Licenciatura em cincias USP/ Univesp

Guilherme A. MarsonAna Cludia Kasseboehmer

ProPriedAdes dAs substnCiAs2 Qumica

2.1 introduo2.2 Propriedades das substncias2.3 sistemas2.4 Propriedades fsicas das substncias

2.4.1 densidade2.4.1.1 Massa e volume2.4.1.2 densidade: relao entre massa e volume

2.4.2 Pontos de fuso e ebulio2.4.2.1 diagrama de fases

2.4.3 solubilidadereferncias

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2.1 IntroduoO objetivo desta aula discutir algumas propriedades fsicas das substncias, conhecidas

como especficas por serem parmetros teis para identific-las, prever mtodos de separao

de misturas e observar a ocorrncia de transformaes qumicas. Esperamos assim que voc

perceba a importncia de caracterizar as propriedades das substncias para a cincia Qumica.

2.2 Propriedades das substnciasOs materiais e as substncias podem ser caracterizados com diferentes tipos de anlise

quando ento possvel atribuir suas diferentes propriedades. Por exemplo, os materiais e as

substncias podem ter propriedades organolpticas, isto , cheiro, sabor, cor, brilho, entre outras.

Essas e outras propriedades, como massa e volume, so denominadas propriedades gerais, pois

no possibilitam determinar qual a substncia em anlise.

J algumas das propriedades fsicas e qumicas das substncias so chamadas propriedades

especficas porque podem ser utilizadas para descobrir qual a substncia qumica em questo.

A anlise das propriedades fsicas e qumicas til para determinar tambm:

se um determinado pedao de matria uma substncia pura ou um material (mistura); verificar a ocorrncia de transformao qumica com a determinao das propriedades do

sistema no estado inicial e no estado final;

qual processo de separao de misturas o mais adequado para obter as substncias qumi-cas, separadamente, de acordo com as propriedades do material e das substncias.

Assim, algumas das propriedades fsicas especficas das substncias podem ser:

densidade; pontos de fuso (PF) e ebulio (PE); solubilidade em gua.

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2 Propriedades das substncias

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Veja a Figura 2.1 em que h um bquer com

um lquido desconhecido. Determinando-se algumas

propriedades desse lquido, podemos descobrir que a

substncia em questo o etanol, um lcool bastante

comum em nosso cotidiano.

As propriedades qumicas, por sua vez, relacionam-

-se interao de uma substncia com outra, permi-

tindo saber se ocorre reao qumica em determinadas

condies. Algumas dessas propriedades podem ser:

queima ao ar; reao com gua; reao com cido; reao com base; transformao pela passagem de corrente eltrica.A seguir, vamos definir o que sistema, conhecer as propriedades fsicas normalmente asso-

ciadas s substncias. As propriedades qumicas sero estudadas ao longo das aulas relacionadas

transformao qumica.

2.3 SistemasAo investigar a matria e suas propriedades, precisamos definir, em primeiro lugar, em que

parte do universo estamos interessados. A realidade muito complexa para ser analisada na sua

totalidade; ento, escolhemos uma poro peculiar dela para iniciar um estudo. As respostas

eventualmente obtidas com esses estudos podem ser, posteriormente, generalizadas para uma

totalidade mais complexa, com as devidas ressalvas.

A pequena poro do universo que contm aquilo que estamos interessados em observar

num processo compe um sistema. Sistema pode ser, por exemplo, o contedo de um tubo

de vidro no laboratrio de Qumica, o corpo humano ou apenas um rgo, uma clula ou uma

organela de um ser vivo. Pode ser ainda um lago ou um reator industrial.

Densidade: 0,789 g.cm-3;PF: 114,3 C a 1 atm;PE: 78,4 C a 1 atm;Miscvel em gua? Sim.

Figura 2.1: Bquer com lquido desconhecido

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Aquilo que no compe o sistema chamado de ambiente, circunvizinhana, vizi-

nhana ou entorno. A separao entre o sistema e a vizinhana pode ser apenas fsica: por

exemplo, a parede do tubo de vidro; ou imaginria: por exemplo, podemos direcionar nossa

ateno ao volume de ar de uma sala; o resto do ar seria o ambiente. O conjunto sistema e

vizinhana recebe o nome de universo.

Se entre o sistema e a vizinhana no h um bom contato trmico ou mecnico, dizemos que

o sistema isolado. Por exemplo, o contedo de uma garrafa trmica fechada e em repouso pode

se aproximar a um sistema isolado, pois nenhuma substncia pode entrar ou sair dela, e as trocas de

energia so desprezveis (o calor no pode ser trocado).

Tambm no possvel realizar trabalho comprimindo

ou expandindo o contedo dessa garrafa. Mas, se

agitarmos a garrafa, o sistema no mais completamente

isolado, pois estaremos transferindo energia mecnica

ao contedo da garrafa trmica.

Para a Qumica, interessa-nos controlar a quantidade

de matria que entra e sai dos sistemas, bem como a

energia trocada em forma de calor e luz (um vaga-lume

emite energia luminosa atravs de um processo qumico).

2.4 Propriedades fsicas das substncias2.4.1 Densidade

A densidade uma propriedade fsica e especfica, que relaciona os parmetros de massa e volume.

Figura 2.2: Vizinhana e Universo

Para a Qumica, ao se descrever um sistema, comum considerar: a quantidade de matria que h no sistema; o volume ocupado pelo sistema; a composio da matria que h no sistema; a temperatura e a presso em que se encontra o sistema.

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2.4.1.1 Massa e volume

A quantidade de matria que h no sistema de interesse descrita pela massa e exprime-se

em quilograma (kg) no Sistema Internacional (SI). A quantidade de matria ocupa um

espao, denominado volume, e sua unidade no SI o metro cbico (m3).

Tanto a massa quanto o volume so determinados por comparao em instrumentos apro-

priados. A massa determinada comparando-se a quantidade de matria desconhecida com uma

quantidade conhecida, padronizada, qual se atribui arbitrariamente um valor de unidade de

massa. Trata-se, portanto, de uma medida relativa. Todas as balanas so aferidas para que possam

indicar numa escala a quantidade de matria como mltiplo do padro. Ao pesar alguma coisa

determinamos o seu peso por comparao indireta com esse padro. Para a imensa maioria das

finalidades prticas cotidianas, podemos assumir que os padres de massa usados para aferir a

balana e os objetos que pesamos esto sujeitos s mesmas intensidades de foras de atrao

gravitacional. Portanto, podemos determinar a massa de um objeto por comparao de pesos

numa balana. Sejam eltricas ou mecnicas, todas as balanas de interesse macroscpico para a

Qumica so aferidas com padres de peso.

A determinao de volume depende do estado de agregao da matria (j estudado em

Estrutura da Matria e ser retomado brevemente mais adiante). Gases e lquidos assumem as

formas de seus continentes; logo, o seu volume pode ser determinado conhecendo-se o volume

dos recipientes que os contenham. No caso de slidos, a medida de volume nem sempre trivial.

Como determinar o volume de um gro de arrozO volume de um gro de arroz pode ser estimado da seguinte forma: tome uma colher de sopa de arroz. Despeje o contedo da colher num frasco graduado con-tendo gua. Sabendo-se a variao de volume e o nmero de gros que havia na colher possvel estimar o volume de um gro de arroz. O mtodo de variao de volume ainda usado em muitos casos em que medidas no muito precisas no podem ser feitas de outra forma.

http://www.inmetro.gov.br/consumidor/unidLegaisMed.asp

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2.4.1.2 Densidade: relao entre massa e volume

Se colocarmos uma laranja, uma moeda, uma rolha e uma tampa de refrigerante em um reci-

piente com gua, possvel observar que alguns desses materiais afundaro e outros flutuaro:

isto ocorre em funo de uma caracterstica particular de cada material, denominada densidade.

A densidade de um corpo depende

da quantidade de massa e do volume

ocupado por ele. Assim, se compararmos

um quilograma de chumbo a um qui-

lograma de algodo, apesar de as massas

serem iguais, perceberemos que o volume

ocupado pelo algodo muito maior;

portanto, a densidade do algodo menor.

Tomemos, por exemplo, os diferentes

valores de massa e volume medidos para

diferentes pedaos de prata:

Amostra Massa m (g) Volume V (cm)1 15 1,4

2 28 2,7

3 34 3,2

Tabela 2.1: Valores de massa (g) e volume (cm) medidos para diferentes amostras de prata metlica.

Agora vamos encontrar a relao existente entre esses valores:

RelaoAmostra

m + V m V m/V m V

1 16,4 13,6 10,7 21

2 30,7 25,3 10,3 75,6

3 37,2 30,8 10,6 108,8

Tabela 2.2: Possveis relaes matemticas entre os valores experimentais de massa (m) e volume (V ) medidos para diferentes amostras de prata metlica.

Figura 2.3

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Apenas a diviso entre os valores de massa e volume determina um nmero praticamente

constante. O valor terico para a densidade da prata 10,5 g/cm. Por isso, a densidade uma

propriedade fsica calculada por:

A Tabela 2.3 apresenta valores de densidade de alguns materiais:

Substncia g/cm3

Isopor 0,1

Petrleo bruto 0,79

leo de girassol 0,92

gua pura (25 C) 0,98

gua Salgada 1,03

Leite 1,03

Sangue 1,04

Poliestireno 1,05

Uma pessoa 1,1

Minrio de Ferro 2,5

Alumnio 2,7

Ferro 7,9

Cobre 8,9

Ouro 19,3

smio 22,6

Tabela 2.3: Valores de densidade de alguns materiais.

A densidade da matria depende da temperatura, uma vez que o volume da matria pode

variar quando aquecido ou resfriado. Por conseguinte, indispensvel referenciar a temperatura

em que a densidade foi determinada. Comumente, as medidas de densidade so realizadas na

temperatura ambiente de 25 C. Ressalte-se que no por acaso que a densidade da gua,

a 25 C, igual a 1,00 g/mL; isto se deve conveno do grama; massa de 1 mL de gua

temperatura especfica.

mdV

=

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2.4.2 Pontos de fuso e ebulio

Ponto de Fuso ou temperatura de fuso (PF): Ao aquecermos certa massa de um slido, aps algum tempo, este inicia uma mudana para o estado lquido. No caso

de slidos puros, a temperatura permanece constante durante todo o processo de fuso.

A temperatura em que uma determinada matria muda do estado slido para o estado

lquido, sob certa presso, chamada ponto de fuso.

Ponto de Ebulio ou Temperatura de Ebulio (PE): temperatura na qual a matria passa do estado lquido para o gasoso.

Analisando-se o ponto de fuso (PF) ou de ebulio (PE) dos materiais, possvel saber

em quais faixas de temperatura a matria se encontra no estado slido, lquido ou gasoso. Por

exemplo, a gua apresenta ponto de fuso igual a 0 C e de ebulio igual a 100 C presso

Densidade: temperatura conveco Ao ser aquecido, o volume do ar tende a se expandir e, portanto a densidade diminui. Sendo menos denso que o ar frio, o ar quente tende a subir e o ar frio a descer. Este princpio simples in-fluencia muitos fenmenos cruciais no nosso planeta, como as correntes martimas, e fenmenos atmosfricos como a disperso de poluentes. O fluxo de fluidos quentes menos densos emergin-do num sistema lquido ou gasoso denominado conveco e pode ser observado facilmente da seguinte forma: adicione um pouco de serragem a um litro de gua. Aquea a mistura e observe o movimento das partculas. As propostas de desenvolvimento de casas e edifcios energeticamente mais eficientes tambm se valem desse princpio para controlar a circulao de ar e garantir con-forto trmico com o menor uso de energia para a climatizao de ambientes.

Densidade: composio do corpo humanoOs diferentes tecidos presentes no corpo humano tm densidades distintas, o que depende es-sencialmente dos materiais presentes em cada tecido: gorduras, protenas, ossos etc. A densidade interfere diretamente na forma como um material interage com a energia mecnica. Esse o caso da capacidade dos tecidos de refletirem e absorverem ondas mecnicas de forma diferenciada, como as ondas de ultrassom. Esse princpio possibilita obter imagens detalhadas do interior do corpo humano usando uma fonte de ultrassom acoplada a um detector que converte o impulso mecnico refletido de forma diferenciada pelos tecidos num impulso eltrico, o qual, por sua vez, pode ser traduzido numa imagem digital. Os exames de ultrassom revolucionaram o diagnstico de inmeras doenas e tambm possibilitam obter informaes detalhadas sobre o desenvol-vimento do feto durante a gestao. As tcnicas atuais permitem observar em tempo real, por exemplo, o funcionamento das vlvulas do corao da criana em formao no tero da me.

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2 Propriedades das substncias

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ambiente; considerando que a temperatura ambiente seja de 25 C, a gua se encontra no estado

lquido nas condies ambiente. Ao depositarmos uma garrafa de gua no freezer, alcanamos

uma temperatura inferior ao ponto de fuso da gua e, portanto, esta muda do estado lquido

para o slido. O ferro apresenta um ponto de fuso de 1.535 C e um ponto de ebulio igual

a 2.885 C; portanto, o ferro temperatura e presso ambientes (25 C) se encontra no estado

fsico slido; j o oxignio apresenta um ponto de fuso de -218 C e ponto de ebulio de

-183 C e, portanto, temperatura e presso ambientes, o oxignio gasoso.

importante observar que, durante as mudanas de estado de agregao, quando o sistema

se encontra na temperatura de fuso ou ebulio, diferentes estados de agregao coexistem.

Ento, na temperatura de fuso/solidificao, podemos encontrar parte do sistema no estado

slido e parte no estado lquido. Na temperatura de vaporizao/condensao, podemos

encontrar parte do sistema como lquido e parte como gs.

Evaporao, gases e vaporesNas condies ambiente, a gua entra em ebulio apenas a 100 C. Contudo, possvel secar roupas em condies ordinrias, e a gua dos oceanos evapora em temperaturas bem menores. A passagem do estado lquido para o gasoso ocorre tambm por um fenmeno denominado evaporao. A evaporao ocorre pelo desprendimento de massa do lquido. Esse processo depende da volatilidade do lquido. Embora seja favorecido pela temperatura, pode ocorrer em temperaturas inferiores ao ponto de ebulio. Lquidos como o lcool, a acetona e a gasolina so bastante volteis e, por essa razo, evaporam com facilidade mesmo em temperaturas baixas. Ao lquido que evapora denominamos vapor. Vapores e gases se encontram no mesmo estado de agregao - o gasoso. O termo vapor empregado, porm, para se referir forma gasosa do material em condies de temperatura abaixo do ponto de ebulio. J o termo gs se refere ao estado de agregao gasoso em temperaturas acima do ponto de ebulio. Ento, quando dizemos vapor dgua, referimo-nos predominantemente gua no estado gasoso, abaixo da temperatura de 100 C e, portanto, que se forma por evaporao.

Nem todas as matrias se fundem ou se liquefazemComo veremos mais adiante, o efeito da energia trmica sobre os sistemas vai alm das mudanas no estado de agregao. Muitos materiais sofrem decomposio antes de se fundir ou entrar em ebulio. O exemplo clssico a sacarose, componente majoritrio do acar de mesa. A sacarose decompe-se temperatura de fuso. O caramelo derretido contm sacarose lquida e compostos escuros resultantes da decomposio da sacarose. No caso, isso desejvel, j que o caramelo apreciado justamente por isso. Contudo, esse no o caso para muitos outros compostos. A imensa maioria das substncias de interesse farmacolgico no pode ser aque-cida, decompondo-se antes de se fundir, perdendo suas propriedades. Plsticos duros como a resina polifenlica conhecida como baquelite tambm se decompem antes de se fundir.

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2.4.2.1 Diagrama de fases

Veja a Figura 2.4, que representa o diagrama de fases da substncia qumica gua.

O diagrama de fases relaciona as variveis de presso e temperatura mantendo-se constante

a varivel volume. Verificamos assim que temperatura e presso so interdependentes. Por isso,

ao remeter ao ponto de ebulio da gua precisamos ressaltar que o seu ponto de ebulio

100 C quando a presso atm.

2.4.3 Solubilidade

Salvo os casos de lquidos completamente miscveis, como o lcool etlico e a gua, ou das

misturas gasosas, as solues se formam a partir de propores definidas entre solutos e solventes.

Existe um limite para a quantidade de soluto que podemos adicionar a uma soluo. Quando

essa quantidade excedida, o soluto no mais se dissolve e origina outra fase. O sistema torna-se

heterogneo. Reciprocamente, podemos provocar o

mesmo efeito retirando o solvente de uma soluo.

Esse ponto em que o soluto origina uma nova fase

denominado solubilidade.

Figura 2.4: Diagrama de fases para a substncia qumica gua. / Fonte: modificado de Banco de Imagens LENAQ/UFSCar.

Acesse a animao pelo cone ao lado e clique nos bqueres para conhecer cada tipo de soluo.

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Solubilidade a quantidade mxima que uma substncia pode dissolver-se em certa quantidade

de solvente a uma determinada temperatura, formando uma soluo estvel. Essa quantidade geral-

mente expressa em gramas/100 g de solvente, mas pode ser expressa com unidades de concentrao.

RefernciasAtkins, P. W.; Jones, L. Princpios de qumica: questionando a vida moderna e o meio

ambiente. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.

BrAdy, J. e.; russel, J.W. & Holum, J.r. Qumica: a matria e suas transformaes. 3. ed. Rio

de Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos, 2002.

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Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

A solubilidade completa o conjunto de propriedades fsicas fundamentais das substncias purasAssim como a densidade e as temperaturas de fuso e ebulio, a solubilidade num dado solvente e temperatura tambm uma propriedade das substncias. No seu conjunto, estas propriedades, em geral, so nicas para as diferentes substncias, sendo raros os casos em que duas substncias tm essas mesmas propriedades com os mesmos valores. A tabela abaixo apresenta as propriedades fsicas macroscpicas principais de vrias substncias puras:

Substncia Fuso, C

Ebulio, C

Densidade, g/L a 25 C

Solubilidade em gua, g/L a 25 C

Etanol 130 78 789,3 Solvel em qualquer proporoGs Oxignio 219 -183 1,43 0,008Sacarose 186 - 1587 2000

Ferro 1538 2862 7874 Insolvel em qualquer proporoCloreto de sdio 801 1413 2165 359

Tabela 2.4: Valores dos pontos de fuso e ebulio, densidade e solubilidade em gua para algumas substncias qumicas.

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gomes, L. A. K. Materiais: foco dos estudos em qumica. Qumica Nova na Escola, v. 8, 1998,

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WHitten, k. W.; dAvis, r. e.; PeCk, m. l. General Chemistry. 5. ed. New York: Heartcourt

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2.1 Introduo2.2 Propriedades das substncias2.3 Sistemas2.4 Propriedades fsicas das substncias2.4.1 Densidade2.4.1.1 Massa e volume2.4.1.2 Densidade: relao entre massa e volume2.4.2 Pontos de fuso e ebulio2.4.2.1 Diagrama de fases2.4.3 SolubilidadeReferncias