APOSTILA DE QUMICA APLICADA
Curso Superior de Tecnologia em Automao Industrial
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REVISO DE QUMICA
A Qumica uma cincia natural1 que estuda a composio, a estrutura e as
propriedades das substncias e suas transformaes.
Os conhecimentos de Qumica so empregados na explicao e resoluo de muitos
problemas, com base em aspectos cientficos e tcnicos. Por exemplo: o efeito da chuva
cida nas obras civis; os riscos ao meio ambiente da utilizao de certos produtos qumicos
em estaes de tratamento de guas de abastecimento ou residuria; produo de
materiais alternativos na construo civil; contaminao por metais pesados provenientes
de tintas e vernizes; etc.
A Qumica uma cincia quantitativa e suas relaes so expressas
satisfatoriamente em linguagem matemtica.
A Qumica pode ser dividida em:
Qumica Orgnica: estuda os compostos do elemento carbono.
Qumica Inorgnica: estuda os compostos dos demais elementos qumicos.
Fsico - Qumica: relaciona a fsica com a qumica.
Qumica Analtica: trata das anlises qualitativa e quantitativa de um sistema qumico,
definindo quais as espcies qumicas presentes no sistema e quais as suas quantidades.
2.1. MATRIA, SUBSTNCIA, ELEMENTO, COMPOSTO E MISTURAS
Todos os corpos que nos rodeiam, fazem parte da matria do universo. Cada espcie
de matria uma substncia. A substncia constituda de elementos. E a unio de duas
ou mais substncias forma uma mistura.
2.1.1. Matria
Tudo que tem massa e ocupa lugar no espao. A matria descrita atravs de uma
especificao de uma extenso ou quantidade.
1 As cincias naturais so: qumica, fsica, biologia, geologia, astronomia, etc., e estudam de forma sistemtica os fatos e idias que descrevem nosso mundo. Cincia uma palavra latina que significa conhecimento.
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2.1.1.1 Estados da Matria
A matria pode ser apresentada em 5 estados fsicos:
slido
lquido
gasoso
4o estado (plasma)
5o estado
No estado slido, a matria apresenta forma prpria e volume definido. No estado
lquido, a matria apresenta volume constante mas, a forma aquela do recipiente que a
contm. No estado gasoso, a matria no apresenta forma prpria e nem tem volume
constante. No 4o estado, o plasma, os tomos da matria encontram-se ionizados (exemplo:
bolhas de plasma da coroa solar, constituda basicamente de gs hlio ionizado). No 5o
estado, os tomos esto com uma temperatura prxima do zero absoluto, ficam
praticamente imveis e muito concentrados (exemplo: supercondutores).
2.1.1.2 Propriedades da Matria
As propriedades da matria podem ser: fsicas e qumicas:
2.1.1.2.1 - Propriedades Fsicas: so utilizadas para identificar a substncia (ex.: ponto de
fuso, ponto de ebulio, densidade, solubilidade, calor
especfico, massa, volume, etc.).
2.1.1.2.2 - Propriedades Qumicas: no so utilizadas para identificar a substncia, so
usadas para prever transformaes (ex.: reatividade,
eletronegatividade, afinidade eletrnica, energia de
ionizao).
2.1.2. Substncia
a matria formada por molculas iguais entre si. Um s tipo de molcula constitui a substncia pura (ex.: gua, sal, ferro, acar e oxignio, etc.). As substncias puras podem
ser formadas de elementos e de compostos, so denominadas substncias simples ou
substncias compostas, respectivamente.
As substncias so reconhecidas pelas suas caractersticas ou propriedades. As
propriedades de uma substncia informam o emprego a que se destinam.
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2.1.2.1 - Substncia Simples
Formada por um nico elemento qumico, um s tipo de tomo na molcula (ex.:
ferro metlico Fe, gs oxignio O2, gs oznio O3, etc.).
2.1.2.2 - Substncia Composta
Formada por tomos de mais de um elemento qumico, mais de um tipo de tomo na
molcula (ex.: gs clordrico HCl, gs carbnico CO2, etc.).
2.1.3. Elemento
uma substncia pura, simples, fundamental e elementar (ex.: sdio, cloro,
hidrognio, oxignio, ferro, etc.). Um elemento no pode ser separado ou decomposto em
substncias mais simples. Cada elemento pode ser representado por um smbolo. Assim, a
palavra elemento normalmente relacionada ao smbolo qumico da substncia simples.
A primeira tentativa de relacionar os diferentes elementos qumicos da natureza foi
realizada por Lavoisier, em 1789, compondo uma lista de 33 substncias tomadas como
elementos, porm um pouco mais de 20 eram realmente elementos. Hoje em dia se
conhecem 111 elementos.
2.1.4. Composto
uma substncia pura constituda de dois ou mais elementos combinados sempre
nas mesmas propores (ex.: sal de cozinha - NaCl, acar C12H22O11, sal de sulfato de
cobre pentahidratado CuSO4.5H2O, etc.). Os compostos so representados por frmulas.
Um composto pode ser separado ou decomposto em substncias mais simples.
Proust elaborou a Lei das Propores Definidas ou Lei da Composio Constante cujo
enunciado :
um composto puro, qualquer que seja sua origem,contm sempre as mesmas propores definidas, ou constantes, dos elementos que os constituem
2.1.5. Mistura
a composio de duas ou mais substncias misturadas fisicamente. As misturas
podem ser identificadas atravs do olho nu, lupas ou microscpios. Exemplo: granito
(observa-se a olho nu os grnulos de quartzo branco), mica preta, feldspato rosa
concreto, madeira, leo de motor e ligas metlicas). Algumas misturas so difceis de serem
caracterizadas, como por exemplo a gua salgada, que uma mistura de gua e sal. As
misturas podem ser classificadas em: homogneas e heterogneas.
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2.1.5.1 Misturas Homogneas
So uniformes em relao a todas as propriedades, so monofsicos e so chamadas
de soluo (ex.: ar, gua salgada, gasolina, vidro, etc.).
2.1.5.2 Misturas Heterogneas
So constitudos de misturas homogneas (fases) separadas por superfcies bem
definidas (interface), onde ocorrem mudanas bruscas de propriedades (ex.: gua e leo;
areia e gua, gua gaseificada - gua e dixido de carbono, etc.).
2.1.5.3 Diferena entre Substncia Pura e Mistura
Uma diferena importante entre substncia pura e mistura o comportamento no
aquecimento ou resfriamento, a presso constante. A substncia pura quando muda o seu
estado fsico, a temperatura se mantm constante, enquanto que a mistura apresenta uma
variao de temperatura durante a mudana do estado fsico.
Algumas misturas especiais se comportam como substncia pura durante a fuso (e
solidificao) ou a ebulio (e condensao). Estas misturas so conhecidas como misturas
eutticas e misturas azeotrpicas. As misturas eutticas apresentam ponto de fuso (ou
solidificao) constante, por exemplo: algumas ligas metlicas, e as misturas azeotrpicas
apresentam ponto de ebulio (ou condensao), por exemplo: gua e lcool.
2.2. ESTRUTURA ATMICA
O tomo a menor parte de um elemento2 que ainda preserva as propriedades
daquele elemento. Desta forma, existe uma inter-relao entre a estrutura atmica,
estrutura da matria e suas propriedades fsicas e qumicas.
A estrutura do tomo ir determinar como os tomos vo interagir entre si, e essa
interao ir definir o comportamento fsico e qumico da matria.
2.2.1. Evoluo do Modelo Atmico
450 500 a.C. Demcrito de Abdera e Leucipo de Mileto (filsofos gregos).
Demcrito e Mileto imaginaram que se um corpo qualquer fosse dividido sucessivas
vezes, haveria um certo momento em que essa diviso no seria mais possvel. Assim, se
chegaria ao tomo. Este pensamento filosfico no tinha base experimental.
Em grego, a palavra tomo significa parte e a significa no, assim, tomo quer dizer
indivisvel.
2 Substncia que contm tomos do mesmo tipo.
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Demcrito aceitava a idia da existncia de apenas quatro elementos: terra, ar, fogo
e gua. Esta idia foi rejeitada algum tempo depois por Aristteles, que acreditava no
modelo da matria contnua.
1800 Comunidade Cientfica
Nesta poca, os cientistas j conheciam uma grande quantidade de informaes
(fatos isolados) sobre as propriedades fsicas e qumicas dos elementos conhecidos.
Becker e Stahl relataram que alguma coisa era perdida pelas substncias quando
queimadas, o produto era menos denso que a substncia original, e denominaram este
fenmeno de flogstico.
William Nicholson e Anthony Carlisle (qumicos ingleses) demonstraram a
decomposio da gua nos gases hidrognio e oxignio por eletrlise, surgindo a primeira
evidncia da relao entre matria e eletricidade.
1803 John Dalton (cientista ingls)
Dalton props uma teoria para explicar as leis: da conservao da massa (postulada
por Lavoisier) e da composio definida (enunciada por Proust).
A Lei da Conservao da Massa estabelece que a massa no se modifica quando a
matria sofre uma transformao. E a Lei da Composio Definida estabelece que as
matrias ao sofrerem uma transformao, elas o fazem sempre numa mesma proporo.
A Teoria Atmica de Dalton criou um modelo atmico retomando o antigo conceito
dos filsofos gregos, com base no seguinte modelo:
1. Toda matria composta de partculas fundamentais, os tomos;
2. Os tomos so permanentes e indivisveis, eles no podem ser criados e nem
destrudos;
3. Os elementos so caracterizados por seus tomos. Todos os tomos de um dado
elemento so idnticos em todos os aspectos. tomos de diferentes elementos tm
diferentes propriedades;
4. As transformaes qumicas consistem em uma combinao, separao ou rearranjo de
tomos;
5. Compostos qumicos so formados de tomos de dois ou mais elementos em uma razo
fixa.
Toda matria formada por tomos.Os tomos so esferas macias,
homogneas, indivisveis e indestrutveis.(Modelo Bola de Bilhar)
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Como o modelo de Dalton explicava naquela poca muitos dos fenmenos
observados experimentalmente, a idia de usar modelos para compreender melhor a
constituio elementar da matria foi muito bem aceita pelos cientistas (Brady e Humiston,
1986).
1832 Michael Faraday (qumico ingls)
Faraday relatou que uma transformao qumica podia ser causada pela passagem
de eletricidade atravs de solues aquosas de compostos qumicos. Estas experincias
demonstraram que a matria apresentava natureza eltrica.
1850 William Crookes (fsico ingls)Os fsicos comearam a investigar a condio da corrente eltrica em tubos de
descarga de gs.
Os tubos de descarga em gs eram de vidros, totalmente vedados e com uma pea
de metal (eletrodos) em cada extremidade.
Os tubos de descarga de gs ou tubos Crookes eram construdos com pouco ar
atmosfrico (vcuo parcial) ou completamente sem ar atmosfrico (vcuo). Quando uma
alta voltagem, 20.000 volts, era aplicada atravs dos eletrodos, podia-se observar uma
corrente eltrica (descarga eltrica) e o ar residual no interior do tubo se iluminava ou no
havia iluminao na ausncia de ar.
Exemplos de tubos de descarga em gases so:
Letreiros e anncios luminosos de non: onde o gs residual o nenio;
Lmpadas de sdio: o gs residual o vapor de sdio, que confere uma luz amarela
caracterstica. So usadas na iluminao de vias pblicas e de tneis;
Lmpadas fluorescentes de mercrio: utilizam o vapor de mercrio, que emite luz violeta e
ultravioleta. O tubo revestido com uma tinta especial (fluorescente3) cuja funo
absorver a luz emitida e reemiti-la como luz branca. So usadas em residncias, escritrios
e algumas vias pblicas;
Tubo de imagem da televiso: um tubo de alto vcuo com mudanas complexas capazes
de dar origem s imagens na tela.
Observou-se que, ao se colocar um anteparo coberto de sulfeto de zinco entre os
eletrodos dentro de tubo de descargas sem ar, o anteparo brilhava do lado que estava o
eletrodo negativo (ctodo). Isto significava que a descarga eltrica se originava no ctodo e
flua para o eletrodo positivo (nodo). Essa descarga eltrica foi chamada de raios catdicos
(Brady e Humiston, 1986).
3 Alguns materiais, quando absorvem luz ultravioleta, emitem de volta luz visvel. Esse fenmeno chamado genericamente de luminescncia. Quando a emisso ocorre imediatamente aps a incidncia da luz ultravioleta, o fenmeno chamado de fluorescncia; se, por outro lado, a emisso demorar alguns segundos ou at mesmo horas, denomina-se de fosforescncia (ex.: interruptores).
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Os raios catdicos:
a) Caminham em linha reta,
b) Delineiam sombras,
c) Giram pequenos moinhos,
d) Aquecem uma folha metlica,
e) Curvam-se sob campo magntico ou eltrico.
f) So sempre os mesmos independente da natureza do material dos eletrodos ou do gs
residual no interior do tubo.
1869 Dmitri Mendeleev (qumico russo) e Julius Lothar Meyer (qumico alemo)
Os qumicos Mendeleev e Meyer, independentemente, ordenaram os elementos
qumicos conhecidos em tabelas peridicas similares.
1874 G. J. Stoney
Stoney props a existncia de partculas de eletricidade, os eltron.
1886 E. Goldstein (fsico alemo)
Usou um tubo Crookes modificado, o ctodo tinha uma fenda afastada da
extremidade do tubo. Durante uma descarga eltrica, os eltrons emitidos do ctodo
colidiam com os tomos neutros do gs residual, arrancando-lhes os eltrons. Os tomos,
pela perda dos eltrons, tornavam-se ons positivos. Estes ons positivos eram atrados em
direo ao ctodo. Alguns colidiam com o ctodo e outros atravessavam a fenda e um fluxo
incandescente surgia na parte de trs do ctodo. Esse fluxo foi denominado como raios
canais.
1887 Joseph Thomson (fsico ingls)
As observaes nos tubos Crookes sugeriram que os raios catdicos eram formados
de partculas energticas, carregadas negativamente e que faziam parte da constituio de
todas substncias. Estas partculas foram chamadas de partculas fundamentais, e eram na
verdade, os eltrons descritos por Stoney.
O eltron foi descoberto quantitativamente por Thomson.
1896 Henri Becquerel
Becquerel descobre a radiatividade. Os tomos de alguns elementos no so
estveis. Eles emitem espontaneamente, radiaes naturais por desintegrao de seus
ncleos, de vrios tipos, denominadas de radiatividade. A partir do elemento qumico
chumbo (Pb), de nmero atmico 82, o ncleo dos elementos seguintes comeam a
tornarem-se instveis. As radiaes tambm podem ser geradas artificialmente.
1898 Joseph Thomson
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Fundamentado na descoberta do eltron e na descoberta da radiatividade, Thomson
sugeriu que:
O tomo deveria ser formado por uma esfera positiva,no macia e incrustada de eltrons (carga negativa),
de modo que a carga total fosse nula.(Modelo Pudim de Passas)
1905 Albert Einstein (fsico alemo)
Einstein mostrou que existe uma relao entre massa e energia.
2mcE = (2.1)
Sendo, c = velocidade da luz.
Variaes de energia que ocorrem durante as reaes qumicas, so acompanhadas
por variao de massa, as variaes na massa so extremamente pequenas para serem
detectadas experimentalmente.
1911 Ernest Rutherford, E. Marsden e H. Geiger (fsicos ingleses)
Rutherford atribuiu a dois dos seus estudantes a tarefa de medir o espalhamento das
partculas alfa que se projetavam contra a uma lmina.
As partculas alfa foram emitidas por uma pequena quantidade do elemento radiativo
polnio em vrias folhas finas de diversos materiais como mica, papel e ouro. Observou-se
que embora muitas partculas atravessassem as folhas em linha reta, algumas foram
espalhadas, ou desviadas da linha reta. As partculas foram detectadas atravs de pontos
luminosos em um anteparo revestido com uma pelcula de sulfeto de zinco fosforescente.
Rutherford e seus discpulos esperavam que as partculas passassem atravs da
folha sem serem perturbadas, j que o Modelo Pudim de Passas previa uma distribuio
mais ou menos uniforme das cargas positivas e negativas. Entretanto, o que se verificou foi
que a maioria das partculas atravessou facilmente as lminas, algumas partculas foram
defletidas com ngulos extremamente grandes de sua trajetria original e, poucas foram
refletidas em ngulo oposto ao choque.
Rutherford e seus discpulos concluram que o tomo:
Era formado de grandes espaos vazios,
Possua um ncleo central pequeno e denso, e
O ncleo apresentava carga positiva.
Assim, o tomo assemelhava-se ao Sistema Solar, como os eltrons localizados ao
redor do ncleo. Este modelo atmico foi denominado modelo planetrio.
1913 Niels Bohr (fsico dinamarqus)
O modelo planetrio de Rutherford apresentava duas falhas:
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a) Se os eltrons estivessem parados ao redor do ncleo, eles seriam atrados pelo ncleo,
fazendo com que o sistema entrasse em colapso. Esta hiptese foi rejeitada.
b) Se os eltrons estivessem em movimento ao redor do ncleo, eles precisariam modificar
a direo constantemente para se manterem em rbita do ncleo. Uma carga negativa
colocada em movimento ao redor de uma carga positiva estacionria, sofre uma
acelerao. Essa carga em movimento perde energia, emitindo radiao. Os eltrons ao
perderem energia gradualmente adquiririam um movimento espiralado em direo ao
ncleo, acabando por colidir com ele. Esta hiptese tambm foi rejeitada.
O tomo no seu estado normal no emite radiao.
O modelo de Rutherford no explicava os espectros atmicos.
Para tentar explicar os espectros atmicos, Bohr formulou uma srie de postulados
fundamentados nas idias de Max Planck e Albert Einstein. Planck defendia a idia que a luz
possua propriedades ondulatrias, representada por E = h., sendo E = energia, h =
constante de Max Planck e = freqncia. J Einstein acreditava na dualidade entre matria
e energia, em que uma se transformava em outra dependendo da condies; assim a luz,
apresentava propriedades de partcula, obedecendo a lei da relatividade, E = mc2. A srie
de postulados formulados por Bohr foram os seguintes:
Os eltrons nos tomos movimentam-se ao redor do ncleo em trajetria circulares
(camadas ou nveis),
Cada um desses nveis possui um valor determinado de energia,
Um eltron no poderia permanecer entre dois nveis,
Um eltron poderia passar de um nvel de menor energia para um de maior energia,
absorvendo energia externa - eltron excitado,
O retorno do eltron ao nvel inicial se faz acompanhar da liberao de energia na forma de
ondas eletromagnticas (luz visvel ou ultravioleta).
Assim, um eltron num tomo s pode ter certas energias especficas energia
quantizada, e cada uma delas corresponde a uma rbita particular. Todos os eltrons esto
nos nveis de energia mais baixo estado fundamental. Quanto maior a energia do eltron,
mais a sua rbita estar afastada do ncleo. Este o Modelo Orbital.
O eltron ao receber energia externa, de uma chama ou descarga eltrica, salta para
uma rbita mais afastada do ncleo, o tomo fica no estado excitado. Quando a energia
externa cessa, o eltron irradia essa energia (fton), em certo comprimento de onda () e
salta para a sua rbita normal, que a mais estvel.
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2.2.2. Mecnica Quntica ou Mecnica Ondulatria
A Mecnica Clssica ou Mecnica Newtoniana explica com sucesso a influncia de
vrias foras no movimento dos objetos e falha na descrio dos movimentos de pequenas
partculas, tais como os eltrons. A mecnica clssica pode ser considerada como uma
verso simplificada da mecnica quntica quando aplicada para explicar e prever o
movimento de objetos grandes.
A Mecnica Ondulatria ou Mecnica Quntica explica o comportamento dos eltrons
no tomo atravs de sua natureza dual onda - partcula.
Como a energia total de qualquer partcula E = mc2, segundo Einstein e a energia
de uma onda E = h, de acordo com Planck.
1924 De Broglie
De Broglie resolveu combinar as expresses de Einstein e Planck, obtendo: m = h/
c, que relaciona os dois aspectos da natureza dualstica da luz. Diferentemente da luz, os
eltrons movimentam-se em diferentes velocidades, onde c substitudo por v (m = h/v).
Assim, De Broglie concluiu que os eltrons se movimentavam ao redor do ncleo
como uma onda estacionria tridimensional.
2.2.2.1 Ondas Estacionrias
Contrariamente a uma onda corrente ou onda viajante, uma onda estacionria no
movimenta em uma nica direo, a onda se movimenta dentro de uma regio (RUSSEL,
1982). Existem trs tipos de ondas estacionrias:
2.2.2.1.1 - Onda Estacionria Unidimensional: exemplificada pela onda produzida por um
toque de uma corda de guitarra, onde a corda se movimenta
para cima e para baixo; portanto, a onda se movimenta em
uma nica dimenso (z).
2.2.2.1.2 - Onda Estacionria Bidimensional: exemplificada pela onda produzida pela
vibrao da parte superior do tambor, semelhante tambm
pela ondulao formada por uma pedra lanada em um lago,
com propagao de duas frentes de onda (x, z).
2.2.2.1.3 - Onda Estacionria Tridimensional: exemplificada pela onda produzida por sino
soando, no ar de uma sala fechada com alto - falante em seu
interior, na terra durante a ocorrncia de um terremoto e na
vibrao de recipientes contendo gelatina.
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1924 Erwin Schrdinger
Em 1926, Erwin Schrdinger aplicou a matemtica para investigar as ondas
estacionrias no tomo de hidrognio, este novo campo de estudo foi denominado de
mecnica ondulatria ou mecnica quntica.
Schrdinger resolveu uma equao chamada de equao de onda e obteve um
conjunto de funes matemticas denominadas de funes de onda (), que descrevem as
formas e as energias das ondas eletrnicas.
Cada uma das diferentes ondas possveis chamada de um orbital. Cada orbital em
um tomo possui uma energia caracterstica, que a descrio espacial da regio em torno
do ncleo onde se espera encontrar o eltron.
2.3. PERIODICIDADE QUMICA
A idia dos quatros elemento (fogo, ar, terra e gua) foi mudando com o tempo.
Lavoisier definia a substncia elementar como aquela que no podia ser decomposta por
meio dos processos qumicos conhecidos na poca.
Somente aps a descoberta dos prtons que foi possvel formular um critrio
para a identificao das substncias simples, que so substncias formadas por tomos
iguais, no qual esses tomos possuem o mesmo nmero de prtons em seu ncleo.
Porm antes da descoberta dos prtons, Mendeleev e Lothar Meyer (1869)
ordenaram os elementos conhecidos na poca, em uma tabela, de acordo com as suas
propriedades fsicas e qumicas.
2.3.1. Representao do Elemento Qumico
Por simplicidade, na prtica, um nico tomo denominado de Elemento Qumico,
onde a quantidade de prtons contido em seu ncleo passou a ser designado como Nmero
Atmico (Z) ou Nmero de Prtons. Assim, o Nmero Atmico usado para identificar o
Elemento Qumico.
Outro nmero caracterstico do Elemento Qumico a sua massa atmica (A), assim
o elemento representado na Tabela Peridica com:
Figura 2.1 Representao do elemento qumico.
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Como ncleo de um tomo constitudo de prtons e nutrons, para um mesmo
elemento qumico, o nmero de prtons o mesmo, porm o nmero de nutrons pode
variar. Esse fenmeno conhecido como isotopia (Tabela 2.1).
Tabela 2.1 Exemplos de Istopos.
Elemento Qumico Istopos Representao No de Prtons No de NutronsHidrognio Comum
DeutrioTrtio
1H1
2H1
3H1
111
012
Cloro Cloro 35Cloro 37
35Cl17
37Cl171717
1820
Outro nmero significativo o nmero de massa, que expressa a massa do tomo
atravs da somatria do nmero de prtons (igual ao nmero atmico - Z) com o nmero
de nutrons (A = Z + N).
A maioria dos elementos qumicos ocorre na natureza sob a forma de istopos, as
formas mais abundantes so aquelas dispostas na Tabela Peridica.
Atualmente so conhecidos mais de 100 elementos qumicos, mas nem todos so
naturais. Os elementos encontrados na natureza tm nmero atmico variando entre 1 e
92. A partir de 1940, comearam a ser obtidos, artificialmente, elementos com nmeros
atmicos maiores que 92.
Apesar da grande quantidade de elementos qumicos, muitos deles apresentam
propriedades semelhantes. Durante o sculo XIX ocorreram varias tentativas de se
agruparem os elementos de acordo com essas propriedades em comum. A questo chave
para essa organizao era o critrio a ser utilizado.
2.3.2. Disposio dos Elementos Qumicos na Tabela Peridica
A Tabela Peridica atual tem sua origem na proposta lanada por Mendeleev, na
metade do sculo XIX, poca em que eram conhecidos aproximadamente 60 elementos.
Mendeleev tinha um grande conhecimento das propriedades fsicas e qumicas desses
elementos e organizou a tabela colocando-os em ordem crescente de suas massas atmicas
(A), procurando agrupar os elementos que possuam propriedades semelhantes, uns
debaixo dos outros. Por isso a tabela ficou conhecida como tabela peridica, uma vez que as
propriedades se repetiam periodicamente.
O nmero de elementos conhecidos no era suficiente para que Mendeleev
preenchesse todos os espaos da tabela, obrigando-o a deixar alguns espaos em branco. O
poder organizativo do quadro de Mendeleev permitia prever as propriedades desses
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elementos ainda no conhecidos, e forneceu um verdadeiro mapa da mina para suas
descobertas.
Antigamente, a listagem dos elementos qumicos era feita em ordem crescente de
massa atmica (A), ordenao efetuada por Mendeleev e Lothar Meyer (1869), em funo
das propriedades fsicas e qumicas das substncias simples.
Atualmente, a periodicidade feita em ordem crescente de nmero atmico (Z),
nmero de prtons existentes no ncleo atmico. Esta classificao peridica foi possvel
aps o enunciado da Lei de Moseley (1913), que conceituou o nmero atmico.
Analisando as freqncias dos raios-X de vrios elementos, Moseley descobriu que
essas freqncias podiam ser relacionadas localizao dos elementos na tabela peridica.
Assim, Moseley atribuiu um nmero inteiro, o nmero atmico (Z), que era igual ao nmero
da posio na Tabela Peridica.
A partir do modelo atmico de Rutherford e seus discpulos (1911), modelo
planetrio, na qual concluram que o tomo era formado de grandes espaos vazios, possua
um ncleo central pequeno e denso, e o ncleo apresentava carga positiva. Moseley
concluiu que o nmero atmico representava o nmero de prtons no ncleo.
A lei peridica estabelece quando os elementos so listados seqencialmente em
ordem crescente de nmero atmico, que observada uma repetio peridica em suas
propriedades fsicas e qumicas.
2.3.2.1. Famlias e Perodos
A Tabela Peridica organizada em colunas verticais chamadas grupos ou famlias e
filas horizontais chamadas de perodos.
2.3.2.1.1 - Famlias ou Grupos: a classificao dos grupos segue regras diferentes de
acordo com dois rgos cientficos de qumica o Chemical Abstract
Service Group e, a IUPAC (International Union of Pure and Applied
Chemistry - Unio Internacional de Qumica Pura e Aplicada).
De acordo com Chemical Abstract Service Group, os grupos so divididos nos
seguintes grupos (Figura 2.2):
elementos representativos (grupos A) e;
elementos de transio (grupos B).
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Figura 2.2 Classificao do Chemical Abstracts Service Group.
Os grupos A so conhecidos por nomes especiais como:
Grupo IA (ou Grupo 1): metais alcalinos
Grupo IIA (ou Grupo 2): metais alcalinos terrosos
Grupo IIIA (ou Grupo 13): famlia do boro
Grupo IVA (ou Grupo 14): famlia do carbono
Grupo VA (ou Grupo 15): famlia do nitrognio
Grupo VIA (ou Grupo 16): famlia dos calcognios (os que geram calor)
Grupo VIIA (ou Grupo 17): famlia dos halognios (os que geram sais)
Grupo 0 (ou Grupo 18): famlia dos gases nobres ou inertes
J a IUPAC recomenda uma numerao de 1 at 18 para designar os grupos.
Os grupos renem elementos de configuraes eletrnicas, distribuio dos eltrons
ao redor do ncleo, semelhantes; portanto, com propriedades semelhantes.
2.3.2.1.2 Perodos: Os perodos ou linhas so enumerados de 1 a 7, onde representa os
nveis de energia ocupados pelos eltrons. Renem elementos de
configuraes eletrnicas diferentes; portanto, com propriedades
diferentes.
2.3.2.2. Tabela Peridica
Os elementos se distribuem na tabela peridica como ilustrado na Figura 2.3.
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Figura 2.3 Tabela peridica.
2.3.3. Distribuio dos Eltrons nos Orbitais
A disposio dos eltrons nos orbitais de um tomo em estado fundamental
chamada de configurao eletrnica. Os eltrons se distribuem segunda a regra de Hund, o
que significa que os eltrons se encontram nos menores nveis de energia disponvel.
A localizao do eltron indicada pelos seguintes nmeros qunticos:
Nmero Quntico Principal
Nmero Quntico Secundrio ou Azimutal
Nmero Quntico Magntico
Nmero Quntico Spin
2.3.3.1. Nmero Quntico Principal (n)
O nmero quntico principal designa o nvel em que o eltron se encontra, sendo n =
1, 2, 3, ..... O nmero quntico principal indica a distncia mdia entre o eltron e o ncleo
do tomo. Quanto maior n maior a energia mdia dos nveis (Figura 2.4).
Figura 2.4 Nveis de energia contendo eltrons.
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2.3.3.2. Nmero Quntico Secundrio ou Azimutal ()
O nmero quntico secundrio designa a subcamada em que o eltron se encontra,
sendo = 0, 1, ...., n-1. O nmero quntico secundrio indica a forma espacial do orbital,
em que: = 0 designa o subnvel s (sharp), = 1 designa o subnvel p (principal), = 2
designa o subnvel d (diffuse) e = 3 designa o subnvel f (fundamental). O nmero de
subnveis em qualquer nvel simplesmente igual ao seu valor n (Figura 2.5).
Figura 2.5 Subnveis de energia contendo eltrons.
2.3.3.3. Nmero Quntico Magntico (m)
O nmero quntico magntico indica a orientao no espao em relao aos outros
orbitais, onde m assume os valores inteiros no intervalo de l at +l. Os orbitais de um
determinado subnvel possuem diferentes energias quantizadas, ou seja, diferentes
orientaes no espao, na presena de um campo magntico.
2.3.3.4. Nmero Quntico de Spin (s)
O nmero quntico spin indica o sentido da rotao do eltron no orbital, onde s
pode ser igual a +1/2 e 1/2.
A cada eltron em um tomo poder ser associado um conjunto de 4 nmeros
qunticos que determinaro o orbital no qual o eltron ser encontrado e a direo na qual
o eltron estar girando. O princpio de excluso de Pauli estabelece que dois eltrons em
um tomo no podem ter todos os 4 nmeros qunticos iguais. Assim, o nmero mximo
de eltrons nos orbitais s, p, d e f so: 2, 6, 10 e 14, como demonstrado na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 Nmero mximo de eltrons nos orbitais s, p, d e f.
Orbitais Nmero de Orbitais Nmero Mximo de Eltrons Diagrama Orbitals 1 2 _p 3 6 _ _ _d 5 10 _ _ _ _ _ f 7 14 _ _ _ _ _ _ _
17
O movimento circular de carga eltrica faz com que o eltron atue como um
eletrom da mesma forma como uma corrente eltrica, passando atravs de um fio
enrolado em torno de um prego, faz com que o prego se torne magnetizado.
Os eltrons podem girar no sentido horrio e anti-horrio. Dois eltrons prximos
apresentando spins contrrios se repelem eletricamente, porm se atraem
magneticamente; e dois eltrons prximos apresentando spins iguais se repelem eltrica e
magneticamente.
O spin do eltron tambm responsvel pela maioria das propriedades magnticas
que se encontram associadas aos tomos e molculas. Os materiais podem apresentar as
seguintes propriedades magnticas:
diamagnetismo;
paramagnetismo, e;
ferromagnetismo.
Os materiais que so diamagnticos no sofrem atrao quando submetidos a um
campo magntico (so repelidos ligeiramente). Nestas substncias, existem nmeros iguais
de eltrons de cada spin. Os materiais paramagnticos so fracamente atrados em
presena de um campo magntico. As substncias paramagnticas so fortemente atradas
em presena de um campo magntico.
A distribuio dos eltrons nos orbitais feita atravs de um mtodo grfico
chamado de Diagrama de Linus Pauling (Figura 2.6). O preenchimento dos orbitais, formado
pelos subnveis (s, p, d, f), com eltrons, realizado seguindo as flechas diagonais
descendentes.
Verifica-se que o subnvel s do orbital 4 menos energtico que o subnvel 3d, assim
como o 5s menos energtico que o 4d e o 6s possui menor energia que o 4f, e assim
sucessivamente.
Figura 2.6 Diagrama de Linus Pauling.
18
A configurao eletrnica realizada atravs de uma notao cujo nmero quntico
principal (n) escrito antes da letra indicativa do subnvel, a qual possui um expoente que
indica o nmero de eltrons contidos nesse subnvel. Como por exemplo: 3p5, que significa:
no nvel 3 (nmero quntico principal = 3, ou seja camada M ), existe o subnvel p,
contendo 5 eltrons.
Como exemplo, tem-se a configurao eletrnica do ferro cujo nmero atmicos Z
= 26, ilustrada na Figura 2.7.
Figura 2.7 Configurao eletrnica do ferro.
Observa-se que, 4 eltrons giram sozinhos no mesmo sentido, isto gera um campo
magntico, conferindo a propriedade de ferromagnetismo.
2.3.4. Periodicidade na Configurao Eletrnica
A periodicidade na distribuio eletrnica justifica a periodicidade nas propriedades
dos elementos qumicos.
A Figura 2.8 ilustra as configuraes eletrnicas do nvel mais externo (camada de
valncia4) do tomo dos elementos apresentados na Tabela Peridica, na qual se dispem
da seguinte forma: ns1 para o hidrognio e os elementos do grupo IA, ns2 para o hlio e os
elementos do grupo IIA, ns2np1 e ns2np6 para os elementos dos grupos IIIA a 0, (n-1)d para
os elementos dos grupos B e (n-2)f para os elementos das sries de lantanides (terras-
raras) e actnides (terras-raras pesadas).
4 A palavra valncia significa capacidade de combinao.
19
Figura 2.8- Periodicidade nas distribuies eletrnicas dos tomos (Fonte: BRADY
e HUMISTON, 1986).
2.3.5. Periodicidade nas Propriedades
A periodicidade nas propriedades das substncias simples (ou elementos)
apresentadas na tabela peridica podem ser: atmicas, fsicas e qumicas.
2.3.5.1. Periodicidade nas Propriedades Atmicas
As propriedades raio atmico, energia de ionizao e afinidade eletrnica variam
periodicamente em funo do nmero atmico.
2.3.5.1.1 - Raio Atmico: Nos grupos, o aumento do raio atmico ocorre de cima para
baixo, pois a adio de camadas faz com que os eltrons fiquem mais
distantes do ncleo. Nos perodos, o aumento do raio atmico ocorre
da esquerda para direita, pois ao longo do perodo ocorrem as
adies dos eltrons na mesma camada e o aumento simultneo dos
prtons no ncleo, aumentando a carga nuclear. A carga nuclear atrai
mais efetivamente a camada de eltrons.
2.3.5.1.2 Energia de Ionizao: Energia de ionizao a mnima energia necessria
para remover um eltron de um tomo isolado, no seu estado
fundamental. A energia de ionizao aumenta da direita para a
esquerda, pois a carga nuclear aumenta atravs do perodo
dificultando a remoo do eltron
2.3.5.1.3 Afinidade Eletrnica: Afinidade eletrnica a quantidade de energia necessria
para um tomo isolado, no seu estado fundamental, receber um
eltron formando um on negativo.
20
2.3.5.2. Periodicidade nas Propriedades Fsicas
As propriedades fsicas densidade e ponto de fuso variam periodicamente em
funo do nmero atmico.
2.3.5.2.1 Densidade: Por definio densidade a razo entre a massa da substncia e seu
volume. Esta propriedade fsica uma propriedade intensiva. A
periodicidade na densidade em funo do nmero atmico uma
sucesso de mximos e mnimos, porm estas variaes no so
muito regulares devido as diferentes caractersticas estruturais da
substncia.
2.3.5.2.2 Ponto de Fuso: A periodicidade do ponto de fuso em funo do nmero
atmico, tambm, uma sucesso de mximos e mnimos,
demonstrando uma relao entre o ponto de fuso com a
configurao eletrnica. As propriedades qumicas so: reatividade e
configurao eletrnica que variam tambm com o nmero atmico.
2.3.5.3. Periodicidade nas Propriedades Qumicas
As propriedades qumicas esto relacionadas aos metais, no-metais e metalides.
2.3.5.3.1 Dos Metais: A maioria dos elementos qumicos so metais e esto posicionados
esquerda da tabela peridica, so bons condutores de calor e de
eletricidade, maleveis, dcteis, possuem alta refletividade e brilho
metlico caracterstico. Os metais tendem a ceder eltrons e se
tornarem carregados positivamente:
M M+ + e- (2.2)
em que so denominados de ctions (Russel, 1994). A carga do on
metlico ction depende do nmero de eltrons perdidos pelo tomo,
como por exemplo: Na+, Mg2+, Al3+, Fe2+, Fe3+, etc, sendo esta carga
chamada de nmero de valncia, nmero de oxidao ou,
simplesmente, nox.
2.3.5.3.2 Dos No-Metais: Os no-metais so na maior parte gases (exemplos: cloro e
oxignio) e so caracterizados por serem pobres condutores trmicos
e eltricos, no estado slido so duros e quebradios (exemplos:
enxofre e fsforo), e no apresentam alta refletividade e nem brilho
metlico. O bromo o nico no-metal lquido temperatura
ambiente. Suas principais caractersticas so explicadas devido a sua
estrutura eletrnica e elevada afinidade eletroltica. Os no-metais
tendem a receber eltrons e se tornarem carregados negativamente:
21
M + e- M- (2.3)
em que so denominados de nions. A carga do on no-metlico
nion depende do nmero de eltrons ganhos, como por exemplo:
Cl-, O2-, OH-, F-, etc, sendo esta carga tambm chamada de nmero
de valncia ou nox.
2.3.5.3.3 Dos Semimetais: Os semimetais so elementos com propriedades
intermedirias entre os metais e os no-metais, so bons
semicondutores e quando sofrem dopagem5, se transformam em
bons condutores de eletricidade.
2.4. ESTEQUIOMETRIA
A estequiometria a parte da qumica em que se investigam as propores dos
elementos que se combinam ou dos compostos que reagem. Essas propores so
determinadas por meio de clculos estequiomtricos.
RUSSEL (1994) define estequiometria como:
Estudo quantitativo da composio qumica (composto e
frmula estequiomtrica) e transformaes qumicas (reao
e equao estequiomtrica).
Os clculos estequiomtricos tm importncia fundamental em todos os campos da
qumica, especialmente na anlise quantitativa e na sntese de compostos.
Na Qumica Aplicada Engenharia do Meio, o profissional precisa freqentemente
conhecer ou deduzir relaes entre as quantidades de substncias que participam de
reaes qumicas em meios aquticos, atmosfera e solo. Para tanto, os conceitos de massa
atmica, massa molecular, mol, entre outros, devem ser revistos.
2.4.1. Conceitos Fundamentais da Estequiometria
A seguir sero revistos os conceitos de frmulas qumicas, massa atmica, massa
molecular, mol, nmero de Avogadro, massa molar.
2.4.1.1. Frmulas Qumicas
As frmulas qumicas so empregadas para representar compostos ou agregados de
tomos. Existem basicamente 2 tipos de frmulas: as moleculares e as estruturais.
As frmulas moleculares so formadas pelos smbolos dos tomos e um subndice
5 quando o semicondutor puro recebe pequenas quantidades de outros elementos.22
para indicar a quantidade de tomos existente na molcula, dando a quantidade real de
tomos, como por exemplo, a molcula da glicose representada pela frmula C6H12O6.
As frmulas estruturais so aquelas que mostram as ligaes entre os tomos, como
por exemplo, a frmula estrutural do sabo (Figura 2.9).
Figura 2.9 - Frmula estrutural do sabo.
2.4.1.2. Massa Atmica
Como impossvel fisicamente se determinar a massa ou peso de um tomo foi
necessrio criar um padro de unidade (terico), denominada de unidade de massa
atmica, simbolizada por uma ou u.
A uma unidade de massa atmica foi estabelecida em funo de 1/12 da massa
do tomo de carbono (C) istopo 12, como demonstrado na Tabela 2.4.
Tabela 2.4 Composio dos istopos de carbono.
Elemento Qumico Istopos Representao Nmeros de Prtons Nmeros de NutronsCarbono Carbono 12
Carbono 1412C6
14C666
68
que equivale a:
1/12 da massa de C = 1 uma = 1 u = 1,66.10-24 g
Portanto, a massa atmica a massa de um tomo expresso em unidades de massa
atmica (uma), como por exemplo, massa atmica do flor = 18,998 uma.
2.4.1.3. Massa Molar
Como os tomo podem se agrupar para formar conjuntos bem definidos,
denominados molculas. Assim, molcula a menor parte da matria que caracteriza uma
substncia pura.
Aqui cabe lembrar a definio de elemento qumico ou substncia simples, que um
conjunto de tomos iguais, de mesma espcie. E substncia pura um conjunto de
molculas iguais.
sabido que os tomos que reagem, sempre guardando entre si relaes simples de
nmeros inteiros, como por exemplo, tomos de hidrognio e de oxignio, combinam-se
numa proporo de 2:1 para formar molculas de gua; tomos de enxofre, carbono e
nitrognio, por outro lado, formam o on tiocianato (SCN-), quando se combinam numa
23
razo de 1:1:1.
A massa molecular a soma das massas atmicas de todos os tomos constituintes
da molcula. Como por exemplo, a massa molecular da propanona igual a 58,09 u; a
massa molecular do perclorato de potssio = 122,44 u.
2.4.1.4. Mol
A palavra mol vem do latim e significa um amontoado ou pilha de pedras para conter
as guas do mar (quebra-mar). Por analogia, o termo mol representa um amontoado de
tomos, molculas, eltrons, ons ou outras partculas.
Esse amontoando contm sempre 6,02.1023 unidades, do mesmo modo de 1 dzia
que corresponde a 12 unidades. Por conseguinte, como uma dzia de ovos contm 12
unidades de ovos; um mol de ovos corresponde a 6,02.1023 unidades de ovos; um mol de
eltrons corresponde a 6,02.1023 unidades de eltrons; um mol de molculas corresponde a
6,02.1023 unidades de molculas e assim por diante.
Uma vez que tomos, ons ou molculas so pequenos de mais para serem tratados
individualmente no laboratrio, na prtica se trabalha com os moles destas partculas.
Assim, pode-se pesar um mol de qualquer substncia em uma balana comum; por
exemplo, 1 mol de limalha de ferro equivale massa atmica do elemento qumico Fe
expresso em gramas. Logo,
1 mol de ferro (Fe) = 6,02.1023 tomos de ferro = 55,845 g
2.4.1.5. Nmero de Avogrado
O nmero de Avogrado, 6,02.1023, foi institudo para expressar quantas partculas
(tomos, ons, molculas, etc) existem em 1 mol. O nmero de Avogrado significa a
presena de 6,02.1023 partculas de tomos, ons, molculas, etc.
2.4.1.6. Massa Molar
A massa molar de um elemento a massa de 6,02.1023 tomos do mesmo elemento
em gramas. Ou, a massa molar de uma substncia a massa de 6,02.1023 de molculas da
mesma substncia em gramas.
A massa molar de qualquer substncia qumica, por sua vez, corresponde massa
de um mol de partculas daquela substncia. Para um mesmo composto, a massa molar
numericamente igual massa molecular com a diferena de que a massa molar expressa
24
em g/mol. Logo a massa molar da propanona = 58,09 g/mol e do perclorato de potssio =
122,44 g/mol.
Assim, os termos massa molecular e massa molar podem ser utilizados sem
distino, para compostos moleculares e no moleculares.
2.4.1.7. Equao Qumica
A equao qumica uma representao simblica da reao qumica, como por
exemplo, a combusto do carvo ou coque (carbono) pelo oxignio para formar o dixido de
carbono.
C (s) + O2 (g) CO2 (g)
em que, C (s) e O2 (g) so os reagente e o CO2 o produto; (s) e (g) significam o estado
fsico dos reagentes e produto, slido e gasoso, respectivamente. Alm dessas abreviaes,
existem () para lquido, (aq) para substncias dissolvidas em gua (soluo aquosa), () para formao de precipitado e () para gerao de gs.
A equao qumica guarda as seguintes relaes de quantidades:
C (s) + O2 (g) CO2 (g)1 tomo de carbono _
___
1 molcula de oxignio _
___
1 molcula de dixido de carbono
1 mol de carbono _
___
1 mol de oxignio _
___
1 molde dixido de carbono
6,02.1023 tomos de carbono _
___
6,02.1023 molculas de oxignio _
___
6,02.1023 molculas de carbono
12 g de carbono _
___
32 g de oxignio _
___
44 g de dixido de carbono
Uma equao qumica deve estar sempre balanceada, onde as quantidades de
tomos presentes nos reagentes so correspondentes as quantidades de tomos nos
produtos.
2.5. LIGAES QUMICAS
Os tomos possuem a capacidade de se combinar entre si para produzirem espcies
mais complexas. Eles se combinam para ficarem estveis, adquirindo a configurao
eletrnica dos gases nobres.
Os gases nobres no fazem ligaes qumicas com os demais elementos, pois
apresentam grande estabilidade. Esta estabilidade conseqncia da configurao
eletrnica que apresentam 8 eltrons na camada de valncia. Os outros elementos
estabelecem as ligaes qumicas para adquirirem a configurao eletrnica idntica a dos
gases nobres. Desta forma, a Regra do Octeto dita que:
Os tomos tendem a ganhar ou perder eltrons
25
at que existam oito eltrons
em sua camada de valncia.
Assim como os tomos, as molculas de algumas substncias tambm so capazes
de reagir com outras molculas para formar novas substncias. Estas combinaes so
ocasionadas pelos diferentes tipos de ligaes qumicas.
As ligaes qumicas so foras que unem os tomos formando agrupamento de
tomos, agrupamentos de partculas carregadas (os ons) ou molculas. Os tipos de
ligaes qumicas determinam as propriedades caractersticas das substncias.
2.5.1. Principais Tipos de Ligaes Qumicas
Basicamente existem 3 tipos de ligaes qumicas mais importantes:
ligao inica;
ligao metlica;
ligao covalente.
Entretanto, existem algumas interligaes moleculares que conseguem explicar
determinadas propriedades peculiares de algumas substncias. Vale lembrar, que um tipo
de ligao qumica no predomina sozinha, ocorre uma ligao intermediria entre os tipos
puros definidos pelos modelos, pois entend-los isoladamente se torna mais simples e mais
didtico.
2.5.1.1. Ligao Inica
A ligao inica ocorre quando um ou mais eltrons so transferidos da camada de
valncia de um tomo para a camada de valncia de outro, resultando na atrao
eletrosttica entre uma partcula de carga positiva (on positivo) e outra de carga negativa
(on negativo).
As substncias inicas so caracterizadas pelas seguintes propriedades:
possuem elevados ponto de fuso (PF) e ponto de ebulio (PE);
so solveis em solventes polares;
conduzem a corrente eltrica quando fundidos (fase lquida) ou em soluo aquosa,
situaes onde existem ons livres na soluo;
slidos em temperatura ambiente;
formam cristais quebradios.
2.5.1.2. Ligao Metlica
A ligao metlica consiste na formao de uma rede cristalina onde esto
localizados os ons positivos circundados por uma nuvem de eltrons livres.
26
As substncias metlicas so caracterizadas pelas seguintes propriedades:
possuem elevados ponto de fuso (PF) e ponto de ebulio (PE) (exceo: mercrio,
csio e frncio);
na forma metlica so insolveis em solventes polares e apolares;
timos condutores de corrente eltrica, mesmo na fase slida devido a presena dos
eltrons livre;
so dcteis e maleveis;
so timos condutores de calor.
2.5.1.3. Ligao Covalente
A ligao covalente uma das ligaes mais resistentes e mais energticas,
consistindo no compartilhamento de um par de eltrons entre os tomos.
As substncias formadas por ligaes covalentes so caracterizadas pelas seguintes
propriedades:
possuem pontos de fuso e ponto de ebulio variveis;
no conduzem corrente eltrica (exceo: grafita)
podem ser slidos (glicose), lquidos (gua) ou gasosos (oxignio) em temperatura
ambiente;
molculas polares so solveis em solventes polares, molculas apolares so solveis em
solventes apolares.
2.5.2. Tipos de Ligaes Qumicas Intermoleculares
As outras ligaes, menos energtica e uma pouco mais fraca que as ligaes citadas
anteriormente, so:
foras de Van der Waals, foras de London ou dipolo induzido;
foras dipolo permanente;
ligaes de hidrognio.
2.5.2.1. Foras de Van der Waals, Foras de London ou Dipolo Induzido - Dipolo Induzido
As foras de Van der Waals, foras de London ou dipolo induzido - dipolo induzido
ocorrem entre molculas apolares ou entre tomos de gases nobres, quando por um motivo
qualquer ocorre uma assimetria na nuvem eletrnica, gerando um dipolo que induz as
demais molculas ou tomos a tambm formarem dipolos. So de intensidade fraca. Ex.:
H2; N2; O2; I2; Br2; CO2; BF3; He; Ne; Ar.
27
2.5.2.2. Foras Dipolo Permanente - Dipolo Permanente
Ocorrem em molculas polares, de modo que a extremidade negativa do dipolo de
uma molcula se aproxime da extremidade positiva do dipolo de outra molcula. So mais
fortes que as foras de London; Ex.: HCl; HBr; HI; H2S; PH3.
2.5.2.3. Pontes de Hidrognio
As pontes de hidrognio so foras de natureza eltrica do tipo dipolo permanente -
dipolo permanente, porm bem mais intensas. O corre quando a molcula polar e possui
H ligado a elemento muito eletronegativo e de pequeno raio (F, O, N), de modo que o
hidrognio de uma molcula estabelece uma ligao com o tomo muito eletronegativo de
outra molcula. Ex.: H2O; HF; NH3.
Na prtica as foras intermoleculares podem atuar em conjunto, e a interao entre
as molculas calculada pela soma dos diversos tipos de foras intermoleculares atuantes.
Por exemplo na gua a principal fora de interao molecular so as pontes de hidrognio,
embora tambm haja interaes do tipo dipolo permanente. Entre as molculas com
interaes do tipo dipolo permanente existem tambm interaes do tipo foras de Van der
Waals.
2.6. SOLUES
A soluo uma disperso ou mistura uniforme de tomos, ons ou molculas de
duas ou mais substncias. Freqentemente, uma das substncias numa soluo um
lquido. Os componentes de uma soluo podem ser misturados em varias propores. Cada
poro de uma dada soluo apresenta composio e propriedades idnticas. Por exemplo,
quando a sacarose (C12H22O11) dissolvida em gua (H2O), suas molculas se espalham e se
misturam completamente com a gua. Cada gota da soluo contm sacarose e gua nas
mesmas propores.
Pelo fato de uma soluo ser um tipo de mistura (mistura homognea), seus
componentes podem ser separados fisicamente. Por exemplo, pode-se separar os
componentes da soluo de sacarose acima evaporando a gua por fervura. Entretanto, os
componentes de uma soluo no se separam por si s, e nem podem ser separados por
filtrao.
Estas propriedades podem ser entendidas se imaginarmos uma soluo como um
arranjo ao acaso de minsculas partculas: tomos, ons ou pequenas molculas. As
partculas de uma soluo so pequenas demais para serem puxadas pela gravidade e
sedimentarem, e tambm para serem retiradas por papel de filtro. As partculas do soluto
no se separam do solvente sob a ao de ultracentrifugas, no so retiradas por ultrafiltros
e no so vistas atravs de microscpios potentes.
28
Alm disto, solues lquidas so geralmente transparentes. Pode-se ver atravs
delas porque as partculas so pequenas demais para bloquearem a transmisso de luz
atravs da soluo.
2.6.1. Componentes da Soluo
Uma soluo consiste de dois componentes principais:
soluto;
solvente.
O soluto a substncia dissolvida e o solvente a substncia que dissolve. Diz-se
que uma soluo se forma, dissolvendo-se um soluto num solvente. O soluto pode tambm
ser definido como a substncia presente em menor quantidade na soluo. O solvente a
substncia presente em maior quantidade; o componente mais abundante da soluo, que
retm o seu estado fsico original aps a adio do soluto. Muitas solues contm gua
como solvente e so chamadas solues aquosas.
As solues podem ser preparadas de vrias maneiras. Tanto o soluto como o
solvente pode ser um elemento ou um composto, e eles podem estar presentes como
slidos, lquidos ou gases (com algumas excees).
2.6.2. Tipos de Disperso
A soluo uma disperso homognea de duas ou mais espcies de substncias
moleculares ou inicas, na qual apresenta partculas do disperso (soluto) com dimetro
inferior a 10 . Existem outros tipos de disperses como demonstrado na Tabela 2.5.
Tabela 2.5 Tipos de disperso.
Disperso Dimetro das Partculas Exemplohomognea ou soluo homognea
< 10 gua e cloreto de sdio
coloidal ou soluo coloidal
10 a 1000 gelatina, goma arbica, algumas disperses de protenas (como albumina bovina), fumaa
grosseira > 1000 leite de magnsia (aglomerados de Mg+2 e OH-
em gua)
2.6.3. Classificao das Solues
As solues so classificadas quanto:
ao estado fsico da matria;
a conduo de corrente eltrica;
ao potencial hidrogeninico;
a concentrao de soluto.
29
2.6.3.1. Quanto ao Estado Fsico da Matria
As solues podem existir em qualquer dos trs estados da matria (gasoso, lquido
e slido), como apresentado na Tabela 2.6.
Tabela 2.6 Tipos de solues quanto ao estado fsico da matria.
Soluo Soluto em Solvente Exemplogs em gs ar, O2 e gases nobres em N2 (g) a 250C e 1 atm
Gasosa lquido em gs gs nitrognio mido H2O (lq.) em N2(g) a 250C e 1 atmslido em gs iodo, I2 (g) em nitrognio em N2(g) a 250C e 1 atmgs em lquido amonaco, NH3 (g) em gua H2O (lq.)
Lquida lquido em lquido cido actico (H3CCOOH) em guags em lquido nitrato de potssio em guags em Slido hidrognio H2 (g) em paldio Pd (s)
Slido lquido em slido mercrio [Hg (lq.)] em cobre [Cu (s)]slido em slido ligas metlicas. Ex.: Cu em Ag
2.6.3.2. Quanto a Conduo de Corrente Eltrica
Em 1884, Arrhenius afirmava que a dissoluo de certas substncias em gua
produziam ons que se moviam livremente na soluo e eram os responsveis pela
conduo da corrente eltrica nas solues, propondo assim, a Teoria Inica das Solues
para explicar a condutividade das solues.
As solues so classificadas quanto a conduo de corrente eltrica em:
solues eletrolticas;
solues no eletrolticas.
As solues eletrolticas so formadas pela dissoluo de substncias inicas ou
moleculares, que produzem ons ctions e nions e possibilitam a passagem de corrente
eltrica. As solues eletrolticas podem ser fortes ou fracas, sendo caracterizadas pelo grau
de dissociao. As substncias inicas se dissociam quase totalmente e as substncias
moleculares produzem poucos ons.
As solues no eletrolticas no possuem ons para promover a conduo de
corrente eltrica. Geralmente so formadas de substncias moleculares, onde as molculas
so eletricamente neutras.
Existem uma diferena conceitual entre os termos tcnicos dissociao e ionizao. A
dissociao empregada quando a substncia inica e se dissocia em ons, isto quer dizer
que os ons j existem (substncias inicas so formadas por ons positivos e negativos,
unidos por atrao eletrosttica), o solvente apenas os separa. Exemplo:
NaCl + H2O Na+ (aq.) + Cl- (aq.)
30
A gua solvata6 os ons ctions e nions separando-os.
A ionizao empregada para substncias moleculares ou tomos que produzem
ons, neste caso, os ons so produzidos, a molcula do soluto apresenta uma certa
polaridade, constituindo-se num dipolo, sendo solvente o promotor da separao desses
plos. Exemplo:
HCl + H2O H+ (aq.) + Cl- (aq.)
A molecular do cido clordrico polar, a gua promove a formao dos ons ctions
H+ e nions Cl-.
2.6.3.3. Quanto ao Potencial Hidrogeninico
As solues podem ser classificadas de acordo com o potencial hidrogeninico (pH),
ou seja, pela concentrao de ons prtons (H+) em soluo, em:
solues cidas;
solues bsicas;
solues neutras.
A definio clssica de substncia cida e bsica foi proposta pelo qumico suo
Arrhenius. Um cido um composto que, dissociado em gua, libera ons de hidrognio
(H+), conhecido tambm por prton, produzindo uma soluo cido, e bases so compostos
que, dissociam em gua, libera ons de hidrxidos (on hidrnio ou on hidroxnio, OH-),
produzindo soluo bsica ou alcalina. A mistura de uma soluo cida com uma soluo
bsica produz uma soluo neutra, formando sal e gua.
A grau de acidez ou basicidade de uma soluo determinada pelo mtodo
potenciomtrico, na qual se mede o pH atravs do pHmtro. O pHmtro mede a
concentrao de ons [H+] na faixa de uma escala de 0 a 14, onde pH = 7 indica soluo
neutra, pH < 7 indica soluo cida e pH > 7 indica soluo alcalina.
A determinao do pH consiste em medir a concentrao de ons H+ disperso em
uma soluo. Esta determinao est entre as grandezas qumicas mais importante e mais
determinadas em todos os processos qumicos.
A grandeza pH foi definida pela IUPAC como sendo igual a logaritmo negativo da
atividade do on hidrognio:
[ ]+= HpH log (2.8)O mtodo mais operacional para determinar o pH o mtodo eletroqumico, que
6 a formao de camadas de solvente ao redor da partcula. Quando o solvente gua e ela soltada a partcula inica, este fenmeno denominado de hidratao.
31
utiliza eletrodos sensveis ao on hidrognio, como o eletrodo de vidro. Neste mtodo o pH
determinado pela fora eletromotriz produzida em um eletrodo sensvel ao pH contra um
eletrodo de referncia, mais comumente o Ag+/AgCl. O eletrodo de vidro no um eletrodo
reversvel ao par H2/2H+ e por isso requer calibraes constantes.
A calibrao do pHmtro consiste na construo de uma curva de calibrao do tipo
ilustrados na Figura 2.10.
Figura 2.10 Curva de calibrao de pH (Fonte: Covington et al., 1985).
2.6.3.4. Quanto a Concentrao de Soluto
As solues so classificadas em:
soluo saturada;
soluo no saturada;
soluo supersaturada
soluo diluda;
soluo concentrada.
Soluo saturada aquela em que existe um equilbrio entre o soluto no dissolvido
(gasoso, lquido ou slido) e o soluto presente na soluo. A concentrao do soluto na
soluo em equilbrio chamada solubilidade do soluto nesse solvente temperatura
considerada.
A solubilidade de qualquer substncia (gs, lquido ou slido) no depende da
quantidade do soluto em excesso, isto , em contato com a soluo. De fato, a mesma
concentrao de equilbrio encontrada em uma soluo saturada, quer seja pequena ou
grande a quantidade do excesso que est em contato com a soluo.
Se a quantidade de soluto na soluo corresponde a uma quantidade menor do que a
da concentrao de equilbrio, a soluo no saturada. Em uma soluo no saturada a
32
quantidade do soluto presente em soluo pode variar desde um mero trao, at uma
concentrao imediatamente inferior de uma soluo saturada.
Quanto relao existente entre soluto e solvente, as solues no saturadas podem
ser diludas e concentradas.
Soluo diluda aquela que apresenta uma quantidade relativamente pequena do
soluto para uma dada quantidade de solvente., a uma dada temperatura. Ex: 10,0 g de
AgNO3, dissolvidos em 100 g de gua a 25oC.
Soluo concentrada aquela que apresenta quantidade relativamente grande do
soluto para uma dada quantidade do solvente, a uma dada temperatura. Ex: 70,0 g de
AgNO3, dissolvidos em 100 g de gua a 25oC.
Naturalmente, se h soluto no dissolvido em contato com uma soluo no
saturada, ele se dissolve at desaparecer ou at atingir o equilbrio.
Uma soluo que contenha mais soluto do que corresponde a concentrao de
equilbrio uma soluo supersaturada. Ela no estvel e manifesta sua instabilidade
particularmente se entrar em contato com qualquer quantidade de soluto no dissolvido.
Uma soluo supersaturada portanto, um sistema metaestvel. As solues
supersaturadas tendem a atingir um estado de equilbrio; se ficar em repouso, o excesso de
soluto se separa da soluo at que a concentrao atinja o valor da saturao. No entanto,
na ausncia de perturbaes, uma soluo supersaturada pode assim permanecer por um
tempo bastante longo.
Uma soluo supersaturada e uma no saturada apresentam uma caracterstica em
comum: nenhuma tem a concentrao de equilbrio. No entanto, uma soluo no saturada
no pode, por si mesma, atingir o estado de equilbrio (saturar), a no ser que acrescente-
se soluto, evapore o solvente ou varie a temperatura, enquanto que uma soluo
supersaturada pode, e geralmente o faz, espontaneamente atingir o estado de equilbrio,
simplesmente cedendo o excesso de soluto dissolvido. Logo, as solues no saturadas s
existem por no conter soluto suficiente no sistema; as solues supersaturadas podem se
manter durante algum tempo porque a mudana: soluo supersaturada soluo saturada
+ soluto no dissolvido, embora termodinamicamente favorvel, pode envolver uma energia
de ativao elevada e, por isso, ocorrer muito lentamente.
As solues saturadas podem ser tomadas como padres de referncia, porque tanto
as no saturadas como as supersaturadas tendem a formar uma soluo saturada quando
as condies o permitem. Por exemplo, quando cristais do soluto silo adicionados a urna
soluo no saturada ou a unia soluo supersaturada, ambas tendem a se aproximar das
condies de equilbrio. A soluo no saturada aproxima-se do equilbrio dissolvendo
cristais, e a soluo supersaturada aproxima-se do equilbrio depositando cristais.
33
As solues supersaturadas de gases com lquidos so bastante comuns. Por
exemplo, as bebidas carbonatadas so solues supersaturadas de dixido se carbono em
gua sob presso relativamente elevada. Quando as garrafas so destampadas, escapa
algum gs, mas a soluo remanescente pode, por algum tempo, continuar supersaturada
de dixido de carbono. Pode-se obter solues supersaturadas de substncias slidas,
fazendo-se a evaporao lenta do solvente ou reduzindo-se a temperatura de unia soluo
saturada, desde que no haja contato da soluo com partculas slidas que possam agir
como ncleo de cristalizao. Algumas substncias formam facilmente solues
supersaturadas outras somente sob condies experimentais cuidadosamente controladas.
No que se refere a solues de diferentes sais em gua, o efeito da temperatura
sobre a solubilidade varia de um sal para outro. Os sais, geralmente, so mais solveis a
temperaturas elevadas do que baixas.
2.6.4. Unidades de Concentrao
Concentrao de uma soluo a relao entre a quantidade do soluto e a
quantidade do solvente ou da soluo. Uma vez que as quantidades de solvente e soluto
podem ser medidas em massa, volume ou quantidade de matria (nmero de mols), h
diversas unidades de concentrao de solues. As mais utilizadas so:
mg/L ou g/L;
%;
mol/L;
N.
2.6.4.1. Concentrao em Miligramas por Litro ou Gramas por Litro
Esse termo utilizado para indicar a relao entre a massa do soluto (m), expressa
em gramas, e o volume (V), da soluo, em litros.
)()(
LVgmC = (2.5)
2.6.4.2. Concentrao em Composio Percentual
um mtodo bastante comum de expressar a concentrao de uma soluo.
Esta unidade de concentrao relaciona a massa (m) ou o volume (V) do soluto com
a massa ou o volume do solvente ou da soluo, conduzindo a notaes tais como:
% (m/m); % (m/V) ou % (V/V)
A relao m/m corresponde a base percentual mais usada na expresso da
concentrao de solues aquosas concentradas de cidos inorgnicos como cido clordrico,
34
cido sulfrico e cido ntrico. Ex. o cido sulfrico encontrado no comrcio contm cerca de
98% (em massa) de soluto (H2SO4 lquido), ou seja, 100 g do cido comercial contm 98 g
de H2S04 e 2g de gua.
Os termos diludo e concentrado so apenas termos relativos. Uma soluo diluda
contm somente uma frao do soluto contido numa soluo concentrada. Ex. Uma soluo
a 3%(m/m) de cido ntrico diluda em comparao com uma soluo de 1-1N03 a 30%
em massa.
2.6.4.3. Concentrao em Quantidade de Matria
a relao entre a quantidade de matria do soluto (n) e o volume da soluo (V),
expresso em litros.
)()(
LVmolnC = (2.6)
No passado, essa unidade de concentrao era denominada molaridade ou
concentrao molar, que hoje encontra-se em desuso.
Atualmente, de acordo com a International Union of Pure and Applied Chemistry
(IUPAC), o uso desses termos deve ser evitado.
2.6.4.4. Concentrao Normal
Denominada de normalidade, no passado esta unidade foi muito utilizada em
clculos relacionados com titulaes. Atualmente, o uso da normalidade no recomendado
pela IUPAC, uma vez que o emprego desta unidade de concentrao no enfatiza a
estequiometria da reao qumica. Alm disso, o valor numrico do equivalente-grama de
alguns compostos qumicos varia de uma reao para outra. Est em desuso.
A converso da concentrao normal para mol/L realizada de acordo com a seguintes equao:
= MN (2.7)sendo,
N = concentrao normal;
M = concentrao mol/L;
= nmero de oxidao (nox).
2.6.6. Hidrlise
Hidrlise a reao da gua sobre um composto, quebrando este composto, com a
fixao de ons hidrognio ou de ons hidroxila.
35
Quando um sal dissolvido em gua ele se dissocia totalmente, para produzir
ctions e nions, que devem subseqentemente, reagir quimicamente com o solvente, por
meio de hidrlise.
A hidrlise ocorre para ons provenientes de cidos ou bases fortes. Por exemplo, o
ction (proveniente de uma base forte) de um sal sofre a seguinte reao de hidrlise:
M+ + H2O MOH + H+
Assim, tem-se um sal cido.
Ento, um nion (proveniente de um cido forte) de um sal, sofre a seguinte reao
de hidrlise:
X- + H2O HX + HO-
tem-se, desta forma, um sal bsico.
2.6.6.1. Hidrlise de Sais cidos, Bsicos e Neutros
Os sais quando dissolvidos em gua podem produzir solues cidas, bsicas ou
neutras.
2.6.6.1.1 Hidrlise de Sais cidos: Um sal dito cido quando ele formado pela reao
de um cido forte com uma base fraca. Por exemplo, o sal de NH4Cl
(cloreto de amnio).
HCl + NH4OH NH4Cl + H2O
cido forte base fraca sal cido gua
Assim, esse sal quando dissolvido em gua produz um meio cido cujo pH < 7.
H2ONH4Cl NH4+ + Cl-
OH-
- Sofre hidrlise: NH4+ + H OH NH4OH + H+
- Sofre hidratao: Cl-
O on amnio sofre hidrlise porque pouco eletropositivo, e o on coreto sofre
hidratao porque muito eletro negativo.
2.6.6.1.2 Hidrlise de Sais Bsicos: Um sal dito bsico quando ele formado pela
reao de uma base forte com um cido fraco. Por exemplo, o sal de
NaCH3COO (ou NaC2H3O2 acetato de sdio).
CH3COOH + NaOH NaCH3COO + H2O
cido fraco base forte sal bsico gua
36
Assim, esse sal quando dissolvido em gua produz um meio bsico cujo pH > 7.
H2ONaCH3COO Na+ + CH3COO-
- Sofre hidratao: Na+
H+
- Sofre hidrlise: CH3COO- + HOH HCH3COO + OH-
O on amnio sofre hidrlise porque pouco eletropositivo, e o on coreto sofre
hidratao porque muito eletro negativo.
2.7. REAES QUMICAS
A reao ou transformao qumica uma reorganizao dos tomos das
substncias, na qual uma espcie de matria, ou mais de uma, se transforma em nova
espcie de matria ou em diversas novas espcies de matria. O enferrujamento do ferro,
no qual o ferro se combina com o oxignio da atmosfera para formar a ferrugem, uma
transformao qumica. As substncias iniciais, ferro e oxignio, combinam-se
quimicamente e no podem ser separadas por procedimentos fsicos.
As reaes qumicas ocorrem em nvel microscpico, onde a viso humana no
consegue alcanar, por outro lado necessrio apoiar-nos em parmetros macroscpicos
que evidencie se uma reao ocorreu ou no durante aos procedimentos prticos. Algumas
evidncias de ocorrncia de uma reao qumica so: desprendimento de gs, turvao,
mudana de cor, mudana de cheiro e produo de energia.
2.7.1. Tipos de Reaes Qumicas
Existem basicamente 3 tipos de reaes qumicas:
reaes de precipitao;
reaes cido-base;
reaes de oxidao-reduo.
2.7.1.1. Reaes de Precipitao
As reaes de precipitao ocorrem da mistura de duas solues de substncias
inicas para formar uma substncia inica slida, chamada de precipitado. Precipitado um
composto slido insolvel formado durante a reao qumica em soluo.
Para prever se haver ou no formao de um precipitado, basta saber as regras de
solubilidade (Tabela 2.7).
37
Tabela 2.7 Regras de Solubilidade de Compostos Inicos.
Regra
Aplica-se aos ons
Enunciado Excees
1 Li+, Na+, K+, NH4+
compostos do grupo IA e do on amnio so solveis
-
2 C2H3O2-, NO3- acetatos e nitratos so solveis -3 Cl-, Br-, I- cloretos, brometos e iodetos so
solveiscloretos, brometos e iodetos de Ag, Hg e Pb
4 SO42- sulfatos so solveis sulfatos de Ca, Ba, Sr, Ag, Hg e Pb
5 CO32- carbonatos so insolveis carbonatos do grupo IA e NH4+
6 PO43- fosfatos so insolveis fosfatos do grupo IA e NH4+
7 S2- sulfetos so insolveis sulfetos do grupo IA e NH4+
8 OH- hidrxidos so insolveis hidrxidos do grupo IA, Ca, Ba e Sr
Como exemplos, tem-se as seguintes reaes:
AgNO3 + HCl AgCl + HNO3
Na2CO3 + HCl NaCl + H2CO3
2.7.1.2. Reaes de cido - Base
As reaes de cido - base ocorrem quando uma substncia cida reage com uma
substncia bsica produzindo sal mais gua. Estes tipos de reaes tambm so conhecidas
como reaes de neutralizao, quando as quantidades de cido e base so equivalentes.
Por exemplo,
NaOH + HCl NaCl + H2O
Ca(OH)2 + H2SO4 CaSO4 + 2 H2O
Quando as quantidades de cido ou base so excedentes no meio, elas podem ser
detectadas utilizando-se indicadores, que so substncias orgnicas (cidos ou bases
orgnicas fracas) adicionadas em pequenas quantidades ao meio, dando uma colorao
caracterstica.
Os indicadores so muito empregados nas titulaes de cido base, para que o
operado consiga visualizar o ponto de viragem (ponto de equivalncia) da titulao. Como a
mudana de colorao do meio para cada indicador ocorre em uma determinada faixa de pH
(Figura 2.11), necessrio que se escolha o pH adequado para cada ponto de equivalncia
da titulao.
38
Figura 2.11 Indicadores e suas respectivas faixa de mudana de colorao do
meio (Fonte: ROSSETTI, 2004).
2.7.1.3. Reaes de Oxidao - Reduo
As reaes de oxidao - reduo ocorrem quando existe a transferncia de eltrons
entre os reagentes, onde um elemento qumico sofre oxidao e o outro elemento sofre
reduo. Oxidao processo de perda de eltrons e reduo o processo de aquisio de
eltrons.
As reaes de oxidao-reduo podem ser do tipo: combinao, decomposio,
deslocamento e combusto. Como por exemplos:
a) Combinao: Na (s) + Cl2 2 NaCl
b) Decomposio: CaCO3 CaO (s) + CO2 (g)
c) Deslocamento: Zn (s) + 2 HCl (aq) ZnCl2 (aq) + H2 (g)
d) Combusto: 4 Fe (s) + 3O2 Fe2O3
O balanceamento de uma equao de oxidao-reduo pode ser feito de acordo
com o passo-a-passo a seguir:
1o Passo: Indicar os nmeros de oxidao (nox) de cada elemento qumico;
2o Passo: Identificar qual o elemento qumico em que ocorre mudana do nox;
3o Passo: Identificar qual o elemento qumico sofre reduo;
4o Passo: Identificar qual o elemento qumico sofre oxidao;
5o Passo: Determinar a quantidade de eltrons para reduo;
6o Passo: Determinar a quantidade de eltrons para oxidao;
7o Passo: Balancear as quantidades de eltrons, multiplicando cruzado;
8o Passo: Colocar, como ndice no primeiro termo da equao, o nmero determinado pelo
balanceamento;
9o Passo: Verificar as quantidades de tomos dos elementos qumicos diferentes do
hidrognio e oxignio;
39
10o Passo: Balancear as quantidades de oxignio e hidrognio por ltimo.
Exemplos:
a) HI + H2SO4 H2S + I2 + H2O.
Resposta: 8HI + H2SO4 H2S + 4I2 + 4H2O.
b) K2Cr2O7 + HBr KBr + CrBr3 + Br2 + H2O
Resp.: K2Cr2O7 + 14HBr 2KBr + 2CrBr3 + 3Br2 + 7H2O
c) Ag + HNO3 AgNO3 + NO + H2O
Resp.: 3Ag + 4HNO3 3AgNO3 + NO + 2H2O
2.8. TERMOQUMICA
A termoqumica estuda as energias envolvidas nas reaes qumicas. Toda reao
qumica implica no rearranjo dos tomos em suas diferentes ligaes. Estas transformaes
so acompanhadas por absoro ou desprendimento de energia sob a forma de luz,
eletricidade ou calor.
A maioria das reaes qumicas envolvem as transformaes de energia trmica, nas
quais so transferidas sob a forma de calor. Uma reao qumica acompanhada de
desprendimento de calor para o meio denominada de reao exotrmica, e uma reao
qumica acompanhada por absoro de calor do meio denominada de reao endotrmica.
Estes estudos so fundamentados na termodinmica, cincia macroscpica que
estuda as relaes entre as diferentes propriedades de equilbrio de um sistema e as trocas
das propriedades de equilbrio nos processos.
A energia liberada ou absorvida nas reaes qumica so extremamente importantes
nos processos bioqumicos do nosso ecossistema, como por exemplo, a absoro de energia
luminosa pelas plantas durante a fotossntese.
As energias envolvidas nas reaes qumicas so:
energia interna;
entalpia;
entropia;
energia livre.
2.8.1. Energia Interna
A Energia Interna (E) a energia armazenada nas ligaes das molculas e nos
retculos inicos e se origina das energias potencial e cintica dos eltrons (Ucko, 1992).
A variao da energia interna (E) uma funo termodinmica que depende do
40
estado inicial e final da reao, e ocorre quando a reao absorve ou libera de calor em um
sistema com volume constante (V = constante). Se E positivo, a reao endotrmica, e
se E negativo, a reao exotrmica (Figura 2.13).
O calor liberado (E) a volume constante medido na prtica por uma bomba
calorimtrica (ou calormetro), porm como a maioria das reaes qumicas ocorrem em
sistemas abertos e presso atmosfrica constante, mais prtico medir a entalpia do
sistema.
2.8.2. Entalpia
A Entalpia (H) uma palavra de origem alem, enthalen, que significa contedo de
calor, o calor absorvido ou liberado presso constante (P = constante). Se a entalpia
negativa (H = -), a reao exotrmica e se a entalpia positiva (H = +), a reao
endotrmica (Figura 2.12).
Figura 2.12 Troca de calor entre o sistema e o meio.
A entalpia de formao (ou calor de formao, H0f) de uma substncia o calor
absorvido ou liberado para formao da substncia nas condies padres de temperatura e
presso, 25oC e 1 atm, cujo valor tabelado. Em reaes qumicas entre slidos, lquidos ou
gases, os valores de E e H so muito prximos.
2.8.3. Entropia
Entropia (S) o parmetro que mede o grau de desordem de um sistema (energia
catica, energia do caos). Quanto maior a quantidade de calor no sistema, maior a
entropia, maior a desordem do sistema. Mas, por outro lado, se a desordem j est
instalada, um aumento na temperatura no iria aumentar o caos existente, com esta forma
de pensamento, a temperatura foi considerada inversamente proporcional entropia.
Um dos enunciados da 2a Lei da Termodinmica est relacionado entropia, que diz:
Em qualquer processo espontneo,
existe sempre um aumento na entropia do universo
(Stotal > 0)
Se S positivo, a reao acompanhada de uma desordem, e se S negativo, a
41
reao desencadeia a ordenao.
2.8.4. Energia Livre
A energia livre de Gibbs (G) outra funo termodinmica de estado, definida
como:
STHG = (2.10)
A variao da energia livre depende das variaes de entalpia e entropia, na qual
indicar se a reao ir ocorrer espontaneamente ou no (Tabela 2.8).
Tabela 2.8 Espontaneidade das reaes qumicas.
H S G(-) (+) espontnea em qualquer temperatura(+) (-) no-espontnea independentemente da temperatura(+) (+) espontnea somente a altas temperaturas(-) (-) espontnea somente a baixas temperaturas
2.9. ELETROQUMICA
A eletroqumica a parte da qumica que estuda as converses de energia eltrica e
qumica. A converso de energia eltrica em energia qumica, denominada de eletrlise. E
a converso da energia qumica em energia eltrica denominada de galvanometria.
2.9.1. Eletrlise
O processo de eletrlise a converso de eltrica em energia qumica promovida
pela passagem da corrente eltrica atravs de uma soluo contida em uma clula
eletroltica (Figura 2.13). Neste processo o escoamento de eltrons forado por uma fonte
de energia externa ao sistema. A energia fornecida deve ser suficiente para promover uma
reao de oxidao e reduo no sentido inverso daquela em que se processaria
espontaneamente.
Figura 2.13 Clula eletroltica ou cuba eletroltica (Fonte: COC, 2006).
2.9.1.1. Clula Eletroltica
A clula eletroltica ou cuba eletroltica o recipiente onde ocorre a eletrlise na qual
composta pelos seguinte elementos:
eletrodos;
42
soluo eletroltica;
circuito metlico externo.
2.9.1.1.1 Eletrodos: so as superfcies slidas cujas interfaces ocorrem as reaes
qumicas de oxidao e reduo. O eletrodo no qual ocorre a
reao de oxidao7 denominado de nodo e o eletrodo onde
ocorre a reao de reduo8 denominado de ctodo.
Eletrodo Positivo ou nodo a placa positiva do nodo atrai os ons
nions do eletrlito. Os ons nions ao tocarem a placa cedem seus
eltrons, passando para o estado fundamental (Figura 2.14). Este
processo chamado de oxidao. Os eltrons por sua vez
percorrem o circuito metlico externo, fazendo com que o ons
metlicos formados pela ausncia de eltrons na placa, passem
para a soluo eletroltica na forma de ons ctions, promovendo a
corroso da placa. passagem dos ons metlicos positivos para a
soluo eletroltica, diz que a corrente eltrica est entrando no
eletrlito.
Figura 2.14 Oxidao no eletrodo positivo (nodo).
Eletrodo Negativo ou Ctodo a placa positiva atrai os ons ctions
do eletrlito. Os ons ctions ao tocarem a placa recebem os
eltrons excedentes, passando para o estado fundamental (Figura
2.15). Este processo chamado de reduo, na qual ocorre a
deposio (incrustao no eletrodo). passagem dos eltrons da
soluo eletroltica para placa, diz que a corrente eltrica est
saindo do eletrlito.
As leis de Faraday permitem o clculo da transformao de matria
que ocorre nos eletrodos.
7 Significa perder eltrons e tornar-se positivo.8 Significa ganhar eltrons e tornar-se negativo.
43
Figura 2.15 Reduo no eletrodo negativo (ctodo).
2.9.1.1.2 Eletrlito: a substncia condutora de eletricidade por meio de ons mveis, na
qual pode ser obtida por meio da fuso de um sal fundido ou
soluo.
2.9.1.1.3 - Circuito Metlico Externo: o suporte metlico, externo cuba eletroltica, que
conduz a corrente eltrica por meio dos eltrons gerados por uma
fonte corrente contnua.
2.9.1.2. Aplicaes do Processo Eletroltico
Diferentes reaes qumicas do processo eletroltico so de interesse da rea de meio
ambiente, como por exemplo, a produo de cloro empregado na desinfeco das guas; a
produo de sdio usado como transferncia de calor para a refrigerao de reatores
nucleares e nas lmpadas a vapor de sdio; a corroso; a eletrlise como tratamento
qumico alternativo de guas residurias; e muitos outros.
2.9.1.3. Produo de Cloro a Partir do Sal Fundido de NaCl
O sal de cloreto de sdio (NaCl) colocado na cuba eletroltica, onde fundido
produzindo ons Na+ e ons Cl- (BRADY e HUMISTON, 1996). Os ons ctions Na+ se movem
para o eletrodo negativo (ctodo) e os ons Cl- se movem para o eletrodo positivo (nodo),
onde ocorrem as seguintes semi-reaes em cada eletrodo:
Eletrodo positivo (nodo): 2 Cl- Cl2 + 2 e- oxidao
Eletrodo negativo (ctodo): Na+ + 1 e- Na reduo
A partir das equaes de semi-reaes pode-se obter a equao de reao global,
aps o balanceamento tem-se:
2 Cl- () Cl2 (g)+ 2 e-
2 Na+ () + 2 e- 2 Na ()2 Na+ () + 2 Cl-
() Cl2 (g) + 2 Na
()
44
Desta forma, foram-se:
no ctodo: sdio metlico lquido;
no nodo: cloro gasoso.
2.9.1.4. Produo de Cloro a Partir de Soluo Salina de NaCl
A produo de cloro a partir de soluo aquosa de NaCl bem mais complexa, pois
neste caso podem ocorrer as reaes de oxidao ou reduo da gua. Assim, as reaes
que podem ocorrer so as seguintes:
Eletrodo positivo (nodo): 2 Cl- (aq) Cl2 (g) + 2 e- oxidao
2 H2O () O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e-
Eletrodo negativo (ctodo): Na+ (aq) + 1 e- Na (s) reduo
2 H2O () + 2 e- H2 (g) + 2 OH- (aq)
Somente uma anlise qualitativa ir revelar quais os elementos qumicos formados
nos eletrodos, uma vez que existem duas reaes competindo em cada eletrodo. Assim, a
reao global :
2 Cl- (aq) Cl2 (g) + 2 e-
2 H2O () + 2 e H2 (g) + 2 OH- (aq)2 Cl- (aq) + H2 (g) + 2 OH- (aq) Cl2 (g) + H2 (g) + 2 OH- (aq)
Desta forma, foram-se:
no ctodo hidrognio gasoso;
no nodo - cloro gasoso.
2.9.2. Galvanometria
O processo de galvanometria a converso qumica em energia eltrica promovida
pelas transformaes qumicas desenvolvidas em uma pilha galvnica. As reaes de
oxidao e reduo ocorrem espontaneamente.
2.9.2.1. Clula Galvnica
O processo de funcionamento de uma clula galvnica ou voltaica muito parecido
com a de uma clula eletroltica. Na clula eletroltica, a corrente eltrica inserida no
sistema (um sistema externo fornece energia), enquanto que na clula galvnica, a energia
eltrica gerada no sistema (a clula fornece energia para um sistema externo), como
ilustrado na Figura 2.16.
45
Fonte: UFPa, 2006.Figura 2.16 Clula galvnica ou pilha galvnica.
Cada compartimento da Figura 2.16, recebe o nome de meia-pilha, e quando eles
so conectados adequadamente, o zinco sofre oxidao espontaneamente, perdendo seus
eltrons e produzindo ons ctions Zn2+. Estes ons migram para soluo, promovendo a
dissoluo do zinco, ocasionando, por conseguinte, a corroso na placa de zinco. A interface
da placa do eletrodo que ficou carregada positivamente, atrai os nions SO42- da soluo de
sulfato de zinco. A soluo, por sua vez, vai aumentando a concentrao de partculas
positivas. Estas atraem os ons cloretos da ponte salina (RUSSELL, 1994).
Os eltrons perdidos pelo zinco caminham pelo fio do circuito externo at o eletrodo
de cobre, tornando a placa do eletrodo carregada negativamente. Os ons Cu2+ contidos na
soluo de sulfato de cobre so reduzidos, produzindo o cobre metlico, que se deposita no
eletrodo de cobre. A concentrao de ons ctions na placa de cobre afasta os ons SO42-,
tornando a soluo de sulfato de cobre carregada negativamente, atraindo os ons K+
contidos na ponte sal
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