RUMO PRÉ VESTIBULAR Aula 1 – Matéria A Química é o estudo da matéria: sua composição, estrutura, propriedades, as transformações pelas quais ela passa durante as reações químicas e sua relação com a energia. Didaticamente, a Química costuma ser separada em quatro áreas: Química Inorgânica (que estuda os compostos inorgânicos e organometálicos), Química Orgânica (que estuda os compostos derivados do carbono), Química Analítica (que estuda a composição química de amostras diversas) e a Físico-Química (que estuda as propriedades da matéria). Apesar da separação, as disciplinas interagem entre si amplamente. Por exemplo, pode-se fazer a análise da estrutura de um composto orgânico (mesclando as Químicas Orgânica e Analítica) ou estudar as propriedades de um composto inorgânico (misturando a Química Inorgânica e a Físico-Química). O estudo da Química começa com as propriedades e conceitos básicos da matéria. Estado Físicos As substâncias podem ser encontradas em 3 estados físicos ou fases: sólido (com menor energia), líquido ou gasoso (com maior energia). O estado físico é determinado pela pressão, temperatura e estrutura da substância. o Estado sólido No estado sólido a substância tem volume e forma definidos. Os átomos ou moléculas da substância na fase sólida têm pouca liberdade de movimento (estão mais “rígidos”, o que faz com que a forma seja definida). Os sólidos são chamados de cristalinos quando o arranjo dos QUÍMICA BÁSICA átomos ou moléculas segue um padrão; caso contrário, são chamados de amorfos. Sólido cristalino o Sólido amorfo Estado líquido No estado líquido a substancia tem volume definido, mas forma variável. Existe uma liberdade maior de movimento entre os átomos ou moléculas, permitindo a variação da forma. Líquido o Estado gasoso No estado gasoso as moléculas ou átomos da substância estão livres. Tanto a forma quanto o volume são variáveis e dependem do recipiente onde o gás está confinado. Uma substância no estado gasoso sempre ocupa todo o volume do recipiente que o contém. Gás 1 RUMO PRÉ VESTIBULAR o QUÍMICA BÁSICA Mudanças de estado As mudanças de estado acontecem quando existem mudanças na temperatura ou na pressão da substância. é. Do mesmo modo, as misturas são chamadas “eutéticas” se o ponto de fusão é constante, mas o de ebulição não é. As misturas podem ser classificadas em homogêneas ou heterogêneas. As misturas homogêneas são aquelas que só possuem uma fase. Exemplos.: H2O + álcool; H2O + O2 (dissolvido); H2O + NaCl (dissolvdo); qualquer mistura de gases. As misturas heterogêneas são aquelas que apresentam mais de uma fase. Exemplos: H2O + azeite; água + areia, álcool + gelo. Mudanças de fase: 1) sublimação; 2) fusão; 3) vaporização; 4) solidificação; 5) liquefação Classificação da matéria o Substância pura Substâncias puras são aquelas formadas por apenas por moléculas da mesma substância (por exemplo, somente moléculas de água ou sommente moléculas de oxigênio). Têm pontos de fusão e de ebulição constantes. As substâncias puras podem ser simples (de apenas um único elemento, como o O2) ou compostas (de mais de um elemento, como a H2O). o Misturas Como o nome sugere, as misturas são sistemas compostos de mais de uma substância pura. Cada substância pura de uma mistura é chamada de componente. As misturas possuem composição, ponto de fusão e ponto de ebulição variáveis. São chamadas “azeotrópicas” quando o ponto de ebulição é constante, mas o de fusão não Sistemas Sistema é a parte do universo que nós escolhemos para estudar. O sistema tem duas regiões importantes, a fronteira e a vizinhança. A fronteira é a área em que o sistema está delimitado, enquanto a vizinhança é a região exterior à fronteira. o Sistema aberto O sistema aberto é aquele que pode trocar energia (calor) e matéria com a vizinhança. Exemplos: um copo de água; o corpo humano, uma sala de aula. 2 RUMO PRÉ VESTIBULAR QUÍMICA BÁSICA Sistema isolado: nem a matéria (azul) nem energia (vermelho) podem entrar ou sair do sistema. Sistema aberto: tanto a matéria (azul) quanto a energia (vermelho) podem entrar e sair do sistema. o Sistema fechado O sistema fechado é aquele que não permite a troca de matéria com a vizinhança, mas ainda permite que a energia entre ou saia. Exemplos: uma garrafa fechada; uma bolsa de gelo. Transformações da matéria o Fenômenos físicos Nos fenômenos físicos, a composição da matéria não muda. Estes processos podem ser reversíveis (como o derretimento de um pedaço de gelo) ou irreversíveis (como rasgar um pedaço de papel) o Sistema fechado: a energia (vermelho) pode entrar e sair do sistema, mas a matéria, não. o Sistema isolado O sistema isolado não permite a troca nem de energia nem de matéria com a vizinhança. O sistema isolado perfeito só existe na teoria, embora algumas situações práticas se aproximem bastante do ideal. Exemplo: garrafa térmica. Fenômenos químicos Processos químicos são aqueles em que a composição da matéria se modifica, isto é, são aqueles em que ocorre reação química. Exemplos: a queima de um palito de fósforo; a transformação do açúcar em caramelo; a neutralização de um ácido. Separação de misturas Os componentes dos sistemas heterogêneos geralmente são mais fáceis de serem separados do que aqueles de sistemas homogêneos. Os métodos mais comuns de separação de misturas são os seguintes: o Mistura heterogênea Decantação: usada para separar líquidos imiscíveis (que não se 3 RUMO PRÉ VESTIBULAR misturam) ou um sólido precipitado em líquido. a) b) a) Separação de óleo (cima) e água (baixo). b) Separação de areia (grãos) e água. Filtração: como o nome sugere, consiste em filtrar um sólido de um líquido. Centrifugação: semelhante à decantação, mas utiliza a força centrífuga para acelerar o processo. Tamisação: também conhecido como peneiramento, consiste em separar sólidos com uma peneira. Separação magnética: utiliza-se de um ímã para separar sólidos magnéticos de não-magnéticos. o Mistura homogênea Destilação simples: separa dois líquidos com pontos de ebulição diferentes ou um sólido dissolvido em um líquido através da evaporação (ebulição) do líquido mais volátil, podendo haver uma condensação posterior do líquido evaporado. Destilação fracionada: separa vários líquidos com diferentes pontos de ebulição através da evaporação e condensação a diferentes temperaturas. QUÍMICA BÁSICA com a adição de água, basta que ela determine, com exatidão, I. a densidade II. o volume III. a temperatura de ebulição IV. a massa Dessas afirmações, são corretas SOMENTE a. I e II b. I e III c. I e IV d. II e III e. III e IV 2) (UFPR) Numa proveta de 100 mL, foram colocados 25 mL de CCl4, 25 mL de agua destilada e 25 mL de tolueno (C7H8). A seguir, foi adicionada uma pequena quantidade de iodo solido (I2) ao sistema. O aspecto final pode ser visto na figura a seguir: Pode-se dizer que o número de fases, o número de componentes e o número de elementos químicos presentes no sistema esquematizado é de: a. 3, 4 e 6. b. 1, 3 e 5. c. 1, 5 e 6. d. 3, 4 e 5. e. 2, 3 e 5. Exercícios 1) Uma pessoa comprou um frasco de álcool anidro. Para se certificar de que o conteúdo do frasco não foi fraudado 3) O soro hospitalar é formado por uma solução aquosa de cloreto de sódio e glicose. Esse sistema apresenta: a. uma fase e um componente. 4 RUMO PRÉ VESTIBULAR b. c. d. e. três fases e um componente. uma fase e dois componentes. três fases e três componentes. uma fase e três componentes. 4) Um joalheiro possui uma barra metálica constituída de uma liga ouro-cobre. Desejando separar e quantificar os dois metais, solicitou a um químico que realizasse os procedimentos necessários. Para a separação e quantificação de cada um dos metais desta barra, utilizando os reagentes em quantidades estequiométricas, foram realizados os seguintes procedimentos: Dados: Massas molares (g/mol): H=1; N=14; O=16; Cu=64; Zn=65; Au=197 Com base nas etapas 1, 2, 3 e 4, considere as afirmativas a seguir. I. O procedimento utilizado na etapa 1 é denominado dissolução fracionada. II. O sólido X recuperado na etapa 2 possui massa molar 64 g/mol. III. As soluções A e B, das etapas 2 e 4, após a filtração, são misturas homogêneas. IV. O Zn em pó, da etapa 3, está atuando como um agente oxidante. Estão corretas apenas as afirmativas: a. I e II. b. I e III. c. III e IV. d. I, II e IV. e. II, III e IV. QUÍMICA BÁSICA 5) (ITA) Assinale a opção que contém a afirmação ERRADA relativa à curva de resfriamento apresentada a seguir. a. A curva pode representar o resfriamento de uma mistura eutética. b. A curva pode representar o resfriamento de uma substância sólida, que apresenta uma única forma cristalina. c. A curva pode representar o resfriamento de uma mistura azeotrópica. d. A curva pode representar o resfriamento de um líquido constituído por uma substância pura. e. A curva pode representar o resfriamento de uma mistura líquida de duas substâncias que são completamente miscíveis no estado sólido. 5 RUMO PRÉ VESTIBULAR Aula 2 – O átomo Na antiguidade clássica acreditava-se que a matéria poderia ser dividida em pedaços cada vez menores até um certo limite, que de tão pequeno seria invisível. Esse pequeno pedaço da matéria foi chamado de átomo (que, em grego, significa indivisível). QUÍMICA BÁSICA elétrons estão organizados em orbitais específicos, cada um com uma determinada distância do núcleo. Cada orbital está associado a uma quantidade de energia, e para saltar de um orbital para outro o elétron precisaria ganhar ou perder uma quantidade certa de energia. Em 1808, o professor John Dalton propôs o modelo da bola de bilhar. Segundo este modelo, os átomos seriam esferas maciças, indestrutíveis, indivisíveis e sem carga. Todos os átomos de um mesmo elemento seriam idênticos, e átomos de elementos diferentes poderiam se combinar para formar as diferentes espécies químicas. Em 1897, o físico J. J. Thomson descobriu que os átomos não são estruturas maciças sem carga, mas que possuíam partículas carregadas menores do que o átomo de hidrogênio. Ele acreditava que estas partículas negativas estavam distribuídas em uma esfera positiva. Por isto, o modelo proposto por Thomson ficou conhecido como pudim de passas. 14 anos mais tarde, o barão Ernest Rutherford, durante seus experimentos com radioatividade, percebeu que o raio do átomo era muito maior do que o seu núcleo, que parecia possuir carga positiva. Assim, Rutherford concluiu que o núcleo possuía partículas positivas (prótons) e que as partículas negativas (elétrons) estariam orbitando em volta do núcleo como os planetas orbitam em volta do sol. Apesar de bastante avançado, o modelo de Rutherford possuía alguns defeitos. Se o núcleo é positivo e os elétrons, negativos, como eles não acabam se atraindo um ao outro? A resposta, como foi descoberta pelo físico dinamarquês Niels Bohr, é que os a) b) c) d) Modelos atômicos. No centro, as partículas positivas e ao redor, as negativas. a) Bola de bilhar; b) pudim de passas; c) modelo planetário; d) modelo de camadas. Partículas sub-atômicas Sabe-se atualmente que os átomos são compostos de 3 tipos de partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons. o o Prótons (p+) Os prótons são partículas localizadas no núcleo. Elas possuem massa de aproximadamente 1 u (u = unidade de massa atômica ≈ 1,66 x 10-27 kg) e têm carga elétrica positiva. Nêutrons (n0) Também se encontram no núcleo, possuem massa ≈ 1 u, mas é ligeiramente mais pesado do que o próton (mas essa diferença é desprezível). Como 6 RUMO PRÉ VESTIBULAR o o nome sugere, o nêutron não tem carga elétrica, ou seja, é eletricamente neutro. Elétrons (e-) Os elétrons são as partículas que estão ao redor do núcleo em órbitas definidas, localizadas na eletrosfera. Eles têm massa desprezível (aproximadamente 1/1836 vezes a massa do próton) e possuem carga elétrica negativa. Número atômico e número de massa Cada elemento está representado por um número atômico (Z) exclusivo. Não existem dois elementos com o mesmo número atômico, assim como não pode haver 2 átomos do mesmo elemento com números atômicos diferentes. O número atômico é definido como sendo o número de prótons do elemento. O átomo de ouro sempre possui 79 prótons, então o número atômico do ouro é 79. O número de massa (A) é a soma do número de prótons com o número de nêutrons. Ao contrário do número atômico, o número de massa não é fixo. Isto acontece porque o número de nêutrons não precisa ser sempre o mesmo para cada elemento. Exemplo: o número atômico do carbono é 6. A maior parte dos átomos de carbono do mundo tem 6 nêutrons, então seu número de massa é 12. Porém, cerca de 1% dos átomos de carbono possuem 7 nêutrons, e portanto seu número de massa é 13. QUÍMICA BÁSICA Representação de um elemento. E: símbolo do elemento. A: número de massa. Z: número atômico. Isótopos, isóbaros, isótonos o Isótopos Isótopos são átomos do mesmo elemento (isto é, com o mesmo Z) que possuem números de massa diferentes. Ou seja, eles possuem A diferentes, mas todos têm o mesmo número de prótons (isótopos). Exemplo: 12 13 6C e 6C. o Isóbaros Isóbaros são átomos de elementos diferentes (isto é, com número de prótons diferentes) que possuem número de massa igual. Ou seja, eles possuem Z diferentes, o mas possuem A igual (isóbaros). Exemplo: 4019K e 4020Ca. Isótonos Isótonos são átomos de elementos diferentes (com Z diferentes), números de massa diferentes (A diferentes) mas que possuem o mesmo número de nêutrons (isótonos). Ou seja, A – Z = n é igual nos dois átomos. Exemplo: 5525Mn (55 – 25 = 30) e 5626Fe (56 – 26 = 30). Exercícios 1) Indique o número atômico, número de massa e número de nêutrons nos átomos a seguir: a. 5123V 7 RUMO PRÉ VESTIBULAR b. c. d. e. 192 76Os 187 76Os 238 92U 7 3Li 2) Indicar o número de prótons, nêutrons e elétrons nas espécies a seguir: a. 5525Mn+6 b. 5525Mn+3 c. 147N d. 2010Ne e. 199Ff. 3) Um átomo X é isoeletrônico do sal de cozinha (NaCl) e isótono da espécie 56 2+ 26Fe . Qual é a massa do átomo X? 4) Sabendo-se que existem três isótopos de hidrogênio (11H, 21H e 31H) e dois de oxigênio (168O e 188O), qual é o número de nêutrons impossível de ser encontrado numa molécula de água? a. 8 b. 10 c. 12 d. 14 e. 16 5) Dentre os fatos abaixo, assinale o que é explicado pelos modelos atômicos de Dalton e de Rutherford simultaneamente. a. A condução de corrente elétrica pelos metais no estado sólido. b. A radioatividade encontrada nos minérios de urânio. c. A massa do átomo de hidrogênio ser menor do que a massa do átomo de oxigênio. QUÍMICA BÁSICA d. e. A massa atômica de um elemento ser a média ponderada das massas de seus isótopos. A condutividade elétrica da água do mar. 6) (UFPR) Desde a primeira produção artificial de um elemento químico, o tecnécio, em 1937, por Perrier e Segre, na Itália, a tabela periódica tem sido estendida através de sínteses de novos elementos. O elemento 111, roentgênio (Rg), foi descoberto em 1994 pelo laboratório do GSI em Darmstadt, Alemanha. Ao se bombardear um isótopo de bismuto com núcleos de níquel, produziu-se o isótopo 272 de roentgênio mais um nêutron, como na equação abaixo: A 64 272 1 BBi + 28Ni 111Rg + 0n O núcleo do roentgênio formado é instável, e por decaimento alfa transforma-se em meitnério (Mt), como representado na seguinte equação: 272 111Rg CDMt + 42α Com base nessas informações, assinale a alternativa correta. a. O Mt produzido tem número atômico 109 (D) e número de massa 270 (C). b. O Bi e o Mt têm, respectivamente, números atômicos 83 e 113. c. O Bi utilizado tem número atômico 83 (B) e número de massa 208 (A). d. O Bi e o Mt têm, respectivamente, números de massa 209 e 268. e. O Rg tem 111 prótons e 272 nêutrons. 8 RUMO PRÉ VESTIBULAR QUÍMICA BÁSICA Aula 3 – Propriedades periódicas O ser humano tem a necessidade de organizar as coisas em grupos semelhantes. Ele agrupa os seres vivos, os livros, os astros, as músicas, tudo o que se conhece. Não foi diferente quando o ser humano descobriu os elementos químicos. Houve várias tentativas de organizar os elementos, e a mais bem sucedida foi a tabela proposta pelo químico russo Dmitri Mendeleev em 1869. A tabela periódica de Mendeleev é composta de 18 grupos, orientados na vertical e divididos em 7 períodos horizontais. Chama-se tabela periódica porque está organizada de modo que elementos com comportamento químico semelhante se repitam periodicamente. o Eletronegatividade É a força com que o átomo atrai elétrons para si, ou seja, de ficar eletricamente negativo. o Afinidade eletrônica A afinidade eletrônica é a energia liberada por um átomo sozinho no estado gasoso quando ganha um elétron. É parecida com a eletronegatividade, porque em ambos os casos a medida é maior conforme o átomo “gosta” mais de receber elétrons. Porém, a eletronegatividade mede a força com que o átomo puxa os elétrons em uma ligação, e a afinidade eletrônica é medida em um átomo não-ligado. o Pontos de fusão e ebulição Já foram discutidos em outra aula. Você deve prestar atenção nos grupos 1 e 2 Propriedades periódicas Podemos utilizar a tabela para prever certas propriedades dos elementos, de acordo com o comportamento da propriedade conforme o elemento se encontra mais à direita ou mais à esquerda, mais acima ou mais abaixo na tabela. Estas propriedades são as chamadas propriedades periódicas. o Raio atômico Apesar de ter nome de arma futurística, o raio atômico é na verdade a distância entre a borda da eletrosfera e o núcleo. Ele aumenta da direita para a esquerda, de cima para baixo. Além disso, os cátions têm raio menor do que o elemento neutro, e os ânions têm raio maior. 9 RUMO PRÉ VESTIBULAR (familias 1A e 2A), que são exceções. o QUÍMICA BÁSICA períodos na tabela: os elementos de cada período têm sempre a mesma camada de valência. Essas camadas podem ter um número máximo de elétrons, como mostra a tabela abaixo: Camada Nº máximo de elétrons K L M N O P Q 2 8 18 32 32 18 8 Densidade A densidade é a medida de quanta matéria existe por unidade de volume. , onde d é a densidade, m é a massa e v, o volume. o Potencial de ionização É a energia necessária para arrancar um elétron do átomo no estado gasoso. Distribuição eletrônica Já sabemos que os elétrons estão em camadas específicas ao redor do átomo. O que ainda não foi dito é que existem 7 camadas, assim como existem 7 períodos na tabela periódica. A camada de valência, a mais externa do átomo e mais distante do núcleo, é responsável por muitas das características do átomo. Portanto, não é coincidência que existam tantas camadas quanto Estudando estas camadas, Linus Pauling percebeu que os elétrons estavam localizados em sub-camadas energéticas, os chamados orbitais s, p, d e f. Sabemos que cada orbital só pode ocupar no máximo 2 elétrons, e que para cada camada existe no máximo 1 orbital s (comportando 2 elétrons), 3 orbitais p (com 6 elétrons no total), 5 orbitais d (somando 10 elétrons) e 7 orbitais f (sendo ocupados por até 14 elétrons). Combinando as camadas e as subcamadas, a distribuição eletrônica agora fica assim: Camada Nível K L M N O P Q 1 2 3 4 5 6 7 2 s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s Subnível 6 10 p d 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d - 14 e f 4f 5f 2 8 18 32 32 18 8 Pauling percebeu que os orbitais eram ocupados um de cada vez, de acordo com o nível de energia de cada um, do menos energético para o mais energético. O diagrama que mostra a 10 RUMO PRÉ VESTIBULAR ordem crescente de energia dos orbitais ficou conhecido como diagrama de Pauling. QUÍMICA BÁSICA k. l. 58Ce 42Mo 3) Considerando as propriedades dos elementos químicos e a Tabela Periódica, é incorreto afirmar que: a. Um metal é uma substância dúctil e maleável que conduz corrrente elétrica. b. Não-metais podem ser encontrados na natureza nos estados sólido, líquido e gasoso. c. A maioria dos elementos químicos são metais. d. Os gases nobres são monoatômicos e. Por estar no grupo 1 (familia 1A), o hidrogênio é um metal. 1) a. b. c. d. e. Exercícios O período e o grupo na tabela periódica de um elemento com a configuração eletrônica 1s² 2s² 2p6 3s2 3p³ são, respectivamente: 1 – IIB 3 – VA 2 –IIIA 6 –IIIA 3 – IIB 2) Faça a distribuição seguintes espécies: a. 20Ca b. 16S c. 9F d. 6C e. 3Li f. 18Ar g. 4Be2+ h. 11Na+ i. 17Clj. 21Sc eletrônica das 4) Num mesmo período, o elemento de menor número atômico tem maior raio, assim como o elemento de maior Z tem menor raio. Explique o que causa essa diferença. 5) (UFPR) Considera-se que quatorze elementos químicos metálicos são essenciais para o correto funcionamento do organismo, portanto indispensáveis para manter a saúde. Os referidos elementos estão listados na tabela a seguir: Metal Sódio Magnésio Potássio Cálcio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Molibdênio Estanho Símbolo Na Mg K Ca V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Mo Sn Número Atômico 11 12 19 20 23 24 25 26 27 28 29 30 42 50 11 RUMO PRÉ VESTIBULAR a. b. c. d. e. Com base na distribuição eletrônica dos átomos desses metais no estado fundamental, assinale a alternativa correta. K, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co e Ni são elementos que apresentam o elétron mais energético em orbitais d e são por isso conhecidos como metais de transição. Mg e Ca pertencem ao mesmo grupo ou família da Tabela Periódica. A camada de valência de K possui a configuração 3s23p63d1. Mo e Sn possuem elétrons em subnível f. Todos os elementos citados possuem subníveis preenchidos parcialmente. QUÍMICA BÁSICA a. b. c. d. e. 6) (UFPR) O gráfico a seguir corresponde à tendência da primeira energia de ionização em função do número atômico do elemento, do hidrogênio (Z = 1) ao radônio (Z = 86). A energia de ionização corresponde à energia necessária para remover um elétron do átomo neutro. 3. A energia de ionização do flúor é maior que a do argônio, do criptônio e do xenônio. 4. As energias de ionização dos elementos do grupo 18 (gases nobres) são inferiores às energias de ionização dos metais de transição. Assinale a alternativa correta. Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras. Somente as afirmativas 1, 3 e 4 são verdadeiras. Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras. Somente as afirmativas 2, 3 e 4 são verdadeiras. Somente as afirmativas 2 e 4 são verdadeiras. Acerca do tema, considere as afirmativas a seguir: 1. A energia de ionização tende a diminuir no grupo e aumentar no período. 2. A energia de ionização do hidrogênio é maior que a do hélio. 12 RUMO PRÉ VESTIBULAR Aula 4 – Ligações químicas As ligações iônicas acontecem porque os átomos sozinhos não são estáveis. Eles buscam a estabilidade através das ligações com outros átomos formando moléculas ou sólidos iônicos. Para explicar a formação das ligações, Lewis criou a regra do octeto: para um átomo ser estável, ele precisa ter 8 elétrons na camada de valência, como os gases nobres. Existem exceções à esta regra, como o H e o He, que precisam de apenas 2 elétrons na camada de valência para estarem estáveis. Dependendo de como os elétrons se comportem na ligação, podemos classificá-las como ligação iônica, ligação dativa ou ligação metálica. Ligação iônica Assim como o polo positivo de um ímã atrái o polo negativo de outro ímã, um átomo carregado positivamente (íon positivo ou cátion) atrái um átomo carregado negativamente (íon negativo ou ânion). Metais são elementos com baixa eletronegatividade e baixa energia de ionização. Isso quer dizer que eles perdem elétrons com facilidade. Por outro lado, um ametal, principalmente os halogênios (familia VIIA) têm alta eletronegatividade e energia de ionização, ou seja, “roubam” elétrons com facilidade. Quando um metal perde (“doa”) um elétron para um ametal ou hidrogênio, ele fica com o número de elétrons menor do que o número de prótons. Com isso, a carga do metal fica positiva. Do mesmo modo, como o número de elétrons do ametal fica maior do que o QUÍMICA BÁSICA número de prótons, a carga do ametal fica negativa. Como cargas opostas se atráem, os íons ficam ligados pela atração eletrostática. Chamamos esse tipo de ligação de ligação iônica. Quantos elétrons um átomo vai ganhar ou perder? Isso depende de quantos elétrons ele tem na camada de valência (a camada eletrônica mais externa). Se o metal tem 2 elétrons na camada de valência, é mais vantajoso ele perder esses dois elétrons (e a camada toda) do que ter que ganhar 6 elétrons, ainda mais com uma eletronegatividade tão baixa. Do mesmo modo, é melhor para um halogênio, que tem 7 elétrons na camada de valência, ganhar um elétron do que ter que perder 7, ainda mais com a alta energia de ionização que os halogênios têm. A) B) Ligação iônica: o Na (esquerda) doa um elétron para o Cl (direita). O produto formado por ligação iônica tem alto ponto de fusão e ebulição, é um sólido cristalino em temperatura ambiente e é um bom condutor de eletricidade se estiver fundido ou em solução aquosa. 13 RUMO PRÉ VESTIBULAR Ligação covalente Nas ligações covalentes, a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos não é tão grande. Assim, os elétrons não são totalmente perdidos ou ganhados, mas são compartilhados entre os átomos. Os átomos com elétrons “faltando” para completar o octeto se aproximam um do outro para que os elétrons que estão “faltando” possam circular entre um átomo e o outro, ficando “no meio do caminho” entre os átomos para que os dois possam aproveitar e se estabilizar. A) QUÍMICA BÁSICA perto de sí do que os outros. Como o par de e- fica mais próximo de um átomo do que do outro, dizemos que a ligação é covalente polar. HCl, uma molécula polar Ligações apolares são aquelas em que os átomos envolvido têm a mesma eletronegatividade, sendo geralmente compostas de átomos do mesmo elemento. Algumas moléculas apolares são formadas por ligações polares. Nesses casos, a simetria dessas moléculas “compensa” a distribuição desigual de elétrons. B) Molécula apolar: O2. A) representação dos elétrons. B) representação em bastão das ligações covalentes. Dois átomos de flúor se aproximam e compartilham um par de elétrons, formando a molécula F2 A ligação covalente dá origem a moléculas, que podem ser encontradas nos três estados físicos. As moléculas podem ser polares ou apolares. Moléculas polares são aquelas em que os elétrons não estão distribuidos igualmente. Apesar de os elétrons serem compartilhados pelos átomos envolvidos, um dos átomos apresenta uma eletronegatividade maior, então ele “puxa” os elétrons para mais Molécula apolar de ligações polares: CO2. Exercícios 1) Em uma ligação química em que há grande diferença de eletronegatividade entre os átomos, irá ocorrer a formação de compostos: a. Moleculares. b. De baixo ponto de fusão. 14 RUMO PRÉ VESTIBULAR c. Não-condutores de corrente elétrica quando fundidos. d. Insolúveis em água. e. Que apresentam retículo cristalino. 2) Dentre as seguintes propriedades das substâncias: I – elevada temperatura de fusão; II – boa condutividade elétrica no estado sólido; III – formação de solução aquosa condutora de corrente elétrica; IV – elevada solubilidade em líquidos polares. Quais caracterizam compostos iônicos? a. I e II b. I e III c. II e III d. II e IV e. III e IV 3) Quantos átomos de cloro se combinam com um elemento qualquer da familia IIA da Tabela Periódica? a. 1 b. 2 c. 3 d. 4 e. 5 4) Átomos do elemento A (Z = 12) combinaram-se com átomos do elemento B (Z = 15). A fórmula do composto formado é: a. AB b. A2B3 c. A3B2 d. AB2 e. A3B QUÍMICA BÁSICA Com base na Tabela Periódica, escreva a fóruma do sal formado pelo halogênio mais eletronegativo e o metal alcalino terroso citado por Gilberto Gil na letra de Quanta, indicando o tipo de ligação química do sal formado. 6) (UFPR) Um determinado elemento A apresenta a seguinte distribuição eletrônica: 1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 4s¹. Que tipo de ligação o elemento A faz com outro elemento (B) que possui número atômico igual a 35? Justifique. 7) (ITA) Uma determinada substância apresenta as seguintes propriedades físico-químicas: I – O estado físico mais estável a 25 ºC e 1 atm é o sólido. II – No estado sólido apresenta estrutura cristalina. III – A condutividade elétrica é praticamente nula no estado físico mais estável a 25 ºC e 1 atm. IV – A condutividade elétrica é alta no estado líquido. A alternativa relativa à substância que apresenta todas as propriedades acima é o/a: a. Poliacetileno b. Brometo de sódio c. Iodo d. Silício e. Grafita 5) QUANTA (Gilberto Gil) “Fragmento infinitésimo Quase apenas mental Quantum granulado no mel Quantum ondulado do sal Mel de urânio, sal de rádio Qualquer coisa quase ideal” 15 RUMO PRÉ VESTIBULAR QUÍMICA BÁSICA “misturados”) com os 3 orbitais p, dando origem a 4 orbitais sp³. 1 orbital s + 3 orbitais p (4 orbitais no total) 4 orbitais sp³ (s: 1; p: 3) Aula 5 – Hibridização do carbono Sabe-se que o carbono é um átomo tetravalente, ou seja, capaz de formar 4 ligações químicas. Pode fazer 4 ligações simples, 2 simples e uma dupla, duas duplas ou até uma ligação tripla e uma simples. Mas o carbono sempre faz 4 ligações. Quem fizer a distribuição eletrônica do 6C vai ver que ela termina em 2s² 2p². Ora, sabemos que o orbital s só pode abrigar 2 elétrons (portanto, não tem espaço pra mais nenhum no orbital 2s do C). Os orbitais p, por sua vez podem ocupar 6 elétrons no máximo. Mas, pela lei de Hund, somente 2 orbitais estão disponíveis para compartilhar seus elétrons e fazer ligações covalentes. 2s 2px 2py 2pz ↑↓ ↑ ↑ Como é possível, então, que o carbono faça todas aquelas ligações? O segredo está na hibridização. O nome “hibridização” vem da palavra “híbrido”, “mistura”. Isso porque os orbitais 2s e 2p do carbono se “misturam” (hibridizam) para formar orbitais novos, que podem fazer todas aquelas ligações covalentes. Hibridização sp³ Uma forma de explicar o metano (CH4) seria dizer que um elétron do orbital 2s pulou pra um orbital 2p. 2s 2px 2py 2sp³ 2sp³ 2sp³ 2sp³ ↑ ↑ ↑ ↑ Os orbitais sp³ têm ângulos de 109º entre sí e são tetraédricos (tetraedro é uma pirâmide de base triangular). Hibridização sp² Do mesmo modo que a hibridização sp³ é uma mistura do orbital s e 3 orbitais p, a hibridização sp² é a mistura do orbital s com 2 orbitais p, deixando o orbital p que sobrou livre pra fazer uma ligação dupla. É o caso do metanal, H2C=O. 1 s + 3 p 3 sp² + 1 p 2sp² 2sp² 2sp² ↑ ↑ ↑ 2p ↑ A geometria da hibridação sp² é plana, triangular, com ângulos de 120º entre uma ligação e outra. O orbital p que sobra fica perpendicular ao plano das ligações sp², isto é, atravessa fazendo um ângulo de 90º com o plano. 2pz ↑ ↑ ↑ ↑ Isso, porém, daria oriem a 3 orbitais iguais e um diferente, e nós sabemos que as 4 ligações são iguais. Lembre-se que os elétrons dos orbitais p têm mais energia do que os elétrons do orbital s. O que acontece é que os orbitais p são hibridados (ou hibridizados, Metanal, hibridização sp². A linha pontilhada representa o eixo do orbital p (que está sendo usado para formar a ligação dupla). Em azul, o plano dos orbitais sp². 16 RUMO PRÉ VESTIBULAR Hibridação sp A mesma coisa acontece com os orbitais sp. A soma de um orbital s mais um orbital p dá origem a 2 orbitais sp: 1 s + 3 p 2 sp + 2 p 2sp 2sp 2p 2p ↑ ↑ ↑ ↑ A geometria dos orbitais sp é simples: eles estão em linha reta num eixo, separados por um ângulo de 180º. É justamente o caso do CO2, por exemplo, que é linear. Os orbitais p que sobram ficam perpendiculares (em 90º) em relação aos outros orbitais, e podem ser usados para formar 2 ligações duplas ou uma ligação tripla. CO2, hibridização sp. As linhas pontilhadas representam os eixos dos orbitais p, que estão sendo usados para fazer as ligações duplas. Hibridação em outros átomos Outros átomos também podem ter orbitais híbridos. O nitrogênio, por exemplo, tem camada de valência 2s² 2p³. 2s 2px 2py 2pz ↑↓ ↑ ↑ ↑ A princípio, ele poderia formar NH3 simplesmente preenchendo os orbitais 2p, mas o que se observa é que o ângulo entre as ligações é de cerca de 107º, próximo ao ângulo formado pelas ligações do carbono sp³. Isso acontece porque o nitrogênio do NH3 tamém é hibridizado sp³. Na próxima aula veremos porque é melhor para o átomo QUÍMICA BÁSICA manter as ligações com o maior ângulo possível. 2sp³ 2sp³ 2sp³ 2sp³ ↑↓ ↑ ↑ ↑ Exercícios 1) (ITA) A(s) ligação(ões) carbonohidrogênio existente(s) na molécula de metano (CH4) pode(m) ser interpretada(s) como sendo formada(s) pela interpenetração frontal dos orbitais atômicos s do átomo de hidrogênio com os seguintes orbitais atômicos do átomo de carbono: a. Quatro orbitais p b. Quatro orbitais híbridos sp³ c. Um orbital híbrido sp³ d. Um orbital s e três orbitais p e. Um orbital p e três orbitais s 2) As ligações químicas nos compostos orgânicos podem ser do tipo σ ou π. A ligação σ é formada pela interação de dois orbitais atômicos, segundo o eixo que une os dois átomos, ao passo que na ligação π, a interação dos orbitais atômicos se faz segundo o plano que contém o eixo da ligação. Na estrutura representada acima, tem-se: a. 2 ligações e 6 ligações b. 2 ligações e 8 ligações c. 4 ligações e 4 ligações d. 6 ligações e 2 ligações e. 8 ligações e 2 ligações 3) O propeno, a seguir representado, é um hidrocarboneto insaturado, 17 RUMO PRÉ VESTIBULAR constituindo-se em importante para a plásticos. QUÍMICA BÁSICA matéria-prima fabricação de a. b. c. d. e. Sobre esse composto, podemos afirmar que a. os carbonos C1 e C2 apresentam hibridização sp, enquanto o carbono C3 apresenta hibridização sp3. b. a ligação entre os carbonos C2 e C3 é do tipo sigma () e resulta da combinação entre um orbital atômico p puro e um orbital atômico híbrido sp3. c. o ângulo de ligação θ entre os hidrogênios do carbono C1 é de 109,5°. d. a ligação dupla entre os carbonos C1 e C2 é constituída por uma ligação pi () e uma ligação sigma (). e. a ligação entre os carbonos C2 e C3 é mais curta que a ligação entre os carbonos C1 e C2. compostos, apresentam, respectivamente, ligações: Números atômicos: H = 1; C = 6; O = 8 π e σs. π e σs-sp3. π e σs-p. σs e π. σs-sp3 e π. 6) O gás carbônico e a água resultantes na reação de combustão têm, respectivamente, as fórmulas estruturais planas representadas na figura a seguir, as quais permitem o entendimento de que, de acordo com o modelo atual, em suas moléculas existem a. 6 ligações covalentes polares, sendo 2 pi e 4 sigma. b. 6 ligações covalentes polares, sendo 4 pi e 2 sigma. c. 4 ligações covalentes apolares sigma. d. 4 ligações covalentes apolares pi. e. 4 ligações covalentes polares, sendo 2 pi e 2 sigma. 4) (PUCPR) A acetona (H3C-CO-CH3), um importante solvente orgânico, apresenta nos seus carbonos, respectivamente, os seguintes tipos de hibridação: a. sp, sp2 e sp3 b. sp3, sp3 e sp3 c. sp2, sp e sp3 d. sp3, sp2 e sp3 e. sp3, sp2 e sp2 5) Tal como o CO2, o CH4 também causa o efeito estufa, absorvendo parte da radiação infravermelha que seria refletida da Terra para o espaço. Esta absorção deve-se à estrutura das suas moléculas que, no caso destes dois 18 RUMO PRÉ VESTIBULAR QUÍMICA BÁSICA Distribuição eletrônica do O: 1s² 2s² 2p4. Camada de valência: 2s² 2p4 (6 e-). Total: 1 x 4 + 2 x 1 + 1 x 6 = 12 e- Aula 6 – Geometria molecular Geometria molecular é o estudo de como os átomos se organizam tridimensionalmente na molécula. Basicamente, para determinar a estrutura da molécula é necessário entender a teoria da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência (VSEPR, para os íntimos). A VSEPR diz que os pares de elétrons na camada de valência (a camada mais externa) tentam se empurrar para ficar o mais longe possível um do outro. Sabendo disso, basta verificar quantos ligantes (átomos ligados) e pares de elétrons existem em torno do átomo central. Mas como fazer isso? Determinando a fórmula eletrônica 1) Use uma tabela periódica ou os números atômicos para somar o número total de elétrons nas camadas de valência dos átomos da molécula. 2) Coloque um par de elétrons entre cada dois átomos. 3) Coloque os outros elétrons, tomando cuidado para que todos obedeçam a regra do octeto (mas lembre-se que existem exceções! O hidrogênio fica estável com 2 e-!) 4) Represente as ligações (os pares compartilhados) com um traço. 2) 3) 4) Determinando a fórmula estrutural Para determinar a fórmula estrutural, você precisa identificar as núvens eletrônicas ao redor do átomo central. Cada ligação (simples, dupla ou tripla) e cada par de elétrons livres ao redor do átomo central conta como uma núvem. Agora, basta usar a tabela. Lembre que as núvens vão tentar manter a maior distância possível uma da outra. Exemplo: CH2O (ZC = 6; ZH = 1; ZO = 8) 1) Distribuição eletrônica do C: 1s² 2s² 2p2. Camada de valência: 2s² 2p² (4 e-). Distribuição eletrônica do H: 1s¹. Camada de valência: 1s¹ (1 e-). 19 RUMO PRÉ VESTIBULAR QUÍMICA BÁSICA 20 RUMO PRÉ VESTIBULAR Exercícios 1) Com relação à geometria das moléculas, a opção correta a seguir é: a. NO - linear, CO2 - linear, NF3 - piramidal, H2O - angular, BF3 - trigonal plana. b. NO - linear, CO2 - angular, NF3 piramidal, H2O - angular, BF3 - trigonal plana. c. NO - linear, CO2 - trigonal, NF3 - trigonal, H2O - linear, BF3 - piramidal. d. NO - angular, CO2 - linear, NF3 piramidal, H2O - angular, BF3 - trigonal. e. NO - angular, CO2 - trigonal, NF3 trigonal, H2O - linear, BF3 - piramidal. 2) Qual das substancias a seguir tem molecula linear e apresenta ligacoes duplas? a. HCl b. H2O c. N2 d. CO2 e. NH3 3) Na figura, sao apresentados os desenhos de algumas geometrias moleculares. SO3, H2S e BeCl2 respectivamente, as moleculares: a. III, I e II. b. III, I e IV. c. III, II e I. d. IV, I e II. e. IV, II e I. apresentam, geometrias QUÍMICA BÁSICA 4) O modelo de repulsão dos pares de elétrons da camada de valência estabelece que a configuração eletrônica dos elementos que constituem uma molécula é responsável pela sua geometria molecular. Relacione as moléculas com as respectivas geometrias: Dados: números atômicos: H (Z = 1), C (Z = 6), N (Z = 7), O (Z = 8), S (Z = 16) Coluna I - Geometria molecular 1 - linear 2 - quadrada 3 - trigonal plana 4 - angular 5 - pirâmide trigonal 6 - bipirâmide trigonal Coluna II - Moléculas ( ) SO3 ( ) NH3 ( ) CO2 ( ) SO2 A relação numérica, de cima para baixo, da coluna II, que estabelece a sequência de associações corretas é: a. 5 - 3 - 1 - 4 b. 3 - 5 - 4 - 6 c. 3 - 5 - 1 – 4 d. 5 - 3 - 2 - 1 e. 2 - 3 - 1 – 6 5) (ITA) Assinale a opção que contém, respectivamente, a geometria das moleculas NH3 e SiCl4 no estado gasoso: a. Plana; plana. b. Piramidal; plana. c. Plana; tetragonal. d. Piramidal; piramidal. e. Piramidal; tetragonal. 21 RUMO PRÉ VESTIBULAR QUÍMICA BÁSICA ácidos são formados por um ou mais hidrogênios e um ânion. Para dar o nome, basta usar a fórmula “ácido [ânion]ídrico”. Exemplos: HCl ácido clorídrico; HF ácido fluorídrico; H2S ácido sulfídrico. (Note que o nome é “sulfídrico” porque enxofre em latim é “sulfur”, o que explica o símbolo do elemento ser a letra S). Aula 7 e 8 – Nomenclatura de ácidos inorgânicos e NOX Existem quatro funções químicas básicas de substâncias inorgânicas: os ácidos, as bases, os sais e os óxidos. Existem várias definições para ácidos. Arrhenius, em 1887, definiu ácido como sendo uma substância que libera H+ quando em solução aquosa. Mais tarde, em 1923, o dinamarquês Brønsted (leia “brênsted”) e o inglês Lowry aumentaram a definição, dizendo que ácidas são as substâncias que doam prótons durante uma reação. Mas a definição mais ampla de ácido foi dada pelo norte-americano Gilbert Lewis. Segundo ele, um ácido é uma espécie química que pode aceitar um par de elétrons em qualquer meio. A definição de Lewis é mais ampla do que a de Brønsted-Lowry porque existem substâncias como AgCl3 que podem receber e-, mas que não liberam prótons. Por outro lado, os prótons têm o orbital 1s livre, e por isso podem aceitar elétrons. O ácido aceita elétrons. Deste modo, também chegamos à nossa definição de base. Numa reação, se uma espécie está recebendo elétrons (ácido), isto significa que outra espécie está doando estes elétrons. A espécie doadora é a base. Segundo Arrhenius, as bases são substâncias que liberam OHem solução aquosa. Embora seja verdade, devemos lembrar também das bases de Lewis, que tem elétrons livres. Nomenclatura de ácidos de Arrhenius o Ácidos não-oxigenados O nome dos ácidos que não contém oxigênio é bastante simples. Estes Ácido HF HCl HBr HI H2S Ânion - Ác. fluorídrico Ác. clorídrico Ác. bromídrico Ác. iodídrico Ác. sulfídrico F Cl Br I HS Ác. cianídrico S CN 2- HCN Fluoreto Cloreto Brometo Iodeto Hidrogenossulfeto ou bissulfeto Sulfeto cianeto A nomenclatura dos ácidos oxigenados é mais complicada, e para isso vamos precisar antes conhecer o NOX. NOX é o número de oxidação de um elemento. É como se fosse a carga que ele possui na molécula. Nos ácidos não-oxigenados é fácil descobrir o NOX: o hidrogênio tem sempre NOX igual a 1+, e a molécula tem carga igual a 0. A partir destas informações, observe os seguintes exemplos: HCl H+ + ClH2S 2 H+ + S2Perceba que o cloro, que precisou ganhar um elétron para atingir o octeto, fica com NOX 1- na molécula de ác. clorídrico. Assim, a soma das cargas (1+ do hidrogênio e 1- do cloreto) fica sendo igual a 0. A mesma coisa acontece com o ác. sulfídrico: o sulfeto tem carga 2- (basta ver que ele pertence à familia VIA), e portanto são necessários dois 22 RUMO PRÉ VESTIBULAR hidrogênios portadores da carga 1+ para que a soma seja igual a 0. Nestes casos, quando estão fazendo parte da molécula, dizemos que os átomos não têm carga, mas que têm NOX. Agora que conhecemos o NOX, podemos aprender os ácidos hidrogenados. Para sabermos o nome do ácido oxigenado, nós precisamos verificar 3 coisas: a família do átomo central, quantos oxigênios estão ligados a ele e quantos hidrogênios ionizáveis estão na molécula, para que possamos calcular o NOX do átomo central e descobrir o nome do ácido. Veja o exemplo do HClO2. Nós podemos perceber que o átomo central é o cloro, da família VIIA. Se ele é da família VIIA, ele possui 7 elétrons na camada de valência, sendo 7+ seu NOX máximo. Agora, vamos às contas. Sabemos que o NOX do hidrogênio é sempre 1+, e que o NOX do oxigênio é sempre 2-. Sabemos também que a soma total é igual a 0. O resto fica fácil. NOXH + NOXCl + NOXO = 0 Temos 1 hidrogênio, portanto nossa soma começa com 1+. 1+ + NOXCl + NOXO = 0 Acrescentando os 2 oxigênios, precisamos somar o NOX 4- (2- para cada um dos 2 O), o que dá um total de 3-. 1+ + NOXCl + 2 x 2- = 0 1+ + NOXCl + 4- = 0 NOXCl + 3- = 0 Se a soma total é 0 e só falta somar o NOX do cloro, só nos resta fazer a última conta: NOXCl + 3- = 0 NOXCl = 0 + 3+ QUÍMICA BÁSICA NOXCl = 3+ Consultando a tabela da nossa aula, descobrimos que o ânion oxigenado que tem cloro com NOX = 3+ é o ânion cloroso. NOX ↑ NOX ↑ NOX ↓ NOX ↓ IVA VA VIA 4+ 5+ 3+ 2+ 6+ 4+ VIIA 7+ 5+ 3+ 1+ Terminação per...ico ...ico ...oso hipo...oso Lembre que o maior NOX termina em ico (como em heroico!), e o menor NOX termina em oso (que nem medroso...!) Exercícios 1) O ácido que é classificado como oxiácido, diácido e é formado por átomos de três elementos químicos diferentes é: a. H2S b. H4P2O7 c. HCN d. 2SO3 e. HNO3 2) Dar nome aos seguintes ácidos (solução aquosa): a. HClO2 b. HCl c. HCN d. HNO2 e. H3AsO4 f. H3SbO3 g. HF h. HCl i. HCN j. H2S k. H2CO3 l. H3BO3 m. H4SiO4 23 RUMO PRÉ VESTIBULAR 3) (ENEM) O processo de industrialização tem gerado sérios problemas de ordem ambiental, econômica e social, entre os quais se pode citar a chuva ácida. Os ácidos usualmente presentes em maiores proporções na água da chuva são o H2CO3, formado pela reação do CO2 atmosférico com a água, o HNO3, o HNO2, o H2SO4 e o H2SO3. Esses quatro últimos são formados principalmente a partir da reação da água com os óxidos de nitrogênio e de enxofre gerados pela queima de combustíveis fósseis. A formação de chuva mais ou menos ácida depende não só da concentração do ácido formado, como também do tipo de ácido. Essa pode ser uma informação útil na elaboração de estratégias para minimizar esse problema ambiental. Se consideradas concentrações idênticas, quais dos ácidos citados no texto conferem maior acidez às águas das chuvas? a. b. c. d. e. HNO3 e HNO2. H2SO4 e H2SO3. H2SO3 e HNO2. H2SO4 e HNO3. H2CO3 e H2SO3. QUÍMICA BÁSICA 5) A respeito das substâncias denominadas ácidos, um estudante anotou as seguintes características: I) têm poder corrosivo; II) são capazes de neutralizar bases; III) são compostos por dois elementos químicos; IV)formam soluções aquosas condutoras de corrente elétrica. Ele cometeu erros somente em: a. I e II b. I e III c. I e IV d. II e III e. III e IV 6) a. b. c. d. e. f. g. h. i. Dar nome aos seguintes ânions: BrO3ClO2HCO3HSO4S2INO3NO2PO43- 4) Os ácidos HClO4, H2MnO4, H3PO3, H4Sb2O7, quanto ao número de hidrogênios ionizáveis, podem ser classificados em: a. monoácido, diácido, triácido, tetrácido. b. monoácido, diácido, triácido, triácido. c. monoácido, diácido, diácido, tetrácido. d. monoácido, monoácido, diácido, triácido. e. monoácido, monoácido, triácido, tetrácido. 24