Yuji

Os nuclídeos, cuja proporção nêutron/próton é superior ou inferior à da zona de estabilidade mostrada no gráfico, são instáveis e emitem radiação até se tornarem estáveis.

238

U 92

α 234

Th 90 230

226

massa atômica

222

218

Po α 84

α 214

Pb 82

214

β

Bi 83

Rn α 86

Ra 88

214

β

Po 84

β

Po 84

234

β

α Th 90

Pa 91

234

β

U 92

Os núcleos pouco estáveis tendem a emitir radiações, produzindo núcleos mais estáveis. Como a emissão sucessiva de diferentes formas de radiação leva à formação de núcleos de átomos menores e mais estáveis, essa transmutação de átomos de diferentes elementos químicos é chamada de decaimento radioativo. Os elementos químicos de número atômico mais elevados não são encontrados na natureza, pois, devido ao elevado número de prótons, eles são muito instáveis e logo se desintegram.

α 210

Pb 82 206

Pb 82

210

β

Bi 83

210

α

número atômico

280

Nuclídeos são átomos de um mesmo elemento químico caracterizados por um número de massa específico.

80

Átomos de urânio-238 (238U), após sucessivas emissões de radiações  e , originam átomos de chumbo (206Pb).


CAPÍTULO

Séries radioativas No decaimento radioativo nuclídeos de alguns elementos químicos radioativos emitem partículas alfa ou beta, formando átomos de outros elementos que também podem ser radioativos. Esses átomos do segundo elemento são capazes de emitir radiações, produzindo átomos de outro elemento. Nessas emissões sucessivas, formam-se átomos de novos elementos químicos; tal tipo de processo é conhecido como decaimento radioativo, e os átomos dos elementos participantes constituem as séries radioativas. Os nuclídeos urânio-238, por exemplo, podem emitir partículas alfa, transformando-se em nuclídeos tório-234. Esses podem emitir partículas beta, transformando-se em nuclídeos protactínio-234, que também emitem partículas beta e transformam-se em nuclídeos urânio-234.

Meia-vida

1 2 3 4 131

O iodo-131 ( I) deve ser utilizado rapidamente no diagnóstico de problemas da tireoide, pois a cada oito dias sua atividade cai pela metade.

6 7 8 MARTIN BOND/SPL/Latinstock

O decaimento de átomos dos diferentes nuclídeos acontece em tempos definidos e característicos. Definiu-se, como padrão de comparação dos diferentes decaimentos, a meia-vida, que é o tempo necessário para que metade dos átomos decaiam, segundo uma equação bem definida. Esse parâmetro é de fundamental importância para o uso e descarte de material radioativo, entre outros estudos. Como exemplo de meia-vida, podemos citar o iodo-131 (131I), utilizado em exames de tireoide. Sua meia-vida é de oito dias. Isso significa que, após oito dias, uma amostra de 100 g só terá 50 g ainda ativas. Passados mais oito dias, só serão 25 g. Após mais oito dias, a quantidade de iodo ainda em condições de emitir radiação será de 12,5 g e assim sucessivamente. Além dos decaimentos de nuclídeos produzidos artificialmente, alguns nuclídeos naturais emitem radiações α, β e γ sucessivas em sequências bem definidas e conhecidas, denominadas séries radioativas. Existem apenas três séries radioativas naturais: série do urânio, série do actínio e série do tório. Embora todas partam de nuclídeos do urânio, as duas últimas recebem nomes de átomos que fazem parte da sequência.

5

SEQUÊNCIA DE REAÇÕES DO DECAIMENTO DO URÂNIO-238, COM OS VALORES DE TEMPO DE MEIA-VIDA DE CADA INTERMEDIÁRIO Símbolo Decaimento

Tempo de meia-vida

Símbolo Decaimento

Tempo de Tempo de Símbolo Decaimento meia-vida meia-vida

238 92

U

α

4,5 ⋅ 109 anos

226 88

Ra

α

1 600 anos

214 84

Po

α

1,6 ⋅ 10–4 segundos

234 90

Th

β

24,6 dias

222 86

Rn

α

3,8 dias

210 82

Pb

β

22 anos

234 91

Pa

β

1,4 minutos

218 84

Po

α

3 minutos

210 83

Bi

β

5 dias

234 92

U

α

270 000 anos

214 82

Pb

β

27 minutos

210 84

Po

α

140 dias

230 90

Th

α

83 000 anos

214 83

β

19 minutos

206 82

Pb

(Estável)

Bi

Adaptado de: A Energia Nuclear – Apostila Educativa. Comissão Nacional de Energia Nuclear, Brasil, s/d.

Pense Pode-se determinar o tempo de atividade de uma substância radioativa?

281


ENERGIA NUCLEAR

Não existe nenhum método científico capaz de prever com exatidão a duração da vida de um indivíduo. No entanto, é possível calcular o tempo médio de vida de uma população. Do mesmo modo, não é possível determinar com exatidão a taxa de desintegração de partículas quando emitidas por núcleos radioativos. Isso ocorre porque existem núcleos que podem permanecer sem se desintegrar durante segundos, dias ou séculos. O que pode ser feito é um estudo que permita estimar o tempo de “meia-vida” de uma substância radioativa, que pode ser definida como a seguir. Meia-vida é o tempo necessário para que o número de isótopos radioativos de uma substância se reduza à metade.

Representação gráfica do tempo de meia-vida

Massa de material radioativo

Observe o exemplo do gráfico a seguir para entender melhor o conceito de meia-vida. 100 80 60 40 20 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tempo

J. Yuji

Vamos trabalhar com um exemplo concreto para deixar mais claro esse conceito. Consideremos a reação de decaimento do trítio – isótopo do hidrogênio –, por emissão de radiação beta: 3 1

T ( 23He + –10β

O tempo de meia-vida desses isótopos é de 12 anos. Consideremos que existam 10 mg de trítio. Qual será o tempo necessário para que só existam 2,5 mg? próton

nêutron

elétron

O átomo de trítio, ao emitir radiação beta, tem um de seus nêutrons transformado em próton, dando origem a um átomo de hélio.

Solução: Após o tempo de meia-vida (12 anos), a massa do isótopo será reduzida à metade, ou seja, 5 mg. O trítio resultante continuará emitindo radiação beta e, após 12 anos, terá sua massa reduzida à metade, ou seja, 2,5 mg. E, assim, continuará a emissão de radiação pelo trítio.

Pense Quanto tempo será necessário para que o trítio acabe?

282


CAPÍTULO

Massas (mg)

O gráfico abaixo representa o decaimento do trítio. O conhecimento dos tempos de meia-vida das substâncias radioativas é de relevante interesse para a área científica. A tabela a seguir apresenta o tempo de meia-vida de alguns nuclídeos radioativos.

1

TEMPO DE MEIA-VIDA DE ALGUNS NUCLÍDEOS RADIOATIVOS

10

Radiação emitida

Meia-vida

U

α

4 500000 000 anos

Pu

α

24 000 anos

C

β

5 700 anos

H

β

12,3 anos

Co

β

5,3 anos

β

14,3 dias

β

8,1 dias

Isótopos 238

5

decaimento do trítio

239

14

2,5

3

1,25 0,625 0

60

0

12

24

36

32

48

Tempo (anos)

Exercícios

I

3 4 5 6 7 8

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. A estabilidade dos núcleos atômicos dependem de que fator?

2. Os núcleos dos átomos com número atômico superior a 83 apresentam em comum uma característica. Qual é essa característica?

3. O que você entende por série radioativa natural? 4. O que acontece quando um átomo radioativo emite partícula alfa e beta?

5. Por que a radiação gama não apresenta carga nem massa e mesmo assim é a de maior poder de penetração na matéria?

6. Escreva as equações nucleares por decaimento beta para cada caso abaixo: b) 137 a) 90 38Sr 55Cs

7. Escreva as equações nucleares por decaimento alfa em cada caso: a) 221 87Fr

P

131

2

b)

235 92

U

8. (Unirio-RJ) Um radioisótopo emite uma partícula α e

posteriormente uma partícula β, obtendo-se ao final o elemento 234 91Pa . Determine o número de massa e o número atômico do radioisótopo original.

9. (UFPE) A primeira transmutação artificial de um elemento em outro, conseguida por Rutherford em 1919, baseou-se na reação: 14 4 1 7N + 2He ( X + 1H É correto afirmar que: a. O núcleo X tem dezessete nêutrons. b. O átomo neutro de elemento X tem oito elétrons. c. O núcleo 11H é formado de um próton e um nêutron. d. O número atômico do elemento X é 8. e. O número de massa do elemento X é 17.

10. (UEPG-PR) Uma série radioativa consiste em um conjunto de radioisótopos que são formados a partir de um radioisótopo inicial, pela sucessiva emissão de partículas alfa e beta. Na série radioativa que se inicia com 209 o 237 93Np e termina com o 83Bi , o número de partículas α e β emitido é de, respectivamente: a) 3 e 5. c) 6 e 3. e) 8 e 6. b) 7 e 4. d) 5 e 2.

11. O bismuto-211 decai por causa da emissão alfa, originando o nuclídeo tálio, que, por sua vez, decai por emissão beta, dando origem a outro nuclídeo chumbo mais estável. Escreva as equações nucleares envolvidas nas duas etapas.

283


12. O iodo 131 53I apresenta meia-vida de 8 dias. Partindose de uma amostra de 32 g após cinco meias-vidas, quanto restará de iodo?

ENERGIA NUCLEAR

13. (Mack-SP) Pierre Curie, ao receber com a esposa o Prêmio Nobel, declarou: “Não é difícil que em mãos criminosas o rádio pode ser muito perigoso. Terá a humanidade adquirido maturidade suficiente para usar os conhecimentos sem danos? Os explosivos permitiram ao homem realizar obras notáveis e ao mesmo tempo serviram de terrível meio de destruição em mãos dos que lançaram nações nos horrores da guerra. Sou dos que pensam como Nobel, ao achar que as novas descobertas trazem mais benefícios que prejuízos à humanidade.” No texto, Pierre Curie disse que: a) O uso do rádio nunca poderia trazer benefícios. b) Os explosivos devem ser usados somente para a guerra. c) A descoberta de Nobel só trouxe prejuízos. d) Os homens sempre tiveram maturidade para usar os conhecimentos adquiridos. e. Os benefícios trazidos à humanidade por novas descobertas são maiores que os prejuízos.

14. Quantas meias-vidas serão necessárias para que 20 g de um material radiativo se reduza a menos de 10% do valor original?

15. (FCMSC-SP) Ao estudar a desintegração radioativa de Massa do elemento (grama)

um elemento, obteve-se o gráfico:

30 20 10 8

12

16

Tempo (horas)

A meia-vida desse elemento é de: a) 20 horas. d) 4 horas. b) 16 horas. e) 2 horas. c) 8 horas.

16. (Ceub-DF) Dispõe-se de 16,0 g de um isótopo radioativo cuja meia-vida é de 15 dias. Decorridos 60 dias, a quantidade residual dele será: a) 0,5 g. d) 8,0 g. b) 1,0 g. e) 16,0 g. c) 2,0 g.

17. Assinale a alternativa correta: a) A radiação gama é desviada por campos elétricos.

284

18. (UFBA) A química nuclear afeta nossa vida de várias maneiras. Os elementos radioativos são muito utilizados na medicina como ferramentas de diagnóstico e como meio de tratamento, especialmente para o câncer. Qual produto é formado quando o tório ( 232 90Th ) sofre um decaimento alfa? a) 228 c) 228 e) 228 91Pa 92U 88Ra 232 228 b) 92U d) 90Th

19. (UFU-MG) Preparam-se 8 mg de radioisótopo 218 84Po , cuja meia-vida é 3,1 minutos. Restará apenas 1 mg após: a) 3,1 minutos. d) 12,4 minutos. b) 6,2 minutos. e) 24,8 minutos. c) 9,3 minutos.

20. (ESPM-SP) Um certo elemento radioativo tem um período de meia-vida igual a 20 minutos. Dada uma certa quantidade desse elemento, após quanto tempo sua radioatividade se reduzirá a 25% da atual?

21. (PUC-SP) O fenômeno da radioatividade foi descrito

40

4

b) Das principais partículas emitidas por elementos radioativos, a beta é a mais ionizante. c) Quando um radioisótopo emite uma partícula beta, seu número de massa diminui de quatro unidades. d) Se uma amostra de um radionuclídeo se desintegra pela metade, ocorreu um período de meia-vida. e) O tempo meia-vida de um isótopo é de 10 anos, após 50 anos o percentual de massa decairá para 6,25%.

pela primeira vez no final do século XIX, sendo largamente estudado no início do século XX. Aplicações desse fenômeno vão desde o diagnóstico e combate de doenças até a obtenção de energia ou a fabricação de artefatos bélicos. Duas emissões radioativas típicas podem ser representadas pelas equações: 238 92

4 U ( 234 90 Th + 2α

234 90

0 U ( 234 91 Pa + –1β

A radiação α é o núcleo do átomo de hélio, possuindo 2 prótons e 2 nêutrons, que se desprende do núcleo do átomo radioativo. A radiação β é um elétron, proveniente da quebra de um nêutron formando também um próton que permanece no núcleo. A equação que representa o decaimento radioativo do 206 isótopo 238 92U até o isótopo 82Pb estável é: 206 a) 238 92U ( 82 Pb 238 206 b) 92U ( 82 Pb + 8α + 4β 206 c) 238 92U ( 82 Pb + 8α + 6β 206 d) 238 92U ( 82 Pb + 5α + 5β 238 206 e) 92U ( 82 Pb + 6α + 6β


CAPÍTULO

6 RADIOATIVIDADE: SEUS EFEITOS

E APLICAÇÕES

O

1

s efeitos da radiação nuclear nos organismos vivos variam muito em função do tipo de radiação, da intensidade e do tempo de exposição. Como a radiação alfa possui um poder de penetração muito pequeno, ela não causa problemas sérios ao organismo. A radiação beta pode ser retida por um tecido grosso ou madeira. Esse tipo de radiação é o mais perigoso para os organismos vivos. Devido ao seu poder ionizante, a radiação beta produz grande quantidade de radicais livres (moléculas instáveis), que irão afetar as funções orgânicas, causando disfunções e morte de células. Por isso, podem levar ao desenvolvimento de várias doenças, como, por exemplo, o câncer. As radiações gama possuem alto poder de penetração e só são detidas por materiais densos, como placas de chumbo ou concreto. Elas podem ser muito prejudiciais aos organismos vivos dependendo da intensidade e do tempo de exposição.

2 3 4 5 6 7 8

Aplicações de materiais radioativos Os isótopos radioativos servem a diversas aplicações em nossa sociedade. A descoberta da radioatividade natural de alguns elementos químicos, no início do século passado, associada a outras descobertas científicas, levou a um grande desenvolvimento científico e tecnológico da humanidade. Embora normalmente associemos as substâncias radioativas à produção de energia, elas já são amplamente empregadas em nossa sociedade para outros fins. Na próxima seção veremos alguns exemplos de aplicações de substâncias e fenômenos radioativos.

Datação radioativa Pense

Qual a idade do fóssil do Homem de Neanderthal?

Qual a idade desse tronco de árvore fossilizado?

Hely Demutti

Hely Demutti

Museu do Homem, Paris

Como podemos afirmar que o Pergaminho do Mar Morto, manuscrito hebreu do livro do Velho Testamento, tem mais de dois mil anos?

Qual a idade desse animal fossilizado?

A resposta a essas e a outras perguntas pode ser obtida por meio da medição das quantidades de determinados isótopos presentes nos objetos.

285


Determinação da idade de fósseis e objetos antigos ENERGIA NUCLEAR

Em 1946, o químico norte-americano Willard F. Libby [1908-1980] desenvolveu uma técnica para determinar a idade de objetos antigos utilizando como parâmetro o isótopo radioativo carbono-14 (14C). Tal método baseia-se no fato de que nos sistemas vivos estão presentes os três isótopos do carbono: 12C, 13C e 14C. Os dois primeiros são estáveis e o terceiro decai de acordo com a equação: C ( 147N + –10β

14 6

O tempo de meia-vida desse decaimento é de 5,7 ⋅ 103 anos. A quantidade de nitrogênio-14 da amostra pode ser determinada em laboratório. Como é possível determinar a quantidade original de carbono-14? A resposta a essa questão foi dada por Willard F. Libby, que em 1949 publicou um artigo apresentando o método de datação com carbono-14. O carbono-14 é distribuído pelos ciclos do carbono (decomposição de plantas, fotossíntese, respiração, alimentação etc.) e absorvido em todos os seres e substâncias orgânicas do planeta, como o exemplo do Santo Sudário e de fósseis muito antigos.

Nasa

A idade da Terra

Qual é a idade do planeta Terra?

Lord Kelvin [1824-1907] propôs, baseado em cálculos termodinâmicos, que a Terra teria 100 mil anos. Essa estimativa foi aceita por muitos cientistas, mas rejeitada por outros. Ernest Rutherford foi quem propôs o método baseado em decaimento radioativo, aceito até hoje. De acordo com tal método, as rochas mais antigas já identificadas na Terra (granitos da África do Sul) tiveram a idade estimada em cerca de 3,8 bilhões de anos. Por isso, considera-se que o planeta Terra deve ter pelo menos 4 bilhões de anos. O método baseia-se na comparação das quantidades de urânio e de chumbo presentes em minérios de urânio que se acreditava existirem desde os primórdios do planeta. O chumbo-206 (206Pb) presente nesses minérios provém do decaimento do isótopo do urânio-238 (238U) por emissões radioativas. Nesse fenômeno, cada átomo de urânio-238 dará origem a um átomo de chumbo. Portanto, o número total de átomos de chumbo-206 presente no minério é equivalente ao número de átomos do urânio-238 que sofreu decaimento. Sabendo-se que o tempo de meia-vida do isótopo urânio-238 é de 4,5 ⋅ 109 anos, considerando-se a quantidade de átomos desses dois elementos e, ainda, que todo o chumbo foi formado a partir do urânio, é possível calcular quanto tempo o urânio necessitou para transformar-se em chumbo.

Aplicações na Medicina A Medicina Nuclear usa nuclídeos radioativos para diagnósticos, tratamentos e detecção de quantidades mínimas de drogas ou hormônios. Os radiofármacos usados em exames de diagnósticos são introduzidos nos organismos do paciente e o seu deslocamento é acompanhado por detectores de radiação. Com esses marcadores pode-se identificar o estado de saúde de muitos órgãos, por meio de imagens produzidas pelos radioisótopos. Alguns radiofármacos também são usados em tratamentos específicos.

286


Gilberto Marques

Columbia University, New York

Radiografia feita em 1896, nos EUA, mostrando grãos de chumbo na mão de um paciente.

Uma alteração nos organismos bastante comum ocorre nos casos de problemas com a tireoide. O radiofármaco iodo-131 é utilizado na avaliação do funcionamento dessa glândula, determinando a suspeita de problemas. Para diagnóstico, o paciente ingere uma solução com pequena quantidade de iodeto de sódio (contendo 131I), que é absorvida pela glândula. Em seguida, detecta-se a quantidade de iodo absorvida e sua distribuição, mapeando a tireoide. Esse mapeamento é comparado com padrões, indicando possíveis problemas e disfunções. O 131I é radioativo e apresenta características favoráveis à sua utilização na Medicina: meia-vida curta; boa absorção pela tireoide; rapidamente eliminado pelo organismo; e baixa energia de radiação gama.

SPL/Latinstock

CAPÍTULO 1 2 3 4 5 6 7 8

Ministério da Ciência e Tecnologia, BR

O grande risco da radiação para os seres vivos é que os materiais radioativos ionizantes podem causar alterações nas moléculas de DNA (responsável pelo nosso código genético). Essa alteração química modifica a informação genética, fazendo com que apareçam alterações morfológicas e funcionais nos indivíduos. Tais alterações podem provocar o aparecimento de câncer ou induzir mutações genéticas em gerações futuras. Apesar dos efeitos nocivos que pode causar ao organismo humano, a radiação é uma forte aliada nos tratamentos de doenças como o câncer. O combate a essa doença, por meio da radioterapia,, é possível porque as células cancerígenas são mais sensíveis à radiação do que as células normais. Assim, o uso de dosagens controladas é capaz de destruir as células cancerígenas, afetando pouco as demais células. Como ela afeta também as células normais, a radioterapia tem de ser feita com controle rígido para diminuir os efeitos colaterais que produz, como a queima de tecidos normais. A radioterapia é o nome dado a tratamentos de saúde que fazem O médico nuclear analisa imagens e elabora uso de alguma fonte de radiação. Esse nome se deve ao fato de que o um diagnóstico para ajudar na definição de um primeiro nuclídeo radioativo a ser utilizado foi do elemento químico rádio. tratamento adequado para a doença. Existem hoAtualmente outros radioisótopos, também chamados de radiofármacos, je centenas de diferentes exames de medicina nusão usados por apresentarem melhor rendimento terapêutico. Uma das clear, entre eles, estudos dos tumores corporais. 60 fontes mais usadas atualmente é o cobalto-60 ( Co), encapsulada de forma a irradiar somente o local indicado. Até pouco tempo atrás os mais utilizados eram as fontes do isótopo césio-137 (137Ce). Diferentemente da radioterapia, a quimioterapia consiste na aplicação intensiva de substâncias, chamadas quimioterápicas, no tratamento de doenças. Enquanto na quimioterapia são administradas substâncias que vão reagir no organismo, na radioterapia, o tratamento é feito com a exposição à radiação, que vai destruir células cancerosas.

A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) é uma autarquia federal vinculada ao Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT).

Exames de medicina nuclear podem detectar precocemente anormalidades na função ou na estrutura de um órgão no seu corpo. Isso aumenta a chance de a doença ser tratada nos estados iniciais com melhor chance de cura e recuperação. Esses exames geralmente são seguros e indolores. Após o exame, o radiofármaco perde a sua atividade e é eliminado do organismo pelas vias normais.

287


ENERGIA NUCLEAR

Um dos radiofármacos mais utilizados como coadjuvante no tratamento de metástase óssea (câncer ósseo) é o samário-153. Trata-se de um radioisótopo que emite radiação beta e gama, além de atuar como analgésico e diminuir a dor causada pela disseminação (metástase no tecido ósseo) do câncer. A ação do samário-153 possibilita a redução do uso de analgésicos como a morfina, aumentando a qualidade de vida desses pacientes. Outro grande avanço da Medicina é o uso do radiotraçador tálio-201, empregado na detecção de obstruções de artérias coronarianas. O tálio-201, quando injetado na corrente sanguínea, fica alojado no músculo saudável do coração. Ali ele emite radiação gama, detectada por um gerador chamado câmara de cintilação. As imagens geradas por computador indicam se há lesão de tecido cardíaco e se o sangue flui livremente através das artérias coronárias. Em diagnóstico e avaliação de tumores, um radiofármaco utilizado é o gálio-67. Graças à sua alta sensibilidade, o gálio-67 consegue se concentrar nas regiões que estão acometidas por tumores. Além disso, é útil em pesquisas de processos infecciosos e inflamatórios, permitindo avaliar a extensão da doença. O quadro abaixo apresenta outras aplicações de radiofármacos na Medicina. Isótopo 3

Emprego

H

Determinar o teor de água no corpo.

11 24

C

Tomografia por emissão de pósitron.

Na

Estudo do sistema circulatório para identificação de tumores.

51

Cr

Marcação de células.

59

Fe

Diagnóstico de artrites e anemias.

60 67

75

81

Co 85

Tratamento de diferentes tipos de câncer. 99

32

Ga, Se, Kr, Sr, Tc, P

Diagnóstico de disfunções no corpo humano (doenças).

Hely Demutti

Radioisótopos na agricultura

288

O uso de isótopos como traçadores é uma das aplicações de radioisótopos mais difundidas na agricultura mundial. Estudando o deslocamento de radioisótopos, é possível avaliar o deslocamento de átomos de diversos elementos químicos em diferentes meios.

A concentração de átomos de diferentes elementos químicos em plantas está relacionada, entre outros fatores, à abundância desses átomos no solo. A quantidade adequada de cada um deles é fundamental para o desenvolvimento sadio das plantas. Muitos estudos têm sido realizados para acompanhar a ação de substâncias e átomos de certos elementos no desenvolvimento dos vegetais por meio de traçadores radioativos. Para isso, faz-se com que a planta absorva o radioisótopo, para depois ser “radiografada” e localizarse o radioisótopo. Tal informação permite conhecer aspectos relacionados com o metabolismo da planta e a influência de diferentes nutrientes em cada parte da planta. A partir dessas pesquisas, é possível entender melhor o crescimento das plantas e, com isso, atuar de modo a otimizá-lo, aumentando a produção e encurtando o tempo entre plantio e colheita, por exemplo. A análise por ativação com nêutrons é empregada para determinar a concentração de elementos minerais no solo e em plantas forrageiras (pastagens), cujos dados são fundamentais para entender o comportamento de átomos de diferentes elementos químicos no sistema solo-planta. O comportamento de insetos que podem comprometer as plantações pode ser estudado usando também traçadores radioativos, possibilitando um menor uso de agrotóxicos nocivos à saúde com o desenvolvimento de medidas alternativas de controle de pragas. Os insetos são tratados com alimentos contendo radioisótopo, o que permite observar o seu raio de ação, sua distribuição geográfica, bem como a identificação de seus predadores. Os resultados desses estudos favorecem o desenvolvimento de novas tecnologias.


CAPÍTULO

Irradiação de alimentos

1 2 3 4 5 Hely Demutti

6 7 8 J. Yuji

O processamento por irradiação é uma das técnicas disponíveis mais eficientes para desinfecção e preservação de alimentos e plantas ornamentais. O procedimento consiste em submeter o material à ação de substâncias radioativas de rápida desintegração, permitindo que a radiação elimine microrganismos, fungos, larvas ou ovos de insetos, sem deixar resíduos. A irradiação dos alimentos é uma técnica eficiente, desde que utilizada sob condições definidas e controladas. Nenhum resíduo ou alteração é permitido nos alimentos ou plantas, pois a atividade dos átomos radioativos empregados deve cessar antes que os alimentos sejam embalados. Dois frutos conservados sob as mesmas conÉ importante destacar que alimentos expostos à radiação não se tordições: o primeiro foi tratado com radiação ganam radioativos. Apenas os micro-organismos que os deterioram são desma, e o segundo não teve qualquer tratamento. truídos. Isso aumenta a vida útil dos alimentos, favorecendo a estocagem Será que você já consumiu algum alie diminuindo o preço. mento irradiado? Para esse fim são utilizados bombardeamentos por radiação gama, raios X e elétrons acelerados. As fontes normalmente empregadas são cobalto-60 (60Co) ou césio-137 (137Ce).

Aplicações na indústria Todos os alimentos irradiados trazem esse símbolo, conhecido como Radura.

Para verificar possíveis "fadigas" (fissuras) nas principais partes metálicas de uma aeronave, as empresas de aviação realizam, periodicamente, a gamagrafia, assim é possível saber se o equipamento está apto para o voo.

SPL/Latinstock

Ed Viggiani/AE

No setor industrial, os radioisótopos mais usados são o cobalto-60, o césio-137 e o irídio-192. Para diminuir o risco de vazamento, são utilizados em fontes seladas, acondicionadas em caixas de aço inoxidável, hermeticamente fechadas. A escolha do radioisótopo é determinada pela aplicação desejada e por sua meia-vida. Entre as diversas aplicações industriais, podemos citar a do irídio-192 em controle de qualidade de produtos industriais, para avaliar espessuras de forma contínua e sem contato manual. Para isso, são colocados uma fonte radioativa de um lado do material e um sensor de radiação do outro lado. A indústria farmacêutica também utiliza fontes radioativas na esterilização de seringas, luvas, materiais cirúrgicos e farmacêuticos em geral. Essa técnica representa vantagens, pois a esterilização por superaquecimento não permite esterilizar materiais plásticos. As indústrias químicas, petroquímicas e de mecânica pesada utilizam radiação gama para o controle de qualidade em equipamentos metálicos de grande porte; essa radiação permite a detecção de possíveis defeitos, como trincas ou fissuras, imperceptíveis a olho nu. Essa técnica é denominada gamagrafia, trata-se de uma impressão da radiação gama em um filme fotográfico.

Para saber se esse tubo não tem fissura, realiza-se a inspeção radiográfica.

289


Previsão do tempo

Inpe

ENERGIA NUCLEAR

O radônio atmosférico é empregado no estudo das massas de ar que se movimentam na atmosfera. Essa técnica baseia-se no fato de que a fonte geradora do radônio é a superfície exposta dos continentes. Por isso, para descobrir se uma massa de ar é de origem continental ou oceânica, mede-se a fração de radônio-220, em relação ao radônio total da atmosfera. Como o isótopo-220 apresenta um rápido decaimento, baixos valores relativos de concentração indicam origem oceânica. A técnica é empregada desde 1986 pela equipe do Instituto de Pesquisas Espaciais (Inpe) para estudar a circulação atmosférica na península Antártica, dentro do Programa Antártico Brasileiro.

O Instituto de Pesquisas Espaciais (Inpe) é um dos usuários pela CNEN para utilizar material radioativo.

Boffy B/Creative Commons

Contador Geiger

O medidor GeigerMüller é utilizado para detectar o nível de radiação na atmosfera.

290

Acidentes nucleares podem causar grandes danos aos seres vivos e ao ambiente. As substâncias que se desintegram durante esses acidentes são capazes de contaminar o ambiente pela ionização do ar. Uma das maneiras de detectar o nível de radiação na atmosfera é utilizando um instrumento conhecido como contador Geiger. O funcionamento do aparelho baseia-se na sua capacidade de detectar a radiação ionizante de um gás a baixa pressão. O contador Geiger apresenta um tubo cilíndrico e um dispositivo de contagem. No tubo existe um par de eletrodos de cargas opostas, com uma grande diferença de potencial que permite o fluxo de corrente entre os eletrodos. Quando a radiação atravessa o interior do tubo, o gás interno é ionizado. Um pulso de corrente elétrica flui entre os eletrodos e a radiação é indicada por meio de sinal sonoro, luz, ou deflexão (ponteiro de um medidor). A unidade utilizada para expressar a quantidade de radiação emitida (produzida) por uma amostra é o curie. Um curie (ci) é a quantidade de material radioativo produzindo 3,7 ⋅1010 desintegrações por segundo. Como ele representa um valor muito grande, utilizamos o milicurie ou o microcurie nessas leituras. O curie serve apenas para medir a radioatividade. No entanto, para medirmos o grau de exposição à radiação, a raios gama ou X, são necessárias outras unidades, tais como o roentgen (R ou rad).


CIÊNCIA PARA A PAZ

1

A busca pelo conhecimento para a transformação do mundo que nos cerca é inerente à natureza humana. Esta é uma capacidade que nos diferencia dos demais animais. Daí o surgimento da Ciência, atividade sistemática, inerentemente humana, que tem como princípio a busca do conhecimento e o aperfeiçoamento do modo de vida. Ocorre que essa transformação está relacionada também ao sentimento de poder que muitas vezes faz com que prevaleça a luta pelo domínio de uma civilização sobre a outra. Assim, ao longo da História da Humanidade, a Ciência tanto produziu condições para o aumento de nossa qualidade de vida como também produziu conhecimento que serviu para a subjugação de um povo sobre outros. Em outras palavras, a Ciência tanto serve para a defesa da vida (Ciência para a paz) quanto para as guerras (Ciência para a guerra), quando é desenvolvida com esse propósito. São incontestáveis suas contribuições para a preservação da vida, mesmo quando é usada para fins militares. Afinal, são inúmeras as tecnologias amplamente usadas que trazem aumento de qualidade de vida e que foram desenvolvidas para fins de guerra. Vários gases tóxicos, inseticidas e herbicidas também foram testados em guerras e posteriormente passaram a ter aplicações no controle da proliferação de pragas, reduzindo a mortalidade e aumentando a produção mundial de alimentos, com redução do seu preço e aumento de sua disponibilidade. Muitas técnicas e materiais utilizados na Medicina atualmente foram desenvolvidos no tratamento e na busca de cuidar de soldados em guerra. Vários remédios, materiais sintéticos empregados em vestuários, equipamentos, ferramentas etc. também foram desenvolvidos para fins de guerra. Um exemplo de tecnologia que foi aperfeiçoada para a guerra é o controle da energia nuclear. Hoje ela garante o fornecimento de energia elétrica para vários países. Neste capítulo, veremos o estudo desse processo e um pouco de seu histórico. Para isso, vejamos como tal controle estava relacionado à guerra e como os seus efeitos têm provocado reflexões mais amplas sobre a finalidade da ciência e, sobretudo, sobre o controle que a sociedade deve ter sobre ela. O período que antecedeu à Segunda Guerra Mundial coincidiu com o período no qual os físicos se concentravam em estudos sobre o comportamento das partículas que constituem o átomo. Esses estudos revelaram o grande potencial energético do núcleo atômico. A Ciência logo indagou: a energia dos núcleos atômicos pode ser utilizada de alguma maneira? O medo das atrocidades da guerra provocada pelos alemães e o avanço de descobertas na Alemanha sobre processos de transformação nuclear favoreceram o apoio de um grupo de renomados cientistas que se dedicaram ao Projeto Manhattan. Foi nele que se desenvolveu a bomba atômica lançada sobre duas cidades japonesas, Hiroshima e Nagasaki, ao final da guerra, matando mais de 200 mil pessoas. Esse é um trágico exemplo de trabalho de cientistas que resultou na morte de milhares de pessoas. Junko Kimura/Getty Images

CAPÍTULO

Tema em foco Tema

2 3 4 5 6 7 8

Até hoje as pessoas se lembram da barbaridade cometida na Segunda Guerra Mundial com o lançamento da bomba atômica em Hiroshima, no dia 6 de agosto de 1945. Com o sentimento da busca eterna pela paz, milhares de pessoas visitam o Memorial da Paz em Hiroshima, como essas pessoas que visitaram o memorial em 6 de agosto de 2007.

291


A Ciência na História Library of Congress/Washington

ENERGIA NUCLEAR

Isso tem acontecido ao longo da História da Ciência e existem alguns casos curiosos como o trabalho do químico alemão Fritz Haber [1868-1934], de origem judaica, que ficou famoso por desenvolver o processo de síntese de amônia, possibilitando o aumento da produção de alimentos. Haber trabalhou arduamente durante a Primeira Guerra Mundial no desenvolvimento de gases letais que foram usados durante os combates, resultando na morte de milhares de combatentes. Ele tinha uma crença na defesa do povo alemão e, por isso, trabalhou em tal missão. Tal crença ruiu e mudou sua vida quando ele presenciou, no início da Segunda Guerra, a perseguição de seus compatriotas pelos alemães. Nesse sentido, vários cientistas têm se dedicado a fazer reflexões críticas sobre o papel da Ciência e sobre o compromisso ético dos cientistas. O físico Albert Einstein [1879-1955] contribuiu indiretamente para a fabricação da bomba atômica por meio de seus trabalhos teóricos, que deram origem aos conhecimentos sobre a fissão nuclear, e por uma carta que havia escrito ao presidente Roosevelt. Sobre isso, manifestou-se:

A E

M

inha responsabilidade na questão da bomba atômica se limita a uma única intervenção: escrevi uma carta ao Presidente Roosevelt. Eu sabia ser necessária e urgente a organização de experiências de grande envergadura para o estudo e a realização da bomba atômica. E o disse. Conhecia também o risco universal causado pela descoberta da bomba. Mas os sábios alemães se encarniçavam sobre o mesmo problema e tinham todas as chances de resolvê-lo. Assumi, portanto, minhas responsabilidades. E, no entanto, sou apaixonadamente um pacifista e minha maneira de ver não é diferente diante da mortandade em tempo de paz. Já que as nações não se resolvem a suprimir a guerra por uma ação conjunta, já que não superam os conflitos por uma arbitragem pacífica e não baseiam seu direito sobre a lei, elas se veem inexoravelmente obrigadas a preparar a guerra. Participando da corrida geral dos armamentos, e não querendo perder, concebem e executam os planos mais detestáveis. Precipitam-se para a guerra. Mas, hoje, a guerra se chama o aniquilamento da humanidade. Protestar hoje contra os armamentos não quer dizer nada e não muda nada. Só a supressão definitiva do risco universal da guerra dá sentido e oportunidade à sobrevivência do mundo. Daqui em diante, eis nosso labor cotidiano e nossa inabalável decisão: lutar contra a raiz do mal, e não contra os efeitos. O homem aceita lucidamente esta exigência. Que importa que seja acusado de antissocial ou de utópico? Gandhi encarna o maior gênio político de nossa civilização. Definiu o sentido concreto de uma política e soube encontrar em cada homem um inesgotável heroísmo quando descobre um objetivo e um valor para sua ação. A Índia, hoje livre, prova a justeza de seu testemunho. Ora, o poder material, em aparência invencível, do Império Britânico foi submergido por uma vontade inspirada por ideias simples e claras. Albert Einstein EINSTEIN, Albert. Como vejo o mundo. Tradução de H. P. de Andrade. Rio de Janeiro: Nova Fronteira, 1981.

Depois dos lançamentos das bombas sobre Hiroshima e Nagasaki, Linus Carl Pauling [1901-1994], que já havia sido agraciado com o Prêmio Nobel de Química, escreveu um livro, Basta de guerra (No More War!), e um manifesto aos governos de todos os países, assinado por mais de 11 mil cientistas do mundo inteiro, e dedicou parte de seu tempo pregando o fim das experiências com armas nucleares. Por isso, foi agraciado, em 1962, com o Prêmio Nobel da Paz. Essa luta contra o uso de armas nucleares sensibilizou boa parte da sociedade. O movimento hippie foi muito atuante nas décadas de 1960 e 1970 nos protestos contra o uso de bombas atômicas. No Brasil, a letra da música "Rosa de Hiroshima" expressa esse sentimento.

292


CAPÍTULO Tom Hollyman/Photo Researchers

1 2 3 4 5 6 7

Nasa

8

AIEA

Após a explosão da bomba atômica, o mundo viveu o peO símbolo do movimento hippie, criaríodo da Guerra Fria, que envolveu o desenvolvimento de um do na Inglaterra, representa um homem arsenal nuclear muito poderoso, o qual foi desenvolvido sempre com os braços abaixados em sinal de paz. com a presença de cientistas. Os países que dominam essa tecJ. Yuji nologia e que desenvolveram um enorme parque militar usam de sua influência para impedir que outros países também desenvolvam essa tecnologia. Países emergentes procuram também dispor de tecnologia para enriquecimento de urânio, e isso continua a gerar tensão internacional, apesar do fim da Guerra Fria. Isso fez com que fossem criadas instituições para controlar as aplicações da energia nuclear. A AIEA (International Atomic Energy Agency – IAEA), sediada em Viena, Áustria, é um organismo mundial de cooperação e fiscalização no campo da energia nuclear. Em conjunto com os países-membros, trabaPor seu trabalho contra o uso de armas nucleares, Linus lha no gerenciamento de informações relacionadas à utilizaPauling ganhou em 1962 o Prêmio Nobel da Paz. ção de energia nuclear no mundo, de modo a torná-la segura e pacífica. Criada em 1957, a agência conta atualmente com a participação de 137 países, entre os quais o Brasil. Os países-membros da AIEA e outros não membros assinaram, em 1968, o Tratado de Não Proliferação de Armas Nucleares. Entretanto, esses países têm o direito de extrair e processar urânio e outras substâncias radioativas, desde que para fins pacíficos e que permitam o monitoramento de suas atividades por inspetores da entidade internacional. O modelo de desenvolvimento que adotamos até hoje coloca uma série de riscos ao ambiente e, consequentemente, à humanidade. Será que não podemos evoluir nossa visão de mundo, usá-lo, para vivermos em um outro modelo de sociedade? Desde sua descoberta, percebeu-se que a energia nuclear No cenário atual mundial percebe-se uma crescente preocupação com países que investem no desenvolvimento de tectinha um enorme potencial e que seu domínio favoreceria o nologia atômica. Muitos fazem esse investimento na busca despertar de nossas potencialidades. Existe, ainda, no mundo de fontes de energia, mas essa intenção pode esconder outra: de hoje, muita determinação para se saber sempre mais sobre a também ter tecnologia para produção de bombas atômicas. energia nuclear, mas, infelizmente, nem todos por motivos nobres, como o uso na Medicina ou na agricultura. Lembremo-nos de Hiroshima e Nagasaki! É por esses e outros motivos que o uso da energia nuclear sempre foi acompanhado de debates calorosos. Que o tema é polêmico, você já deve ter percebido, não é verdade? Daí pode-se levantar a questão: A energia nuclear deve ou não ser utilizada? Para responder, é necessário considerar seus riscos e seus benefícios. A energia nuclear é uma importante alternativa para a geração de eletricidade em vários países. Viver no escuro para a sociedade atual é impossível! O uso benéfico da radioatividade na sociedade é variado, e o uso de tal tecnologia, A AIEA (International em alguns casos, é vital. Além da geração de eletricidade, já citada, outros usos já estão Atomic Energy Agency), inseridos fortemente em nosso cotidiano, entre eles podemos citar: a conservação dos com seus 137 membros, já alimentos; a produção de medicamentos (os radiofármacos) e os aparelhos para exames assinou o Tratado de Não de diagnóstico; o uso das técnicas para aumentar a produtividade agrícola; a fabricação Proliferação de Armas de peças industriais que exigem precisão e qualidade etc. Nucleares, e esses países somente têm o direito de A polêmica está posta. Quem deve decidir sobre as utilizações da energia nuclear e da processar material radioatiradioatividade? Os cientistas? Os tecnocratas que trabalham para as empresas? Os políticos? vo se monitorado por entiA população? Seria melhor, acreditamos, que a sociedade como um todo se posicionasse dades internacionais. sobre essas questões. O debate envolve aspectos econômicos, éticos, políticos e ambientais.

293


Entendemos que a democratização do saber e a popularização da ciência farão com que aumente a pressão para que o financiamento e o controle dos rumos da ciência sejam em direção aos interesses da vida. Assim poderemos caminhar para a construção de um modelo de desenvolvimento que busque transformar aquilo que ainda não conseguimos fazer: a equidade e a justiça social.

Debata D ebata e entenda

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

ENERGIA NUCLEAR

1. Discuta com seus colegas, justificando seus 3. Como você avalia o trabalho feito por um organismo argumentos: a) É ética a participação de cientistas em projetos militares de produção de armas? b) Na sua opinião, de quem é a responsabilidade pelo uso de armas nucleares?

2. Faça uma pesquisa sobre os motivos que levaram ao lançamento, na Segunda Guerra Mundial, das bombas atômicas sobre Hiroshima e Nagasaki, e discuta as consequências políticas, econômicas, sociais e ambientais de tal decisão.

Pense

internacional, como a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), de controle da tecnologia para enriquecimento de urânio?

4. Comente a afirmação: Armas nucleares na posse de países instáveis aumenta o risco de conflitos atômicos serem acionados por terroristas.

5. Liste os usos benéficos da energia nuclear. 6. Responda: Seria, atualmente, a energia nuclear a solução para a crise energética na sociedade tecnológica?

7 TRANSFORMAÇÕES NUCLEARES

Fotos: Photo Researchers/Latinstock

Se é possível transformar átomos de um metal em átomos de outro metal, por que os alquimistas não conseguiram fazer isso?

U

m dos grandes sonhos dos alquimistas era transformar metais comuns, como ferro, em ouro, metal de alto valor em nossa sociedade e símbolo da nobreza naquela época e ainda hoje. Os alquimistas não obtiveram êxito em seus esforços de transmutação. Isso aconteceu porque seus trabalhos eram baseados em reações químicas e estas nunca levam à transformação de átomos de um elemento em átomos de outro, como verificou posteriormente John Dalton. A realização da transmutação de átomos só se tornou possível no século passado devido à descoberta do fenômeno da radioatividade, embora ela sempre tenha ocorrido na natureza. As descobertas sobre a radioatividade possibilitaram a realização de estudos mais aprofundados sobre a estrutura dos átomos. Em 1934, Irène Joliot-Curie [1897-1956] e Frédéric Joliot-Curie [1900-1958] obtiveram um isótopo radioativo a partir de um não radioativo, abrindo novas portas para as pesquisas nucleares. Com base nessa constatação, foi possível obter isótopos de diversos elementos químicos. Em 1938, o físico italiano Enrico Fermi [1901-1954] previu a possibilidade de se provocar transformações nucleares que envolveriam a liberação de uma grande quantidade de energia. Em 1938, na Alemanha, os químicos alemães Otto Hahn [1879-1968] e Fritz Strassmann [1902-1980] apresentaram uma descoberta muito importante: a fissão de núcleos. Eles determinaram a presença de bário como produto do bombardeamento do urânio por nêutron. Pela obtenção de um isótopo radioativo a partir de um não radioativo, Irène Joliot-Curie e Frédéric Joliot receberam o Prêmio Nobel de Química em 1937.

294


Fissão nuclear Pense Qual o interesse em partir átomos?

1 2 Na reação em cadeia, a fissão de um átomo de 235 U libera uma grande quantidade de energia e de dois a três nêutrons. Esses vão se chocar com outros átomos de 235U que vão ser fissionados, liberando nêutrons que vão fissionar outros átomos e assim por diante. Resultado: em uma amostra enriquecida de urânio, a fissão de alguns átomos fará com que uma grande quantidade de outros se fissionem, provocando uma reação em cadeia e liberando uma gigantesca quantidade de energia.

3 4 5 6 7 8

Representação da reação em cadeia da fissão nuclear J. Yuji

Fissão quer dizer quebra, divisão. Diferentemente do que imaginava Dalton, isso também pode ser feito com átomos. A fissão nuclear, assim como o fogo, ocorre espontaneamente na natureza. O controle do fogo permitiu à humanidade um maior controle da natureza e o desenvolvimento de tecnologias, como cozer alimentos, produzir e manipular diferentes metais. Ao aprender a controlar a fissão nuclear, a humanidade possibilitou outro salto, permitindo a geração de energia em larga escala e a produção de armas de potência nunca antes imaginadas e de diversas tecnologias. Em 1938, os físicos alemães Fritz Strassmann [1902-1980], Otto Hahn [1879-1968] e Lise Meitner [1878-1968] trabalhavam na tentativa de produzir átomos de maior massa atômica, tendo obtido pela primeira vez o protactínio. Nesses experimentos, acabaram por provocar a fissão do urânio-235 (235U), descobrindo que decaimentos radioativos podem ser induzidos pelo bombardeamento de átomos estáveis por outros átomos ou partículas maiores. Dessa forma, núcleos estáveis podem receber outras partículas, tornando-se altamente instáveis. A equação e o esquema apresentados a seguir indicam a reação de fissão nuclear do urânio-235.

CAPÍTULO

A notícia logo se espalhou pelos principais físicos da época. Como se estava no início da Segunda Guerra Mundial, surgiu um temor de que aquela descoberta pudesse vir a ser usada pelos alemães. Os dados teóricos revelavam a possibilidade de fissão do núcleo atômico com liberação de uma grande quantidade de energia. Albert Einstein [1879-1955], ao ser alertado de que essa energia podia ser usada na fabricação de uma bomba e com o temor de que os alemães a desenvolvessem primeiro, escreveu uma carta ao presidente dos Estados Unidos, Franklin Roosevelt, alertando sobre o risco para a humanidade de os nazistas desenvolverem tecnologia para fabricação de armas nucleares. A reação a esse temor deu início ao Projeto Manhattan que contou com a participação de vários cientistas renomados, entre o quais Robert Oppenheimer [1904-1967], Leó Szilard [1898-1966] e Enrico Fermi [1901-1954], e produziu as primeiras bombas atômicas. Esse projeto culminou com o lançamento das bombas nucleares sobre as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki, em 1945. Einstein só ficou sabendo do Projeto Manhattan quando Hiroshima foi bombardeada em 1945. Em função disso, renunciou à direção do Instituto de Estudos Avançados da Universidade de Princeton (1945). Vejamos como se dá o processo que foi desenvolvido nessas pesquisas.

nêutron livre 235

U

produto de fissão

nêutron liberado 235

U

235

U

92 1 U + 10n ( 141 56 Ba + 36Kr + 3 0n

235 92

∆E = 2 ⋅ 1010 kJ/mol

295


ENERGIA NUCLEAR

Nessa reação, assim como em outras de fissão nuclear, dois detalhes merecem destaque. O primeiro é que um dos produtos da reação são os nêutrons. O segundo é a imensa quantidade de energia quando comparada a reações químicas. Os nêutrons produzidos podem se chocar com novos núcleos de urânio-235, provocando novas reações, e assim sucessivamente. Tal processo é denominado reação em cadeia, pois o “produto” se torna “reagente” para a continuidade da reação. No caso da fissão do urânio-235, são liberados 2 ⋅ 1010 kJ/mol. Praticamente um trilhão de vezes mais energia que a reação de combustão do etanol (álcool combustível), na qual são liberados 98 kJ/mol. Em razão desses dois fatores, esse tipo de reação requer controle muito grande sobre as condições de realização.

Fusão nuclear

Nasa

A energia do Sol é decorrente de reações de átomos de hidrigênio que ocorrem com átomos de hélio.

Sissie Brimberg/National Geographic/Getty Images

Por suas contribuições para a teoria das reações nucleares e, em especial, por suas descobertas relacionadas à energia produzida nas estrelas, Hans A. Bethe foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física de 1967.

296

Pense O que é fusão nuclear?

A fusão nuclear foi descoberta no século passado. Entretanto, já existia muito antes de a espécie humana surgir. Em 1939, foi publicado o artigo “A Produção de Energia nas Estrelas”, de autoria do físico alemão Hans Albrecht Bethe [1906-2005]. Nesse trabalho, apresentava a teoria de que o brilho das estrelas ocorria devido à fusão nuclear. Enrico Fermi [1901-1954] e Edward Teller [1908-2003], durante as pesquisas para a produção da bomba atômica, consideraram que a fissão poderia fornecer energia para iniciar processos de fusão. A ideia era a fusão do hidrogênio: uma fonte controlada de energia quase duas mil vezes maior que a energia para iniciar o processo e que não apresenta os mesmos perigos da radiação produzida pela fissão. Em outubro de 1952, os EUA lançaram, em um atol do Pacífico, “Mike”, a primeira bomba de hidrogênio, com potência mil vezes maior que a bomba de Hiroshima. A equação abaixo representa uma reação de fusão de átomos de hidrogênio produzindo átomos de hélio. H + 31H ( 42He + 10n ∆E = 1,7 ⋅ 1012 kJ/mol

2 1

Essa equação representa a fusão de átomos de deutério (átomo de hidrogênio com massa de 2 u) e trítio (átomo de hidrogênio com massa de 3 u), produzindo átomos de hélio. A quantidade de energia é superior a 2 milhões de vezes a energia liberada na queima de um grama de carbono. A fusão nuclear é obtida pela colisão e junção de dois núcleos. Em virtude da grande repulsão das cargas positivas desses núcleos, é necessária uma grande quantidade de energia cinética para que colidam. Por isso, a fusão é mais fácil para núcleos pequenos. Para que esse tipo de reação ocorra, são necessárias altíssimas temperaturas. Como previu Hans Bethe e foi confirmado posteriormente, a temperatura estimada da energia emanada do Sol varia de cerca de 5800 ºC na superfície (fotosfera) e cerca de 15600000 ºC no núcleo e se deve a reações de fusão nuclear. A utilização dessas reações para produzir energia é o desejo de muitos cientistas, mas o controle de temperaturas tão elevadas constitui um problema de difícil solução.


CAPÍTULO

As reações de fusão são acompanhadas de emissão de outras radiações, como nas reações que ocorrem no Sol, representadas a seguir. 1 2 3 0 H + 11H ( 21H + 01e + + 01n 1H + 1H ( 2He + 0γ Ao emitir um tipo de radiação, os átomos de uma substância se transformam em outros ou perdem energia. O domínio desses processos permite a geração de energia para suprir as demandas da sociedade. Uma forma de se aproveitar esse tipo de energia é por meio de usinas nucleares. 2 1

1 2 3 4

8 USINAS NUCLEARES

5

Pense

6

Qual é a importância das usinas termonucleares?

7

A

J. Yuji

8

O urânio enriquecido deve ser cuidadosamente manipulado. Para funcionamento das usinas, o percentual de enriquecimento do urânio é de 2 a 5%. Para mover submarinos, é de 20%, e para a fabricação de bombas, é de 95%.

Felipe Varanda/Folhapress

demanda de energia pelos países é crescente. Alguns países como o Brasil possuem recursos hídricos que lhes permitem suprir bem tal necessidade. Entretanto, outros países não possuem recursos hídricos que lhes permitam atender às suas necessidades energéticas. Para esses, a utilização da energia nuclear como fonte de eletricidade é uma das possíveis alternativas. Trata-se de um processo que transforma energia nuclear (reação de fissão) em calor que, por sua vez, é transformado em energia mecânica (de movimento) e, por fim, transformado em eletricidade. Um dos combustíveis de usinas termonucleares (nucleares) é o urânio-235, enriquecido em cerca 3,2% e na forma de pastilha. O urânio utilizado é obtido a partir de minérios de dióxido de urânio (UO2), que contém urânio-238 (não físsil) e urânio-235 (físsil). Como a concentração desse último é baixa, há necessidade de concentrá-lo. Nesse processo, denominado enriquecimento de urânio, o dióxido de urânio (UO2) é transformado no gás hexafluoreto de urânio (UF6), possibilitando a separação dos dois isótopos. É no reator nuclear que acontece a fissão, reação geradora da energia em forma de calor. Um reator é alimentado por varetas de 4 metros cheias de pastilhas, de 1 cm de diâmetro, contendo urânio enriquecido. O conjunto dessas varetas, com os denominados elementos combustíveis, é colocado em recipientes de aço com água, sendo esses acondicionados em enormes blocos de concreto. O calor liberado nas reações evapora a água, produzindo o vapor que é utilizado para mover as turbinas. O Brasil é um dos poucos países do mundo que dominam tecnologias de enriquecimento do urânio, permitindo-lhe produzir seu próprio combustível nuclear. Vejamos agora como funciona uma dessas usinas, analisando a figura abaixo que ilustra o esquema de uma usina termonuclear, na qual a energia de fissão nuclear é transformada em energia elétrica. Representação do funcionamento de usina nuclear gerador de vapor

vapor turbinas

gerador

reator

água quente sob pressão

água para refrigeração

Em uma usina nuclear, o calor produzido no reator, pelas reações nucleares, é utilizado para produzir vapor, que irá movimentar turbinas acopladas a geradores de energia elétrica. Trata-se de um processo de transformação de energia térmica em elétrica.

297


J. Yuji

Edifício do reator contenção de aço

cúpula

geradores de vapor

U + 01n (

235 92

barras de controle

ENERGIA NUCLEAR

Para evitar que a radiação escape do reator e impedir que o calor derreta as pastilhas de urânio, o que acarretaria sérios problemas técnicos, são utilizadas várias medidas de controle. Barras de controle junto às varetas de combustível (varetas de cádmio que absorvem nêutrons) para controlar a continuidade da reação em cadeia, que ocorrre com a liberação de nêutrons, conforme a equação abaixo: 141 56

Ba +

92 36

Kr + 3 01n

O controle acontece da seguinte forma: quando se quer que o núcleo de urânio produza mais calor, as hastes são elevadas para fora do feixe de urânio: quando se quer gerar menos calor, as hastes são abaixadas dentro do feixe de urânio. Notem que as hastes podem vaso do reator ser abaixadas completamente no interior do feixe de urânio para desligar o reator no caso de um acidente ou para trocar o combustível. Outras medidas de proteção também incluem o processo de geração de eletricidade: Na figura observe o destaque para a proteção do • vasos de aço envolvem o material radioativo; reator. O Vaso do reator • há uma carcaça de aço que envolve o vaso de aço e o gerador de vapor; possui uma proteção de • a estrutura do edifício do reator é revestida de concreto com um metro de espessura. aço, além de estar proteNo Brasil, temos a usina nuclear de Angra dos Reis. Nela, existem dois reatores em gido por paredes de concreto reforçado. A cúpula funcionamento e um terceiro em construção, com previsão para início de funcionamentambém possui uma conto em 2015. Os reatores de Angra 1 e 2 são do tipo PWR (Pressurized Water Reactor – tenção de aço e um reforReator de Água Pressurizada). ço de uma grossa parede de concreto. As barras de controle também são medidas de contenção, neste caso, elas controlam as reações nucleares através do controle de nêutrons.

Luciana Whitaker/Olhar Imagem

Depois de acondicionados em tambores, os rejeitos radioativos podem ser envolvidos em concreto e estocados em minas abandonadas.

298

9 REJEITOS NUCLEARES

A

radioatividade faz parte de nossas vidas. Átomos de isótopos radioativos, como o potássio-40 (40K), estão presentes na natureza e, consequentemente, em nosso organismo. Além disso, materiais radioativos são utilizados na agricultura, na indústria, na medicina, em pesquisas científicas etc. Entretanto, substâncias e materiais radioativos, em concentrações maiores que as normais, representam grandes riscos a qualquer forma de vida. Daí a necessidade de controle especial. Os processos que utilizam material radioativo também geram rejeitos radioativos: materiais que não podem mais ser utilizados, mas ainda apresentam radioatividade. Devido à sua periculosidade, esse tipo de rejeito não pode ser depositado no lixo comum. As maiores quantidades de rejeitos radioativos são geradas em usinas nucleares para produção de energia elétrica. Na verdade, esse é o maior problema dessas usinas. Nas usinas nucleares, os resíduos radioativos são resultado do desgate do combustível que o torna inviável para a produção de energia, mas com considerável atividade radioativa. Além disso, há também outros materiais que se contaminam pelo contato com o combustível altamente radioativo. Em média, por ano, uma usina nuclear produz 3 m³ de lixo nuclear. Os rejeitos continuam emitindo radiação que vai diminuindo gradativamente. No entanto, para que atinjam níveis aceitáveis de radiação e sejam descartados como resíduos comuns, podem ser necessários milhões de anos. Isso exige que sejam confinados em espessas caixas de concreto. Essas, por sua vez, devem ter destino com máxima segurança, para não permitir vazamento de material radioativo para o ambiente.


CAPÍTULO

Os rejeitos radioativos podem ser classificados de acordo com o nível de sua radiação, conforme o quadro a seguir. Nível de radiação

Características

Exemplos

Baixo

Material com baixo teor de radiação e vida média curta

Resíduos de hospitais, laboratórios, indústrias, centrais nucleares

Intermediário

Nível médio de radiação

Equipamentos, recipientes de materiais radioativos

Alto

Alta radioatividade e vida média longa

Resíduos de combustíveis

Destino

1

Enterrados em fossos

2

Armazenados em locais especiais Depositados em tanques ou contêineres de aço, envoltos em concreto

3 4 5 6

Tratamento e disposição de rejeitos radioativos

8

Toneladas de rejeitos produzidas pelo acidente com o césio-137, em Goiânia, ficaram depositadas em Abadia de Goiás durante 20 anos.

Karen Kasmauski/Corbis

Como qualquer lixo, o lixo atômico também necessita de cuidados especiais a fim de evitar danos ambientais. Se não tratados e armazenados adequadamente, os rejeitos radioativos podem contaminar outros materiais que se tornam também lixo radioativo. Foi o que aconteceu em Goiânia (GO), em 1987, quando alguns gramas de césio-137 utilizados em um equipamento de raios X caíram em mãos erradas, causando mortes e contaminação de toneladas de diferentes materiais. Tais rejeitos são formados por resíduos hospitalares, plantas, animais, objetos pessoais, material das construções etc. Ou seja, tudo que teve contato com o césio-137 radioativo. O destino de todo esse lixo foi um repositório construído às pressas na cidade de Abadia de Goiás (GO), concentrados em tambores envoltos por concreto e cobertos por concreto e vegetação. A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) controla o repositório com inspeções periódicas. O tratamento de rejeitos radioativos tem como meta a obtenção de material com nível de radiação o mínimo possível e o mais próximo dos níveis naturais, além de apresentar menor toxidez química. Rejeitos com meia-vida curta são armazenados até que alcancem o nível de radiação desejado para poder ser descartados como material não radioativo. Resíduos provenientes de fissão são tratados e reprocessados para ser utilizados para outros fins. Finalmente, os refugos que não podem ser reaproveitados são inertizados quimicamente, vitrificados, colocados em recipientes de contenção e depositados em locais específicos. A grande dificuldade é encontrar um local que seja de fato seguro para armazenar os resíduos nucleares. Durante anos, esses refugos foram lançados ao mar por diversos países, até quando se estabeleceu um tratado internacional de proibição. Na Alemanha, eles são depositados em minas de sal desativadas e na Inglaterra, em galerias subterrâneas. Há quem proponha lançá-los no espaço. O fato é que, por melhor que seja o processo de vitrificação, não se tem garantia de que o material ficará isolado adequadamente até o nível de radiação atingir níveis seguros sem contaminar o ambiente, e, portanto, encontrar locais apropriados para o destino dos refugos tem sido o desafio das agências responsáveis pelo lixo atômico.

7

299


Tema em foco Tema POLÍTICA ENERGÉTICA

Usina hidrelétrica.

Divulgação

Acervo CNAAA

Eletronorte

ENERGIA NUCLEAR

Ao longo desta unidade discutimos a problemática energética global que aponta a necessidade do uso racional dos recursos energéticos e a substituição daqueles que são potencialmente agressivos ao ambiente. Essas questões estão relacionadas à economia mundial e envolvem interesses de grandes potências que vêm gastando bilhões de dólares na busca desenfreada para manter garantidas suas necessidades do petróleo, principal fonte energética do mundo atual. Isso tem gerado crises entre diversos países. É necessário que a sociedade busque mudanças na matriz energética de forma a gerar menos conflitos e riscos ambientais. Chamamos de matriz energética a quantidade de recursos energéticos oferecidos por um país ou uma região. A sociedade moderna é dependente de grande quantidade de energia. No entanto, a produção e o uso dessa energia estão associados a diversos riscos. Estudamos efeitos ambientais, potenciais e limitações de diferentes fontes de energia. O desafio é buscar as melhores opções, considerando os diversos aspectos, para suprir as necessidades de desenvolvimento de nosso país. A escolha das fontes de energia passa por opções individuais que adotamos em nosso dia a dia, mas passa também pelo debate político, tendo em vista o envolvimento de interesses de diferentes aspectos: políticos, econômicos, sociais, ambientais, tecnológicos etc.

Usina termelétrica de combustão.

Usina termonuclear.

Três exemplos de usinas geradoras de eletricidade. No Brasil, temos os três tipos, sendo que a principal fonte energética advém das hidrelétricas, que utilizam a força das águas para gerar eletricidade.

300

Uma hidrelétrica não contribui para o efeito estufa, mas isso não a isenta de causar problemas ambientais. Para sua construção é necessário represar água utilizando grandes extensões de áreas, o que causa impactos permanentes à fauna e à flora.

Alexandre Belem/JC Imagem

CSSC/Consórcio São Salvador Civil

É importante destacar que para a escolha de uma fonte energética é necessária uma análise global de vários aspectos: ambiental, técnico, cultural, social, político e econômico. Por exemplo, na escolha de um combustível devese levar em conta suas propriedades físicas e químicas: volatilidade, eficiência energética, reatividade, custo, resíduos e impactos gerados etc. Nesse sentido, alguns combustíveis sólidos são difíceis de ser empregados no abastecimento em larga escala, dada a dificuldade de manipulação; já os combustíveis gasosos requerem o desenvolvimento de sistemas apropriados de armazenamento e transporte. Alguns combustíveis têm uma elevada eficiência energética, mas, por outro lado, os seus produtos são muito nocivos ao ambiente, outros são menos energéticos, mas menos agressivos. Em síntese, a decisão final dependerá da conjunção de todos esses fatores. Aparentemente um potencial campo de energia verde! No entanto, para o processo de produção do etanol, muitas vezes, são feitas queimadas da folhagem da canade-açúcar. O combustível pode não ser tão poluente, mas o processo de fabricação gera nuvens de fumaça que intoxicam cidades inteiras, além de problemas socioambientais relacionados com seu cultivo.


CAPÍTULO

A matriz energética mundial está baseada principalmente na utilização do petróleo (veja gráfico ao lado). No entanto, o petróleo é matéria-prima para diversas indústrias e sua queima significa a redução dessa matéria-prima, além de causar diversos problemas ambientais. Diante dessa problemática, o uso dessa fonte de energia precisa ser revisto, demandando investimentos em pesquisas tecnológicas para alterações na matriz energética, além de mudanças de hábitos dos consumidores. Vejamos algumas informações importantes para nos auxiliar na definição de novos rumos.

Oferta de energia no mundo em 2007, discriminada por setores

1 2 3 4 5

Potenciais e limitações das fontes de energia

6 7

A escolha de fontes de energia a serem utilizadas é uma de- Fonte: Química nova, vol. 32, n. 3, p. 757-767, 2009. Disponível em: <www.quimicanova.sbq. cisão estratégica e deve considerar diversos aspectos: tecnologia org.br/qn/qnol/2009/vol 32n3/18-QN09061.pdf>. Acesso em: 27 nov. 2012. disponível, custo financeiro, custo social, autonomia para geração, impactos ambientais etc. Essa decisão não é tão simples e depende da combinação de diversas variáveis: custo, disponibilidade do recurso, quantidade de poluentes gerada, entre outras. Entre os fatores adotados na escolha da fonte de energia está a avaliação da eficiência na produção e do potencial energético de cada fonte. A eficiência relaciona-se à quantidade efetiva de energia que fica disponível para utilização, já que em todo processo há perdas. Quanto menores as perdas, maior será a eficiência. Já o potencial energético é a quantidade de energia produzida por uma unidade de referência. Por exemplo, o potencial energético mede a quantidade de energia gerada por massa ou volume do combustível (veja tabela abaixo).

8

PODER CALORÍFICO DE ALGUNS COMBUSTÍVEIS Combustível

Calor produzido

Combustível

Calor produzido

Lenha

10550 J/g

Óleo diesel

44851 J/g

Gás canalizado

17974 J/g

Querosene

45144 J/g

Metanol

22200 J/g

Gasolina isenta de álcool

46 900 J/g

Álcool combustível

27200 J/g

Gás liquefeito de petróleo (GLP)

49030 J/g

Carvão metalúrgico

28424 J/g

Butano

49 324 J/g

Etanol

29636 J/g

Propano

49951 J/g

Gasolina com 20% de álcool

40546 J/g

Metano

Acetileno

40964 J/g

Hidrogênio

53 922 J/g 120802 J/g

Fonte: GRUPO DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO QUÍMICA. Interações e transformações. São Paulo: Editora da USP, 1993. p. 214.

Hely Demutti

Uma análise da tabela da página seguinte permite levantar reflexões sobre razões que explicam a evolução da exploração das fontes de energia ao longo dos tempos.

Pense Com base na tabela da página seguinte, levante uma possível razão para explicar por que a lenha foi substituída pelo carvão e este substituído por combustíveis derivados do petróleo. Que combustível deve substituir os derivados do petróleo? Por quê?

A análise apenas técnica do poder calorífico dos combustíveis não deve ser a determinante de seu uso. Porém, certamente essa análise é de grande importância para investimentos na utilização em larga escala.

Quais são as fontes alternativas de energia elétrica para o futuro?

301


ENERGIA NUCLEAR

Veja mais dados que apontam possíveis razões para o uso de combustíveis. A disponibilidade de reservas de combustível é um fator importante na decisão sobre a opção tecnológica, mas o seu uso como fonte depende dessa decisão. O desenvolvimento de sistemas para exploração, transporte, armazenamento e distribuição dos derivados de petróleo foram muito mais atrativos do que o desenvolvimento tecnológico de sistemas para o uso do gás natural. Essa opção feita pelos técnicos e investidores fez com que hoje uma grande quantidade de gases presentes em reservas de petróleo não seja aproveitada. DADOS GERAIS DOS PRINCIPAIS COMBUSTÍVEIS Fonte de energia

Informações gerais sobre reservas, vantagens, desvantagens etc.

Carvão mineral

• primeiro combustível fóssil utilizado industrialmente; • combustível fóssil mais poluente; • grande abundância; • baixo custo; • pode ser convertido em combustíveis líquidos (gasóleo ou outros derivados do petróleo); • sustenta grande parte da produção industrial e de infraestrutura das cidades; • de uso restrito no Brasil, é amplamente utilizado no setor siderúrgico.

Gás natural

• é uma fonte energética abundante; • exige cuidados especiais na produção, distribuição e comercialização que dificultam seu uso mais amplo; • sua produção no Brasil em 2007 foi 50 milhões de m3/dia, onde é utilizado principalmente na indústria e na produção de energia; • também utilizado em veículos automotores.

Petróleo

• estima-se que as reservas mundiais disponíveis sejam de 1 237,8 trilhões de barris; • no Brasil, o óleo diesel é o derivado do petróleo mais consumido, devido à opção pelo transporte rodoviário de cargas; • descobertas recentes do pré-sal aumentaram as reservas brasileiras de petróleo; • a importância do petróleo como matéria-prima industrial torna necessária sua substituição fonte de energia; • o Brasil é um dos países que consomem mais petróleo do que produzem.

Etanol

• o etanol é o biocombustível mais utilizado no mundo; • o etanol pode ser produzido também a partir do milho (EUA); • o etanol brasileiro, produzido a partir da cana-de-açúcar, tem menor custo de produção.

Biodiesel

• a produção do biodiesel tem grande papel social porque gera emprego e renda no campo; • o biodiesel pode ser produzido a partir de mamona e do dendê, entre outras culturas simples; • os subprodutos do biodiesel podem ser usados como nutrientes agrícolas; • o biodiesel é de mais fácil transporte e armazenamento por apresentar maior temperatura de fusão, oferecendo menor risco de explosão; • o biodiesel possui eficiência energética similar à do diesel; • o biodiesel emite menos partículas de carvão do que o diesel.

Fonte: Química Nova , vol. 32, n. 3, p. 757-767, 2009. Disponível em: <www.quimicanova.sbq.org.br/qn/qnol/2009/vol32n3/18-QN09061.pdf>. Acesso em: 27 nov. 2012.

Para escolher o melhor combustível, além da eficiência energética é necessário analisar fatores econômicos e ambientais relacionados às reações de combustão.

Pense Que fatores levaram o governo brasileiro a investir no uso do álcool combustível?

302


CAPÍTULO

Infelizmente, fatores técnicos e econômicos pesam muito mais na opção pela matriz energética do que fatores ambientais. Por isso, a decisão brasileira, apesar de ambientalmente mais favorável, foi motivada principalmente pela crise do petróleo de 1973 e pela redução da exportação do açúcar. Frente à crise ambiental global, agora mais do que nunca, está na hora de atribuirmos o real valor aos fatores ambientais. Certamente, eles não serão os únicos.

Quanto maior o desperdício de energia, maior é seu custo ambiental. Ao usar a energia elétrica de maneira racional, você paga menos e ainda ajuda o país a preservar suas reservas ecológicas. Um dos segredos está no uso de equipamentos elétricos mais eficientes e econômicos. O gráfico ao lado mostra como é o consumo médio de energia elétrica em nossas residências.

2 3 Hely Demutti

Como podemos contribuir para a diminuição do problema energético

1

4 5 6 7 8

Consumo médio de energia elétrica em residências brasileiras

Fonte: Adaptado de: <http://adoreinaldo.blogspot.com.br/2012/01/como-calcular-o-consumo-de-energia.html>. Acesso em: 27 nov. 2012.

Tecnologia do desperdício: se esses gases que estão sendo queimados fossem aproveitados, menos petróleo seria consumido e menos gases do efeito estufa seriam lançados na atmosfera.

Como você pode perceber nesse gráfico, geladeira, chuveiro elétrico e lâmpadas são os maiores consumidores de energia elétrica nas residências. Muitas vezes, para diminuir o consumo, são necessárias revisões nas redes elétricas. Isso acontece principalmente quando essas redes são antigas ou foram construídas sem planejamento adequado. Outra forma de diminuir o gasto de energia elétrica é utilizar os aparelhos de forma mais racional.

O Brasil no contexto energético mundial O Brasil é um país com recursos naturais abundantes. Paradoxalmente, dada nossa dependência comercial e tecnológica adotamos uma política energética, em parte, baseada no uso do petróleo. Porém, esse panorama não se assemelha demasiadamente com os demais países, porque possuímos características ambientais favoráveis à utilização de variadas fontes de energia. Temos uma situação muito favorável para geração de energia elétrica por meio de diversas fontes de energia renovável. Compare os gráficos a seguir.

303


ENERGIA NUCLEAR

COMPARAÇÃO DA PARTICIPAÇÃO DE DIVERSAS FONTES DE ENERGIA: BRASIL, OS PAÍSES DA OCDE* E MUNDO Brasil OCDE Mundo Fonte Petróleo (%) 37,4 40,6 35,0 Biomassa (%) 31,1 4,2 10,5 Hidráulica (%) 14,9 2,0 2,2 Carvão mineral (%) 6,0 20,4 25,3 21,8 20,7 Gás natural (%) 9,3 11,0 6,3 Urânio (%) 1,4 5506 11435 Milhões de tep** 226,1 6,2 12,7 Renováveis (%) 45,1 *OCDE – Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico, constituída por 30 países.

** tep – tonelada equivalente de petróleo. Fonte: Balanço Energético Nacional 2007.

Uma comparação entre a oferta de energia elétrica no Brasil (A) e no mundo (B), no ano de 2007

Fonte: Química Nova, vol. 32, n. 3, p. 757-767, 2009. Disponível em: <www.quimicanova.sbq.org.br/qn/qnol/2009/vol32n3/18-QN09061.pdf>. Acesso em: 27 nov. 2012.

Percebe-se, assim, que no contexto geral o Brasil tem se destacado quanto à busca de uma matriz energética baseada em fontes renováveis. Em 2007, cerca de 46% da energia consumida eram originários de fontes renováveis, enquanto a média mundial era apenas de 12% (vide tabela abaixo). Essa distribuição foi favorecida graças a variados fatores que, ao longo do tempo, se acertaram, como por exemplo o uso do álcool como combustível. Na tentativa de aliviar tensões do setor produtor de açúcar e contornar a crise do petróleo, o governo incentivou o programa Proálcool, que de lá para cá, entre erros e acertos, tem hoje papel de destaque na economia do país, dado o desenvolvimento tecnológico ocorrido ao longo do tempo. Na onda de busca de fontes renováveis de energia, dados os danos ambientais causados pelo aquecimento global e as mudanças climáticas, a matriz energética brasileira apresenta larga vantagem. Porém, ainda é necessário diversificar as fontes para que possamos minimizar as chances de um novo racionamento de energia no país, semelhante ao que ocorreu em junho de 2001.

Atitude sustentável Como reduzir o consumo de energia elétrica b Geladeira: evite abrir a porta desnecessariamente; não for-

as luzes dos ambientes desocupados. re as prateleiras da geladeira com plásticos ou vidros; faça b Televisor, aparelho de som, computador e outros: o degelo periodicamente; no inverno, diminua a regulagem mantenha ligado somente o aparelho que você está utilizando; da temperatura; mantenha limpa e desobstruída a parte traevite dormir ou deixar aparelhos ligados desnecessariamente. seira do aparelho. b Ferro elétrico: acumule boa quantidade de roupa e passe b Chuveiro elétrico: evite banhos quentes demorados; utitudo de uma vez; use o aquecimento indicado para cada tipo lize a posição “inverno” somente em dias frios, já que na de tecido; desligue o ferro quando ele não estiver em uso, posição "verão" consome 40% menos; não lave o banheiro mesmo que por intervalos curtos. com água quente. b Condicionador de ar e aquecedores: mantenha as porb Iluminação: evite acender lâmpadas durante o dia, aprotas e janelas fechadas ao usar o condicionador de ar ou veitando a iluminação natural; dê preferência às lâmpadas aquecedor; desligue o aparelho se não for ficar ninguém fluorescentes, pois consomem menos energia; apague sempre no ambiente.

304


CAPÍTULO

b Função stand-by: desligue os aparelhos completamente, evitando a função stand-by, em que há consumo de energia. b Elevador:: não use elevador para subir um andar ou descer dois; não chame dois elevadores ao mesmo tempo, chame apenas o que estiver mais próximo de seu andar. Adaptado de: <www.copel.com>. Acesso em: 27 nov. 2012.

1

Como reduzir o consumo global de energia

2

correr pequenas distâncias. Andar a pé é mais saudável e evita a queima de combustíveis fósseis.

to de veículos entre motoristas que têm trajetos muito parecidos permite economizar combustível e manutenção dos veículos.

tas cidades é mais rápido e barato se locomover por meio de transporte coletivo do que de automóvel.

3 Ilustrações: AMj Studio

Não só a redução de consumo de energia elétrica é importante, mas também a redução do consumo de qualquer forma de energia, pois qualquer que seja a fonte energética, sua economia favorecerá o ambiente. Assim, lembre-se: b Use transporte solidário: o revezamenb Ande a pé: não use automóvel para perb Prefira transporte coletivo: em mui-

4 5 6 7 8

b Use bicicleta: em muitas cidades, a bi-

b Economize combustível do automóvel:

cicleta pode ser um meio de transporte mais rápido e muito mais econômico do que os veículos.

não o deixe ligado sem necessidade, mantenha-o regulado, considere o consumo de combustível quando for adquirir um veículo.

b Reduza o consumo de gás de cozi-

nha: não deixe o fogo ligado mais do que o tempo necessário para cozinhar os alimentos, abaixe o fogo sempre que a água estiver fervendo, use tampas para acelerar o aquecimento da panela.

b Economize pilhas: prefira pilhas recarregáveis. Não deixe pilhas dentro de equipamentos que não estão em uso.

Debata e entenda

FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. De acordo com o texto, por que o petróleo vem sendo mais usado do que os demais combustíveis? 2. Ao se procurar uma nova fonte de energia, que fatores devem ser analisados? 3. Analise a tabela do poder calorífico dos combustíveis na página 301 para responder: se precisarmos de certa quantidade de energia, a partir da queima da menor massa possível, qual seria o combustível mais indicado?

4. Com base nessa mesma tabela, coloque em ordem crescente de rendimento em quantidade de energia por grama de combustível, considerando a mesma massa, os seguintes combustíveis: gasolina, GLP, álcool e hidrogênio.

5. Debata com seus colegas sobre as possíveis razões por que nem sem-

39% óleo diesel

pre os combustíveis com maior poder calorífico são os mais utilizados.

6. Debata sobre as vantagens e desvantagens de cada fonte de energia. 7. O gráfico ao lado do consumo brasileiro de derivados de petróleo mostra que o derivado mais consumido é o óleo diesel, que movimenta caminhões, ônibus e tratores. Que alternativas o Brasil teria para reduzir o consumo desse combustível?

8. Pesquise sobre problemas enfrentados no Brasil com o uso intensivo de energia hidráulica.

8% GLP 20% outras 16% gasolina

8% óleo combustível 9% nafta

Fonte: Química Nova , vol. 32, n. 3, p. 757-767, 2009. Disponível em: <www.quimicanova.sbq.org.br/qn/qnol/2009/vol32n3/18– QNO9061.pdf>. Acesso em: 27 nov. 2012.

305


10

ACIDENTES DE USINAS NUCLEARES E ACIDENTES RADIOATIVOS

pripyat1986.org.ua

ENERGIA NUCLEAR

Chernobyl Em abril de 1986, a usina nuclear de Chernobyl, na Ucrânia, ex-república da então União Soviética, operava com quatro reatores capazes de gerar cerca de 9% da potência de todo o parque elétrico brasileiro da época. Antes de desligá-la para manutenção preventiva, no dia 25, pretendia-se testar um novo mecanismo de emergência. Iniciado o teste, o sistema de resfriamento de emergência foi desligado, mas o reator contiA catástrofe de Chernuou em funcionamento. Como o teste não estava previsto pelo sistema automático de controle, nobyl lançou na atmosfehouve um desequilíbrio no sistema de vapor, provocando vibrações e geração adicional de calor ra uma quantidade de raque dispararam os alarmes, indicando a necessidade de desligamento imediato do reator. Em diação centenas de vezes vez de tomar essa providência, o operador, imaginando que isso fazia parte dos testes e estava maior do que em Hiroshima. Há grande divergênsob controle, desligou o sistema de alarme. A experiência continuou por 24 horas. cia quanto à quantidade Com isso, foram fechadas as válvulas que controlavam o fluxo de vapor para o gerador de pessoas afetadas direta e desligou-se o sistema de proteção, que entra automaticamente em operação quando o ou indiretamente. Só ficou gerador funciona em condições irregulares. Posteriormente, foi dada a ordem de introduum consenso: manipular ção de todas as barras de controle e bloqueio, mas elas ficaram bloqueadas no meio do material radioativo é pior caminho. Houve uma grande explosão, seguida de outras. do que brincar com fogo. O resultado foi a destruição parcial do núcleo do reator e a destruição total do sistema de resfriamento, liberando diversos produtos voláteis. Durante o controle dos incêndios, os bombeiros receberam altas doses de radiações. Além das 31 vítimas fatais, foram hospitalizadas outras 132. No dia seguinte, a população da cidade de Chernobyl acordou com uma terrível notícia: o reator 4 da usina nuclear havia explodido. O acidente causou a morte de milhares de pessoas (são estimadas 28 mil), deixando muitas outras sofrendo graves consequências ocasionadas pelos efeitos da exposição à alta taxa de radiação. Muitas pessoas morreram imediatamente após o acidente. Outras morreram dias depois, em consequência da intensa exposição. Muitas crianças e adultos conCidade de Chernobyl, 2009. traíram leucemia, após lesões na medula óssea. Mulheres grávidas de até quatro meses tiveram filhos apresentando malformação genética.

Fukushima Em 11 de março de 2011, Fukushima substituiu Chernobyl como sinônimo de acidente nuclear. Chernobyl e Fukushima possuíam reatores com tecnologia completamente diferente, mas passaram por acidentes de mesmo nível de gravidade. O acidente ocorrido na usina nuclear de Fukushima, no Japão, foi consequência de uma série de falhas na Central Nuclear de Fukushima I quando foi atingida por um tsunami causado por um terremoto de intensidade 8,9 na escala Richter. Os mecanismos de defesa construídos para evitar esse tipo de catástrofe não foram suficientes, deixando vazar radiação para o ambiente. Na ocasião, dos seis reatores da usina, três estavam em operação e os outros fechados para manutenção. Uma onda do tsunami de aproximadamente 14 metros ultrapassou facilmente a barreira de proteção, constituída por um muro de quase seis metros de altura. Após o tsunami, os reatores em operação foram desligados automaticamente, mas o sistema de refrigeração

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CAPÍTULO 1 2 3 4 5 Kyodo/Reuters/Latinstock

O acidente de Fukushima não foi suficiente para resfriá-los adequadamente, causando aumento da temperatura. O sureacendeu o debate sobre peraquecimento levou à fusão do núcleo dos reatores, ocasionando explosões que danificao uso da energia nuclear ram a capa protetora de metal que protege as barras de combustível nuclear nos reatores. como provedora da eletriCom a proteção danificada, ocorreu o vazamento de radiação em níveis perigosos, concidade na sociedade motaminando cerca de 150 mil quilômetros quadrados e obrigando cerca de 200 mil pessoas derna. Alguns cientistas a abandonarem a região. Cerca de um mês depois as partes não danificadas voltaram a afirmam que esse tipo de funcionar, enquanto as demais permanecem inoperantes. fonte é vulnerável, porém Inicialmente, considerou-se que o acidente de Fukushima liberou cerca de 10% da raainda é inevitável para a diação liberada em Chernobyl. Porém, avaliações posteriores levaram à afirmação de que produção de energia em muitos lugares do mundo. “Fukushima é uma Chernobyl em câmara lenta”. Os seis reatores de Fukushima acumulam Você acredita nisto? muito mais combustível nuclear (1,8 mil toneladas) do que tinha em Chernobyl (180 toneladas). Esse combustível ainda está nos reatores e vaza pouco a pouco, podendo chegar muito longe. Se não for contido a tempo, vai exceder os níveis de Chernobyl. Diferentemente do que ocorreu na Ucrânia, o acidente no Japão não foi ocasionado diretamente por erro humano, o que enfoca o problema em uma perspectiva diferente. E também não foi o primeiro a ser provocado por um fenômeno da natureza. Em 2007, em Kashiwazaki, também no Japão, um terremoto de 6,8 na escala Richter abalou o prédio da usina e provocou incêndio. Nesse caso, apesar do sistema de segurança, também houve vazamento de água contaminada Usina de Fukushima, data, 2012. por material radioativo. Depois do desastre de Kashiwazaki, a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA) sugeriu que se reavaliassem hipóteses de terremotos e sua consequência para os prédios das usinas nucleares. Considerando o ocorrido em 2011, algumas questões podem ser levantadas hoje: Essas recomendações foram acatadas em Fukushima? Seria possível, assim, classificar o acidente no Japão como erro humano? Em Angra I e II, no Brasil existem adaptações que previnem acidentes causados por terremotos? A vantagem que se tem hoje em relação ao que aconteceu na Ucrânia é o fato de aproveitamos as experiências do passado. Há 25 anos, não houve advertências da contaminação dos alimentos. Estima-se que ocorreram mais de seis mil casos de câncer na tireoide de crianças em Chernobyl devido ao consumo de leite contaminado. No Japão, após o acidente, os alimentos foram descartados com severas restrições de consumo. Estima-se que a desativação completa da usina vai levar em torno de 40 anos. Novamente o mundo se vê diante do dilema sobre o uso da energia nuclear para produção de energia.

6 7 8

Pense Compare os argumentos do primeiro texto que considera a energia nuclear limpa com as questões de segurança relativas aos acidentes de Chernobyl e Fukushima. A energia nuclear deve ser usada ou não para produção de energia elétrica?

Goiânia Em 13 de setembro de 1987, Roberto e Wagner foram protagonistas de uma triste história que combinou radioatividade e falta de informação. Na busca de ferro-velho para vender, eles encontraram um bloco metálico pesando aproximadamente 100 kg em um prédio abandonado de um antigo hospital. Esse bloco era na realidade uma fonte radioativa contendo cloreto de césio-137 (CsCl). Sem saber do que se tratava, e vítimas do descaso dos responsáveis legais que deveriam ter dado tratamento adequado ao aparelho, levaram o

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Maxine Hicks/The New York Times

ENERGIA NUCLEAR Lorisvlaldo de Paulo/AE

A responsabilidade de descarte de um aparelho de radioterapia é do operador que fez seu registro, ou seja, do instituto que fazia seu uso. O que fazia uma cápsula de césio-137 em um hospital abandonado?

No acidente de Goiânia, toneladas de lixo radioativo foram recolhidas e acondicionadas para armazenamento (nov. 1987).

308

bloco para casa e o abriram. Nele encontraram uma cápsula contendo quase 20 g do referido sal radioativo: um pó branco que, no escuro, brilhava, emitindo uma luz de coloração azulada. Daí em diante o processo de contaminação se procedeu em grande escala. Contaminação radioativa significa, segundo a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), a existência de material radiotivo em lugares onde não deveria estar presente. Esse processo de contaminação em Goiânia aconteceu de várias maneiras. Após abrirem a fonte, encantados com o “pozinho branco que brilhava no escuro”, o distribuíram entre os vizinhos, entre os quais algumas crianças. O material que servia de blindagem fora vendido ao ferro-velho do sr. Devair que, também encantado com o brilho do pó, levou para casa e o distribuiu a outras pessoas. Maravilhados, adultos e crianças manipularam o material, que foi considerado “sobrenatural”. Dias depois, as pessoas começaram a passar mal, apresentando náusea, vômito, tontura e diarreia. Em farmácias e hospitais foram tratadas como portadoras de doenças infectocontagiosas. Duas semanas depois, assustada com o surto de doentes, Maria Gabriela, esposa de Devair, pegou um ônibus e levou o pó ao Centro de Vigilância Sanitária, dizendo: “Meu povo está morrendo”. O médico do centro, após vários diagnósticos, solicitou a presença de um físico, desconfiado de que o caso fosse de contaminação por uma fonte radioativa. A CNEN foi acionada e o processo de investigação e de descontaminação das pessoas e dos locais contaminados teve início. O bloco metálico pertencia a um aparelho de radioterapia, cujo uso, manutenção e guarda são sujeitos a rigoroso controle. No entanto, encontrava-se abandonado entre outros materiais hospitalares. Quatro pessoas morreram: Maria Gabriela; Leide, sua sobrinha de 6 anos; Israel; e Admilson – estes dois eram funcionários do ferro-velho. Anos depois, mais três vítimas fatais, entre elas Devair. Mais de 250 pessoas foram contaminadas, apresentando queimaduras e outros sintomas. Aves, porcos, cães e coelhos expostos à radiação foram sacrificados. A vegetação do local foi removida e a terra, revolvida. O processo de descontaminação durou mais de dois meses, envolvendo 720 profissionais e gerando mais de 6000 toneladas de resíduos contaminados. A legislação atribui esse controle à CNEN. A omissão das autoridades, por não saberem o que fazer, levou ao aumento do número inicial de vítimas. O acidente causou um sério golpe à economia de Goiânia. Produtos do estado foram boicotados; o turismo despencou a quase zero; carros de Goiânia foram apedrejados em São Paulo; índios caiapós protestaram para defender suas terras de possíveis contaminações. Esse é um dos motivos pelos quais é fundamental que as pessoas tenham conhecimentos básicos sobre o que as cerca. A informação é a melhor forma de prevenção de acidentes. Sob este contexto, é importante entender dois conceitos: a já comentada contaminação radioativa e a irradiação. A primeira é caracterizada pela presença indesejável de um material radioativo em um determinado local onde não deveria estar. A segunda, a irradiação, é definida como sendo a exposição de um objeto ou corpo à radiação. Essa irradiação pode acontecer a alguma distância do corpo, como geralmente é feita em processos médicos, da radioterapia para o tratamento do câncer, por exemplo. É importante saber que irradiar não significa contaminar! Se um corpo sofre irradiação ele não ficará radioativo. Porém, se um local está contaminado, ele vai irradiar, até que o contaminante (material radioativo indesejável) seja retirado do local.


CAPÍTULO

11

BOMBAS ATÔMICAS

Na Pré-História tribos, guerreavam entre si por diferentes motivos. Infelizmente, o sentimento de domínio de um povo sobre o outro permanece até os dias atuais. Com o desenvolvimento da tecnologia, mudaram apenas os métodos. Inicialmente, as batalhas eram corpo a corpo, depois vieram as espadas com o domínio da metalurgia; posteriormente vieram as armas de fogo com a descoberta da pólvora; e assim prosseguiu, até chegarem as bombas atômicas.

1 2 3

Corbis

National Nuclear Security Administration/Nevada

4 A explosão de uma bomba nuclear apresenta um formato de cogumelo que espalha consigo uma devastadora quantidade de energia. Essa é uma imagem que jamais deveríamos ter visto.

No final da Segunda Guerra Mundial, foram lançadas duas bombas atômicas. O grande físico alemão Albert Einstein [1879-1955] disse que não sabia como seria a Terceira Guerra Mundial, mas sabia como seria a quarta: com paus e pedras. Ou seja, o homem possui tecnologia para destruir praticamente toda a vida do planeta. Até hoje se discute a razão que levou os Estados Unidos a lançar as bombas atômicas sobre Hiroshima e Nagasaki, pois a guerra estava praticamente terminada após a invasão na Alemanha. Tudo indica que o principal motivo era demonstrar ao mundo o poderio militar que os Estados Unidos tinham conquistado e impor assim uma supremacia sobre os demais países, como de fato ocorreu após a Segunda Guerra. A história teve início com o projeto Manhattan que levou à fabricação das bombas Litte Boy e Fat Man, com energia equivalente a 20 mil toneladas de TNT, as quais foram lançadas sobre as cidades japonesas. No dia 6 de agosto de 1945, às oito horas e quinze minutos, foi lançada sobre a cidade de Hiroshima a primeira bomba atômica. Ela foi lançada no centro da cidade e destruiu todas as casas em um raio de aproximadamente dois quilômetros. A temperatura chegou perto de 5,5 milhões de graus centígrados e, menos de uma hora depois da explosão, mais de 60 mil pessoas haviam morrido, quase ninguém sobreviveu em um raio de aproximadamente 800 metros. Seu efeito imediato foi a morte de milhares de pessoas devido à grande temperatura e ao aumento da pressão causados pelo violento deslocamento de ar. Milhares de outras pessoas morreram posteriormente, ao sofrerem os efeitos da radiação, que levou ao aparecimento de doenças, como o câncer e as mutações genéticas. Três dias após a explosão em Hiroshima, uma bomba similar foi lançada sobre a cidade de Nagasaki. O número estimado de vítimas dessas duas explosões foi mais de 200 mil pessoas. As bombas atômicas são poderosas armas de grande destruição que usam a fissão nuclear. A reação em cadeia que ocorre é semelhante à que ocorre em uma usina nuclear para a geração de eletricidade, a diferença está na finalidade e na composição do combustível. Enquanto na usina se usa urânio enriquecido ou concentrado a cerca de 3% como combustível, na bomba atômica ele é enriquecimento à faixa de 90%.

5 6 7 8

A cidade de Hiroshima, assim como Nagasaki (Japão), foi praticamente destruída ao ser atingida por uma bomba atômica.

309


ENERGIA NUCLEAR Tsukioka Youichi/Amanaimages/Corbis

A cidade de Hiroshima cresceu ao redor de um castelo medieval do século XVI e foi destruída por uma bomba atômica em 6 de agosto de 1945. Reergueu-se e tornouse uma grande cidade com uma população próxima de dois milhões de habitantes. Não há guerra que destrua o sonho da humanidade em reconstruir a vida.

O urânio-235 é um nuclídeo físsil usado em reações nucleares em cadeia. Os átomos desse isótopo são instáveis e por isso sofrem desitegração com facilidade. Para que ocorra a explosão nuclear, preparara-se um material contendo urânio-235 enriquecido em uma quantidade correspondente à massa crítica: massa necessária para que a reação em cadeia tenha continuidade e se processe instantaneamente. Essa massa é alcançada com um material enriquecido, mais ou menos do tamanho de uma laranja. Diferentemente do funcionamento do reator em uma usina nuclear, onde existe o controle da fissão, na reação em cadeia que acontece na bomba não existe controle. Cada vez que um átomo se desintegra, libera nêutrons que desintegram outros em uma reação não controlada que prosegue indefinidamente. Resultado: em fração de segundos quase todos os átomos de urânio presentes na massa crítica se desintegram quase simultaneamente, liberando uma enorme quantidade de energia! Porém, a bomba atômica não é a arma mais poderosa. Existe uma outra que também usa reações nucleares como fonte de energia: a bomba de hidrogênio. Também conhecida como bomba de fusão, ela usa a fusão nuclear como princípio de funcionamento. A bomba de hidrogênio também é proveniente das pesquisas feitas para a bomba atômica. Edward Teller [1908-2003], húngaro, mesmo sob protestos do físico Fermi e de outros colegas, recebeu a incumbência de chefiar o desenvolvimento da bomba de fusão de hidrogênio. Esta tecnologia usa a bomba de fissão como gatilho para iniciar uma colisão de deutério com o trítio, isótopos do hidrogênio. Veja que nesse caso o que se propõe é a fusão do núcleo desses átomos para formar átomos de hélio, liberando enorme quantidade de energia. O resultado dessas pesquisas deram origem à bomba de hidrogênio, a Mike, que foi testada em 1952, cuja capacidade de detonação era de 10,4 megatoneladas de TNT. Isso equivaleu a uma explosão 750 vezes superior às primeiras bombas atômicas. O que seria suficiente para destruir por completo uma cidade grande! No entanto, essa bomba era muito grande e por isso não foi considerada um artefato prático para ser usado em uma guerra. Porém, seu desenvolvimento foi estrategicamente importante como propaganda do poderio bélico dos americanos no período da Guerra Fria, período histórico do Pós-Guerra. Até os dias de hoje não se tem conhecimento que uma outra bomba dessas tenha sido construída. Mas não pense que, mesmo depois de conhecer o poderio de uma arma dessas, a fabricação de bombas foi cancelada. Em 1961, a Rússia desenvolveu a mais poderosa bomba já concebida, a Tsar, sua força era de 57 megatons. O que corresponde a uma capacidade de destruição equivalente a dez vezes mais que a de todos os explosivos usados na Segunda Guerra Mundial! Infelizmente, até hoje, não é possível controlar a fusão nuclear para utilização pacífica, assim como é feito com a fissão nos reatores nucleares. O fato é que ainda é impossível controlar as altíssimas temperaturas do processo, que giram em torno de 100 milhões de graus Celsius. O que nos parece que, na verdade, o mais difícil de se controlar é a insanidade humana de desenvolver tais artefatos mortíferos, em vez de controlar seus investimentos em prol do desenvolvimento que preserve a vida.

Pense Hiroshima e Nagasaki: era necessário?

310


FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.

1. Comoo varia o efeito da radiação nuclear nos organismos

4. 5. 6. 7.

8.

9. 10. Considerando o estudo sobre a radioatividade e suas

aplicações, indique a alternativa incorreta. a) Na agricultura, o uso da energia nuclear em adubos e fertilizantes é cada vez mais acentuado para estudar a absorção desses produtos pelos vegetais.

11. 12. 13.

14.

b) As radiações gama são ondas eletromagnéticas que acompanham as radiações alfa e beta e têm baixo poder de penetração. c) As radiações são utilizadas nos alimentos para prolongar sua vida útil, retardar o amadurecimento de frutas, destruir fungos e controlar o período de germinação. d) Na Geologia e Arqueologia, certos radioisótopos são utilizados para determinar a idade de rochas e fósseis. e) A datação de um determinado fóssil é feita com base no percentual do 14C já conhecido em relação ao 12C na matéria viva e pelo que é encontrado na peça examinada. Após iniciada, uma reação em cadeia prossegue espontaneamente. Explique por quê. Explique a função do gás argônio contido no contador Geiger-Müller. (UFPA) O carbono-14 (146C) é extremamente importante para a determinação da idade dos fósseis encontrados em escavações arqueológicas. Ao decair para (147N), pode-se afirmar que ele emite: a) 1 partícula α. d) 2 partículas β. b) 1 partícula β. e) 1 partícula α e 1 β. c) 2 partículas α. (UFTM) O gráfico representa a curva de decaimento do radioisótopo cobalto-60, amplamente utilizado em radioterapia. Teor de Co-60 (%)

2. 3.

vivos? Qual é o maior risco da radiação para os seres vivos? Um dos grandes interesses dos cientistas é determinar, sem possibilidade de errar, a idade geológica da Terra. Explique como esse dado foi estimado com base no fenômeno da radioatividade. Como a Química Nuclear é utilizada no diagnóstico de doenças? Quais são os recursos mais usados atualmente? Explique o princípio da radioterapia no tratamento do câncer. Os isótopos radioativos estão espalhados por todo o planeta. Cite as principais fontes de radiação a que estamos expostos. Analise as afirmações abaixo indicando a incorreta: a) O raio beta apresenta o maior poder de penetração entre todos os raios emitidos pelo núcleo de um átomo. b) É necessária uma temperatura muito elevada para se iniciar reações de fusão nuclear. c) A meia-vida de diferentes radionuclídeos pode variar de uma fração de segundo a milhões de anos. d) Quanto maior a meia-vida de um radionuclídeo, mais lentamente ele decai. e) A perda de uma partícula beta por um átomo X forma um átomo com número atômico maior. (Cefet-MG) Considerando as propriedades das radiações que constituem o espectro eletromagnético: a) os raios gama podem ser gerados por partículas excitadas. b) os raios infravermelhos são emitidos por partículas nucleares. c) os raios X conseguem penetrar em regiões de altas densidades. d) os raios lasers são radiações constituídas de uma única frequência. e) os raios ultravioletas são emitidos pelos núcleos de corpos aquecidos. Como funciona um contador Geiger?

100 80 60 40 20 0

0

5

10

15

20

CAPÍTULO

Exercícios

1 2 3 4 5 6 7 8

25

Tempo (anos)

Pelo exame desse gráfico, conclui-se que a meia-vida do radioisótopo em questão é próxima de: a) 1 ano. c) 10 anos. e) 20 anos. b) 5 anos. d) 15 anos. 15. (Vunesp-SP) Uma das etapas do decaimento natural do plutônio envolve a passagem de rádio (Ra: Z = 88, A = 225) para o actínio (Ac = Z = 89, A = 225). Esse processo ocorre com tempo de meia-vida de 15 dias. Pede-se: a) escrever a reação nuclear balanceada para o processo de desintegração, fornecendo o nome da partícula emitida. Os núcleos de rádio e actínio que participaram dessa reação são isótopos, isóbaros ou isótonos? Justificar.

311


b) calcular o tempo necessário para que uma massa inicial de 1 mg do núcleo de rádio se reduza a 0,125 mg por meio do processo de desintegração indicado.

ENERGIA NUCLEAR

16. O isótopo 131 do iodo é artificial e usado no diagnóstico de disfunções da glândula tireoide. Considere a reação A 0 a seguir: 131 53I ( ZX + –1β . Pode-se dizer que os valores de A e Z são, respectivamente: a) 131 e 52. c) 131 e 54. b) 130 e 52. d) 130 e 54.

17. (Ufal) Fissão Nuclear é a divisão de um núcleo atômico pesado e instável que ocorre, por exemplo, por bombardeamento desse núcleo com nêutrons, liberando energia. A alternativa que corretamente representa uma equação de fissão nuclear é: 90 144 1 1 a) 235 92U + 0 n ( 55 Cs + 37 Rb + 3 0 n 235 235 235 1 b) 92U + 0n ( 56 Ba + 36 Kr 238 1 1 c) 235 92U + 0 n ( 92 U + 3 0 n 235 93 140 1 d) 92U + 0n ( 56 Ba + 36 Kr + 3 01n

18. (UFRJ) As figuras abaixo representam reações nucleares: a

J. Yuji

figura I representa uma reação que envolve o isótopo-235 do urânio e a II, outra reação, que envolve o isótopo do hidrogênio. figura 1

X

90 36

Kr

d) A fusão nuclear é atualmente utilizada para produzir energia comercialmente em muitos países. e) Ambos os métodos ainda estão em fase de pesquisa e não são usados comercialmente.

20. Qual é a diferença entre fissão e fusão nuclear? 21. Qual é o maior problema encontrado pelos cientistas na utilização da fusão nuclear para obtenção de energia?

22. As usinas termonucleares são vistas, em termos comparativos, como fonte barata e limpa de energia. Qual é o problema dessas usinas?

23. Explique por que os rejeitos radioativos não podem ser descartados diretamente no ambiente.

24. De acordo com o nível de radiação, como esses materiais podem ser classificados?

25. Sobre fissão e fusão nuclear, julgue os itens abaixo em verdadeiro ou falsos. 1) A fusão nuclear é responsável pela produção de luz e calor no Sol e em outras estrelas. 2) Apenas a fissão nuclear enfrenta o problema de como dispor o lixo radioativo de forma segura. 3) A fusão nuclear é atualmente utilizada para produzir energia comercialmente. 4) Ambos os métodos ainda estão em fase de pesquisa e não são usadas comercialmente.

26. A fissão nuclear é um processo em que um núcleo é 235 92

U

J. Yuji

X

236 92

U

X

Y

figura 2 2 1

H

2 1

H

a) Identifique a partícula designada por X. b) Escreva a equação que representa a formação de Y. c) Identifique as reações nucleares representadas nas figuras 1 e 2. d) Indique em qual das reações nucleares citadas há maior desprendimento de energia por unidade de massa.

19. (FGV-SP) Sobre fissão nuclear e fusão nuclear: a) Os termos são sinônimos. b) A fusão nuclear é responsável pela produção de luz e calor no sol e em outras estrelas. c) Apenas a fusão nuclear enfrenta o problema de como dispor o lixo radioativo de forma segura.

312

arrebentado por meio de um bombardeamento com partículas como o nêutron, por exemplo. A alta energia libertada nesse processo é utilizada na bomba atômica (fissão do urânio) e em reatores para mover navios, iluminar cidades etc. Sobre esses fatos, você pode concluir que são verdadeiras as seguintes afirmações: 1) A fissão nuclear não liberta muita energia. 2) A fissão nuclear não é um processo violento. 3) A fissão nuclear não depende da eletrosfera do átomo que sofre o processo. 4) A fissão nuclear não serve para fins pacíficos. 5) Na fissão nuclear formam-se íons.

27. Na reação de fissão: 1 U + 01n ( 90 37 Rb + ... + 2 0 n O produto que está faltando é o: a) 144 d) 157 58 Ce. 63 Eu. 235 92

b) 146 57 La. c)

160 62

e)

144 55

Cs.

Sm.

28. O reator atômico instalado no município de Angra dos Reis é do tipo PWR (Reator de Água Pressurizada). O seu princípio básico consiste em obter energia através


origem a outro elemento. Das reações abaixo, não representa um processo de transmutação: a) 105U + 01n ( 37Li + 24

Os números atômico e de massa do elemento T são, respectivamente: a) 27 e 91. c) 39 e 92. e) 44 e 92. b) 37 e 90. d) 43 e 93.

b)

108 47

c)

23 11

d)

23 11

e)

27 13

Ag + 24 ( 37In + 01n

H + H ( He + n + 3,96 · 10 kcal/mol de He A respeito da reação nuclear dada, é correto afirmar que: a) é uma reação de fissão nuclear. b) é uma reação de fusão nuclear. c) é uma reação endotérmica. d) é um fenômeno físico. e) há liberação de prótons. 3 0

2 0

4 2

1 0

8

30. Com relação ao lixo nuclear, a alternativa incorreta é: a) O lixo nuclear é todo resíduo formado por compostos radioativos que perderam a utilidade de uso. b) Esse lixo é produzido por diversas fontes, sendo as principais: usinas nucleares, armas nucleares e laboratórios de exames clínicos. c) O lixo nuclear deve ser transportado, tratado e isolado com o máximo rigor, seguindo as normas de segurança internacionais a fim de evitar qualquer tipo de acidente ou contaminação. d) O contato do ser humano com esse tipo de lixo pode ter como consequência o desenvolvimento de várias doenças, sendo o câncer a principal. e) A radiação emitida por esse tipo de material (lixo) não desaparece com o passar do tempo, pois ele nunca perde a sua atividade. 31. (Faap-SP) Indique e justifique se a reação abaixo constitui um exemplo de fusão nuclear: 91 1 U + 01n ( 142 56Ba + 36Kr + 3 0n

235 92

32. (UFCE) A expressão fusão nuclear é equivalente a: a) b) c) d)

liquefação dos núcleos. fissão nuclear. quebra de núcleos formando núcleos menores. reunião de núcleos formando núcleos maiores.

1

Na + F ( Na + F + En

2

Na + D ( Na + p

3

19 9

2 1

23 11

24 11

+

+

19 – 9

1 1

1 Al + 24 ( 30 15P + 0n

29. (Mack-SP) Quando a massa de nuvens de gás e poeira de 34. (UFRGS-RS) Considere as equações: uma nebulosa se adensa, a temperatura aumenta, atingindo milhões de graus Celsius. Então, átomos de hidrogênio se fundem, gerando gás hélio, com liberação de quantidades fantásticas de energia. A fornalha está acesa. Nasce uma estrela. Uma das equações que representa esse fenômeno é:

CAPÍTULO

do fenômeno “fissão nuclear”, em que ocorre a ruptura de núcleos pesados em outros mais leves, liberando grande quantidade de energia. Esse fenômeno pode ser representado pela seguinte equação nuclear: 235 144 1 1 0n + 92U ( 55 Cs + T + 2 0n + energia

92 141 1 10 n + 235 92U ( 3Kr + 56Ba + 3 0n H = – 1,9 · 10 kJ/mol

1 0

H + 03H ( 24He + 01n H= – 1,9 · 109 kJ/mol

2 1

que representam, respectivamente, as reações de produção de energia em reatores nucleares e no Sol. Essas reações: I – são de fissão nuclear. II – convertem massa em energia. III – produzem isótopos radiativos. Das proposições, está(ão) correta(as): a) apenas a I. d) apenas II e III. b) apenas a II. e) I, II e III. c) apenas I e II.

4 5 6 7 8

35. (FEI-SP) A bomba de hidrogênio é um exemplo de reação nuclear: a) do tipo fissão. b) onde ocorre apenas emissão de raios alfa. c) onde ocorre apenas emissão de raios beta. d) do tipo fusão. e) onde ocorre apenas emissão de raios gama.

36. Em relação aos processos nucleares, é incorreto afirmar: a) A energia nuclear é uma das alternativas disponíveis para suprir a grande necessidade energética das sociedades modernas. b) A utilização da energia nuclear como fonte energética se deve à grande quantidade de energia gerada nas reações nucleares. c) A energia nuclear é utilizada para produzir vapor que, por sua vez, irá girar as turbinas da usina, produzindo energia elétrica. d) A energia nuclear não pode ser utilizada na movimentação de navios submarinos. e) As reações nucleares têm várias formas de aplicações na indústria, como, por exemplo: no controle de produção, no estudo de detergentes, na determinação de vazamentos, entre outras.

33. (CeuB-DF) Em reações de transmutação um elemento 37. Explique por que a reação de fusão nuclear é mais fácil químico passa por transformações nucleares, dando

de ocorrer em núcleos pequenos.

313


ENERGIA NUCLEAR

38. (Vunesp) O primeiro isótopo radioativo produzido arti- 40. (UFRJ-adaptado) Um dos produtos liberados nas exploficialmente foi o fósforo-30 (30 33P) por meio do bombardeio de lâminas de alumínio com partículas alfa: 27 4 31 13Al + 2 ( 15P + X (I) 30 O isótopo formado 15P desintegra-se por emissão de pósitron ( –10): 30 b 0 15P ( aSi + +1β (II) Balancear as equações (I) e (II) identificando a partícula X e fornecendo os números atômicos e de massa do átomo Si formado. 39. (Unirio) Nos produtos de fissão do urânio-235, já foram identificados mais de duzentos isótopos pertencentes a 35 elementos diferentes. Muitos deles emitem radiação α, β e γ, γ representando um risco à população. Entre os muitos nuclídeos presentes no lixo nuclear, podemos destacar o 137 Cs (césio-137), responsável pelo acidente ocorrido em Goiânia. Partindo do 137I, quantas e de que tipo serão as partículas radioativas emitidas até se obter o Cs-137? a) 1 partícula β. d) 2 partículas α. b) 1 partícula α. e) 2 partículas γ. γ c) 2 partículas β.

sões nucleares e nos acidentes em usinas nucleares que mais danos podem causar aos seres vivos é o isótopo 3890Sr. Trata-se de um isótopo radioativo que se acumula nos ossos, por substituição do cálcio, e é emissor de partículas beta. Escreva a equação do decaimento radioativo do 3890Sr, identificando o elemento que dela se origina. 41. Após a Segunda Guerra Mundial a situação da humanidade se agravou diante do início da era nuclear. Analisando os acidentes nucleares ocorridos nos últimos anos, você atribui a culpa à falha humana ou aos equipamentos? 42. (Ufal) A equação: 239 1 97 138 1 94U + 0n ( 39Y + 55Cs + 5 0n representa uma reação de: a) conversão catalítica. b) decaimento radioativo. c) oxirredução. d) fissão nuclear. e) fusão nuclear.

Radioatividade b Radioatividade é a emissão de radiações, por alguns tipos de átomos, na forma de energia ou partículas subatômicas. Existe uma variedade de emissões nucleares, sendo as principais as radiações α, β e γ. b A radiação α é constituída por dois prótons e dois nêutrons, o que lhe confere pequeno poder de penetração e alto poder de ionização.

b A radiação β possui carga negativa positiva e massa se-

melhante à do elétron, tendo poder de penetração intermediário entre as radiações α e γ. b A radiação γ, constituída por ondas eletromagnéticas, não possui carga nem massa, mas é dotada de alta velocidade e poder de penetração maior que as radiações α e γ.

Desintegrações radioativas b Lei de Soddy: quando um átomo emite uma partícula

b Lei de Soddy-Fajans-Russel: ao emitir uma partícula beta

alfa (α), ele se transforma em outro átomo de número atômico, duas unidades a menos, e seu número de massa diminui em quatro unidades.

(β), um átomo tem seu número atômico aumentado em uma unidade, mas seu número de massa permanece inalterado.

Radioatividade: seus efeitos e aplicações b A descoberta da radioatividade natural de alguns elementos químicos, associada a outras descobertas científicas, possibilitou um grande desenvolvimento científico e tecnológico da humanidade. b Os efeitos da radiação nuclear nos organismos vivos variam em função do tipo de radiação, da intensidade e do tempo de exposição. b Na medicina, os isótopos radioativos e os radiofármacos podem ser usados para diagnóstico e tratamento de diversas doenças. b Na agricultura, os radioisótopos são utilizados em

314

estudos sobre a absorção de nutrientes pelas plantas e no combate a bactérias, fungos e insetos que prejudicam a agricultura. b Na indústria, os radioisótopos são utilizados no controle de qualidade da produção, em radiografias de tubulações metálicas, na conservação de alimentos, entre outras aplicações. b Na previsão do tempo, ajuda a identificar a origem de massas de ar. b Certos radioisótopos são utilizados para determinar a idade de fósseis, rochas, vegetais, animais, pinturas etc.


b Fissão nuclear é a “quebra” do núcleo de um átomo, originando outros núcleos menores, com intensa liberação de energia, e nêutrons que podem se chocar com novos núcleos, provocando uma reação em cadeia. b Fusão nuclear é a colisão de dois núcleos pequenos

formando um núcleo maior, exigindo grande quantidade de energia e elevada temperatura. b As reações nucleares liberam enormes quantidades de energia, tornando-as importantes fontes energéticas.

CAPÍTULO

Transformações nucleares

1 2 3

Usina nuclear e lixo atômico b Num reator nuclear, a energia da fissão é transformada

b Os resíduos contendo material radioativo – lixo atômico

em calor. Este é transformado em energia mecânica, que gira uma turbina e produz eletricidade. O dióxido de urânio (UO2) é a principal fonte de urânio-235 físsil, combustível mais comum desses reatores.

– requerem tratamento especial porque podem contaminar outros materiais, tornando-os também radioativos. No Brasil, qualquer uso e descarte de material radioativo é controlado pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN).

Acidente radioativo de Goiânia b Em 1987, na cidade de Goiânia (GO), ocorreu o vazamento de material radioativo, césio-137, de um aparelho de radioterapia. Esse acidente teve grande repercussão

no Brasil e no mundo e serviu de alerta para o risco da manipulação inadequada de materiais radioativos.

4 5 6 7 8

Bombas nucleares b As bombas nucleares são armas com grande poder de destruição devido à energia liberada, além da contaminação por radiação.

Gabarito Capítulo 1 Exercícios (p. 19) 5. a) b) c) 6. a) d) 11. d

Dúzias ou 12 unidades. Metros ou quilômetros A grandeza = 0,60 – metro. kg. b) metros. c) litros. litros. e) metros ou kg. f) m2. 12. a 13. d 14. d 15. b 16. b

Exercícios (p. 24 e 25)

5. a) 342 g/mol 7. a) Mg3Si4O10(OH)2 : 379,3 u e 379,3 g/mol. CaSO4 2H2O : 172,1 u e 172,1 g/mol. Ca5(PO4)3(OH) : 502,5 u e 502,5 g/mol. Al2O3 : 102,0 u e 102,0 g/mol. b) A gipsita risca o talco (de menor dureza). c) Talco : mineral da lista de menor dureza. 9. a) NaNO2 = 69,0 g/mol, KNO2 = 85,1 g/mol, NaNO3 = 85,0 g/mol, KNO3 = 101,1 g/mol. b) 2 g de conservante. c) NaNO2 = 0,029 mol, KNO2 = 0,024 mol, NaNO3 = 0,023 mol, KNO3 = 0,02 mol. 10. b) 1,13 ⋅ 10 –5 mol. 11. a) 98,1 u. b) 74,1 u. c) 310,3 u d) 46 u. e) 368,2 u. f) 244,3 u. 12. a) E b) C c) E d) C e) E

4. a) (átomos) Mg : 1,204 ⋅ 1021; Fe : 6,02 ⋅ 1020 Mo : 1,565 ⋅ 1018 ; Se : 1,902 ⋅ 1019 b) (mol) CaCO3 : 2,49 ⋅ 10 –2; KI : 8,97 ⋅ 10 –7; CuO : 2,24 ⋅ 10 –7; ZnO : 2,99 ⋅ 10 –4 mol; MnSO4 : 3,31 ⋅ 10 –5. Exercícios (p. 32) 5. (átomos) 1. a) 135 g/mol b) 7,41 ⋅ 10 –5 mol a) Au : 3,31 ⋅ 1023 b) Cu : 9,51 ⋅ 1024 2. a) 212 g/mol b) 5,66 ⋅ 10 –5 mol –4 c) Al : 1,62 ⋅ 1023 d) O2 : 3,47 ⋅ 1042 3. b) 2,78 ⋅ 10 mol. 4. 1,23 ⋅ 10 –1 mol. e) Fe : 7,53 ⋅ 1049 átomos 5. b) 8,03 ⋅ 6,02 ⋅ 1023 moléculas de DHA. 6. (átomos) 6. e 7. b 8. 113,55 L 9. 1) C 2) E 3) C 4) C a) Al : 9,6 ⋅ 1023; S : 1,4 ⋅ 1024; O : 5,8 ⋅ 1024 b) Ca : 2,71 ⋅ 1024; P : 1,81 ⋅ 1024; O : 7,22 ⋅ 1024 Capítulo 2 c) C : 2,04 ⋅ 1025; H : 6,12 ⋅ 1025; O : 1,02 ⋅ 1025 Exercícios (p. 45 a 47) d) K : 7,2 ⋅ 1024; Fe : 1,8 ⋅ 1024; C : 1,1 ⋅ 1025 4. a) 99 g b) 996 g N : 1,1 ⋅ 1025 5. a) 42,36 g b) X = 71,9 g T = 21,18 g d) 2,89 7. 6,36 ⋅ 1016 anos. 8. 9,63 ⋅ 1024 átomos de S. 7. 1) C 2) E 3) C 4) E 5) E 9. 3,54 ⋅ 1022 moléculas de H2O2. 8. 1) E 2) C 3) E 4) C 5) E 9. b 10. 1) C 2) E 3) E 4) E 11. a 12. a 13. d 11. c 12. d 13. b 15. d

Exercícios (p. 29 e 30) 2. Verdadeira.

4. M = 135 g/mol.

Exercícios (p. 55 a 57) 3. 12 mol de O2.

4. 20 mol de C2H5OH

5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 21. 23. 25. 26. 27. 28.

b) 4,89 ⋅ 1026 moléculas de CO2. 1,204 ⋅ 1026 constituintes de CaCO3. 9 kg de glicose. a) 1140,74 g de ferro. b) 2,4 ⋅ 1024 moléculas de Fe2O3. c) 9,11 mol de Al. a) 201,8 g de Ti. b) 8 mol de Mg. c) 2,41 ⋅ 1024 átomos de Mg. a) 1600 ⋅ 103 g Fe2O3 ou 1600 kg de Fe2O3. b) 1400 kg 160 g Fe2O3. c) 33 g de CO2. a) 15,93 L de CO2. b) 16,08 mol de H2O. c) 3,612 ⋅ 1025 moléculas de O2. a) 78378,378 mol de [CH3[CH2]10COONa] b) 522,53 kg de [CH3[CH2]10COOH]. c) 3135,135 kg de NaOH. b) 652,17 g de (CH3COOH). 1) E 2) C 3) C 4) E 5) E a) SiO2 : 6,66 ⋅ 103 mol; Na2CO3 : 3,77 ⋅ 103 mol CaCO3 : 4,00 ⋅ 103 mol b) 2,14 ⋅ 105 L de CO2. d. 17. e. 18. e. 19. c. 20. b. 65,16 litros de CO2. 22. b. b) 12,01 u. 24. Verdadeira. M(NaCl) 58,5 g/mol. M(KCl) 74,6 g/mol. 180 g/mol. M(C3H8) = 44 g/mol. M(C4H10) = 58 g/mol. d.

Exercícios (p. 59 a 61) 3. 4. 5. 7. 10.

12 mol de O2. 2. 25%. 3. d. a) 1426,63 g de C6H12O6. b) Não a) 50%. c) 1,08 ⋅ 10 –3 L. 6. 11,35 L 143,68 g 8. d. 9. 14,8697 ⋅ 104 g 51,62 g de AgCl. 11. 0,21 mol de CO2.

315


Capítulo 3 Exercícios (p. 77 e 78) 8. 1) C 2) E 3) E 4) C 12. 1) C 2) E 3) C 4) C 5) E 13. e. 14. c. 15. d.

Exercícios (p. 87 a 89) 1. b) 0,75 g/L 2. a) Cafeína: 0,32 g/L Taurina: 4,0 g/L Glucoronolactona: 0,24 g/L Inositol: 0,20 g/L 3. a) aspartame=0,038g; lactose= 0,957 g dióxido de silício coloidal = 0,005 g 4. V(álcool) = 650 mL(álcool). Coloide. 6. a) 23,4 g (NaCl). b) 27,75 g (CaCl2). c) 14,175 g (C6H1206). 7. Cn/v(NaCl) = 0,042735 mol/L Cn/v(CC12H22O11) = 0,0526315 mol/L. 8. n(H2O) = 2 mol. n(NaCl) = 0,50 mol. n(total) = 2,5 mol. 9. n(N2) = 0,78. n(O2) = 0,21. n(Ar) = 0,01. 10. b. 11. b. 12. 40 gotas de medicamento. 13. 570,83 g (leite). 14 14.. b 1 15. 5. 0,5 L 16. a) 6,24 mol/L. b) 0,053%. 17. a) 5 ⋅ 10 –3 mol/L. b) 0,4 L ou 400 mL. 18. c. 19. d. 20. d. 21. a. 22. e. 23. e. 24. e.

Exercícios (p. 94) 3. 5. 7. 10. 14.

Segunda solução: 0,1 mol/L. 4. 1800 mL. a) 8,0 mol/L. b) 0,017 mol/L. 6.3831 mL. 0,64 mol/L 8. 7,6 L de água. 9. 5000 g. 0,494 mol/L 2. 150 mL. 13. 3360 mg d. 15. b.

21. a) b) 22. 1) 23. 1)

5,1 atm e 256 °C. Ponto triplo. Não. c) Não. d) Estado sólido. E 2) E 3) C 4) E 5) E E 2) E 3) E 4) C 5) C

Capítulo 5 Exercícios (p. 146 e 147) 8. 1) C 2) E 3) E 4) C 5) E 10. a) Não. b) Não. c) Sim. d) Não. 15. 1) E 2) E 3) C 4) C 16. 1) E 2) E 3) E 4) C 17. b. 18. c. 19. b. 20. a.

19. a) Esquerda. b) Direita. c) Direita. 20. 1) E 2) E 3) C 4) C 21. a) C b) C c) E d) E 22. b.

Exercícios (p. 181 a 183)

–1

Exercícios (p. 117 e 118)

Exercícios (p. 214 e 215) 12. a) Fechado. b) Isolado. c) Aberto. 15. c. 16. c. 17. 752,4 J. 18. 24000 cal ou 24 kcal. 19. 650 cal. 20. 13,3 kcal/g. 21. 1) C 2) C 3) C 4) C 5) E 6) E 7) C

11. d. 19. 1) E 2) C 3) C 4) C 20. 1) E 2) C 3) C 4) C

16. 18. 21. 26. 27.

d. 4. b. 5. b. 6. +1,8 kJ 7. exotérmica a. 10. –1365,6 kJ/mol –108,2 kcal/mol 13. –13,3 kcal/mol. a) ∆H = –1298,3 kJ/mol. b) ∆Hof = –45,9 kJ/mol. c) ∆H = +497,8 kJ/mol. 21 kcal de HCl 17. +0,30 kJ/mol mol d. 19. c. 20. –74,7 kJ +94 kcal/mol. 22. c. 23. c. a) Diminui. b) Aumenta. c) Diminui. 1) E 2) C 3) E 4) C 5) C

Capítulo 8 Exercícios (p. 276 e 277) 5. 9. 15. 16. 22.

b. 7. c. 8. Alfa, beta e gama. O núcleo. 14. (1) E (2) E (3) E (4) C. (1) C (2) E (3) C (4) C (5) E. c. 21. Alfa, beta, beta, alfa. b. 23. b. 24. a.

b. 6. 6,52 ⋅ 10 L ⋅ mol 2,16 ⋅ 102 L ⋅ mol–1 b) y c) t6 13. 13.e. 14. 1,086 ⋅ 103 L/⋅ mol 346,77 atm. 16. 2,68 ⋅ 10 –7 atm Exercícios (p. 283 e 284) a) Kps = [Fe3+] ⋅ [OH –]3 8. A = 238; Z = 92 9. b, d, e. 10. b b) Kps = [Ca2+] ⋅ [F–]2 c)Kps = [Ba2+]3 ⋅ [PO43–]2 18. e. 19. a. 20. c. 21. c. 22. d. 12. 1g 13. d. 14. 3,33 meias-vidas. 15. d 16. b 17. d 18. a 19. c 20. 40 ' 21. c. 23. 1) C 2) E 3) E 4) E 5) C 6) E 7) E

3. 7. 12. 15. 17.

5

Capítulo 6

Exercícios (p. 129 e 130)

3. 9. 11. 15.

Exercícios (p. 156 a 158) Capítulo 7 8. a) Diminuição da concentração de PCl5. b) Aumento da concentração de PCl5. Exercícios (p. 254 e 255) c) Favorece a reação. 17. d. 18. b. 19. a. 9. e. 10. a e b. 11. b. 12. c e d. Exercícios (p. 262 e 263) 16. a) D b) N c) E d) Kc = 0,5. 2. a) lenta. 17. a) Esquerda, A, A e D. b) Esquerda, A, A e D. 7. a) I. b) Catalisador. c) II. d) Não. c) Direita, D, D e A. d) Direita, D, D e A. 8. a e b. 9. e. 17. c.

Capítulo 4 11. 1) C 2) E 3) C 4) C 5) E 12. 1) E 2) C 3) C 4) C 5) E 20. a) Não. b) 2,5 mL de água.

Exercícios (p. 230 a 232)

Exercícios (p. 311 a 314) 7. 15. 18. 19. 26. 27. 33. 38.

a. 8. d. 10. b. 13. b. 14. b. b) 45 dias 16. c. 17. d. a) Nêutron. c)I: fissão; II: fusão d) fusão b. 25. 1) C 2) C 3) E 4) E 1) E 2) E 3) C 4) E 5) E e. 28. b. 29. b. 30. e. 32. d. c. 34. b. 35. d. 36. d. Z=14 e A=30. 39. c. 42. d.

É bom ler

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