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chamadas de prótons.
Em 1932, Chadwick isolou o nêutron, cuja
existência já era prevista por Rutherford.
Portanto, o modelo atômico clássico é constituído de um núcleo, onde se encontram os
prótons e nêutrons, e de uma eletrosfera, onde
estão os elétrons orbitando em torno do núcleo.
Disciplina:
Química I
Unidade IV e V
-
Modelo atômico clássico
Professor: Marcelino Vieira Lopes, Me.Eng.
http://profmarcelino.webnode.com/blog/
10
PV2D-06-QUI-11
N um átomo n
total é zero, o núm
número de elétro
nesse caso, pode
número atômico.
Exempl o
O átomo de m
atômico 12 (Z = 12
Significado: no
existem 12 próton
existem 12 próton
Ca
Química I
• Estrutura do átomo: Matéria
e Energia.
• Ligações Químicas.
• Soluções Químicas.
• Reações Químicas.
• Laboratório Químico.
• Química Orgânica.
• Termoquímica.
• Eletroquímica.
• Equilíbrio Químico.
• As Indústrias Químicas.
Química I
• Ementa:
2
Programa (Plano de Ensino)
1.1 MATÉRIA E ENERGIA;
1.2 Constituição elementar da matéria;
1.3 Átomos e elementos químicos;
1.4 Átomos e íons;
1.5 Tabela Periódica;
1.6 Distribuição eletrônica.
Química I
UNIDADE 1 – ESTRUTURA DO ÁTOMO
UNIDADE 2 – LIGAÇÕES QUÍMICAS
2.1 Ligações Iônicas: a formação das ligações iônicas;
2.2 Ligações Covalentes: covalentes normal e coordenada;
2.3 Ligação Metálica: estrutura dos sólidos metálicos.
3
Programa
UNIDADE 3– REAÇÕES QUÍMICAS
3.1.Reações químicas
3.1.1 Balanceamentos das reações químicas por método:
- das tentativas e
- oxi-redução;
3.1.2 Cálculos estequiométricos nas reações químicas.
3.2.1 – Objetivos;
3.2.2 – Alguns aspetos de segurança no Laboratório.
UNIDADE 4 – TERMOQUÍMICA
4.1 A Primeira Lei da Termodinâmica;
4.2 Calor, Entalpia e Calorimetria;
4.3 Equações Termoquímicas.
Química I
3.2 – LABORATÓRIO QUÍMICO
4
UNIDADE 5 – ELETROQUÍMICA
5.1 Introdução a pilha de Daniel
5.2 Células galvânicas,
5.3 Potenciais de Eletrodo;
5.4 Células Eletrolíticas;
5.5 Eletroquímica Industrial
5.6 Corrosão e Técnicas Anticorrosivas com base na
eletroquímica
UNIDADE 6 – EQULÍBRIO QUÍMICO
6.1 Equilíbrios Químicos Homogêneos;
6.2 Lei do Equilíbrio Químico, Princípios de Le Chatelier;
6.3 Cálculos de Equilíbrio.
Química I
Programa
5
UNIDADE 7 – AS INDÚSTRIAS QUÍMICAS
7.1 Origem, histórico e desenvolvimento de processos químicos;
7.2 Matérias Primas;
7.3 Tecnologias Orgânicas, Inorgânicas;
7.4 Contaminações Industriais e o Meio Ambiente;
7.5 Tratamento de Efluentes.
Química I
Programa
6
FELTRE, Ricardo. Fundamentos da química. 2 ed. São Paulo:
Moderna, 1996.
TITO, Francisco M. P.; CANTO, Eduardo L. Química na
abordagem do cotidiano. Volume 1. 4 ed. São Paulo: Moderna,
2006.
HARTMANN, Selmo L. Química. 1 ed. Niterói, RJ:
EAD/UNIVERSO, 2013.
Química I
Bibliografia
7
Química I
UNIDADE 4 – TERMOQUÍMICA
8
Termoquímica
1ª Lei da Termodinâmica
Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia
aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um
sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.
Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:
Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou
transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações
simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar
um trabalho W e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando
matematicamente:
Química I
Q = W + DU
Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).
Calor
Trabalho
Energia Interna
Q / W / DU
Recebe
Realiza
Aumenta
>0
Cede
Recebe
Diminui
<0
Não recebe /
nem fornece
Não realiza
Não muda
=0
9
Exercício
Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um
trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema
antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o
recebimento?
DU = Uf – Ui
Química I
Q = W + DU
50 = 12 + Uf – 100
Uf = 138 J
10
Termoquímica
CALORIA é a quantidade de energia necessária para
aumentar de 1ºC a temperatura de 1 g de água.
1 cal = 4,18 J
1 kcal = 1000 cal
1 kJ = 1000 J
Química I
JOULE é a quantidade de energia necessária para
deslocar uma massa de 1kg, inicialmente em repouso,
fazendo percurso de 1 metro em 1 segundo.
11
Termoquímica
 A Termoquímica tem como objetivo o estudo das variações de energia que
acompanham as reações químicas.
Química I
 A origem da energia envolvida numa reação química decorre,
basicamente, de um novo arranjo para as ligações químicas.
 O conteúdo de energia armazenado, principalmente na forma de
ligações é chamado de ENTALPIA (enthalpein, do grego = calor) e
simbolizado por H (heat ).
12
Termoquímica
Termoquímica estuda a liberação ou absorção de calor em reações
químicas ou em transformações de substâncias como dissolução,
mudanças de estado físico,...
As transformações termoquímicas podem ser:
Transformações exotérmicas: liberam energia.
Química I
Transformações endotérmicas: absorvem energia.
13
Termoquímica
EFEITOS ENERGETICOS NAS REACÕES QUÍMICAS
Na fotossíntese ocorre absorção de calor

LUZ
C6H12O6 + 6O2
CLOROFILA
GLICOSE
Na combustão do etanol ocorre liberação de calor
C2H5OH + 3O2

Química I
6CO 2 + 6H2O
2CO2 + 3H2O
ETANOL
14
Termoquímica
Classificação das reações
Quando envolve absorção de calor, denomina-se
• REAÇÃO ENDOTÉRMICA
Exemplo: fotossíntese, cozimento dos alimentos.
Química I
Quando envolve liberação de calor, denomina-se
• REAÇÃO EXOTÉRMICA
Exemplo: processos de combustão, respiração e etc.
15
Termoquímica
HP
 ENTALPIA PRODUTO
HR
 ENTALPIA REAGENTE
DH
 VARIAÇÃO DE ENTALPIA
Química I
Atenção:
16
Termoquímica
CALOR DE REAÇÃO (∆H)
Reação Exotérmica
Reação Endotérmica
O calor liberado é igual a:
O calor absorvido é igual a:
∆H = H Produtos – H Reagentes
H Produtos < H Reagentes
∆H < 0
∆H = H Produtos – H Reagentes
Química I
∆H = H Produtos – H Reagentes
H Produtos >H Reagentes
∆H > 0
17
Termoquímica
REAÇÃO EXOTÉRMICA
+

B
C
+
D
+
HR > HP
HR
CALOR LIBERADO
∆H
Química I
A
HP
18
CAMINHO DA REAÇÃO
Termoquímica
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
+
B +

C
+
D
Hp > Hr
CALOR ABSORVIDO
HP
∆H
Química I
A
HR
19
CAMINHO DA REAÇÃO
Termoquímica
REAÇÃO EXOTÉRMICA
DH= – 20,2 kcal
2 C (s) + 3 H 2(g)  C 2H 6(g)
+ 20,2 kcal
Química I
2 C (s) + 3 H 2(g)  C 2H 6(g)
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
Fe 3O 4(s)  3Fe
(s)
+ 2 O 2(g)
D H= + 267,0 kcal
Fe 3O 4(s)  3Fe
(s)
+ 2 O 2(g)
- 267,0 kcal
20
Termoquímica
COMO PODE SER MEDIDO O CALOR DE REAÇÃO ?
Para reações em meio aquoso (ex .: neutralizações) utiliza - se
um calorímetro, que nada mais é do que uma garrafa térmica
(figura 1). Para reações de combustão utiliza-se uma bomba
calorimétrica (figura 2).
Fig. 1
Química I
Nos dois casos o
calor é transferido
para uma massa
de água e obtido a
partir da expressão
Q = m . c . ∆T
Fig. 2
21
Termoquímica
Então, o ∆H pode ser medido:
2. Algebricamente (Cálculo de ∆H) – LEI DE HESS
Química I
1. Experimentalmente : Calorímetros
Bombas Calorimétricas
22
Termoquímica
EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA
É a representação de uma reação química em que está
especificado:
1. Equação química ajustada
3. Variedade alotrópica (quando existir).
Química I
2. O estado físico de todas as substâncias.
4. Indicação da entalpia molar , isto é, por mol de produto
formado ou reagente consumido.
5. Indicação das condições de pressão e temperatura em que
foi medido o ∆H.
23
Termoquímica
∆H°
Entalpia padrão: medida à 25°C e 1 atm.
Obs.: Para outras condições (principalmente de
temperatura) a entalpia varia bastante – Calcular com a
Equação de Kirchhoff.
Química I
Exemplo: ∆H° = - 342,8 kJ/mol
Condição padrão: 25°C e 1 atm
24
Termoquímica
Formas alotrópicas estáveis
Formas alotrópicas menos estáveis
O2 (oxigênio)
O3 (ozônio)
C (grafite)
C (diamante)
P4 (Fósforo branco)
P4 (Fósforo vermelho)
S8 (Rômbico)
S8 (Monoclínico)
Exemplo:
C (grafite) + O2
CO2
∆H = - 94,05 kcal / mol
C (diamante) + O2
CO2
∆H = - 94,55 kcal / mol
Química I
ALOTROPIA: só ocorre com substâncias simples.
25
CARBONO GRAFITE
CARBONO DIAMANTE
ENXEFRE RÔMBICO
ENXOFRE MONOCLÍNICO
Química I
Termoquímica
26
O2
FÓSFORO VERMELHO
O3(OZÔNIO)
Química I
Termoquímica
FÓSFORO BRANCO
27
Termoquímica
FATORES QUE INFLUEM NO VALOR DA ENTALPIA
Química I
1. O estado físico
28
Termoquímica
2. Estado alotrópico dos reagentes e produtos (lembre-se:
Alotropia ocorre quando um mesmo elemento químico forma
diferentes substâncias simples).
Principais variedades alotrópicas :
Carbono grafite (C6) = mais estável, menor entalpia.
Carbono diamante (C6) = mais reativo, maior entalpia.
Química I
Gás oxigênio (O2) = mais estável, menor entalpia.
Gás ozônio (O3) = mais reativo, maior entalpia.
Fósforo vermelho (Pn) = mais estável, menor entalpia.
Fósforo branco (P4) = mais reativo, maior entalpia.
Enxofre rômbico (S8) = mais estável, menor entalpia.
Enxofre monoclínico (S8) = mais reativo, maior entalpia.
29
Termoquímica
Química I
A variedade alotrópica mais reativa sempre estará num patamar de energia
mais alto, no diagrama de entalpia:
30
Termoquímica
4. Quantidades de reagentes e produtos: o valor do
∆H é determinado pelas quantidades dos reagentes.
Química I
3. Temperatura: as determinações de ∆H devem ser
feitas a temperatura constante, pois ela influi no seu
valor. Geralmente as transformações são feitas em
condições-padrão, a 25ºC.
31
Termoquímica
Equação termoquímica: nela devem constar o valor da entalpia e
todos os fatores que nela influem no seu valor:
 estado físico
Pressão
Temperatura
Química I
variedade alotrópica
Ex:
Cgrafite + O2 (g) → CO2 (g)
∆H = - 392,9 kJ/mol
(a 25ºC e 1 atm)
32
Termoquímica
Casos particulares de entalpias
•
Entalpia de formação corresponde à variação de entalpia
envolvida na formação de um mol de substância, a partir de
substâncias simples, no estado padrão.
Cgrafite + 2 H2 (g) → CH4 (g)
∆H = - 74,8 kJ/mol
Química I
Ex. da reação da síntese (formação) e da variação de entalpia, para
um mol de metano:
Para se determinar a variação de entalpia de uma reação, a partir das
entalpias de formação, usa-se a relação:
∆H = Hprodutos - Hreagentes
34
Termoquímica
• Entalpia de combustão é a variação de entalpia liberada
na combustão de um mol de substância, estando todos os
participantes no estado padrão.
CH4 (g) + O2 (g)→ CO2 (g) + 2 H2O (l)
∆H = - 212,8 kcal/mol
Química I
Ex. da reação de combustão de um mol de metano:
35
Termoquímica
Entalpia de ligação é a energia absorvida no rompimento de um mol de
ligações entre dois átomos, supondo-se todas as substâncias no estado
gasoso, a 25ºC e 1 atm. Sendo que:
Quebra de ligação: absorção de calor.
Formação de ligação: liberação de calor.
A variação de entalpia de uma reação, a partir das entalpias de ligação, é
definida como:
Química I
Ex:
∆H = Hlig. rompidas + Hlig. formadas
É interessante notar que podemos analisar vários tipos de entalpias, de acordo com a36
transformação estudada: entalpia de dissolução, entalpia de neutralização, entalpia de
síntese,...
Termoquímica
Química I
Exercícios
39
Termoquímica
1. Observe o gráfico e responda qual a variação de entalpia (∆H)?
∆H = 10 – 22
∆H = - 12
Química I
∆H = Hp - Hr
40
Termoquímica
2. Observe o gráfico e responda qual a energia de ativação?
Química I
18
41
Termoquímica
3. Qual é a energia do complexo ativado?
Química I
40
42
Termoquímica
4. Observe o gráfico e classifique-o em exotérmico ou endotérmico.
Química I
Exotérmico
43
Termoquímica
Química I
5. Indique os números que representam a variação de
entalpia e a energia de ativação da reação direta.
Reação direta é a reação da esquerda para a direita. Dessa forma, A é o
44
reagente e B é o produto. A energia de ativação da reação direta é o 2 e variação
de entalpia, o 4.
Termoquímica
a. a entalpia decresce.
b. ∆ H tem sinal negativo.
c. a entalpia dos produtos é maior que a entalpia dos
reagentes.
d. o calor é absorvido pelo meio ambiente.
Química I
9. (UnB) para uma reação exotérmica, indique quais são
as informações corretas:
a, b, d
45
Química I
UNIDADE 5 – ELETROQUÍMICA
46
• O que é eletroquímica?
È o estudo das reações químicas que produzem corrente elétrica ou são
produzidas pela corrente elétrica.
• Oxidação: è a perda de elétrons
• Redução: è o ganho de elétrons
• Reação de Oxirredução: è quando há transferência de elétrons
• Número de Oxidação (Nox.): è a própria carga elétrica do íon, ou seja,
o número de elétrons que o átomo perdeu ou ganhou.
Química I
ELETROQUÍMICA
47
Química I
A pilha de Daniell
48
A pilha de Daniell
Esta pilha baseia-se na seguinte reação:
Zn + CuSO4
Cu + ZnSO4
ou, na forma iônica
+
Cu2+
Cu +
Zn2+
ELÉTRONS
DANIELL percebeu que estes elétrons poderiam ser
Química I
**
Zn
transferidos do Zn para os íons Cu2+
por um fio condutor externo e, este movimento produziria uma
Corrente elétrica
49
Química I
A pilha de Daniell: Montagem e
funcionamento
50
A pilha de Daniell: Montagem e funcionamento
ELÉTRONS
PONTE SALINA
CÁTIONS
Química I
ÂNIONS
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Cu2+
Cu2+
Cu2+
51
Cu2+
Nas soluções
teremos
aa
passagem
dos
em
excesso, de
À eletrodo
medida
que
reação
vai íons,
ocorrendo
O
de
zinco
vai se desgastando
com
eletrodo
de CuSO
cobre
terá
sua
massa
aumentada
A solução
AO
solução
de ZnSO
de
4 vai
4 vai
ficando
ficando
mais
mais
concentrada
diluída
o
passar
do
tempo
um
lado
para
o
outro
através
da
ponte
salina
poderemos fazer as seguintes observações
ELÉTRONS
PONTE SALINA
CÁTIONS
Química I
ÂNIONS
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Cu2+
Cu2+
Cu2+
52
Cu2+
Pilha de Daniel
Neste processo teremos, simultaneamente, a ocorrência das seguintes reações:
Zn2+ + 2 e – (semi-reação de oxidação)
Cu2+ +
Zn
2e
+ Cu2+
–
Cu (semi-reação de redução)
Zn2+ + Cu (reação global)
Química I
Zn
53
Pilha de Daniell
• Veja que devem ser indicados os metais que formam os eletrodos, as soluções
com as respectivas concentrações e a temperatura de funcionamento da pilha.
Química I
• Convencionou-se representar a pilha de Daniell (e todas as demais pilhas),
esquematicamente, da seguinte maneira:
54
EXERCÍCIO
Co2+
Au3+
a) Quem sofre oxidação?
Co
b) Quem sofre redução?
Au3+
Au
c) Qual o eletrodo positivo ou cátodo?
Au
d) Qual o eletrodo negativo ou ânodo?
Co
e) Que eletrodo será gasto?
Química I
Co
Co
f) Qual dos eletrodos terá a sua massa aumentada? Au
55
• Quanto maior a quantidade de água, e
maior for a altura da queda, maior será a
energia liberada.
• A quantidade de elétrons através do
circuito elétrico externo depende dos
materiais que formam a pilha.
• Quantidade de água que cai corresponde
a quantidade de eletricidade que passa por
um fio.
• A altura da queda-d’água corresponde a
diferença de potencial (ddp) ou força
eletromotriz (fem) da pilha.
Química I
A FORÇA ELETROMOTRIZ (fem) DAS PILHAS
56
A FORÇA ELETROMOTRIZ (fem) DAS PILHAS
• A natureza dos metais formadores da pilha:
O anodo ‘empurra’ elétrons para o circuito externo. Enquanto o catodo ‘puxa’
elétrons do circuito externo. A fem da pilha Zn/Cu é maior que a fem da pilha Cu/Ag
• As concentrações das soluções empregadas
Zn0(s) + CuSO4 (aq)
ZnSO4 (aq) + Cu0 (s)
A concentração Padrão de qualquer meia-célula é de 1 mol/L
Temperatura padrão de qualquer meia-célula é de 25°C
Química I
• A temperatura da pilha
57
Eletrodo Padrão de hidrogênio
A reação desse eletrodo é:
H2 (g) + 2e2H+ (aq)
Química I
• Para medir o potencial absoluto de um eletrodo metálico, foi necessário
adotar um eletrodo padrão. O eletrodo escolhido foi denominado de
eletrodo padrão de hidrogênio.
• Usa-se uma placa de platina esponjosa, que tem a propriedade de reter
o gás hidrogênio, desse modo, forma-se uma película de H2 sobre a
platina;
Potencial do eletrodo (E0 ) é igual a
Zero.
Todos os metais serão confrontados
com esse eletrodo padrão.
58
Eletrodo Padrão de hidrogênio
Química I
Para o Zinco, temos o valor no voltímetro de 0,76 V,
que é denominado potencial de oxirredução do
Zinco, indicado por E0
• O zinco está funcionando como polo negativo (anodo) e o hidrogênio como polo positivo
(catodo)
• O Hidrogênio tanto pode ceder elétrons como receber elétrons
59
60
Química I
CALCULO DA FORÇA ELETROMOTRIZ (FEM) DAS PILHAS
• A fem (ΔE0) de uma pilha, em condições-padrão é a diferença entre o E0
do oxidante (catodo) e o E0 do redutor (anodo). Matematicamente,
temos: ΔE0 = E0Oxidante - E0Redutor
Química I
• Exemplo: Cálculo da fem da pilha de Daniell em condições-padrão
61
CALCULO DA FORÇA ELETROMOTRIZ (FEM) DAS PILHAS
Exercício
Em uma pilha Ni0 |Ni2+ || Ag+ | Ag0 , os metais estão mergulhados em
soluções aquosas 1,0 M de seus respectivos sulfatos, a 25°C.
determine:
a) A equação global da pilha
b) O sentido do fluxo de elétrons;
C) O valor da força eletromotriz (fem) da pilha.
Química I
• Exemplo 2 : Cálculo da fem da pilha Al0| Al3+|| Fe2+| Fe0 em condições
padrão.
Reação: 2Al0 + 3Fe2+
2Al3+ + 3Fe0
62
ESPONTANEIDADE DAS REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO
• ΔE0 Positivo: Reação espontânea;
• ΔE0 Negativo: Reação não espontânea;
• Todo elemento ou substância que está mais acima na tabela age como
redutor dos que estão mais abaixo e portanto sofre oxidação.
• Exemplo:
Zn0 + Fe2+
Zn2+ + Fe0
Oxidante
Oxidação
Redução
• Um metal (redutor) pode reduzir o cátion de um metal que está mais
abaixo na tabela dos potenciais-padrões. Com os não metal (Oxidantes)
ocorre o contrario – um não-metal mais abaixo é que vai oxidar outro
não-metal que está localizado mais acima na tabela.
• Todo metal acima do hidrogênio na tabela consegue desloca-lo de um
ácido.
Química I
redutor
63
EXERCÍCIO
1. È possível a reação Zn + FeCl2
do FeCl2?
ZnCl2 + Fe, em que o Zn desloca o Fe
Química I
2. Analise a reação e diga se o Zn pode deslocar um cátion do H2SO4
Zn + H2SO4
ZnSO4 + H2
64
•
•
•
•
•
•
•
Bateria de automóvel:
Pilha de Leclanché:
Pilhas Alcalinas:
Pilha de mercúrio
Pilha de níquel-cádimo:
Pilha de Lítio-Iodo
Pilha ou célula de combustível
Química I
Tipos de pilhas
65
Corrosão dos metais
• Calcula-se que 20% do ferro produzido é para repor o ferro que foi
enferrujado.
• Apesar da estreita relação com os metais, esse fenômeno ocorre em
outros materiais,
como concreto e polímeros orgânicos, entre outros.
Química I
Química I
• Corrosão é a destruição ou deterioração de um material devido à reação química ou
eletroquímica com seu meio
66
66
Corrosão dos metais
Na formação da Ferrugem:
•Presença de ar e umidade;
•Presença de substâncias ácidas;
•Ambiente salino
•Aço inoxidável;
•Platina; Titânio.
Metais diferentes em contato, forma-se uma pilha.
Química I
Resistência a corrosão:
67
Corrosão dos metais
Apassivação do alumínio;
Azinhavre;
Pintura a base de Zarcão contra a corrosão;
Galvanização
Metal de sacrifício.
Química I
•
•
•
•
•
68
EXERCÍCIO
Química I
• Uma fita de um determinado metal (que pode ser cobre, zinco, chumbo
ou alumínio) foi enrolada em torno de um prego de ferro, e ambos
mergulhados numa solução de água salgada. Observou-se, após algum
tempo, que o prego de ferro foi bastante corroído. Dados os potenciaispadrão de redução
Conclui-se que o metal da fita deve ser qual?
a)Cu ou Pb
c) Al ou Cu
b)Al ou Pb
d) Zn ou Al
e) Zn ou Pb
69