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quimica-cidadacc83-vol-2

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Coleção Química Cidadã
QUÍMICA
Cidadã
VOLUME 2
PEQUIS – PROJETO DE ENSINO DE QUÍMICA E SOCIEDADE
ENSINO MÉDIO – QUÍMICA – 2-a série
Wildson Luiz Pereira dos Santos (coord.)
Professor Adjunto do Instituto de Química da UnB.
Licenciado em Química pela Universidade de Brasília, mestre em Educação em
Ensino de Química pela Unicamp e doutor em Educação em Ensino de Ciências pela UFMG.
Gerson de Souza Mól (coord.)
Professor Adjunto do Instituto de Química da UnB.
Bacharel e licenciado em Química pela Universidade Federal de Viçosa, mestre em Química Analítica
pela UFMG e doutor em Ensino de Química pela Universidade de Brasília (UnB).
Siland Meiry França Dib
Professora do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal.
Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB) e mestre em
Educação pela Universidade Católica de Brasília (UCB).
Roseli Takako Matsunaga
Professora do Ensino Médio da Secretaria de Educação do Distrito Federal.
Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB) e mestre em
Ensino de Ciências pela Universidade de Brasília (UnB).
Sandra Maria de Oliveira Santos
Professora do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal.
Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB) e mestre em
Ensino de Ciências pela Universidade de Brasília (UnB).
Eliane Nilvana F. de Castro
Professora do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal. Licenciada em
Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB).
Gentil de Souza Silva
Professor do Ensino Médio da Secretaria de Estado de Educação do Distrito Federal e químico
industrial. Licenciado em Química pela Universidade Estadual da Paraíba e especialista em
Química pela Universidade Federal de Lavras.
Salvia Barbosa Farias
Professora do Ensino Médio da Secretaria de Educação do Distrito Federal.
Licenciada em Química pela Universidade Católica de Brasília (UCB).
São Paulo – 2013
2ª- edição
MANUAL DO
PROFESSOR
Título original: Química Cidadã – Volume 2
© Editora AJS Ltda, 2013
Editores: Arnaldo Saraiva e Joaquim Saraiva
Projeto gráfico e capa: Flávio Nigro
Pesquisa iconográfica: Cláudio Perez
Coordenação digital: Flávio Nigro e Nelson Quaresma
Produção editorial: Maps World Produções Gráficas Ltda
Direção: Maurício Barreto
Direção editorial: Antonio Nicolau Youssef
Gerência editorial: Carmen Olivieri
Coordenação de produção: Larissa Prado
Edição de arte: Jorge Okura
Editoração eletrônica: Alexandre Tallarico, Flávio Akatuka, Francisco Lavorini, Juliana Cristina Silva,
Veridiana Freitas, Vivian Trevizan e Wendel de Freitas
Edição de texto: Ana Cristina Mendes Perfetti
Revisão: Adriano Camargo Monteiro, Fabiana Camargo Pellegrini, Juliana Biggi,
Luicy Caetano e Thaís dos Santos Coutinho
Pesquisa iconográfica: Elaine Bueno e Luiz Fernando Botter
Ilustrações: AMJ Studio, José Yuji Kuribayashi, Osvaldo Sequetin e Paulo Cesar Pereira
Conteúdos digitais: Esfera Digital
Ilustração da capa: Moacir Knorr Guterres (Moa)
Dados
Internacionais de Catalogação na Publicação
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
Química cidadã : volume 2 : ensino médio : 2º
série / Wildson Luiz Pereira dos Santos, Gerson
de Souza Mól , (coords.) . -- 2. ed. -São Paulo : Editora AJS, 2013. -- (Coleção
química cidadã)
PEQUIS - Projeto de Ensino de Química e
Sociedade.
"Componente curricular: Química".
Vários autores.
Suplementado pelo manual do professor.
Bibliografia
1. Química (Ensino médio) I. Santos, Wildson
Luiz Pereira dos. II. Mól, Gerson de Souza.
III. Série.
ISBN:978-85-62482-87-8 (Aluno)
ISBN:978-85-62482-88-5 (Professor)
13-06558
CDD-540.7
Índices para catálogo sistemático:
1. Química : Ensino médio
540.7
2013
Editora AJS Ltda. – Todos os direitos reservados
Endereço: R. Xavantes, 719, sl. 632
Brás – São Paulo – SP
CEP: 03027-000
Telefone: (011) 2081-4677
E-mail: [email protected]
(CIP)
APRESENTAÇÃO
A você, estudante
Na 1ª- série do Ensino Médio, você viu que a Química é uma Ciência relativamente nova e que a partir
de conhecimentos de outros campos científicos, como o da Física e Biologia, ela tem contribuído para o
desenvolvimento de tecnologias que estão propiciando uma melhor qualidade de vida.
Vamos ver neste livro como o conhecimento químico nos auxilia a compreender o mundo físico
que nos rodeia e como a Química tem contribuído para o desenvolvimento de nossa sociedade. Você tem
aprendido que a Química e as suas tecnologias têm provocado uma grande revolução em nosso modo
de vida, mas que essa revolução, todavia, tem acarretado inevitavelmente mudanças drásticas no meio
ambiente, ocasionando sérias consequências à vida no planeta.
Assim é que temos tratado em todos os volumes desta coleção as relações entre a Química, as suas
tecnologias, a sociedade e o ambiente. Na 1ª- série você estudou sobre as substâncias e os materiais e viu
exemplos de atitudes no uso de produtos químicos para que sejam reduzidos o seu impacto ambiental.
A discussão dos problemas sociais vinculados à Química tem permitido a você desenvolver uma atitude
comprometida com a justiça e a igualdade social.
No segundo volume desta coleção, vamos estudar as reações químicas e seus aspectos dinâmicos e
energéticos, a água e a energia. Nesse estudo, você consolidará conhecimentos sobre a natureza da matéria
e compreenderá como, a partir desse conhecimento, podemos atuar em nossas atividades profissionais de
forma mais qualificada com ações positivas. O conhecimento dos aspectos dinâmicos e energéticos das
reações químicas permite aos químicos controlarem a sua ocorrência. Da mesma forma, o conhecimento
das atividades em que estivermos engajados no mundo do trabalho permitirá um melhor controle sobre
seus resultados.
Vivemos o desafio de mudar a tendência atual de aquecimento global. O centro desse problema
está relacionado à produção energética e tem implicações diretas com o abastecimento global de água.
Água e energia são os dois temas a partir dos quais aprofundaremos o estudo da Química, vendo como
os seus conceitos nos ajudam a compreendê-los. Além de compreender os conceitos, o que buscamos é
uma mudança de atitude responsável com os desafios climáticos que enfrentamos. Participar da sociedade
moderna implica entender como podemos atuar com a diversidade de materiais industrializados que nos
rodeiam. Isso exige, entre outras coisas, a economia de água e energia.
Para a consolidação do conhecimento que lhe dará base para prosseguir nos estudos superiores,
vamos retomar conceitos já abordados na 1ª- série. A metodologia adotada pelos autores desta obra,
com larga experiência no ensino de Química, busca enfatizar a compreensão conceitual. Isso implica a
contextualização teórica de seus enunciados por meio da revisão constante dos conceitos para ampliar
o seu significado. É a capacidade de leitura, interpretação e aplicação conceitual que será cobrada de
você nos exames do Enem, que vão lhe possibilitar a continuidade nos estudos superiores. E é com esse
propósito que este livro foi organizado.
Nossa metodologia se caracteriza, assim, pela contextualização temática e aprofundamento conceitual
de conteúdos relevantes para a formação dos estudantes. Isso exige uma nova postura diante do estudo.
Desejamos que o seu engajamento na realização de experimentos e na discussão dos temas seja cada vez
mais ativo. Lembre-se de que estudar não se limita a rever conceitos e resolver exercícios.
Esperamos que a continuidade do seu aprendizado em Química seja muito prazerosa com essa nova
abordagem e que você possa utilizar os conhecimentos químicos aprendidos na construção de um mundo
melhor, com atitudes que possam assegurar a vida de nossas e de futuras gerações, com base no princípio
de justiça e igualdade social.
Um forte abraço.
Os autores
CONHEÇA SEU LIVRO
Química na escola
Tema em foco
Este livro é dividido em três Unidades, e em cada
uma, abordamos um tema social, que contextualiza o
conhecimento químico. Mesmo que o seu professor não
tenha tempo de discutir os textos desses temas em sala de
aula, mantenha-se informado lendo todas as informações
contidas nas Unidades.
Debata e entenda
Para buscar um mundo melhor é preciso aprender a
participar dos debates sobre o nosso futuro. Neste livro,
esperamos que você participe o tempo todo apresentando
e defendendo suas ideias, além de ouvir e respeitar as de
seus colegas. Aprenda a participar, tentando explicar tudo o
que lhe é perguntado com as suas próprias palavras.
Em Química na escola você se depara com uma série
de experimentos investigativos. Muitos poderão ser feitos
na própria sala de aula. Todos poderão ajudar o professor a
conseguir os materiais necessários. Ao discutir os resultados,
você aprenderá a usar tabelas e gráficos. Pense sempre sobre
as conclusões que poderão ser extraídas de suas observações.
Caso seja muito difícil realizar os experimentos, procure
analisar os dados que fornecemos. Aprender a observar e
explicar o que está ao seu redor ajudará você a entender
melhor o mundo em que vivemos.
Alertamos para que, ao realizar os experimentos,
você siga rigorosamente as normas de segurança da última
página do livro. Nunca tente fazer qualquer experimento
sem a orientação e supervisão de seu professor. Lembre-se também de usar o mínimo possível de materiais para
gerar poucos resíduos. Assim você estará contribuindo
para a preservação do ambiente.
Pense
Ao se deparar no texto com uma questão com o comando
Pense, pare a leitura, reflita e tente responder antes de
prosseguir. Procurar explicações e expressá-las com as
próprias palavras ajuda a entender melhor o que está sendo
ensinado, pois você pode comparar a sua ideia original com
os novos conceitos que estão sendo introduzidos.
A Ciência na História
Sempre que você encontrar a chamada A Ciência na
História, leia o texto atentamente e procure observar a
contextualização histórica do surgimento das definições e
conceitos relativos aos conteúdos estudados, bem como as
circunstâncias em que os cientistas citados contribuíram para
o desenvolvimento da Química e da Ciência.
Ação e cidadania
Os temas fazem parte de sua vida. Por isso, propomos
atividades de Ação e cidadania com o objetivo de você
conhecer a sua comunidade e procurar pensar em alternativas
para seus problemas. Participe das atividades com espírito
de cooperação, solidariedade, responsabilidade, respeito e
tolerância à opinião do outro. Assim, você estará contribuindo
para a construção de uma sociedade em que os interesses da
coletividade estejam acima dos interesses individuais.
26
2
8
14
2
a
Atitude sustentável
Em Atitude sustentável você encontra um rico conjunto de
sugestões, cuidados e orientações para a prática da Cidadania,
sobretudo no que se refere aos impactos ambientais, nos quais
estão envovidos diversos conceitos estudados em nosso curso
de Química.
Exercícios
O aprendizado dos conceitos da Química ocorre a partir da
leitura dos textos e da realização dos Exercícios e Atividades,
apresentados nos capítulos. Lembre-se da importância da
realização dos exercícios e das atividades, mas tenha sempre
em mente que o aprendizado depende também das leituras e
revisões de todos os textos e das diversas discussões propostas
ao longo do desenvolvimento do conteúdo.
Ao terminar o estudo de cada capítulo, faça uma revisão de
tudo que aprendeu. Para isso, verifique ao final do capítulo, na
seção O que aprendemos neste capítulo, se você compreendeu
claramente todos os conceitos ali apontados, revendo no capítulo
as explicações que foram fornecidas na sua apresentação.
B
T. PERIÓDICA
Relação dos
objetos digitais
de aprendizagem
apresentados no livro.
Tabela periódica
dos elementos com
diversas informações
sobre eles.
Principais termos
utilizados no livro
para a apresentação
dos conceitos.
Ferro
ÍNDICE
c D
E
GLOSSÁRIO
OD
Fe
55,8
!
TABELAS
SEGURANÇA
Tabelas de valores
físico-químicos
de substâncias,
íons e elementos.
Cuidados e precauções
ao realizar experimentos
em ambiente de
laboratório.
SUMÁRIO
UNIDADE 1 Produtos químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
CAPÍTULO 1
CAPÍTULO 2
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1. Grandezas físicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2. Massa atômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3. Quantidade de matéria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4. Constante de Avogadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5. Massa atômica, molecular e molar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6. Volume molar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7. Conversões no cálculo
estequiométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
CÁLCULOS QUÍMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1. As leis das reações químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2. Balanceamento de equação química . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3. Estequiometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4. Rendimento das reações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Tema em foco
• Na medida certa:
evitando o desperdício
....................................
Tema em foco
• Produtos químicos
domésticos: perigo
disfarçado . . . . . . . . . . . . 34
10
UNIDADE 2 Hidrosfera e poluição das águas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
CAPÍTULO 3
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO
DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1. Soluções, coloides e agregados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2. Concentração e suas unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3. Composição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4. Diluição de soluções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Tema em foco
CAPÍTULO 4
• Ciclo da água e sociedade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 PROPRIEDADES DA ÁGUA
E PROPRIEDADES
COLIGATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1. Propriedades das substâncias e
interações entre os constituintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2. Propriedades da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3. Água e solubilidade
dos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4. Propriedades coligativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Tema em foco
• Gestão dos recursos hídricos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
CAPÍTULO 5
EQUILÍBRIO QUÍMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
1. Reações químicas e reversibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2. Sistemas químicos reversíveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3. Equilíbrio químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4. Alterações do estado de equilíbrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5. Princípio de Le Chatelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6. Aspectos quantitativos de
equilíbrios químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Tema em foco
• Poluição das águas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
• A química, o tratamento de água
e o saneamento básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
UNIDADE 3 Recursos energéticos
e energia nuclear
......................................................
CAPÍTULO 6
184
CAPÍTULO 8
TERMOQUÍMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 ENERGIA NUCLEAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
1. Termoquímica e calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 1. Radiação e radioatividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
2. Calorimetria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 2. A descoberta da radioatividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
3. Transformações de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 3. Emissões nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4. Calor de reação: entalpia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 4. Leis das desintegrações radioativas . . . . . . . . . . . . . . . 277
5. Lei de Hess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 5. Cinética da desintegração radioativa . . . . . . . . . . . . 279
6. Espontaneidade das
6. Radioatividade: seus efeitos e aplicações . . . . . . . 285
transformações: entropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 7. Transformações nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8. Usinas nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Tema em foco
9. Rejeitos nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
• Energia, sociedade e ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
10. Acidentes de usinas nucleares
e acidentes radioativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
11. Bombas atômicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
CAPÍTULO 7
CINÉTICA QUÍMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
1. Cinética química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
2. Teoria das colisões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3. Fatores que influenciam
a rapidez das reações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
4. Mecanismos de reação . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5. Catálise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Tema em foco
• Energia nuclear como fonte de
produção de energia elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
• Ciência para a paz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
• Política energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Gabarito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
É bom ler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Tema em foco
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
• Fontes de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Tabela periódica
dos elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Segurança
no laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
CONTEÚDO DIGITAL
&
QS
S
V
ER
&
QS
S
Química e Sociedade
&
QS
S
Química e Sociedade
Vídeo
E+
Estude mais
Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Como é possível determinar a constante . . . . . . . . . . . 21
Química e Sociedade
Produto químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
I
Infográfico
S
Simulador
S
Simulador
ER
&
QS
S
Estude mais
Cálculo estequiométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
E+
Estude mais
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Química e Sociedade
&
QS
S
Química e Sociedade
E+
Estude mais
Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Vídeo
QSS
&
QS
S
A água no planeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
O que acontece com a luz ao atravessar
diferentes materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
I
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Química e Sociedade
ER
Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Química e Sociedade
Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
V
Vídeo
V
Vídeo
QSS
&
QS
S
&
QS
S
Como preparar uma solução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
S
&
ER
Vídeo
Simulador
ER
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
E+
Balanceamento de Reações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
V
&
Escala de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Química e Sociedade
I
ER
ER
Ácidos e bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Simulador
&
QS
S
Química em nossa casa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Infográfico
V
S
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Redução do consumo de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Poluição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Pilhas eletroquímicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Química e Sociedade
Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Infográfico
Combustíveis fósseis e alternativos . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
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QS
S
Química e Sociedade
E+
Estude mais
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Química e Sociedade
Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Energia Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Modelo atômico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
S
Simulador
I
Infográfico
S
Simulador
&
QS
S
Natureza da radiação alfa e beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Decaimento radioativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Datação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Química e Sociedade
Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Vídeo
I
Infográfico
I
Infográfico
I
Infográfico
I
Infográfico
Equilíbrio químico e suas alterações . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Transformações nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Transformações nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
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Química e Sociedade
Química e Sociedade
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Química e Sociedade
Química e Sociedade
ER
Equilíbrio químico e suas alterações . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Água. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Destino do lixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Consumo sustentável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Exercícios de revisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Barra de ferramentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 à 314
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Por que a cor vai e volta? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
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Álcoois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
V
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S
.......................................
Química e Sociedade
Podemos evitar que um líquido congele? . . . . . . . . . 125
Destino do lixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Hidrocarbonetos
&
QS
S
Os líquidos evaporam coma mesma rapidez? . . . . 119
Química e Sociedade
Recursos Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
!
TABELAS
SEGURANÇA
UNIDADE
1
MIRA / ALAMY
Produtos
químicos
Produtos químicos saneantes ou domissanitários são substâncias ou preparações
destinadas à higienização, desinfecção ou desinfestação domiciliar, em ambientes
coletivos ou públicos, em lugares de uso comum e no tratamento da água.
8
Como usar corretamente
os produtos químicos?
Capítulo 1 Unidades utilizadas
pelo químico
1. Grandezas físicas
2. Massa atômica
3. Quantidade de matéria
4. Constante de Avogadro
5. Massa atômica, molecular e molar
6. Volume molar
7. Conversões no cálculo estequiométrico
Capítulo 2 Cálculos químicos
Hely Demutti
1. As leis das reações químicas
2. Balanceamento de equação química
3. Estequiometria
4. Rendimento das reações
Temas em foco:
• Na medida certa: evitando o
desperdício
• Produtos químicos domésticos:
perigo disfarçado
9
Capítulo 1
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
UNIDADES UTILIZADAS
PELO QUÍMICO
Como medir as substâncias e seus átomos e moléculas?
Como as medidas ajudam na preservação do meio ambiente?
Tema em foco
Tema
&
QS
S
NA MEDIDA CERTA: EVITANDO O DESPERDÍCIO
Química e
Sociedade
Pense
O que posso fazer para diminuir o desperdício?
Lalo de Almeida/Folha Imagem
AMj Studio
Quantos quilos de sabão em pó uma família de cinco pessoas gasta por mês? Qual seria a necessidade básica de
consumo mensal de detergente nessa mesma família? Sabonetes e xampus: será que você gasta mais do que o necessário? Costuma sobrar comida em seu prato? Por quê? Você já contabilizou o desperdício em sua casa?
O desperdício é uma ação perigosa, lesa economicamente qualquer pessoa que, desprevenida, não se incomodar
em prestar atenção no uso adequado dos bens materiais manipulados diariamente. Coletivamente, o gesto exagerado gera enormes problemas ambientais e, sobretudo, desigualdade e injustiça social.
Todos os dias, se desperdiçam grandes quantidades de alimentos, produtos de limpeza, combustíveis, água, energia elétrica, entre outros motivos, pelo fato de as pessoas não fazerem cálculos corretamente nem prestarem atenção
na importância que o bom uso dos bens materiais apresenta para a saúde financeira e para o ambiente.
Se há sobra de comida no prato é porque foi estimada uma quantidade a ser consumida superior ao que, de fato, era necessário.
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T. PERIÓDICA
Infelizmente, muitas pessoas ainda têm o hábito de lavar calçadas,
desperdiçando um bem tão precioso.
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TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
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Hely Demutti
Hely Demutti
1
Na construção civil, o desperdício atinge 25%. O que leva ao aumento em até 10%
do preço final do imóvel.
A medida certa garante boa limpeza
e economia.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Um erro cometido na proporção dos alimentos
a serem cozidos em relação ao número de pessoas
que vai fazer a refeição provoca sobras e, provavelmente, lixo. O erro de cálculo do menor trajeto a ser
percorrido pelos automóveis ocasiona aumento do
consumo de combustível e, consequentemente, aumento da poluição atmosférica. Erros no cálculo de
produtos de limpeza em relação à área ou à quantidade a ser limpa resultam no desperdício desses
materiais, que são lançados em maior quantidade
nos esgotos, aumentando a poluição das águas.
De acordo com o Serviço Brasileiro de Apoio
às Micro e Pequenas Empresas (Sebrae), no Brasil,
30% da produção de serviços e bens é desperDados da Secretaria de Dediçada pela falta de qualidade. Nos EUA e no Japão esse valor varia em torno de 4%. De
senvolvimento Urbano do
certa maneira existe uma cultura brasileira, a cultura da fartura, cujo princípio é de que é
Governo Federal brasileiro
melhor sobrar do que faltar! Conforme a Associação Brasileira de Empresas de Limpeza
revelaram que, em 2003,
Pública e Resíduos Especiais (Abrelpe), o desperdício de alimentos no Brasil chega a 40%
40% de toda a água
do que é produzido. O que significa ser jogado no lixo perto de 60% do que compramos,
tratada e distribuída
e representa cerca de 26,3 milhões de toneladas de comida jogadas fora. Um exagero
foi desperdiçada, o que
para um país que apresenta altos índices de desnutrição.
representou prejuízo de
1 bilhão de dólares.
O desperdício acontece de várias formas. Uma delas é o consumo de quantidades maiores do que as necessárias. O descarte de um bem em boas condições de uso para substituí-lo
por um mais novo é outro modo comum de desperdício. Quantas pessoas trocam de celular só para terem um modelo mais “moderno”? O desperdício pode ser causado pelo uso inadequado de um equipamento ou material. Ligar
um aparelho elétrico em uma voltagem maior, não lubrificar engrenagens, fazer uso inadequado para a função desejada são exemplos de atitudes que podem ocasionar danos aos equipamentos.
Entre as diversas fontes de desperdício, vamos discutir nesta unidade as relacionadas aos erros de medida, ou até
mesmo à falta dessa prática. É nesse sentido que desperdiçamos materiais de limpeza, quer usando em quantidade
inferior à necessária, o que leva a não alcançar o efeito desejado, quer empregando quantidade superior, o que provoca até mesmo o risco de acidentes. Todos os dias uma quantidade enorme de produtos de limpeza invade as redes
de esgoto das cidades. Esses números aumentam pelo descontrole no uso das medidas adequadas.
11
Hely Demutti
Hely Demutti
Hely Demutti
Hely Demutti
O petróleo é matéria-prima para diversos produtos industriais, como tintas, detergentes, esmaltes, óleos lubrificantes etc. O uso indiscriminado de seus subprodutos levará ao esgotamento dessa fonte não renovável, o que representará um problemão!
26
12
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ÍNDICE
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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
A leitura precisa dos rótulos dos produtos e o cálculo correto das quantidades de materiais a serem empregados tornam-se procedimentos fundamentais. Quando utilizamos produtos químicos em quantidades indevidas,
corremos o risco de obter resultados indesejáveis e até desastrosos. Se você acha que usar maior quantidade
de sabão, detergente ou qualquer outro produto de limpeza aumenta a eficácia da limpeza, está enganado...
Pode ocorrer o contrário!
O ácido bórico, por exemplo, substância encontrada em loções e desodorantes, é um eficiente antisséptico: impede a proliferação de bactérias e fungos
responsáveis pelo mau cheiro. Contudo, deve ser utilizado com cuidado, pois
em altas concentrações pode provocar irritação na pele, depressão do sistema
nervoso central e lesões renais e hepáticas. Por isso, a Agência Nacional de
Vigilância Sanitária (Anvisa) proibiu o uso do ácido bórico na composição de
pomadas contra assaduras aplicadas em bebês. Em águas de colônia, a concentração máxima permitida é de 3%. Se o químico responsável pela formulação acrescentasse 10% de ácido bórico, não estaria apenas desperdiçando
esse ingrediente, como colocaria em risco a saúde do consumidor.
É fundamental que estejamos atentos às recomendações descritas nos rótulos dos produtos, pois algumas vezes os fabricantes aconselham o uso em
quantidade superior à necessária para estimular o consumo. É nesse sentido
que os cálculos são essenciais. Eles fazem parte do dia a dia, bem como de
todos os processos industriais. Observe, então, que é muito importante para
tomar qualquer decisão e fazer bom uso dos diversos materiais empregados
no cotidiano que tenhamos conhecimentos básicos sobre a Química neles envolvida. Daí a necessidade de reconhecer o estudo dos materiais como fonte
de indispensável informação para todo e qualquer cidadão.
A maioria dos materiais que nos rodeia é originada de processos químicos
de transformações industriais. A indústria utiliza materiais que são extraídos de
rochas (os metais), de vegetais (a celulose), de animais (a gelatina), da água do
Todas as embalagens
mar (sal), do petróleo (os detergentes) e de muitas outras fontes naturais. Com base nesses
de produtos devem ter
materiais, a indústria realiza uma série de transformações químicas para produzir o produa especificação correta do
to na forma final em que será comercializado. Os materiais usados nos processos iniciais
modo de uso do material,
e que serão transformados são denominados matérias-primas, cujas fontes podem ser reo que deve incluir a finalicursos renováveis ou não renováveis.
dade e a quantidade adeO uso indiscriminado de materiais extraídos da natureza tem gerado sérios problemas
quada a ser administrada.
ambientais. Primeiro, grandes áreas naturais têm sido devastadas, ocasionando a morte de
espécies biológicas, com o consequente desequilíbrio ecológico. Segundo, diversos materiais lançados no ambiente
provocam transformações de outros materiais, causando diferentes desequilíbrios ambientais. Além disso, a não renovação dos recursos naturais contribui para o esgotamento destes, privando as gerações futuras de sua utilização.
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
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Hely Demutti
O uso racional dos recursos e o não desperdício, aproveitando-os ao máximo, vem exigindo que as indústrias racionalizem os meios de produção para extrair maiores quantidades possíveis dos materiais desejados. Além disso,
atualmente, com a globalização da economia, as indústrias necessitam de maior controle na qualidade dos produtos
e buscam, cada vez mais, maior produtividade associada ao menor custo de produção possível.
Esse aproveitamento é feito por meio de cálculos precisos sobre a quantidade correta a ser utilizada de cada matéria-prima no processo industrial. Tais cálculos também devem ser feitos no dia a dia por todos para racionalizar o
consumo dos produtos químicos. É óbvio que isso não será feito com a mesma precisão da indústria, mas seguirá o
mesmo princípio de seus cálculos.
Lembre-se, portanto, de que o problema do consumo elevado não implica apenas o comprometimento do orçamento doméstico, mas, sobretudo, o agravamento de problemas ambientais, cujas consequências afetam toda a
sociedade. Desenvolver a cidadania é compreender nossos direitos de acesso aos produtos necessários a uma sobrevivência saudável. Mas, antes disso, é fundamental ter consciência de nossos deveres com a coletividade, assumindo
o compromisso de preservar os bens de interesse coletivo.
Neste capítulo, você vai aprender como os químicos efetuam cálculos precisos
para obter a composição ideal dos produtos e verá como podemos usá-los diminuindo o desperdício. Essas formulações são, muitas vezes, resultados de anos
de pesquisas. E, se eles estudaram tanto o assunto, vale a pena conhecer as recomendações, não é mesmo?
Esperamos que, ao longo da presente unidade, você reflita sobre essas
questões e busque mudança de hábitos para fazer uso mais racional de
diferentes produtos químicos. Faça sua parte: pense sustentável! Se déssemos importância para pequenos detalhes e mais valor para as coisas, a
dinâmica de desperdício poderia ser modificada.
Existe uma diversidade de produtos de higiene e limpeza à nossa disposição, mas o uso em excesso agrava os
problemas ambientais, pois os resíduos em grande parte
são lançados em águas de rios e mares.
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Debata e entenda
1. Enumere dez materiais que são desperdiçados diariamente em decorrência de mau uso. Relacione medidas que
podem ser adotadas para controlar o uso e evitar os desperdícios.
2. Identifique, em sua casa, materiais que podem ser usados como matéria-prima para confecção de outros objetos.
3. O que pode ser feito para a utilização mais racional desses materiais, evitando desperdícios?
4. A posologia de determinado medicamento indica uma dose diária de 0,5 mg/kg a 2,0 mg/kg de peso corporal,
dividida em 2 a 3 doses ou a critério médico (uma gota = 0,5 mg). Calcule a dose mínima a ser administrada três
vezes ao dia a uma criança de 7 kg.
5. No dia 10 de setembro de 2001, o jornal Gazeta Mercantil publicou a seguinte manchete: “Racionamento de energia elétrica diminui o consumo de sabonete e aumenta o de sabão em barra”. Você sabe dizer que fatores levaram
a essa mudança no padrão de consumo?
6. O texto fez referências ao “consumo exagerado” existente na sociedade moderna e tecnológica. Em sua opinião,
o que contribui para esse consumo compulsivo?
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SEGURANÇA
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1 GRANDEZAS FÍSICAS
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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
desafio que temos enfrentado atualmente no planeta é a redução do consumo de
produtos para que menos matéria-prima seja extraída da natureza. Para isso, precisamos fazer uso mais racional de medidas a fim de que o consumo seja o necessário a
uma vivência saudável. A falta de uso de sistemas adequados de medidas tem sido também uma das causas de desperdício.
Medidas são, sem dúvida, fundamentais em nossa sociedade. Elas estão presentes
desde as civilizações pré-históricas e, atualmente, são a base das atividades comerciais,
dos processos tecnológicos e uma das ferramentas principais para a elaboração de modelos científicos. Fazemos uso de medidas em calçados, em roupas, nos medicamentos,
no preparo de alimentos, nos produtos de beleza e de limpeza, no tempo de nossas
atividades etc. Nesses processos, efetuamos medidas de comprimento, de volume, de
massa, de tempo, entre outras. Tudo isso que podemos medir é chamado grandeza.
Vale lembrar, no entanto, que nem tudo pode ser medido.
Pense
Mathom/Shutterstock
Como será possível medir a alegria? Seriam a alegria, a tristeza e a felicidade grandezas?
Até há quem estabeleça padrões de medida para o grau de satisfação das pessoas, mas
essa está relacionada com sentimentos pessoais, impossíveis de medição. Para muitos, a
felicidade está relacionada com o bem-estar em relação às pessoas com quem convivem.
Para outros, a felicidade depende da posse de bens materiais. O que traz felicidade para
alguns é motivo de tristeza para outros. Os sentimentos não são grandezas, pois não são
categorias mensuráveis. Assim, dizemos que:
Grandeza é um atributo (característica) de algo do universo físico que pode ser
medido de alguma forma.
Dikiiy/Shutterstock
Toda grandeza é representada por um número seguido de uma unidade de medida.
O número representa quantas vezes essa grandeza é diferente do padrão de medida
utilizado. Um frasco de perfume de 200 mL tem um volume de perfume duzentas vezes
maior que o mililitro, ou cinco (1000/200) vezes menor do que o litro.
Para o químico, além de volume e massa, existe outra grandeza relacionada com a
quantidade que já está incorporada em sua rotina de trabalho: a numerosidade.
Numerosidade
Além do volume e da massa, o químico utiliza a numerosidade como outra
importante grandeza.
Nos supermercados, podemos encontrar sabão em embalagens com cinco barras, o
sabão em pó em caixas ou pacotes, sabão líquido em frascos de 500 mL.
Se resolvermos fazer economia de produtos de limpeza em casa, como faríamos as
compras do mês?
Imagine que você resolveu fazer uma dieta. Seguindo os conselhos de um nutricionista, por meio de um programa de reeducação alimentar, deixará um pouco de lado biscoitos e chocolates e comerá mais frutas e verduras. Só imagine. Você pega a sacola e, feliz
da vida, segue para a feira ou para o supermercado mais próximo. Mas que quantidade
comprar de cada alimento? Como podemos quantificar os alimentos?
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Pense
1
2
Marcos André/Opção Brasil Imagens
Hely Demutti
Como se medem as quantidades de abacaxi e laranja vendidos na feira?
Qual grandeza você utiliza ao comprar carne, frango, peixe etc.?
3
4
Frutas, por exemplo, podem ser vendidas medindo-se quantidades de massa, volume
ou unidades. Por exemplo, você pode comprar um quilo de maçãs, um litro de jabuticabas ou uma dúzia de laranjas. Também são vendidos por unidades vários outros produtos
– geralmente sólidos de tamanhos regulares –, como ovos, tijolos e lápis. A grandeza a
que nos referimos nesses casos é a numerosidade.
Mas nem sempre a numerosidade é uma grandeza apropriada. Imagine uma pessoa
querer comprar feijão usando essa grandeza!
Da mesma maneira, para os químicos, é inviável contar átomos ou moléculas. Eles geralmente trabalham medindo massas. Há, todavia, alguns casos em que é importante conhecer o número de entidades químicas – sejam átomos, íons ou moléculas – presentes
em determinadas quantidades de substância ou material.
No dia a dia usamos várias unidades para a grandeza numerosidade:
saco, lata, dúzia, grosa,
copo, milheiro etc.
Hely Demutti
5
Sabendo que o raio atômico do neônio (Ne) é de 38 pm (38 · 10 –12 m), seria viável contar os átomos? Por quê? Desejando
expressar quantos átomos existem em uma amostra de neônio (Ne), que unidade seria mais viável?
Nos cálculos de quantidades de substâncias, envolvidas em reações químicas, é fundamental estabelecer as quantidades numéricas dos constituintes que estão reagindo para
a determinação da porção dos produtos a serem formados. Você já imaginou como isso
seria difícil? Mas não se preocupe, pois os químicos encontraram uma maneira simples de
fazer essas contas. Vejamos a seguir.
2 MASSA ATÔMICA
Pense
É possível medir a massa de um átomo na balança? Qual seria o padrão de medida de massa para os átomos?
U
m bom padrão de medida é aquele que pode ser comparado facilmente com o que
se pretende medir. Esse padrão não deve ser nem muito grande nem muito pequeno
em relação às medidas a serem realizadas. Qual seria, então, um bom padrão para medir a
massa de átomos e de substâncias? A primeira substância utilizada como padrão para determinar a massa de outras substâncias foi o hidrogênio. Ela apresentava duas grandes vantagens: é a mais leve que se conhece e reage com muitas outras substâncias simples. Assim,
atribuiu-se ao hidrogênio o valor unitário de massa. Para determinar a massa de uma substância bastaria apenas que se verificasse a proporção de massa que reagia com o hidrogênio.
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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
Preste muita atenção!
Esses valores, apesar de
sua importância histórica,
não coincidem com os valores atualmente tabelados. Qualquer tabela periódica atual mostra que
o valor da massa atômica
do oxigênio, por exemplo,
é 16 e não 7.
Foi o cientista inglês John Dalton [1766-1844] quem teve essa brilhante ideia: ele passou a determinar a massa de diferentes substâncias que reagiam com 1 g de hidrogênio.
Assim, propôs a primeira tabela de pesos atômicos relativos (que hoje chamamos massas
atômicas) e apresentou-a, em 1803, à Sociedade Filosófica de Manchester.
Porém, a tabela de Dalton continha erros, porque naquela época se considerava que
a fórmula da água era HO e não H2O, como a conhecemos hoje.
Anos depois, o químico sueco Jöns Jacob Berzelius [1779-1848] sugeriu a utilização do oxigênio como padrão de peso atômico, pois reage com a maioria das substâncias simples para
formar óxidos (substâncias constituídas por átomos de oxigênio e de outro elemento químico).
Posteriormente, surgiram divergências entre químicos e físicos na definição do padrão de
massa: os físicos empregavam o oxigênio-16 (relembrando: isótopo de oxigênio com número
de massa 16) e os químicos utilizavam a média ponderada de todos os isótopos (átomos de
um mesmo elemento com diferentes valores de massa) do oxigênio. Isso gerava diferenças
nos valores de massa dos átomos e das substâncias. Na busca de uma unificação de conceitos e valores, a partir de 1957 a Iupac (International Union of Pure and Aplicated Chemistry
– União Internacional de Química Pura e Aplicada) adotou como padrão de medida de massa o carbono (mais precisamente átomos de carbono-12). Esse padrão é mais estável e mais
abundante do que o oxigênio-16, e sua adoção pôs fim à divergência entre físicos e químicos.
ALGUMAS SUBSTÂNCIAS DA TABELA DE PESO ATÔMICO DE DALTON
Substância Peso Substância Peso Substância Peso
simples atômico simples atômico simples atômico
Oxigênio
7
Ferro
50
Tungstênio
Hidrogênio
1
Níquel
Azoto
5
Estanho
50
Cério
Carbono
5,4
Chumbo
95
Enxofre
13
Zinco
56
Fósforo
9
Bismuto
40
Peso
atômico
Substância
composta
Peso
atômico
56 ?
Água
8
Ácido nitroso
40 ?
Ácido uriático
22
Óxido carbônico
12,4
45 ?
Ácido
oximuriático
29
Ácido carbônico
19,4
Potássio
42
Gás nitroso
12
Óxido sulfuroso
20
Sódio
28
Óxido nitroso
17
Ácido fosforoso
32
Cal
24
Ácido nítrico
19
Ácido fosfórico
23
Manganês
17
Ácido oxinítrico
26
Amônia
6
25 ? | 50 ? Titânio
68 ?
Substância
composta
Ouro
140 ?
Antimônio
Platina
100 ?
Arsênico
42 ?
Barita
68
Prata
100
Cobalto
55 ?
Alumina
13
Mercúrio
167
Manganês
40 ?
Silica
45
Cobre
56
Urânio
60 ?
Glucínio
30
31
Obs.: Para Dalton, a massa molecular das substâncias
compostas era também chamada de peso atômico. Além
disso, algumas substâncias compostas eram consideradas simples, como a cal, a alumina e a sílica.
Contando entidades pequenas
Vimos como foi estabelecida a relação entre as massas das diferentes substâncias, utilizando uma substância simples como padrão. Mas os químicos tinham ainda outro desafio
a vencer: como saber o número de átomos ou entidades químicas presentes nessas quantidades de substâncias? Certamente, eles não poderiam contá-las da forma como você
conta laranjas na feira. Ainda que conseguissem desenvolver uma máquina que contasse
mil átomos por segundo, esta gastaria aproximadamente 20 trilhões de anos para contar
todos os átomos existentes em 12 g de carbono-12!
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
Pense
Qual unidade de medida da grandeza massa seria mais recomendável na comercialização
de miçangas? Justifique a resposta.
1
2
Diante de tal impossibilidade, os químicos desenvolveram outra grandeza
de numerosidade. Para compreendê-la, vamos estabelecer a comparação com
objetos pequenos manuseáveis, como as miçangas empregadas na confecção
de bijuterias (veja a foto ao lado).
3
4
5
Hely Demutti
Pense
Qual unidade de medida da grandeza massa seria mais recomendável na comercialização de miçangas? Justifique a resposta.
OD
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Ferro
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8
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2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
7
8
Ainda que miçangas possam ser contadas uma por
uma, essa não é tarefa fácil de ser efetuada no comércio. Como fazer?
Contar miçangas é muito
trabalhoso, mas medir a
massa é muito fácil. Se
contarmos a quantidade de
miçangas em determinada
massa, saberemos quantas
miçangas há em qualquer
outro valor de massa.
Hely Demutti
As unidades mais apropriadas na comercialização de miçangas são aquelas que adotam padrões de medida próximos à quantidade de miçangas as quais serão comercializadas. Assim, o grama poderia ser uma boa unidade de medida na venda direta de miçangas ao consumidor, o quilograma para vendas a comerciantes e a tonelada para a venda
do produto a grandes indústrias.
Vamos imaginar que uma pessoa muito meticulosa resolvesse comprar a quantidade
exata de miçangas para confeccionar, por exemplo, certo número de colares. Para essa
pessoa, a grandeza mais apropriada seria a unidade de medida que estivesse relacionada com o número de miçangas (número de entidades) e não com a massa. No entanto,
é muito trabalhoso contar miçangas uma a uma. Mas, se não é possível usar a unidade
simples, que grandeza devemos usar nesse caso?
A forma adequada seria estabelecer um padrão de referência que contivesse a quantidade de fácil manuseio. Como a balança é um instrumento de medida preciso e bastante comum, a pessoa poderia escolher como padrão de medida uma quantidade de miçangas que pudesse ser determinada com base em sua massa. Que tal escolher 150 g de
miçangas de 6 mm de diâmetro como padrão de referência? Essa miçanga não é muito
grande nem muito pequena. Além disso, 150 g correspondem a uma quantidade razoável, fácil de ser medida.
Adotada essa convenção, poderiam ser determinadas quantas miçangas de 6 mm há
em 150 g. De que maneira? Contando uma a uma as miçangas em uma amostra de 150 g.
Ou, para facilitar, simplesmente medindo a massa de uma dessas miçangas. Bastaria,
depois, dividir 150 g pela massa de uma miçanga. Como curiosidade, fizemos essa conta
e obtivemos o resultado de 1 359 miçangas.
Resolvido o problema. Se nosso amigo meticuloso precisasse de 4 077 miçangas, bastaria comprar 450 g de miçangas,
ou seja, a quantidade contida em 150 g serviria como base
para seus cálculos de unidade. Ela poderia facilitar ainda mais os cálculos inventando uma grandeza específica para contar a quantidade de miçangas. Essa grandeza poderia se chamar “quantidade de miçangas”, que tal?
E, como toda grandeza tem de ter uma unidade, poderia ser
batizada de “miçamol”.
Assim, esse hipotético consumidor não pediria mais 450 g
de miçangas, mas, sim, 3 “miçamols” de miçangas.
6
17
3 QUANTIDADE DE MATÉRIA
A
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
quantidade de uma substância pode ser expressa por meio de mais de uma grandeza. Por exemplo, a quantidade de água em um copo pode ser expressa por
volume ou por massa.
E se quiséssemos expressar a quantidade de água por numerosidade, como iríamos
contar as moléculas de água dentro do copo?
Os constituintes dos materiais (átomos, moléculas, íons etc.) são entidades pequenas demais para serem contadas. Como, então, podemos conhecer a numerosidade de entidades químicas das substâncias e materiais? Fazendo o mesmo que nosso amigo detalhista fez para comprar miçangas: estabelecendo um padrão que seja
fácil de manusear.
Assim como estabelecemos uma unidade padrão para quantificar as miçangas, os
químicos também desenvolveram uma unidade de medida para as entidades constituintes das substâncias. No caso das miçangas, a grandeza usada foi “quantidade de
miçangas”. No caso da Química, a numerosidade de espécies químicas (átomos, íons,
moléculas, elétrons) foi denominada quantidade de matéria. Essa é uma grandeza
de numerosidade, representada pela letra n, que permite determinar a quantidade de
entidades químicas.
Por analogia, considerando-se as diferenças entre átomos e miçangas, podemos relacionar o conceito de quantidade de matéria à quantidade de miçangas. Definimos como
padrão de quantidade o número de miçangas contido em 150 g de miçangas de 6 mm.
No caso da Química, o padrão escolhido foi o número de átomos contidos em 12 g de
carbono-12 (isótopo de carbono de massa 12). A unidade de medida da grandeza quantidade de matéria é o mol – do latim moles, que significa grande massa compacta. O mol
é, portanto, a unidade de numerosidade de entidades químicas.
Hely Demutti
Mol é a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades
elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 kg de carbono-12.
Se nessa amostra de carvão tivéssemos apenas
átomos de carbono-12,
obteríamos quantidade
igual a um mol.
Quando se utiliza o mol, as entidades elementares devem ser especificadas, podendo
ser átomos, constituintes, íons, elétrons ou outras partículas, bem como agrupamentos
especificados dessas partículas.
O símbolo dessa unidade de medida é o mol. Como o símbolo é igual ao nome, é preciso ter atenção para evitar confusões, visto que os símbolos não têm plural. Por exemplo,
a distância de cem metros é escrita como 100 m. Da mesma forma, a quantidade de matéria correspondente a cem mols deve ser escrita como 100 mol.
SÍMBOLOS DE ALGUMAS GRANDEZAS
Grandeza
Unidade de medida
Nome
Nome (plural)
Símbolo (não tem plural)
Massa (m)
quilograma (quilogramas)
kg
Comprimento (l)
metro (metros)
m
Quantidade de matéria (n)
mol (mols)
mol
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Qual é a importância do uso de medidas?
2. Explique por que a beleza não pode ser expressa em
e) o número de átomos que estão presentes em 1,0 g
de qualquer substância elementar, em repouso e
no estado fundamental.
grandezas físicas.
1
2
3. Por que, para expressar uma grandeza, deve-se utilizar 13. Em que amostra há maior quantidade de entidades:
uma unidade de medida?
3
em 1 mol de grãos de milho ou em 1 mol de átomos
de carbono? Justifique a resposta.
4. Que atributo a grandeza numerosidade mede?
5. Para montar um determinado colar, necessita-se de oito dú-
14. (Vunesp) Na tabela periódica atual, a massa atômica de
5
cada elemento aparece como número não inteiro porque:
a) há imprecisão nos métodos experimentais
empregados.
b) é a média aritmética das massas atômicas dos elementos superior e inferior da mesma família.
c) é a média aritmética das massas atômicas dos elementos com igual número de prótons.
d) é a média ponderada das massas atômicas dos
isótopos naturais do elemento.
e) é sempre múltipla da massa atômica do hidrogênio.
zias de miçangas de 6,0 mm e um fio de náilon de 0,60 m.
Passe o fio de náilon pelos buraquinhos das miçangas e
amarre. Já está pronto o seu colar. Agora responda.:
a) Qual é a grandeza usada para contar miçangas?
b) Caso você fique famoso(a) com suas bijuterias e queira
produzir 100 000 colares, pulseiras e adornos, utilizaria a mesma grandeza? Qual seria a melhor grandeza?
c) Qual é a grandeza e a unidade de medida do fio
de náilon?
6. Identifique a(s) grandeza(s) geralmente utilizada(s) na
comercialização dos seguintes produtos:
a) sabão em pó.
d) combustível.
b) tecidos.
e) cordas.
c) amaciante de roupas.
f) cerâmica.
4
6
7
8
15. (Fuvest-SP-adaptado) A massa atômica do cloro é
35,457. O fato de esse número não ser inteiro indica que:
a) no núcleo do átomo de cloro devem existir outras
partículas além dos prótons e nêutrons.
b) o cloro apresenta-se na natureza como uma mistura
de isótopos.
c) há um erro experimental na determinação das massas atômicas.
d) a massa atômica não é uma grandeza.
e) a massa atômica leva em conta a massa dos
elétrons.
7. O que mede a grandeza quantidade de matéria e qual
é o símbolo de sua unidade?
8. Por que os químicos adotaram a grandeza quantidade
de matéria para contar as entidades químicas, em vez
de simplesmente contá-las numericamente?
9. De acordo com a teoria atômica de Dalton, em 12 g de átomos de oxigênio existe a mesma quantidade de entidades
existentes em 12 g de carbono-12? Justifique a resposta.
16. (Uerj) O esquema a seguir representa a distribuição média
10. Em um mol de elétrons existem mais ou menos entidades do que o número de átomos que estão contidos
em 12 g de carbono-12? Justifique a resposta.
dos elementos químicos presentes no corpo humano.
126 átomos de hidrogênio
51 átomos de oxigênio
11. O número de entidades em um mol de elétrons é maior
ou menor do que o número de átomos em 12 g de carbono-12? Justifique a resposta.
19 átomos
de carbono
12. (PUC-RS) Atualmente, o termo “mol” é definido como:
a) a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os
átomos contidos em 0,012 kg de carbono-12.
b) a massa atômica ou molecular expressa em gramas.
c) um sinônimo de molécula-grama, átomo-grama ou
íon-grama.
d) a massa de qualquer substância que encerra 12 g
de carbono-12.
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T. PERIÓDICA
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3 átomos
de nitrogênio
1 átomo de qualquer outro elemento natural
Adaptado de: SNYDER, Carl H. The extraordinary chemistry of ordinary things.
New York: John Willey & Sons, Inc., 1997.
O elemento que contribui com a maior massa para a
constituição do corpo humano é:
a) carbono.
c) nitrogênio
b) oxigênio.
d) hidrogênio.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
19
Hely Demutti
O
químico é um profissional detalhista: característica necessária para quem lida com
átomos e moléculas. Muitas vezes, ele precisa saber as quantidades exatas das
substâncias com as quais trabalha, isto é, tem de determinar quantas entidades químicas
(átomos, moléculas, íons etc.) existem em certa porção de material.
O número de átomos presentes na amostra de 0,012 kg
de carbono-12 é dado por uma constante física que recebe o nome constante de Avogadro (NA), em homeNesse cálice, há 1 mol de água
nagem ao químico Amedeo Avogadro [1776-1856], que
(18 g). Se fôssemos contar as moléestabeleceu os fundamentos para sua criação. Como os
culas de água, quantas contaríamos?
átomos são entidades muito pequenas, o valor numérico
Essa quantidade (NA) é o que chamamos constante de Avogadro.
é muito grande. Como determiná-lo?
Como não podiam precisar o valor da constante
Valores da constante de Avogadro
de Avogadro, vários químicos e físicos (inclusive Albert
obtidos desde 1917
Einstein) propuseram métodos indiretos para determináAno da determinação
Constante de Avogadro
-lo. Como? Sabendo que muitas propriedades das substâncias dependem da quantidade de entidades químicas
23
–1
1917
6,062
⋅ 10 mol
(átomos, moléculas, íons etc.), apresentaram técnicas es1928
6,061
⋅ 1023 mol–1
pecíficas para medir tais propriedades e metodologias
1941
6,0245
⋅ 1023 mol–1
de cálculos as quais fornecem a constante de Avogadro,
23
–1
ou seja, o número de entidades presentes em um mol.
1949
6,02457 ⋅ 10 mol
23
–1
Existem vários métodos para determinação da constan1951
6,02544 ⋅ 10 mol
te de Avogadro, como o apresentado na próxima página.
1963
6,02278 ⋅ 1023 mol–1
Com a evolução tecnológica, as técnicas e os equipamen1976
6,0220941 ⋅ 1023 mol–1
tos foram aperfeiçoados, o que permitiu a determinação
2004
6,02214179 ⋅ 1023 mol–1
de valores mais precisos da constante de Avogadro, conFonte: MÓL, Gerson de Souza, O uso de analogias no ensino de Química. Brasília: UnB, 1999.
forme se observa na tabela ao lado.
<http://www.iop.org/EJ/abstract/0026-1394/40/5/010/>. Acesso em: 07 fev. 2010.
A Ciência na História
Hulton-Deutsch Collection/Corbis
A:      
L
orenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Queregna e di Cerreto nasceu
na cidade de Piemonte, reino de Sardenha (hoje Itália), em 9 de agosto de 1776.
O pai, Fillipo Avogadro, era advogado rico e famoso, com sólida carreira política.
Amedeo seguiu o caminho do pai, formando-se em Direito. Mas, definitivamente,
essa não era sua vocação. Tornou-se cientista e desenvolveu preciosos estudos em
Química e Física, mas não soube divulgar suas ideias. Isolado em seu laboratório,
Embora Avogadro não
não viajava e correspondia-se pouco com os colegas. Seus escritos careciam de britenha determinado o valor
lhantismo e simpatia, mesmo quando reportavam importantes descobertas expeda constante que recebe o
rimentais e ideias revolucionárias, como a hipótese dos gases, publicada em 1811.
seu nome, ele foi o lançador das bases teóricas para
Nesse trabalho, ensaio de uma maneira de determinar a massa relativa de moléculas
a determinação.
elementares dos corpos e as proporções entre eles nas combinações, Amedeo Avogadro defendeu a tese de que volumes de diferentes gases, nas mesmas condições de pressão e temperatura,
contêm igual número de moléculas. Tal afirmação ficou conhecida como “hipótese de Avogadro”.
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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
Hely Demutti
4 CONSTANTE DE AVOGADRO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
O cientista propôs que muitos gases são formados por moléculas as quais contêm mais de um átomo, por
exemplo, os gases hidrogênio (H2), oxigênio (O2) e cloro (Cl2). Sabendo que os gases hidrogênio e oxigênio
são constituídos por moléculas diatômicas e que a proporção de volumes desses gases para formar a água é de
dois para um, ele concluiu que a proporção entre seus átomos também seria essa, ou seja, a fórmula deveria
ser H2O e não HO, como era considerada até então. Mesmo com dificuldades para medir a massa dos gases,
Avogadro chegou à razão de 15,074 entre as massas dos átomos de oxigênio e hidrogênio, sendo a última
considerada igual a uma unidade. Ele não estabeleceu o valor da constante de Avogadro, mas lançou as bases
teóricas que possibilitaram a determinação. Por isso, em homenagem a ele, a constante recebeu o seu nome.
Amedeo Avogadro concluiu que, se volumes iguais contêm o mesmo número de moléculas, é possível determinar as massas moleculares relativas. Dessa forma, tornou possível explicar substâncias como o NH3, NO,
NO2, HCl, CO2 e SO2, demonstrando como predizer as fórmulas e as massas molares com grande precisão.
Avogadro faleceu em 9 de julho de 1856 e, embora não tenha sido reconhecido pelos cientistas da época, deixou bases importantíssimas para a Química moderna, sendo considerado um dos fundadores da
Físico-Química. Somente dois anos depois de sua morte, os colegas reconheceram o quanto sua hipótese
ajudava na resolução de problemas de Química.
Química na escola
V
1
2
3
4
5
6
7
8
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
Vídeo
Como é possível determinar a constante de Avogadro
Esse experimento é para ser feito em grupo na própria sala de aula, com materiais que você pode conseguir em casa.
Observe um pedaço de ferro ou a água contida em um copo. Temos a impressão de que a matéria é toda contínua. Será
que é mesmo? Faça a atividade a seguir e verifique tal ideia utilizando o “método científico” clássico: observe, elabore hipóteses, teste essas hipóteses e proponha uma teoria ou um modelo para guiar seu pensamento.
Materiais
• dois eletrodos de fio de cobre (encapado) de 2,5 mm de diâmetro
• cronômetro ou relógio
• bateria de 9 V (podem ser usadas quatro pilhas grandes
ou um eliminador de pilhas)
• duas seringas de 5 mL
• recipiente plástico transparente (ou o fundo de garrafa
de refrigerante)
• amperímetro ou multímetro (comprado em loja de
ferramentas)
• um pedaço de isopor para servir de suporte às
seringas
• um pouco de silicone ou parafina (vela)
• fios finos para as conexões
• solução de hidróxido de sódio a 10 g/L
1. Tapar as pontas das seringas com silicone ou parafina.
2. Fixar as seringas no suporte feito com um pedaço de isopor.
3. Colocar solução de hidróxido de sódio no recipiente até ¾ de
seu volume.
4. Encher também as seringas com solução e colocá-las no recipiente
plástico cuidadosamente, segurando-as pelo fundo (use luvas!), de
modo que não se formem bolhas de ar.
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seringas
NaOH 10 g/L
+
–
bateria de 6 V
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TABELAS
multímetro
isopor
J. Yuji
Procedimento
SEGURANÇA
21
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
5. Colocar os eletrodos de forma que as pontas fiquem sob a parte inferior da seringa.
6. Montar o circuito como mostrado na figura.
7. O valor da corrente (que deve ser constante durante todo o procedimento) deve ficar entre 100 e 30 mA. Para ajustá-lo, caso necessário, várias modificações podem ser feitas na montagem, por exemplo, a concentração da solução, o
tamanho da parte exposta dos eletrodos, a distância entre eles etc.
8. Ligar o circuito e disparar o cronômetro no mesmo instante.
9. Quando o volume de hidrogênio completar 5 mL, interromper o cronômetro e desligar o circuito.
10. Anotar os seguintes dados: temperatura ambiente (T), pressão atmosférica (P) – que pode ser obtida pelo
serviço de meteorologia –, volume de hidrogênio produzido (V) e tempo de eletrólise (t).
Destino dos resíduos
O hidróxido de sódio pode ser guardado para utilização em outras atividades práticas. Para ser descartado, precisa antes
ser neutralizado com algum ácido indicado pelo professor.
Análise de dados
Conhecendo o volume de hidrogênio produzido, pode-se, a partir da equação geral dos gases, determinar a quantidade de
matéria correspondente. A seguir, é apresentada equação simplificada que fornecerá o valor da constante de Avogadro, utilizando os dados obtidos nesse experimento.
NA = RT it mol–1 / 2P e V
Em que: NA é a constante de Avogadro;
t
é o tempo em segundos;
R
é a constante dos gases (8,3145 J/K mol);
P
é a pressão atmosférica em Pa (Pa = Jm –3);
T
é a temperatura em kelvin;
V
é o volume em m3;
i
é a corrente em ampères;
e
é a carga do elétron (1,6 ⋅ 10 –19 C, C = As).
1. Utilizando os dados obtidos e a equação acima, calcule o valor da constante de Avogadro. Caso não tenha sido possível
realizar o experimento, utilize os seguintes dados obtidos em laboratório:
T = 27 K, P = 88 393 Pa, t = 510 s, V = 5 ⋅ 10 –6 m3 (V = 5 mL).
2. Compare o resultado com os apresentados na tabela da página 20 e levante hipóteses para as possíveis diferenças observadas.
A constante de Avogadro não deve ser comparada a outras medidas, como a dúzia e
a centena, porque essas quantidades são definidas como números e não como grandezas
físicas. Uma dúzia corresponde a 12 unidades. Uma centena corresponde a 100 unidades.
Já a constante de Avogadro é definida como o número de átomos presentes em um mol
de carbono-12 (0,012 kg de carbono-12). Quanto é essa grandeza exatamente? Ao longo da História, o valor vem sendo determinado com precisão cada vez maior, mas nunca
chegaremos ao valor exato, porque a constante de Avogadro é obtida experimentalmente.
A unidade da constante de Avogadro (NA) é mol–1, ou seja, o número de entidades por mol.
Para efeito didático, não necessitamos ser tão precisos quanto os químicos. Assim, iremos considerar a constante de Avogadro como 6,02 ⋅ 1023 mol–1 em nossos cálculos químicos. Por isso, com o tempo, você guardará que:
1 mol = 6,02 · 1023 entidades (átomos, moléculas etc.).
Notação científica
Antes de estudarmos cálculos com a constante de Avogadro, vamos rever como se
expressam as medidas em notação científica.
Qual é a distância existente entre a Terra e a Lua? Qual é o tamanho de uma célula?
Você já deve ter percebido que a ciência lida com extremos. Para não manipular números
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
cheios de zeros, é mais prático utilizar a notação científica, uma forma de representação numérica que facilita a indicação de números grandes ou pequenos. Valores como
567000000 ou 0,000002341, por exemplo, podem ser expressos em notação científica
por 5,67 ⋅ 108 e 2,341 ⋅ 10 –6.
Em notação científica, os números são escritos com apenas um algarismo antes da vírgula e multiplicados por 10, elevados à potência correspondente.
Uma potência positiva indica o número de posições que a vírgula deverá ser deslocada para a direita, a fim de se obter o número em notação comum. Do mesmo modo, a
potência negativa indicará o número de vezes que a vírgula deverá ser deslocada para a
esquerda, a fim de fornecer o número em notação comum. Desse modo, quanto maior
a potência, maior será o número.
1
2
3
4
5
6
Uma molécula de água tem massa aproximada de 3 ⋅ 10 –26 kg.
A massa do Sol, estrela mais próxima do planeta Terra, é estimada em 1,99 ⋅ 1030 kg.
7
8
Fazendo cálculos com a constante de Avogadro
A partir da constante de Avogadro, podem-se fazer diversas conversões entre
quantidades expressas em número de entidades e em quantidade de matéria. Essas
conversões podem ser feitas por meio de regra de três ou por fatores de conversão.
Lembre-se de que:
1 mol = 6,02 ⋅ 1023 entidades.
Dividindo os dois lados da igualdade por 1 mol:
1 mol 6 , 02 ⋅ 1023 entidades
ou por 6,02 ⋅ 1023 entidades:
=
1 mol
1 mol
1 mol
6 , 02 ⋅ 1023 entidades
teremos os
=
23
6 , 02 ⋅ 10 entidades 6 , 02 ⋅ 1023 entidades
seguintes fatores de conversão:
1=
6 , 02 ⋅ 1023 entidades
1 mol
e 1=
1 mol
6 , 02 ⋅ 1023 entidades
Vejamos alguns exemplos de conversão.
1. Quantos átomos correspondem a 2 mol de átomos de ferro?
N = 2, 0 mol ⋅
Luminis/Shutterstock
Para resolver por fator de conversão, basta multiplicar a quantidade fornecida pelo
fator que converte quantidade de matéria (mol) em número de entidades.
6 , 02 ⋅ 1023 entidades
= 12, 0 ⋅ 1023 em notação científica
1 mol
1,2 ⋅ 1024 átomos de Fe
2. Qual é a quantidade de matéria correspondente a 18,06 · 1030 átomos de enxofre?
n = 18 , 06 ⋅ 1030 átomos ⋅
1 mol
= 3 ⋅ 107 mol
6 , 02 ⋅ 1023 átomos
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TABELAS
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Por meio da constante de
Avogrado podemos calcular, por exemplo, a quantidade de átomos de ferro
em uma panela de ferro.
23
3. Qual é o número de moléculas existente em 2,5 mol de hidrogênio?
N (H2 ) = 2, 5 mol
mol H2 ⋅
6, 02 ⋅ 1023 moléculas H2
= 15, 05.1023 moléculas de H2
1 mol H2
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
= 15,05 ⋅ 1023, em notação científica, 1,505 ⋅ 1024 moléculas H2
4. Qual é a quantidade de matéria correspondente a 1,0 ⋅ 1028 moléculas de H2O?
N (H2 O) = 1
1,, 0 ⋅10
⋅ 1028 moléculas H2 O ⋅
1 mol H2 O
6, 02 ⋅ 1023 moléculas H2 O
= 0,166 ⋅ 105 mol H2 O
= 0,166 ⋅ 105, em notação científica, 1,66 ⋅ 104 moléculas H2O
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
6. Calcule o número de átomos de cada elemento químico
1. Que relação há entre a constante de Avogadro e o mol?
existente nas seguintes quantidades de substâncias:
a) 0,8 mol de sulfato de alumínio [Al2(SO4)3].
b) 1,5 mol de fosfato de cálcio [Ca3(PO4)2].
c) 1,02 ⋅ 1025 moléculas de álcool etílico (C2H5OH).
d) 18 ⋅ 1023 fórmulas mínimas de ferrocianeto de potássio [K4Fe(CN)6].
2. Você acha que o valor da constante de Avogadro no
ano de 2100 será o mesmo de hoje? Por quê?
3. Por que pode haver mudanças no valor da constante
de Avogadro, enquanto o valor da dúzia, por exemplo,
não varia?
4. O suplemento vitamínico mineral é um medicamento para
7. Calcule o tempo necessário para nascer um mol de
uso durante a gravidez e a lactação, períodos de grande
atividade fisiológica, com o aumento das necessidades
nutricionais diárias. Em certa massa desse suplemento,
existem as seguintes quantidades de sais minerais:
pessoas, considerando que a taxa de natalidade
mundial atual está em torno de 3 pessoas por segundo. Compare o valor encontrado com a idade da
Terra, que é estimada em 5 000 000 000 de anos.
1,5 ⋅ 1022 fórmulas mínimas de carbonato de cálcio (CaCO3)
8. O enxofre (S) é um elemento classificado como não me-
2,0 ⋅ 10 –3 mol de magnésio (Mg)
tálico. É essencialmente pela presença de seus átomos
nos combustíveis que existe o fenômeno das chuvas
ácidas. Quantos átomos de enxofre existem em 16 mol
de enxofre?
5,4 ⋅ 1017 fórmulas mínimas de iodeto de potássio (KI)
0,001 mol de ferro (Fe)
1,35 ⋅ 1017 fórmulas mínimas de óxido de cobre (CuO)
9. A substância peróxido de hidrogênio (H2O2), mais conhe-
2,6 ⋅ 10 –6 mol de molibdênio (Mo)
cida como água oxigenada, é instável e se decompõe
formando água e oxigênio. Esse oxigênio liberado reage com a melanina (pigmento que dá cor aos cabelos),
quebrando as moléculas e alterando a cor dos fios.
Uma pessoa que deseja descolorir os cabelos utilizou
0,588 ⋅ 10 –1 mol de água oxigenada. Determine o número de moléculas que ela aplicou nos cabelos.
1,8 ⋅ 1020 fórmulas mínimas de óxido de zinco (ZnO)
3,16 ⋅ 10 –5 mol de selênio (Se)
1,99 • 1019 fórmulas mínimas de sulfato de manganês (MnSO4)
Para essa quantidade de suplemento, calcule:
a) o número de átomos de Mg, Fe, Mo e Se.
b) a quantidade de matéria de fórmulas mínimas das seguintes substâncias: CaCO3, KI, CuO, ZnO e MnSO4.
10. De acordo com os conceitos de mol e a constante de
Avogadro, julgue os itens abaixo, marcando C para os
corretos e E para os errados.
1) Um mol de átomos de magnésio contém o mesmo
número de átomos que um mol de átomos de sódio.
2) Um mol de água (H2O) contém 6,02 ⋅ 1023 átomos.
3) O padrão de medida para a quantidade de matéria
é o oxigênio-16, por ser mais estável e abundante
que o carbono.
5. Determine o número de átomos presentes nas quantidades de matéria abaixo:
a) 0,550 mol de ouro (Au).
b) 15,8 mol de cobre (Cu).
c) 0,27 mol de alumínio (Al).
d) 2,88 ⋅ 1018 mol de gás oxigênio (O2).
e) 1,25 ⋅ 1026 mol de ferro (Fe).
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
4) O número de moléculas de gás cloro contidas em
1,75 mol corresponde a 10,5 ⋅ 1024 moléculas.
5) Em 3,08 ⋅ 10 –1 mol de água estão presentes aproximadamente 1,85 ⋅ 1023 moléculas.
12. (UFU-MG) Assinale a alternativa que contém o maior
número de átomos.
a) 3,5 mol de NO2.
b) 1,5 mol de N2O3.
c) 4 mol de NO.
d) 1 mol de N2O5.
1
11. Em 3,0 mol de HCl e 5,0 mol de F2, existem, respectivamente: 13. Em 250 mL de água de coco, há 20 mg de cálcio,
Dado: constante de Avogadro: 6,02 · 1023.
a) 1,8 ⋅ 1024 moléculas e 3,01 ⋅ 1024 moléculas.
b) 3,0 ⋅ 1023 moléculas e 5,0 ⋅ 1023 moléculas.
c) 1,8 ⋅ 1024 moléculas e 3,01 ⋅ 1024 átomos.
d) 1,8 ⋅ 1024 átomos e 3,01 ⋅ 1024 moléculas.
e) 6,02 ⋅ 1023 moléculas e 12,04 ⋅ 1023 moléculas.
2
23 mg de sódio e 156 mg de potássio, além de componentes químicos. A soma do número de átomos de cálcio, sódio e potássio existentes nesse volume de água é:
a) 3,3 ⋅ 1024 átomos.
d) 3,3 ⋅ 1021 átomos.
b) 2,6 ⋅ 1022 átomos.
e) 4,0 ⋅ 1023 átomos.
c) 1,5 ⋅ 1021 átomos.
3
4
5
6
7
5 MASSA ATÔMICA, MOLECULAR E MOLAR
8
Pense
Qual é a massa de um átomo de carbono-12?
s recipientes que você vê nas fotos abaixo, com diferentes substâncias, têm algo
em comum. Você sabe dizer o que é?
Hely Demutti
O
Cloreto de ferro (III) 270,3 g
Permanganato de potássio 158 g
Cloreto de sódio 58,5 g
Sulfato de cobre 249,7 g
Nitrato de cobalto 291 g
Iodeto de potássio 166 g
1 mol de diferentes sais. Para cada substância, temos igual número de constituintes, mas diferentes massas.
Como você já sabe, o padrão utilizado para a determinação das massas dos átomos dos diferentes elementos químicos é o carbono-12. As substâncias mostradas aqui, embora em volume
e massa diferentes, apresentam algo em comum: a quantidade de matéria é igual a um mol.
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SEGURANÇA
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UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
Utilizamos, em Química, três tipos de massa: atômica, molecular e molar.
A massa dos átomos é dada pela massa atômica. Como os elementos químicos
possuem átomos com mais de um valor de massa, a grandeza massa atômica é obtida
pela média ponderada das massas dos átomos dos elementos químicos encontrados
na natureza. Seu símbolo é ma, em que a letra a deve ser substituída pelo símbolo do
elemento em questão. Esses valores, como Dalton já havia sugerido no início do século
passado, são relativos. Sua definição é:
Massa atômica (ma) de um elemento químico é a massa média ponderada de
seus átomos encontrados na natureza.
Como os valores de massa atômica são pequenos demais, difíceis de trabalhar, os químicos resolveram definir uma unidade específica para a massa de átomos. Essa unidade de
medida da grandeza massa foi estipulada como igual a um doze avos (1/12) da massa de um
átomo de carbono-12 e recebeu o nome unidade de massa atômica, cujo símbolo é u.
1 unidade de massa atômica (u) = 1/12
da massa de um átomo de carbono-12.
Pense
Qual é o valor da massa de um átomo de carbono-12 em unidades de massa atômica?
O valor da massa, em gramas, de um átomo de qualquer elemento químico pode ser
obtido pela divisão da massa molar (massa de um mol da substância) pela constante de
Avogadro (veja a tabela a seguir).
VALORES DE MASSA ATÔMICA DE ALGUNS ELEMENTOS QUÍMICOS
Massa de 6,02 ⋅ 1023 átomos
Elemento químico
Massa de um átomo
Carbono (C)
12,0 g
19,9 ⋅ 10 –24 g
Hidrogênio (H)
1,0 g
1,66 ⋅ 10 –24 g
Hélio (He)
4,0 g
6,6 ⋅ 10 –24 g
Magnésio (Mg)
24,3 g
40,3 ⋅ 10 –24 g
Mercúrio (Hg)
200,6 g
332 ⋅ 10 –24 g
Pense
Qual é a relação de igualdade (fator de conversão) entre a unidade grama (g) e a unidade de massa atômica (u)?
A partir da relação entre as duas unidades de medida da massa, é possível converter o valor da massa de qualquer átomo de gramas para unidade de massa atômica,
ou vice-versa.
A maioria das substâncias é formada por grupos de átomos em proporções bem
definidas, os quais chamamos constituintes. Cálculos envolvendo as substâncias são
feitos considerando-se a massa dos constituintes, que é denominada massa molecular. Esse termo também é utilizado para substâncias que têm constituintes amoleculares, por exemplo, os sais. Portanto, massa molecular refere-se à massa da entidade da
qual uma substância é feita, que pode ser de uma molécula ou de uma fórmula mínima.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
A massa molecular e a massa atômica têm como símbolo ma e são expressas em unidades de massa atômica – u. A letra a é substituída pelo símbolo do elemento químico
ou pela fórmula da substância. A massa molecular corresponde ao somatório das massas
atômicas dos átomos constituintes da substância. A definição é:
1
Massa molecular (mola) é a soma das massas atômicas dos átomos do constituinte de
uma substância, podendo representar a massa de uma molécula ou de uma fórmula mínima.
2
A massa atômica e a massa molecular são pouco utilizadas, porque não trabalhamos
com átomos e moléculas e, sim, com quantidades maiores. Entretanto, estas são importantes por lidarem com a dimensão atômica e já começam a ter aplicação prática graças
a um novo ramo da ciência, a Nanotecnologia, relacionada com a manipulação da matéria molecular, visando à criação de novos materiais, substâncias e produtos, com precisão
de átomo a átomo.
Para lidar com quantidades macroscópicas, utilizamos a massa molar
molar, que se refere
à massa de um mol de entidades. Essas poderão ser átomos (55,8 g/mol Fe), moléculas
(18 g/mol H2O) ou grupamento de íons (57,5 g/mol NaCl). Ela representa a massa da numerosidade igual ao número de átomos presentes em 12 g de carbono-12, ou seja, em
um mol. Sua definição é:
4
3
5
6
7
8
Atualmente, para determinar a massa molar de uma substância, os químicos utilizam
equipamentos chamados espectrômetros de massas. Como equipamentos desse tipo não
estão disponíveis em escolas do Ensino Médio, vamos fazer cálculos teóricos fundamentados no método utilizado por químicos para a elaboração das primeiras tabelas de massa
molar. Os valores de massa das substâncias podem ser calculados com base nas quantidades que reagem com uma massa conhecida de carbono ou outra substância, cuja massa
molar já foi determinada.
A massa molar de uma substância é numericamente igual à sua massa molecular, mas
difere em unidade: a massa molar é dada em gramas por mol (g/mol) e a massa molecular é dada em unidade de massa atômica (u).
Analisando as reações químicas e tendo conhecimento da estrutura atômica da matéria, é possível encontrar a relação entre as quantidades de massa das substâncias envolvidas nas reações. Como exemplo, podemos citar a formação da água:
Para calcular a massa
molecular da água, soma-se a massa dos dois
átomos de hidrogênio
com a massa do átomo de
oxigênio.
Carolina K. Smith MD/Shutterstock
Massa molar (M) é a massa de um mol da substância.
2H2(g) + O2(g) ( 2H2O(l)
Se conhecermos os valores de massa molar de uma ou mais substâncias envolvidas
numa reação, teremos condição de calcular a massa molar das demais.
A massa molar da substância hidrogênio é igual à massa molar do hidrogênio multiplicada por dois, visto que as moléculas possuem dois átomos:
M(H2) = 2 ⋅ 1 g/mol ( M(H2) = 2 g/mol
Para a substância oxigênio, teremos o mesmo:
M(O2) = 2 ⋅ 16 g/mol ( M(O2) = 32 g/mol
A água é formada por moléculas que possuem dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio (H2O). A massa molar será:
M(H2O) = 2M(H) + M(O) = 2 ⋅ 1 g/mol + 16 g/mol = 18 g/mol
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TABELAS
SEGURANÇA
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Similarmente, a massa molecular da água será:
M(H2O) = 2M(H) + M(O) = 2 ⋅ 1 u + 16 u = 18 u
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
Para calcular a massa molecular da água, soma-se a massa dos dois átomos de
hidrogênio com a massa do átomo de oxigênio.
Na tabela a seguir, apresentamos uma série de dados obtidos experimentalmente.
Observe como se pode determinar, por meio de cálculos simples, a massa molar dos elementos químicos (1 mol de átomos desse elemento). Considerando que a massa molar
do monóxido de carbono é 28,00 g e que a massa molar do carbono é 12 g, obtemos
a massa molar do oxigênio: 16 g. Veja a tabela abaixo.
DETERMINAÇÃO DA MASSA MOLAR DE ALGUNS ELEMENTOS QUÍMICOS
Substância formada
Substância
simples
Nome
Fórmula
Massa molar
Massa do elemento
de referência
Oxigênio
monóxido de carbono
CO
28,00 g
12 g de C
Magnésio
óxido de magnésio
MgO
40,30 g
16 g de O
Hidrogênio
água
H2O
18,02 g
16 g de O
Nitrogênio
dióxido de nitrogênio
NO2
46,50 g
32 g de O
Ferro
óxido de ferro
FeO
71,85 g
16 g de O
Alumínio
óxido de alumínio
Al2O3
101,96 g
48 g de O
No passado, alguns enganos foram cometidos por não serem conhecidas as fórmulas
exatas de muitas substâncias. Hoje, com o avanço da Química e a tecnologia existente, é
possível estabelecer a massa molar das substâncias com grande precisão.
Pense
Com base nos valores da tabela, calcule a massa molar dos seguintes elementos químicos: magnésio, hidrogênio,
nitrogênio, ferro e alumínio.
6 VOLUME MOLAR
G
rãos diferentes de cereais ocupam volumes diferentes. Da mesma forma, quantidades de espécies químicas, sólidas ou líquidas, iguais em número, ocupam diferentes volumes. Cuidado: essa analogia entre átomos e cereais serve para sólidos e
líquidos, mas não se aplica aos gases.
Quando a quantidade de matéria da substância equivale a 1 mol, chamamos o volume ocupado de volume molar, que é definido da seguinte forma:
Volume molar (Vm) é o volume ocupado por um mol de uma substância.
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
O volume molar de qualquer gás depende das condições em que ele se encontra.
Assim, é muito importante, quando nos referirmos ao volume molar, especificarmos
a temperatura e a pressão em questão.
Como o volume normalmente varia com a pressão e a temperatura, para que seja possível comparar dados de diferentes substâncias, é necessário estabelecer valores de referência para pressão e temperatura.
Foram definidas como referência a temperatura de 273,15 kelvin (0 °C) e a pressão de
100000 pascals (1 atm), valores denominados condições normais de temperatura e
pressão (CNTP).
1
2
3
4
5
Condições normais de temperatura e pressão – CNTP
6
T = 273,15 K ou t = 0 °C
7
P = 100 000 Pa
8
Pa = 1 bar = 0,9869 atm = 750,06 mmHg
Os gases, diferentemente dos sólidos e dos líquidos, são muito afetados por variações de temperatura ou de pressão. Amedeo Avogadro, que trabalhou com vários gases,
percebeu isso: ele notou que iguais quantidades de matéria de diferentes gases ocupam
volumes iguais. Posteriormente, determinou-se que 1 mol de qualquer gás, nas CNTP,
ocupa um valor igual a 22,71 L.
O volume molar (Vm ou Vm) de qualquer gás nas CNTP é igual a 22,71 L.
O valor de 22,71 L para volume molar é obtido considerando-se a pressão de
cem mil pascals (100 000 Pa) e a temperatura igual a 273,15 kelvin (0°C). Você encontrará livros e questões de vestibulares antigos que, no entanto, apresentam o
volume molar como 22,4 L, por considerar a antiga definição de pressão-padrão
igual a 1 atm (101 325 Pa).
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Para responder às questões, caso necessário, consulte
os dados de massa atômica na tabela periódica no final
do livro.
1. Qual é a diferença entre massa molecular e massa molar?
2. (EE Mauá-SP) Uma vez que as massas atômicas do oxigênio e do sódio são, respectivamente, 16 e 23, então
a massa de 23 átomos de oxigênio é a mesma que a
de 16 átomos de sódio.
Essa afirmativa é verdadeira ou falsa? Justifique.
3. Quais são os fatores que interferem no volume molar
de um gás?
4. Anfetamina ou benzidrina (C9H11NH2) é uma droga que
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Fe
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a
provoca dependência química. A partir da fórmula molecular, dê a massa molecular e a massa molar.
5. O açúcar usado em casa contém sacarose (C12H22O11),
substância vital para as necessidades básicas humanas. É metabolizada pelo organismo rapidamente e
é muito energética. No entanto, por ser muito calórica, algumas pessoas, por motivos estéticos ou
de saúde, devem evitar sua ingestão.
a) Calcule a massa molecular e molar da sacarose.
b) A sacarose e outros açúcares são substituídos por
adoçantes artificiais. Pesquise o nome de alguns
adoçantes mais comuns e quais são as consequências do uso desses produtos.
B
c D
E
GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
29
6. O sulfato de alumínio [Al2(SO4)3] é uma substância, des- 10. Clostridium botulinum é a bactéria que provoca in-
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
de a Antiguidade, usada para o tratamento da água.
Essa substância provoca a aglutinação da matéria
suspensa, formando flocos mais densos que a água
e que se sedimentam no fundo dos tanques de tratamento. Calcule a massa molecular e a massa molar
dessa substância.
toxicação alimentar, o botulismo. Ela produz a toxina chamada botulina, muito utilizada com o nome
Botox em tratamentos estéticos para minimizar rugas e linhas de expressão da face. Para evitar intoxicação, não consuma conservas alimentícias vindas
de lata estufada ou que tenham odor de ranço, característico da formação do ácido butílico (H8C4 O2).
Considerando essas informações e seus conhecimentos, responda.
a) Se a toxina botulina é tão grave para a saúde, como se explica a utilização em tratamento
estético?
b) Para o homem, a dose letal (DL 50 ) da ingestão
de botulina é de cerca de 1 mg. A que quantidade de matéria de ácido butílico corresponde
essa dose?
7. Certos minerais têm resistência ao serem riscados por
outro material. Essa propriedade é chamada dureza.
O mineral de menor dureza tem o valor 1 e o de maior
dureza tem o valor 10. Observe, em alguns minerais,
a dureza e a fórmula molecular.
Dureza
Mineral
Fórmula
1
Talco
Mg3Si4O10(OH)2
2
Gipsita
CaSO42 H2O
5
Apatita
Ca5(PO4)3(OH)
9
Coríndon
Al2O3
11. Consultando a tabela de valores de massa atômica,
calcule a massa molecular das seguintes substâncias:
a) ácido sulfúrico (H2SO4);
b) hidróxido de cálcio [Ca(OH)2];
c) fosfato de cálcio [Ca3(PO4)2];
d) álcool etílico (C2H5OH);
e) ferrocianeto de potássio [K4Fe(CN)6];
f) cloreto de bário di-hidratado (BaCl2 ⋅ 2H2O).
a) Consultando a tabela periódica, como você representaria a massa atômica de cada elemento,
a massa molecular e a massa molar de cada substância encontrada no quadro acima?
b) Se riscarmos o talco com a gipsita, qual deixará
o traço sobre o outro?
c) Qual mineral não deixa o traço em nenhum dos
outros minerais citados acima?
12. As medidas são necessárias à sociedade. No caso de
átomos e moléculas, julgue os itens em C para os
corretos e E para os errados:
1) Sabendo que a massa atômica da prata é igual a
108 u, podemos afirmar que um átomo de prata
pesa 108 vezes mais que o átomo de 12C.
2) A massa molecular é numericamente igual à
soma das massas atômicas de todos os átomos
da molécula.
3) Para lidar com quantidades mais significativas,
utiliza-se a massa molecular, que se refere à massa de um mol de entidades.
4) O volume molar de um gás é o volume ocupado
por um mol desse gás, a uma determinada pressão e temperatura, ou seja, o volume é diretamente proporcional à quantidade de matéria de
um gás.
5) Para sólidos e líquidos o volume molar depende,
entre outras coisas, da natureza, da substância,
mas para gases ele só dependerá das condições
da temperatura, qualquer que seja a natureza
do gás.
8. Se a escala de massa atômica tivesse sido definida diferentemente, em que 1 (um) átomo de 126C tivesse
massa no valor de 100 u, isso teria algum efeito sobre
a constante de Avogadro? Explique.
9. Conservantes são substâncias que impedem ou retardam as alterações dos alimentos, provocadas por
micro-organismos ou enzimas. Como conservantes
antimicrobianos são utilizadas as substâncias: nitrito
de sódio (NaNO2), nitrito de potássio (KNO2), nitrato
de sódio (NaNO3 ) ou nitrato de potássio (KNO3 ). Por
lei, no Brasil, o limite máximo desses conservantes é
de 0,20% em massa.
a) Com a tabela periódica em mãos, calcule as massas molares desses conservantes.
b) Quantos gramas de cada tipo de conservante podem ser adicionados a 1 quilograma de salsicha?
c) A que quantidade de matéria de cada sal corresponde essa massa?
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
7 CONVERSÕES NO CÁLCULO
ESTEQUIOMÉTRICO
1
O
s químicos normalmente utilizam as grandezas massa, quantidade de matéria e
volume para medir os materiais. Vejamos as principais relações que, em geral, são
estabelecidas entre as grandezas que expressam quantidades.
2
3
4
Relação entre quantidade de matéria e massa
5
A conversão de quantidade de matéria (n) para massa (m) é feita pela massa molar (M). Assim, por exemplo, a massa
molar da água é 18 g/mol, o que significa:
18 g de H2O = 1 mol de H2O
Dessa igualdade podemos obter outras duas:
a. dividindo-se os dois termos por 1 mol de H2O; ou
b. dividindo-se os dois termos por 18 g de H2O.
Assim, teremos os seguintes fatores de conversão:
1 mol H2O
18 g H2O
a)
=1
=1
b)
18 g H2O
1 mol H2O
6
7
8
O primeiro fator de conversão transforma quantidade de matéria em massa. O segundo transforma massa em quantidade de matéria. Para isso, basta multiplicar a grandeza que se quer converter pelo respectivo fator de conversão. Veja os
exemplos a seguir:
1. Qual é a massa de 1,5 mol de água?
18 g H2O
m (H2O) = 1, 5 mol H2O ⋅
= 27 g H2O
1 mol H2O
2. Qual é a quantidade de matéria (n) existente em 63 g de água?
1 mol H2O
n (H2O) = 63 g H2O ⋅
= 3, 5 mol H2O
18 g H2O
Relação entre quantidade de matéria e volume de gases
Wildcat78/Dreamstime
Do mesmo modo que usamos a massa molar (M) como fator de conversão, o volume molar (Vm) também é empregado como
fator para transformar volume de um gás em quantidade de matéria ou vice-versa, conforme demonstrado abaixo:
22, 71 L
=1
1 mol (g) = 22,71
1 mol L (CNTP)
Conhecendo o volume
do balão, pode-se calcu1 mol
22, 71 L
=1
=1
a)
b)
lar a quantidade de maté22
,
71
L
1 mol
ria e a massa do gás que
1. Qual 1é mol
o volume
ele contém.
= 1 ocupado por 5 mol de gás hidrogênio nas CNTP?
22, 71 L
22, 71 L H2
V (H2 ) = 5 mol H2 ⋅
= 113, 55 L H2
1 mol H2
2. Que quantidade de matéria de oxigênio ocupa o volume de 68,13 L nas CNTP?
)
V ( O2 = 68 ,13 L O2 ⋅
OD
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a
1 mol O2
= 3 mol O2
22, 71 L O2
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TABELAS
SEGURANÇA
31
Exercícios
UNIDADES UTILIZADAS PELO QUÍMICO
1.
2.
3.
4.
5.
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Para responder às questões, caso necessário, consulte os
dados de massa atômica na tabela periódica no fim do livro.
A benzedrina é um remédio utilizado por pacientes
que sofrem de depressão. A dose diária indicada é
de 10 mg de benzedrina (C9H13N). Empregando os
dados da tabela periódica, calcule:
a) a massa molar da benzedrina.
b) a quantidade de matéria de benzedrina que se encontra nos 10 mg.
A cafeína é um excitante do sistema nervoso, portanto
beber café é desaconselhável a pessoas nervosas e excitáveis. O Comitê Olímpico Internacional (COI) proíbe altas
doses de cafeína. Atletas olímpicos com mais de 12 mg
de cafeína por mL de urina podem ser desqualificados da
competição. Agora responda às questões a seguir, sabendo que a fórmula molecular da cafeína é C8H10O2N4H2O.
a) Calcule a massa molar da cafeína.
b) Qual seria a quantidade de matéria de cafeína encontrada em 12 mg de cafeína?
c) Em quais produtos podemos encontrar a cafeína?
d) Pesquise os pontos positivos e negativos da cafeína
na alimentação diária do ser humano.
O boro (B) é encontrado em alimentos como frutas, verduras e legumes em quantidades muito pequenas. É ótimo
para a prevenção contra a osteoporose. São recomendados 3 mg diariamente. Mas deve-se tomar cuidado ao ingerir cápsulas de 3 mg de borato de sódio (Na3BO3), pois
podem aumentar a produção de estrogênio e testosterona
(hormônios sexuais feminino e masculino).
a) Em que situações é aconselhada a ingestão de cápsulas de borato de sódio?
b) Qual seria a quantidade de matéria de boro em 3 mg?
O óxido de zinco (ZnO) é muito útil em preparados
cosméticos, pois tem propriedades antimicrobianas e
cicatrizantes, além de servir como bloqueador solar. Se
prepararmos bloqueador caseiro e acrescentarmos 10 g
de óxido de zinco pulverizado, qual seria a quantidade
dessa matéria encontrada nesse bloqueador solar?
Algumas pessoas usam produtos que dão à pele a tonalidade bronzeada, sem precisar tomar sol. Neles, há
uma substância chamada DHA ou di-hidroxiacetona
(C3H6O3). O bronzeamento é a combinação química
entre o DHA e a ceratina (proteína encontrada na
pele). A seguir responda:
a) quais as vantagens de se utilizar esse produto?
b) qual seria o número de moléculas de DHA encontradas
em um recipiente de aproximadamente 120 g desse
produto?
32
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T. PERIÓDICA
6. O ácido sulfúrico (H2SO4) é um líquido incolor, oleoso e
muito corrosivo. Apesar de amplamente utilizado na fabricação de fertilizantes, filmes, explosivos, acumuladores
de baterias e refino de petróleo, o seu contato com a pele
pode provocar a destruição dos tecidos, ao ser inalado,
causa danos às vias respiratórias do organismo. Qual é a
massa, em gramas, existente em 5 mol dessa substância?
Dados: S = 32 g/mol; H = 1 g/mol; O = 16 g/mol.
a) 480 g.
c) 290 g.
e) 490 g.
b) 190 g.
d) 580 g.
7. Uma pessoa utiliza 0,5 mol de açúcar (C12H22O11) para
adoçar uma garrafa de café. A quantidade de açúcar
que deve ser colocada na garrafa é:
Dado: massa molar do açúcar = 342 g/mol
a) 330 gramas. c) 165 gramas.
e) 150 gramas.
b) 171 gramas. d) 140 gramas.
8. O elemento oxigênio encontra-se na atmosfera na forma
de gás oxigênio (O2) e de gás ozônio (O3). O gás oxigênio
é o segundo componente mais abundante do ar atmosférico. Ele corresponde a 21% do volume do ar seco e
sem poluentes. É impossível a sobrevivência da maioria
dos seres vivos sem oxigênio. Qual o volume ocupado
por 5 mol desse gás nas CNTP?
Dado: volume molar = 22,71 L nas CNTP.
9. Para você temperar a carne, são necessários condimentos que a conservem. O alho é importante porque contém uma substância, denominada alicina (C6H10OS2), que
atua como conservante, inibindo a ação das enzimas que
aceleram a decomposição da carne. O cravo-da-índia, por
exemplo, contém uma substância conservante, denominada eugenol [C3H5C6H3(OH)OCH3 ], que possui ação antioxidante, prevenindo o ranço (produto da reação entre o
oxigênio e a gordura da carne) e evitando o aparecimento
de bolor. Com os seus conhecimentos, julgue os itens,
marcando C para os corretos e E para os errados.
1) Os conservantes e antioxidantes naturais são menos
propensos a causar doenças como o câncer no ser
humano.
2) As massas molares da alicina e do eugenol são 164
e 162 g/mol, respectivamente.
3) Em 1 mol de alicina existe menor quantidade de
átomos que em 1 mol de eugenol.
4) Normalmente, reações provocadas pela ação do ar,
da luz, do contato com metais etc. deixam o alimento com cheiro ruim característico e impróprio
para o consumo. O antioxidante serve para retardar
essa reação.
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
ER
Grandezas físicas
1
Exercícios de revisão
2
b Nas Ciências, os atributos (características) de componentes do Universo que podem ser medidos são
chamados grandezas físicas.
3
Massa atômica
4
b Vários padrões de medidas de massa atômica dos átomos foram utilizados ao longo da história das
Ciências. A primeira substância utilizada como padrão para determinar a massa de outras substâncias
foi o hidrogênio.
b Desde 1957, a Iupac definiu o carbono-12 (por ser mais estável e abundante) como o padrão para se
determinar a massa dos átomos. Por convenção, a massa de um átomo de carbono-12 corresponde
a 12 u. Assim, uma unidade de massa atômica corresponde a 1/12 do carbono-12, ou seja, 1/12 do
carbono-12 corresponde a 1 unidade de massa atômica. Como a maioria das substâncias é formada por grupamentos de átomos, o cálculo da massa dos constituintes é feito considerando a massa
de cada átomo. Essa massa final é denominada massa molecular, logo a massa dos constituintes
representa a massa de uma molécula ou de uma fórmula mínima. Por exemplo, no caso do NaCl a
fórmula mínima é 36,5 u. Considera-se a massa do sódio (Na) igual a 23,0 u e a do cloro (Cl) 35,5 u.
5
6
7
8
Quantidade de matéria
b Na Química, utiliza-se a numerosidade como a grandeza física para medir numericamente entidades
como átomos, íons ou moléculas. A quantidade de matéria (n) é uma grandeza de numerosidade e a
unidade de medida é o mol.
Constante de Avogadro
b O número de átomos presentes em uma amostra de 0,012 kg de carbono-12 é dado por uma constante física que recebe o nome constante de Avogadro (NA), em homenagem ao químico Amedeo
Avogadro [1776-1856]. Dessa forma: 1 mol contém 6,02 ⋅ 1023 entidades (átomos, moléculas etc.).
Massa molecular e massa molar
b A massa atômica de um elemento químico é a média ponderada das massas dos átomos desse elemento. No caso de moléculas ou íons, a massa molecular corresponde à soma das massas dos átomos
que os constituem. No entanto, quando se faz necessário trabalhar com valores maiores, aplicamos o
conceito de massa molar: a massa de um mol do elemento ou da substância. A massa molar (M) de
uma substância é numericamente igual a sua massa molecular, mas difere na unidade: a massa molar é dada em gramas por mol (g/mol) e a massa molecular é dada em unidade de massa atômica (u).
Volume molar
b O volume molar de um gás corresponde ao volume ocupado por um mol de uma substância. Nesse
caso, precisamos considerar as condições de pressão e temperatura, pois um gás sofre mudanças
quando essas variáveis se alteram. Assim, o volume molar de qualquer gás, nas CNTP, é igual a 22,71 L.
Relações de correspondência
b 1 mol = 6,02 · 1023 entidades;
1 mol de um gás (CNTP) = 22,71 L.
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TABELAS
SEGURANÇA
33
Capítulo 2
CÁLCULOS QUÍMICOS
CÁLCULOS
QUÍMICOS
Como calcular quantidades de reagentes e produtos em uma reação química?
Como usar produtos químicos corretamente?
Tema em foco
Tema
PRODUTOS QUÍMICOS DOMÉSTICOS: PERIGO DISFARÇADO
&
QS
S
Química e
Sociedade
Produtos químicos não existem somente nos laboratórios industriais. Milhares deles são utilizados na vida cotidiana, o seu emprego adequado contribui para melhorar a qualidade de vida.
Pense
Existem perigos no uso de produtos químicos domésticos?
Hely Demutti
Alguns produtos químicos domésticos muito consumidos são: produtos de limpeza e higiene
pessoal, inseticidas, remédios,
alvejantes, desinfetantes, álcool, cloro, soda caústica, formaldeído, refrigerantes, colas,
vernizes, esmaltes, xampus, hidratantes, combustíveis. Quais
desses você utiliza?
Existem pelo menos mais de 20 milhões de substâncias diferentes e aproximadamente
150 mil delas fazem parte do nosso cotidiano. Xampus, sabonetes, brinquedos, roupas,
produtos de limpeza são apenas alguns exemplos de formas de utilização dessas substâncias. No entanto, a maioria delas não passou por testes adequados para estudo do
impacto no ambiente e na saúde humana. Alguns dos riscos associados à utilização de
produtos químicos e substâncias são conhecidos e incluem doenças, como o câncer, as
disfunções hormonais, as alergias, os problemas respiratórios etc.
O perigo vem cercado da desinformação. Quando nós, consumidores, adquirimos
produtos em supermercados e lojas, muitas vezes, sem saber, passamos a conviver com
muitos riscos, em virtude da falta de clareza quanto aos perigos envolvidos no uso. Esses
perigos vão desde alterações ambientais até ameaças à nossa saúde, tanto pelo uso quanto pelo descarte dos resíduos.
Uma pesquisa publicada no jornal Diário do Nordeste, de 29 de dezembro de 2001,
revela um fato assustador: 47% das emergências por intoxicação são causadas por
produtos agrícolas ou domésticos. Esses resultados foram obtidos com base no estudo de 6297 casos de emergência toxicológica, registrados no período de 1998 a
2000. Segundo esse estudo, 36% das intoxicações foram provocadas por praguicidas. Cerca de 20% das vítimas eram crianças na faixa de 1
a 5 anos, atraídas pelos rótulos coloridos de produtos de
limpeza. Mas a faixa etária mais atingida é a que está entre os 21 e 35 anos, com 25,6% dos casos.
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SEGURANÇA
Atitude sustentável
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Hely Demutti
3
4
5
Não deixe produtos
químicos ao alcance
de crianças. Muitos acidentes acontecem pela falta de lugar adequado para
guardar remédios e outros
produtos químicos.
6
7
8
Infográfico
alcance de crianças os medicamentos, as bebidas alcoólicas e os produtos de limpeza.
b Não pratique automedicação, pois qualquer tipo de medicamento pode ser perigoso.
b Não permaneça em locais onde houve aplicação de produtos químicos com odor forte, como inseticidas, tintas,
vernizes, sinteco, colas etc.
b Antes de retornar a locais onde houve aplicação de produtos químicos, como os listados acima, deixe o ambiente aberto com bastante ventilação.
Cuidado! Produtos químicos, de maneira geral, devem ser comprados com atenção,
em lojas especializadas e com nota fiscal. Produtos piratas adquiridos em camelôs ou ambulantes oferecem grandes riscos, já que na maioria das vezes são fabricados sem cuidados adequados, não têm registros oficiais que garantam a qualidade nem a rotulação
adequada com informações de uso.
Se uma pessoa se sente mal após a exposição a um produto, a recomendação é não
perder tempo e procurar logo o médico. Antes, porém, podem ser tomadas algumas medidas de emergência, como ler o rótulo do produto para se certificar de alguns detalhes
específicos, lavar a pele com água e os olhos com soro fisiológico e, se houve ingestão,
não provocar vômito nem tampouco tomar água ou qualquer outra substância sem orientação médica, pois um erro de procedimento nesse momento pode agravar a situação.
Nesse último caso, o melhor mesmo é ligar para o serviço de toxicologia da cidade. Existem
vários serviços telefônicos que funcionam 24 horas por dia prestando esclarecimentos de
emergência: procure ter esses números na agenda, pois são tão importantes quanto os
telefones da polícia e dos bombeiros. Você já sabe qual é o número? Se não, descubra.
Quanto ao uso de inseticidas domésticos, é preciso cuidado redobrado. Antes de usá-los,
é necessário ler com atenção o rótulo. Crianças e animais domésticos devem ser retirados de
Fe
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
b Mantenha fora do alcançe das crianças: medicamentos,
produtos de limpeza, raticidas, inseticidas, combustíveis
e outros produtos potencialmente tóxicos.
b Evite trocar as embalagens dos produtos. Caso necessário, mantenha as informações contidas nas embalagens originais.
b Leia o rótulo ou a bula antes de usar quaisquer produtos e siga as instruções do fabricante.
b Não guarde restos de medicamentos, produtos químicos vencidos ou com rótulos danificados.
b Guarde em diferentes armários fechados e fora do
1
I
Cuidados para o uso de produtos químicos
CAPÍTULO
Entre as falhas banais que provocam esses acidentes, muitos desses de graves consequências, estão a falta de lugar adequado para guardar remédios e outros produtos químicos (que ficam ao alcance das crianças), o uso de recipientes de alimentos e bebidas
para acondicionar detergentes e desinfetantes ou simplesmente o emprego inadequado
do produto. Por exemplo, produtos de limpeza que deveriam ser diluídos, se usados na
forma concentrada, podem acarretar reações alérgicas.
Um dos cuidados básicos para prevenir a intoxicação é ler as instruções constantes nas
embalagens e segui-las corretamente. Os rótulos têm informações relevantes: composição do produto, cuidados exigidos para o uso, perigos potenciais, data de validade, modo
de uso e de armazenamento e formas de contato para ajuda em caso de emergências.
Deve-se respeitar, rigorosamente, as quantidades a serem usadas e as formas de diluição indicadas nos rótulos. Para manipulação desses produtos, recomenda-se o uso de luvas
de borracha, principalmente se o consumidor apresentar histórico de alergias. No caso de
produtos de limpeza contendo substâncias voláteis ou que apresentem odores muito fortes,
o emprego de máscara é obrigatório. Outra recomendação é não fazer combinações cujo
efeito se desconheça, ou seja, não se deve misturar o produto “A” com o “B” acreditando
que se conseguirá uma limpeza mais eficaz, pois essa mistura poderá ser prejudicial à saúde.
A utilização de equipamentos de proteção
individual (EPI) é obrigatória quando se lida
com substâncias e materiais potencialmente tóxicos, até mesmo em casa.
35
Hely Demutti
casa durante a aplicação. O local deve ser bem ventilado e as pessoas devem aguardar um
tempo antes de retornar ao ambiente. Todos os utensílios de cozinha deverão ser lavados,
antes de serem usados novamente. Todo cuidado deverá ser tomado para que as crianças
não levem à boca nem tenham contato com materiais que possam estar com resíduos dos
produtos aplicados.
É importante lembrar que o uso de inseticida deve sempre ser reduzido ao mínimo possível.
Procure usar repelentes naturais para mosquitos, bem como telas nas janelas e tampas nos ralos e nas saídas de esgotos. Somente quando essas alternativas não forem eficientes é que devemos recorrer aos inseticidas, buscando os que tenham classificação pela Agência Nacional de
Vigilância Sanitária (Anvisa) como pouco tóxicos e tomando os cuidados descritos anteriormente.
Mas os produtos de limpeza e os inseticidas não são os únicos vilões dessa história. Os
produtos de beleza também já levaram muita gente ao pronto-socorro. Os mais perigosos
são as tinturas e os produtos para modelar cabelos, já que podem provocar reações alérgicas imediatas ou danos em longo prazo.
Para evitar intoxicações, a recomendação é sempre fazer o teste cutâneo antes de usar
o produto. Deve-se passar um pouquinho do produto na pele e esperar alguns minutos. Se
houver vermelhidão ou ardência no local, não deve ser utilizado. O recomendável é procurar um profissional especializado, em salão de beleza cuja procedência seja conhecida, que
deverá usar luvas, máscara e manter o ambiente bem arejado.
É necessário cuidado também com as maquiagens. Para evitar problemas, o ideal é
não usar cosméticos todos os dias, fazer boa limpeza cutânea antes de dormir, comprar
cosméticos que passam por inspeções mais rigorosas e não deixar de ler o rótulo, para
saber o modo correto de utilização do produto e as possíveis reações.
Tome cuidado! Não use produtos para higiene pessoal e de limpeza em excesso.
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Debata e entenda
1. Estamos cercados de produtos químicos. Será que todos são realmente necessários? Em sua opinião, quais não seriam?
2. Em sua casa, investigue os produtos químicos que possuem algum grau de toxidez, lendo os rótulos e anotando
as informações no caderno, em um quadro como o representado abaixo.
Produto
Local
armazenado em
sua casa
Ingredientes
ativos
Instruções sobre
Efeitos que
cuidados com o produto pode
o produto
causar
zzzzz z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z
Classificação quanto
à toxidez (irritante,
corrosivo, inflamável etc.)
zzzzzzzz
3. Você sabia que todo produto químico deve ter na embalagem informações como o número de telefone de emer4.
5.
6.
7.
8.
9.
gência? Pesquise em sua cidade os números de telefone do centro de informação toxicológica e do pronto-socorro
que atenda esse tipo de emergência.
Que cuidados devem ser tomados, em casa, para evitar possíveis intoxicações por produtos químicos?
Em caso de intoxicação por produtos químicos, que procedimentos devem ser adotados? Para onde se deve ligar
em sua cidade? Qual é o número do telefone?
Que cuidados devem ser tomados ao se guardar produtos de limpeza utilizados em casa? Por quê?
Segundo algumas estatísticas, o Brasil é o terceiro consumidor mundial de sabonete, perdendo apenas para Estados Unidos e Austrália. Será que isso significa que todos os brasileiros têm acesso a esse bem? Se não, como se
justifica esse consumo elevado?
No texto foram apresentados alguns dados de pesquisa sobre os acidentes domésticos ocasionados pelo uso de produtos químicos domésticos. Em sua opinião, por que as pessoas na faixa de 21 a 35 anos são as que mais se intoxicam?
Em sua opinião: por que produto pirata é mais perigoso?
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36
OD
ÍNDICE
Ferro
CÁLCULOS QUÍMICOS
Várias tinturas para cabelo
contêm chumbo, amônia e
outras substâncias tóxicas.
Pessoas sensíveis podem ter sérias reações
alérgicas. Em longo prazo, o chumbo acumulado
no organismo pode provocar lesões neurológicas, estomacais e até osteoporose.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
1 AS LEIS DAS REAÇÕES QUÍMICAS
C
omo estudamos no capítulo anterior, o uso de produtos químicos em quantidades
corretas é a atitude ambiental fundamental. Também estudamos a importância do
uso de produtos químicos em quantidades adequadas para evitar intoxicações. Na indústria, para a elaboração de cálculos com precisão, os químicos baseiam-se no princípio da
proporcionalidade aplicado às reações químicas. Esse princípio está fundamentado no
comportamento previsível das substâncias nas reações químicas que puderam ser desenvolvidas a partir do estudo das reações químicas.
Esses estudos levaram ao estabelecimento de leis sobre o comportamento químico.
Sendo as leis das reações químicas a base para os cálculos químicos, vamos estudar as
principais delas. Ao analisar essas leis e outras evidências, podemos concluir que as substâncias são constituídas por átomos, os quais se conservam durante a reação – e é esse o
princípio norteador da execução dos cálculos. Vamos, portanto, estudar a primeira dessas
leis fundamentais para a prática química.
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
O que acontece com a massa durante uma reação química?
2
3
4
5
6
7
8
Fotos: Hely Demutti
Química na escola
1
Este experimento lhe fornecerá evidências que foram utilizadas para a formulação das leis químicas. Ele poderá ser demonstrado pelo professor ou realizado pelo grupo de alunos.
Materiais
•
•
•
•
•
uma folha de papel
palha ou lã de aço
grãos de arroz (ou pedaços de giz)
palitos de fósforo
uma balança (como a da figura ao lado)
Procedimento
Parte A
1. Construa uma balança, como a da figura ao lado.
2. Coloque uma folha de papel embolada sobre um dos pratos da balança.
3. Equilibre os pratos da balança utilizando grãos de arroz ou
pedaços de giz.
4. Ponha fogo no papel.
5. Observe a combustão e anote o
acontecido com o papel e com a sua
massa.
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TABELAS
SEGURANÇA
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CÁLCULOS QUÍMICOS
Fotos: Hely Demutti
Parte B
1. Coloque um pedaço de palha de aço sobre um dos
pratos da balança.
2. Equilibre os pratos da balança utilizando grãos de arroz
ou pedaços de giz.
3. Ponha fogo na palha de aço.
4. Observe a combustão e anote o acontecido
com a palha de aço e com a sua massa.
Destino dos resíduos
Os resíduos desta atividade podem ser descartados no lixo comum.
Análise de dados
1.
2.
3.
4.
Explique o acontecido com a massa do papel após a combustão.
Explique o acontecido com a massa da palha de aço após a combustão.
O que deve ter contribuído para a variação das massas do papel e da palha de aço?
Imaginando que as duas reações sejam realizadas em recipientes fechados, explique o que aconteceria com as massas
dos sistemas.
Lei da Conservação das Massas
Metropolitan Museum of Art, New York.
A análise superficial dos resultados do experimento anterior pode nos levar a interpretação equivocada sobre a variação de massa nas reações de combustão. No entanto, se
aquelas reações fossem conduzidas em recipientes fechados, os resultados demonstrariam
que não há variação de massa durante a combustão. Essa constatação foi obtida em medições precisas, desenvolvidas em diversos tipos de reações químicas.
O químico Antoine Lavoisier e Marie Anne, a esposa e colaboradora. Sr.
e sra. Lavoisier, obra
de Jacques-Louis David,
1788, acervo do Metropolitan Museum de Nova York (EUA). Óleo sobre
tela, 259,6 × 196 cm.
Pense
Se não há variação de massa nas reações químicas, por que houve aumento da massa da
palha de aço?
O químico francês Antoine Lavoisier [1743-1794], com a colaboração da esposa Marie Anne, realizou uma série de experiências que
o levou à seguinte conclusão: a quantidade de massa antes e depois
de qualquer reação é sempre a mesma. Por ter verificado que esse
fato se repetia invariavelmente na natureza, concluiu então que se
tratava de uma lei.
Veja o que Lavoisier escreveu a respeito:
Podemos estabelecer, como um axioma incontestável,
que em todas as operações da arte e da natureza nada
é criado; existe uma quantidade igual de matéria antes
e depois do experimento; a qualidade e a quantidade
dos átomos permanecem precisamente as mesmas e
nada acontece além de mudanças e modificações nas
combinações desses átomos.
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TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
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Na natureza nada se cria, nada se
perde; tudo se transforma.
2
Na época em que a Lei de Lavoisier foi registrada, muitos
químicos chegaram a duvidar de sua validade, pois haviam observado que na queima de algumas substâncias e materiais havia aumento da massa, enquanto na queima de outras havia diminuição. O grande mérito de Lavoisier foi ter descoberto que
essas diferenças de massa se davam por causa da absorção ou
liberação de gases durante as reações.
Na combustão do papel, por exemplo, a massa do sólido
diminui porque são formados gases que passam para a atmosfera. Já na queima da palha
de aço ocorre o inverso: há consumo do oxigênio do ar, o que produz uma substância composta de ferro e oxigênio. A massa da substância formada é, então, maior do que a massa
da palha de aço. O mesmo acontece na formação da ferrugem – os átomos de ferro combinam-se com os de oxigênio.
Para compreender melhor essa lei, podemos esquematizar os dados dessas reações:
papel +
m1
+
gás oxigênio ( água + gases + cinza
m2
= m3
+ m4
+ m5
3
4
5
6
7
8
Muita gente pensa que nas
reações de combustão
há desaparecimento da
matéria, mas, como em
toda reação química, na
combustão a massa dos
produtos (gases, vapor de
água e cinza) é igual à massa dos reagentes (o combustível e o comburente –
gás oxigênio).
ferro + oxigênio ( óxido de ferro
m1
+ m2
= m3
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TABELAS
Medindo a massa da
esponja de aço antes
e depois da queima, observa-se o aumento da
massa do material sólido; mas, somando-se a
massa do gás oxigênio
que reage com o ferro,
constata-se o previsto
pela Lei de Lavoisier.
Hely Demutti
Hely Demutti
Hely Demutti
Observe que, segundo os dados, em ambas as reações, a soma da massa das substâncias reagentes é igual à massa das substâncias dos produtos.
Os esquemas resumem matematicamente o resultado da Lei da Conservação das
Massas ou Lei de Lavoisier, pela qual foi possível definir as regras necessárias para a
realização de cálculos em análises quantitativas.
Essa lei abriu caminho para outros estudos sobre a relação entre as massas das substâncias durante as transformações químicas. Os resultados desses trabalhos experimentais,
no fim do século XVIII e início do XIX, permitiram que vários químicos pudessem enunciar
outras leis relativas à transformação da matéria: as denominadas leis ponderais das combinações químicas. A seguir, vamos estudar uma delas.
Fe
CAPÍTULO
Esse enunciado, que se aplica a todas as reações químicas,
ficou conhecido como Lei da Conservação das Massas ou Lei
de Lavoisier, que pode ser resumida pela frase:
SEGURANÇA
39
Lei das Proporções de Massa
Atividades
CÁLCULOS QUÍMICOS
Considere os dados obtidos na reação de síntese da água. Na tabela 1,
são apresentados os resultados de
quatro experimentos, cada um deles
com diferentes massas de reagentes.
1. Reproduza a tabela 2
ao lado no caderno e
faça os cálculos para
preenchê-la.
2. Analise os dados obtidos, procurando identificar alguma regularidade.
TABELA 1 – VALORES DE MASSA EM REAÇÕES DE FORMAÇÃO DA ÁGUA
Massa de
Massa de
Massa de
Experimento
hidrogênio
oxigênio
água
1
2g
16 g
18 g
Ricardo Azoury/Olhar Imagem
Charles D. Winters/Photo Researchers
Os cristais de cloreto
de sódio terão sempre a
mesma composição: NaCl,
independentemente de como forem obtidos.
10 g
80 g
90 g
3
16 g
128 g
144 g
4
11,1 g
88,9 g
100 g
TABELA 2 – RAZÕES ENTRE AS MASSAS EM REAÇÕES DE SÍNTESE DA ÁGUA
Experimento
Massa de hidrogênio
Massa de oxigênio
Massa de oxigênio
Massa de hidrogênio
Massa de água
Massa de hidrogênio
1
2 g /16 g = 0,125
16 g/2 g = 8
18 g/2 g = 9
zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz
zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz
zzzzzzzz zzzzzzzz zzzzzzzz
2
3
4
Para extrair sal da água
do mar, é necessário haver bastante vento e radiação solar. Macau (RN) é o
local com essas condições.
2
A análise dos dados da tabela 2 mostra que existe regularidade
na proporção entre as massas dos reagentes e entre as massas dos
reagentes e a do produto formado. Isto é, na síntese da água, a massa
do oxigênio consumida na reação é sempre oito vezes maior que a
do hidrogênio, enquanto a massa de água obtida é nove vezes a de
hidrogênio consumida. A análise dos dados da tabela 1 revela que,
quando se aumenta a massa de um reagente, é necessário aumentar a massa do outro na mesma proporção e, consequentemente,
eleva-se também a massa do produto.
Como acontece o mesmo com todas as outras reações, outra lei ponderal foi proposta: as substâncias reagem sempre na mesma proporção. Se isso ocorre, significa que a
composição química da substância deve ser estabelecida na relação fixa de massa entre
os átomos dos elementos que a compõem.
Uma substância pode ser proveniente de diferentes fontes naturais ou ser obtida por diversos processos. Como exemplo, podemos citar o cloreto de sódio. Ele pode ser extraído da
água do mar ou de jazidas da crosta terrestre. Pode também ser obtido em laboratório
por meio de reações químicas. No entanto, seja qual for o método de obtenção, o cloreto
de sódio, depois de purificado, terá sempre a mesma composição quantitativa, ou seja, a
composição química é fixa.
Foi a essa conclusão que chegou o químico e farmacêutico francês Joseph Louis Proust
[1754-1826] quando mostrou que a composição do carbonato de cobre, independentemente da procedência ou do processo de preparação, era sempre a mesma. Por isso, em
1797, ele enunciou a Lei das Proporções Definidas, que também ficou conhecida como
Lei de Proust, e pode ser enunciada da seguinte forma:
As substâncias reagem sempre na mesma proporção
para formar outra substância.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
2 BALANCEAMENTO DE EQUAÇÃO QUÍMICA
P
ara os químicos, o cálculo das quantidades necessárias de cada reagente para formar
determinado produto tem importância vital. Esse cálculo é chamado estequiométrico (do grego, stoikheîon, "elemento", e métron,, "medida").
Para que possamos fazer de modo correto os cálculos estequiométricos de uma reação
química é necessário, em primeiro lugar, que a equação que a represente esteja com os coeficientes devidamente acertados. À determinação dos coeficientes de uma equação química
damos o nome balanceamento de equação.
1
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Hely Demutti
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Ao se efetuar uma reação química, os átomos dos reagentes constituirão os produtos. Por
isso, no balanceamento
de equações, o número
de átomos dos reagentes
deve ser igual ao número
de átomos dos produtos.
Como já vimos, as reações ocorrem sempre em proporções fixas, que podem ser determinadas experimentalmente em laboratório. Todavia, utilizando o modelo atômico de
Dalton, podemos indicar as proporções das substâncias nas reações químicas, sem precisarmos realizá-las experimentalmente.
Embora existam modelos mais avançados para explicar a constituição da matéria, o
modelo atômico de Dalton é suficiente para expor e prever a estequiometria das reações
químicas. Segundo esse modelo, nas reações ocorrem rearranjos dos átomos que formam
as substâncias. Por isso, os átomos dos reagentes são os mesmos dos produtos, ou seja,
a quantidade de átomos de cada elemento químico presente nos reagentes será igual à
quantidade de átomos desse elemento nos produtos.
Se considerarmos a reação química genérica entre as substâncias A e B, formando as
substâncias C e D, podemos representá-la pela seguinte equação:
aA + bB ( cC + dD
Nessa equação, as letras minúsculas representam os coeficientes de proporcionalidade
de cada substância na referida reação química.
Vale lembrar que em uma equação química os sinais e a seta têm significado diferente
dos sinais representados pela Matemática. O sinal + representa as substâncias que foram
colocadas em contato, e a seta ( indica que há uma transformação, produzindo outras
substâncias (produtos).
OD
ÍNDICE
Ferro
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Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
41
CÁLCULOS QUÍMICOS
Ilustrações: J. Yuji
Atividades
Representação
da molécula de
água.
Representação da
molécula de gás
oxigênio.
Representação
da molécula de
gás hidrogênio.
Atenção: os átomos não se ligam como clipes ou massinha, mas essa analogia permite entender as proporções na reação.
Como se comportam os átomos numa reação química?
Não podemos manipular átomos em sala de aula, mas podemos compará-los a pequenas esferas, como propunha o modelo atômico de Dalton. Então, por analogia, iremos desenvolver uma atividade em duas etapas para percebermos melhor o
significado dos coeficientes de uma equação. O único material necessário serão clipes coloridos (ou outros objetos de cores
variadas e fácil manipulação. Lembre-se de que a ideia é representar as quantidades de átomos e não as formas).
Parte A
Quais os coeficientes da equação química de formação da água?
Como seria a reação entre as substâncias hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) para formar a substância água (H2O)? No modelo que adotaremos, os átomos de hidrogênio serão representados pela cor branca e os de oxigênio pela cor vermelha.
SIMULAÇÃO DA REAÇÃO DE FORMAÇÃO DA ÁGUA
Reagentes
Reação
Hidrogênio
zzzzzzz
zzzzzzz
zzzzzzz
zzzzzzz
Representação das moléculas utilizando as esferas*
Quantidade de átomos envolvidos na reação
Quantidade de constituintes que reagiram (moléculas)
Coeficientes: quantidade mínima de constituintes
Produto
Oxigênio
zzzzzzz
zzzzzzz
zzzzzzz
zzzzzzz
* Neste momento, não estamos preocupados com a organização espacial dos átomos nas moléculas constituintes.
Água
zzzzzzz
zzzzzzz
zzzzzzz
zzzzzzz
1. Utilizando clipes coloridos (ou outros objetos como tampas coloridas de garrafas), represente quatro moléculas de gás
hidrogênio e quatro moléculas de gás oxigênio e disponha-os sobre uma folha de papel, conforme esquema acima.
2. Imagine que os gases tenham reagido e “monte” a quantidade máxima de moléculas de água com base nos “átomos”
das “moléculas” de oxigênio e hidrogênio.
3. Reproduza o quadro abaixo no caderno, preencha-o e responda às questões a seguir.
a) Quantas moléculas de água puderam ser formadas?
b) Para formar essa quantidade de moléculas de água, quantas moléculas de oxigênio e de hidrogênio foram consumidas?
c) Sobraram moléculas de algum dos reagentes? Por quê?
d) Considerando a equação (aH2 + bO2 ( cH2O) da reação de formação da água, quais os valores dos coeficientes a,
b e c? Para tal, considere somente o número de moléculas que reagiram e foram formadas (como estamos representando a equação da reação, não nos preocuparemos com moléculas que porventura não tenham reagido).
e) Ao simplificar os coeficientes, dividindo-os pelo menor deles, quais são os novos valores de a, b e c?
f) Substitua os valores dos coeficientes na equação e você terá a equação química balanceada.
Parte B
A proporção exata para a obtenção do hidróxido de sódio
O hidróxido de sódio, conhecido popularmente como soda cáustica, é uma substância muito utilizada na indústria
química, no preparo de sabão e em casa, para desentupimento de esgotos. Pode-se obter o hidróxido de sódio (NaOH) e
o carbonato de cálcio (CaCO3) a partir da reação entre o carbonato de sódio (Na2CO3) e o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2].
42
OD
ÍNDICE
Ferro
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Fe
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2
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T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Escolha clipes de diferentes cores para representar cada tipo de átomo (Na, C, O, Ca e H). Represente seis constituintes
do carbonato de sódio e seis constituintes do hidróxido de cálcio (saiba que os constituintes não se alteram nessa reação).
Siga os procedimentos da parte A, reproduza o quadro e monte a equação química da reação, balanceando-a.
1
Observe que, nas atividades realizadas, os “produtos” foram formados com base nas
“substâncias” existentes nos reagentes. Isso significa que, na reação, os átomos dos produtos
são os mesmos encontrados nos reagentes, rearranjados de forma diferente. Por isso, a quantidade de “átomos” dos produtos tem de ser igual à quantidade de “átomos” dos reagentes.
A equação balanceada descrita na reação de obtenção do hidróxido de sódio indica
que o carbonato de sódio reage com o hidróxido de cálcio na proporção de 1 para 1, formando 2 constituintes do hidróxido de sódio e 1 do carbonato de cálcio.
Assim, temos a equação química:
2
3
4
5
6
7
Na2CO3 + Ca(OH)2 ( 2NaOH + CaCO3
8
Em uma equação química, representamos as proporções entre reagentes e produtos.
Isso significa que os coeficientes não representam o número de constituintes que irão
reagir, mas, sim, as quantidades relativas entre todas as espécies envolvidas na reação.
Portanto, esses coeficientes correspondem ao número indicativo da proporção mínima de
cada substância envolvida na reação, sendo que, para simplificar, os coeficientes iguais a 1
são omitidos. Essa proporção serve para o número de constituintes ou para a quantidade
de matéria (mols) desses constituintes. Nos cálculos químicos, denominamos coeficientes
estequiométricos os coeficientes das reações químicas, os quais indicam a proporção
em quantidade de matéria em que os constituintes das substâncias participam da reação.
Observe agora outro exemplo. A água oxigenada, usada como clareador de cabelos ou
antisséptico, decompõe-se a partir de uma reação química descrita pela equação abaixo:
H2O2(aq) ( H2O(l) + ½O2(g)
Pense
Na equação abaixo existe no coeficiente do gás oxigênio a fração 1/2. Isso significa que a reação ocorre a partir da
metade de uma molécula de oxigênio? Seria possível fazer uma reação a partir da metade de uma molécula?
Como os coeficientes estequiométricos indicam as relações entre as quantidades das
substâncias participantes das reações químicas, podem ser números inteiros ou fracionários, significando que a proporção é metade da quantidade daquele constituinte, em relação aos demais. No entanto, para facilitar a compreensão, é melhor não utilizar frações,
e sim os menores números inteiros possíveis.
A equação anterior poderá ter todos os coeficientes multiplicados por dois, sem alterar as relações entre eles. Dessa maneira, obteremos:
2H2O2(aq) ( 2H2O(l) + 1O2(g)
Se compararmos as duas equações, veremos que apresentam a mesma proporção entre
as substâncias, ou seja, uma determinada quantidade de matéria de água oxigenada, ao
se decompor, produz uma quantidade de matéria equivalente de água e a metade dessa
quantidade de matéria em oxigênio.
Nos dois exemplos de equações representados, a quantidade de átomos de cada elemento químico das substâncias dos reagentes é igual à que está presente nos produtos.
Nesse sentido, dizemos que essas equações estão balanceadas.
OD
ÍNDICE
Ferro
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Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
43
Balanceamento de equação química é a determinação dos coeficientes das
substâncias envolvidas na reação representada.
CÁLCULOS QUÍMICOS
Veja que, nas representações indicadas abaixo, a proporção sempre é que a decomposição da água oxigenada leva à obtenção da mesma quantidade de moléculas de água
e metade da quantidade de moléculas de oxigênio em relação ao número inicial de moléculas de água oxigenada. Observe também que, em todos os exemplos, a quantidade
total de átomos de hidrogênio e oxigênio antes e depois da reação é a mesma.
Depois da reação
J. Yuji
Antes da reação
1.
2.
3.
S
Simulador
Balanceamento de equações químicas
por tentativa e erro
O balanceamento de equações pode ser feito calculando-se as quantidades de átomos dos reagentes e dos produtos e determinando-se os coeficientes, de forma a igualar o número de átomos nos reagentes e produtos, para cada elemento químico. Deve-se
processar a contagem dos átomos, elemento por elemento, começando pelos que tiverem maior índice e que aparecerem apenas em uma substância de cada lado. Tal procedimento é chamado método de tentativa e erro e é recomendado para equações simples.
Esse balanceamento pode ser feito seguindo-se diferentes caminhos, mas para facilitar
recomendam-se os passos subsequentes:
1o PASSO
Representar a equação química em estudo. Sempre que possível deve-se indicar o estado
de agregação das substâncias envolvidas – sólido (s), líquido (l), gás (g) – e, quando se tratar
de uma solução aquosa (substância dissolvida em água), usa-se a sigla (aq).
H2(g) + O2(g) ( H2O(l)
2o PASSO
Escolher um elemento químico que só apareça em um dos reagentes e em um dos
produtos e acertar os coeficientes das substâncias nas quais aparece, usando o índice do
elemento nos reagentes como coeficiente nos produtos e vice-versa.
No caso da reação da água, podemos escolher o oxigênio.
H2(g) + 1O2(g) ( 2H2O(l)
44
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T. PERIÓDICA
a
B
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
3o PASSO
Acertar os demais coeficientes considerando os indicados. O objetivo é que se tenha,
para cada tipo de átomo, a mesma quantidade nos reagentes e nos produtos (veja abaixo).
2H2(g) + 1O2(g) ( 2H2O(l)
1
Nas equações em que estejam representados vários elementos químicos, recomenda-se iniciar o balanceamento selecionando a substância que contenha o elemento químico
com maiores índices.
Lembramos não ser possível, em hipótese alguma, a alteração dos índices das fórmulas
das substâncias. Se alterarmos os índices de uma substância, estaremos alterando os constituintes, e a equação representará uma reação química diferente da fornecida inicialmente.
Vejamos outros exemplos.
1. Balanceie a equação química em que o alumínio metálico (Al) reage com o gás oxigênio (O2), produzindo o óxido de alumínio (Al2O3), substância branca sólida.
1o PASSO Al(s) + O2(g) ( Al2O3(s)
2o PASSO Al(s) + 3O2(g) ( 2Al2O3(s)
3o PASSO
Considerando que nos produtos já foi identificado o coeficiente do dióxido de
alumínio, podemos agora determinar o coeficiente do alumínio nos reagentes.
4Al(s) + 3O2(g) ( 2Al2O3(s)
2. Balanceie a equação de combustão do gás metano (CH4), que produz gás carbônico
(CO2) e água.
1o PASSO CH4(g) + O2(g) ( CO2(g) + H2O(l)
2o PASSO Tendo em conta que o oxigênio está presente em duas substâncias (CO2
e H2O) e que o hidrogênio possui maior índice, deve-se escolher o hidrogênio como primeiro elemento a ser balanceado.
2CH4(g) + O2(g) ( CO2(g) + 4H2O(l)
3o PASSO Considerando que já foram acertados os coeficientes do CH4 e da água, deve-se acertar o coeficiente do CO2 e finalmente o do O2. Este é determinado
a partir do total de átomos de oxigênio nos produtos [(2 ⋅ 2) + (4 ⋅ 1)], dividido
pelo índice do O2.
2CH4(g) + 4O2(g) ( 2CO2(g) + 4H2O(l)
O que implica: CH4(g) + 2O2(g) ( CO2(g) + 2H2O(l)
2
Exercícios
3
4
5
6
7
8
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Explique o que se espera de uma reação química de
acordo com:
a) a Lei da Conservação das Massas.
b) a Lei das Proporções Definidas.
2. De acordo com a teoria atômica de Dalton, por que
podemos considerar que não há variação de massa
numa reação química?
3. Num experimento feito em laboratório, realizou-se a
combustão da palha de aço em um recipiente aberto.
Inicialmente, a massa da palha de aço era de 3,0 g e,
após a queima, a massa resultante obtida foi de 3,4 g.
Explique por que esse valor obtido não invalida a Lei
da Conservação das Massas.
OD
ÍNDICE
Ferro
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Fe
2
8
14
2
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T. PERIÓDICA
a
4. Sabendo que na combustão completa de 50 g de
magnésio metálico são consumidos 33 g de gás
oxigênio, responda:
a) Que massa de oxigênio é necessária para queimar
150 g de magnésio?
b) Qual é a massa de óxido de magnésio formada pela
reação entre 600 g de magnésio e 396 g de oxigênio?
5. Analise a tabela abaixo e, em seguida, responda às
questões:
TESTE
B
c D
E
GLOSSÁRIO
REAGENTES
PRODUTOS
A
B
C
D
1
85 g
29,4 g
X
42,5 g
2
Y
14,65 g
Z
T
!
TABELAS
SEGURANÇA
45
CÁLCULOS QUÍMICOS
a) Qual é a massa de A necessária para reagir com
14,65 g de B?
b) Quais são os valores de X, Z e T?
c) Demonstre se os resultados obtidos estão de acordo
com a Lei da Conservação das Massas e a Lei das
Proporções Definidas.
d) Qual é a razão entre a massa de A e a massa de B
que reagiram nos testes 1 e 2?
9. (Vunesp) Foram analisadas três amostras (I, II e III)
de óxidos de enxofre, procedentes de fontes distintas,
obtendo-se os seguintes resultados:
Amostra
6. A ferrugem é resultado da reação ocorrida entre o ferro e o
OD
ÍNDICE
Ferro
46
55,8
T. PERIÓDICA
I
0,32
0,32
0,64
II
0,08
0,08
0,16
III
0,32
0,45
0,80
do o método que achar mais fácil.
a) Cr + O2 ( Cr2O3
b) HCl + O2 ( H2O + Cl2
c) H3PO4 ( H4P2O7 + H2O
d) MnO2 + HCl ( MnCl2 + H2O + Cl2
e) Ca(OH)2 + HNO3 ( Ca(NO3)2 + H2O
f) Al2(CO3)3 ( Al2O3 + CO2
11. (Vunesp) Numa viagem, um carro consome 10 kg de
gasolina. Na combustão completa deste combustível,
na condição de temperatura do motor, formam-se apenas compostos gasosos. Considerando-se o total de
substâncias formadas, pode-se afirmar que eles:
a) não têm massa.
b) pesam exatamente 10 kg.
c) pesam mais que 10 kg.
d) pesam menos que 10 kg.
e) são constituídos por massas iguais de água e gás
carbônico.
seguir, marcando C para os corretos e E para os errados.
1) Para se obter uma equação equilibrada, a quantidade de matéria dos reagentes tem de ser igual à
dos produtos.
2) Numa reação química, nenhum dos átomos desaparece; são apenas rearranjados.
3) Como os átomos e as moléculas não podem ser
visualizados, os químicos não possuem métodos
que permitam determinar a quantidade dessas entidades em uma reação química.
4) A fórmula química da glicose é C6H12O6. Isso significa que, na glicose, para cada átomo de carbono
(C) haverá um átomo de oxigênio (O) e dois átomos
de hidrogênio (H).
5) A reação Na3PO4 + 3Mg(OH)2 ( Mg3(PO4)2 +
+ 3NaOH está corretamente balanceada.
2
8
14
2
Massa de
amostra (g)
10. Faça o balanceamento das equações abaixo, escolhen-
8. Sobre as fórmulas e equações químicas, julgue os itens a
26
Massa de
oxigênio (g)
Esses resultados mostram que:
a) as amostras I, II e III são do mesmo óxido.
b) apenas as amostras I e II são do mesmo óxido.
c) apenas as amostras II e III são do mesmo óxido.
d) apenas as amostras I e III são do mesmo óxido.
e) as amostras I, II e III são de óxidos diferentes.
oxigênio (O2). Como produto dessa reação, obtém-se a substância óxido de ferro III (Fe2O3). Monte a equação química e
balanceie utilizando o modelo de Dalton como referencial.
Se preferir, monte uma tabela semelhante à do exercício 5.
7. Em um experimento realizado no laboratório, 2,40 g de
uma substância A reagem com 7,68 g de uma substância
B, produzindo 9,0 g de C e 1,08 g de D. Em um segundo
experimento, 16,0 g de A reagiram com 51,2 g de B, produzindo 60,0 g de C e 7,2 g de D.
Utilizando seus conhecimentos sobre as Leis da Conservação das Massas e das Proporções Definidas, julgue os
itens, marcando C para os corretos e E para os errados.
1) 4,80 g de A reagem completamente com 15,36 g
de B.
2) “O prego que enferruja” e o “palito de fósforo
que queima” são exemplos de exceções à Lei de
Lavoisier.
3) 25,6 g da substância B reagem completamente com
8,0 g da substância A.
4) Para produzir 3,6 g de D é necessária a quantidade
de 7,0 g da substância A.
5) A razão mC/mB no primeiro experimento é diferente
da razão mC/mB no segundo experimento.
Fe
Massa de
enxofre (g)
J. Yuji
12. (Mack-SP)
X
***( W
+ Y
Supondo que os círculos vazio e cheio, respectivamente, signifiquem átomos diferentes, então o esquema
anterior representará uma reação química balanceada
se substituirmos as letras X, Y e W, respectivamente,
pelos valores:
a) 1, 2 e 3.
d) 3, 1 e 2.
b) 1, 2 e 2.
e) 3, 2 e 2.
c) 2, 1 e 3.
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
b) Escreva a equação química balanceada e representada no esquema II.
13. (UFPE) Considere as reações químicas abaixo.
2K(s) + Cl2(g) ( KCl(s)
2Mg(s) + O2(g) ( 2MgO(s)
PbSO4(aq) + Na2S(aq) ( PbS(s) + Na2SO4(s)
CH4(g) + 2O2(g) ( CO2(g) + 2H2O(l)
SO2(g) + H2O(l) ( H2SO4(aq)
Podemos afirmar que:
a) todas estão balanceadas.
b) 2, 3 e 4 estão balanceadas.
c) somente 2 e 4 estão balanceadas.
d) somente 1 não está balanceada.
e) nenhuma está corretamente balanceada, porque
os estados físicos dos reagentes e produtos são
diferentes.
1.
2.
3.
4.
5.
15. (PUC-SP) Querendo verificar a Lei da Conservação das
Massas (Lei de Lavoisier), um estudante realizou a experiência esquematizada abaixo:
2
Solução Erlenmeyer
final
vazio
Solução de
HNO3(aq) K2CO3(s)
1
1
2
1
2
3
2
4
5
6
J. Yuji
1
7
Balança
Balança
8
de nitrogênio gasoso, N2(g), e de oxigênio gasoso,
O2(g) reage para formar diferentes óxidos de nitrogênio.
Se representarmos o elemento nitrogênio por e o
elemento oxigênio por , duas dessas reações químicas
podem ser esquematizadas como:
I–
J. Yuji
14. (Unicamp-SP) Sob condições adequadas, uma mistura
II –
a) Dê a fórmula química da substância formada na
reação esquematizada em I.
Terminada a reação, o estudante verificou que a massa
final era menor que a massa inicial. Assinale a alternativa que explica o ocorrido.
a) A Lei de Lavoisier só é válida nas condições normais
de temperatura e pressão.
b) A Lei de Lavoisier não é válida para reações em
solução aquosa.
c) De acordo com a Lei de Lavoisier, a massa dos produtos é igual à massa dos reagentes, quando estes
se encontram na mesma fase de agregação.
d) Para que se verifique a Lei de Lavoisier, é necessário
que o sistema seja fechado, o que não ocorreu na
experiência realizada.
e) Houve excesso de um dos reagentes, o que invalida
a Lei de Lavoisier.
3 ESTEQUIOMETRIA
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
A
mistura de reagentes em proporções corretas é fundamental na indústria química.
O sabão, por exemplo, deve passar por um rígido controle de qualidade, a fim de que
não haja excesso de reagentes na sua preparação, o que poderia acarretar, além de aumento de
custo e perda de qualidade, danos à saúde do consumidor, como irritação de pele, alergias etc.
Mas como controlar as proporções dos reagentes ao processar uma reação química?
O primeiro passo para o cálculo correto é identificar a equação química da reação e, depois, efetuar o balanceamento.
Por exemplo, a reação de obtenção da amônia, importante substância utilizada na
agricultura no processo de adubação, tem de ser controlada na indústria para evitar desperdício de matéria-prima envolvida. Como se trata de reação em escala industrial que
envolve toneladas de substâncias, qualquer pequeno erro de cálculo pode causar prejuízos econômicos e ambientais. Para fazer os cálculos, os químicos tomam como ponto de
partida a equação balanceada da reação, que no caso é:
N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g)
De olho no consumo:
excesso de sabão não garante maior limpeza.
47
CÁLCULOS QUÍMICOS
Hely Demutti
Com base no conhecimento dessa equação, é possível determinar as
quantidades ideais dos gases hidrogênio e nitrogênio para a reação, considerando a quantidade de amônia que se pretende obter. Essa determinação
das quantidades é feita por meio do cálculo estequiométrico.
Conhecendo as proporções entre os reagentes e os produtos de uma
reação química, podemos saber quanto precisaremos de cada reagente
para formar determinada quantidade de produto. Esses conhecimentos estequiométricos são aplicados em várias situações cotidianas. A prescrição
de muitos medicamentos, por exemplo, é baseada em doses calculadas a
partir de determinada quantidade do agente ativo do medicamento e que
são necessárias para reagir com certas substâncias em nosso organismo.
Quando utilizamos produtos químicos em quantidades indevidas, corremos o risco de obter resultados indesejáveis e até desastrosos. Um caso muito comum se dá com o uso incorreto de produtos de limpeza. De modo geral, as embalagens dos produtos trazem indicações das medidas que devem
ser usadas para a obtenção dos melhores resultados. No entanto, é sempre
bom prestar atenção em como você usa o produto, pois as recomendações
podem não ser adequadas às condições de uso: composição da água, tipo
de tecido ou da sujeira. Em função dessas diferenças pode ser necessário o
uso de quantidades diferentes da indicada na embalagem.
Para evitar desperdício, os químicos procuram calcular as quantidades exatas dos materiais usados num processo. Para fazer tais cálculos,
precisamos saber, inicialmente, quais são as proporções das substâncias
envolvidas nas reações químicas.
A reação de obtenção da
amônia na indústria é
feita por meio de rigoroso
controle da quantidade de
reagentes e das condições
de pressão e temperatura.
Relações estequiométricas
Pense
Você já imaginou fazer um bolo retirando um ou mais ingredientes da receita, ou aumentando a quantidade de alguns ingredientes em duas ou três vezes? Como poderá ficar um
sabão, se no processo de produção forem retirados ou aumentados alguns dos ingredientes?
Com certeza o bolo ou o sabão não ficarão como esperado, pois a quantidade dos ingredientes deve ser proporcional: se você aumenta ou diminui a quantidade de um, terá
de fazê-lo também com os outros, na mesma proporção.
Os cálculos químicos baseiam-se em relações de proporcionalidade. Vejamos de novo
a reação de obtenção da amônia.
N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g)
Como já estudamos, a grandeza relacionada com o número de partículas é a quantidade de matéria, cuja unidade de medida é o mol. A equação química balanceada para
a formação da amônia indica que cada mol de nitrogênio reage com três mols de hidrogênio, para formar dois mols de amônia. Ou seja:
1 mol N2(g) + 3 mol H2(g) ( 2 mol NH3(g)
Com base nos coeficientes estequiométricos da equação química balanceada, podemos estabelecer algumas relações. Veja a seguir.
1. 1 mol N2 = 3 mol H2
Para cada mol de N2 consumido na reação, são consumidos 3 mol H2.
48
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ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
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2
55,8
T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
2. 1 mol N2 = 2 mol NH3
Para cada mol de N2 consumido na reação, são formados 2 mol de NH3.
3. 3 mol H2 = 2 mol NH3
Para cada 3 mol de H2 consumidos na reação, são formados 2 mol de NH3.
1
2
Essas três igualdades, chamadas relações estequiométricas, indicam as relações entre
as quantidades de matéria das substâncias envolvidas na reação. Com elas, podemos partir para os cálculos estequiométricos que veremos a seguir.
3
4
5
Determinando quantidades
6
O cálculo estequiométrico permite determinar a quantidade de substâncias participantes de reações químicas, a partir de quantidades conhecidas de outras substâncias envolvidas.
Usaremos o método da análise dimensional, que se baseia na conversão sucessiva das
quantidades, utilizando fatores de conversão, até se obter o resultado desejado. Para isso,
é necessário determinar os coeficientes estequiométricos da equação química. Esse método envolve os passos subsequentes:
7
8
1. Identificação da equação química.
2. Balanceamento da equação química.
3. Identificação das relações estequiométricas envolvidas no cálculo e na definição dos fatores de conversão.
4. Determinação da quantidade de matéria de cada substância, a partir dos
coeficientes estequiométricos.
5. Determinação, se necessário, de valores de massa e volume de substâncias
envolvidas na reação.
Hely Demutti
De modo geral, os cálculos químicos envolvem massa ou quantidade de matéria, que
são as grandezas usualmente adotadas em Química. Vamos, então, exemplificar alguns
cálculos estequiométricos com essas medidas.
Assim como os ingredientes de um bolo devem ser
medidos em proporções ideais, os reagentes devem seguir
relações estequiométricas corretas.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
49
Cálculos estequiométricos da quantidade de matéria de uma
substância a partir da quantidade de matéria de outra substância
1. Lembrando o exemplo da obtenção da amônia, calcule a quantidade de matéria do gás nitrogênio (N2) necessária para
reagir com 12 mol de gás hidrogênio (H2), formando amônia (NH3).
CÁLCULOS QUÍMICOS
1o PASSO
Identificação da equação química, pois é necessário escrevermos a equação envolvida na reação: o nitrogênio reage
com o hidrogênio, formando amônia, segundo a equação:
N2(g) + H2(g) ( NH3(g)
2o PASSO
Balanceamento da equação química: 1N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g)
3o PASSO
Identificação da relação estequiométrica envolvida no cálculo em questão e dos fatores de conversão:
Hely Demutti
1 mol N2 = 3 mol H2
Dividindo-se essa igualdade por 3 mol de H2, teremos o fator
de conversão:
1 mol N2
=1
3 mol H2
Dividindo-se, ainda, a relação estequiométrica por 1 mol H2, obteremos
outro fator de conversão:
3 mol H2
=1
1 mol N2
4o PASSO
Determinação da quantidade de matéria desejada, com base no fator
de conversão obtido da relação estequiométrica:
)
n (N2 = 12 mol H2 ⋅
A amônia pode ser obtida a partir do nitrogênio
atmosférico e transportada em tanques até indústrias, nas quais é utilizada como matéria-prima.
1 mol N2
→ n (N2 = 4 mol N2
3 mol H2
)
( conversão de N2 em H2 )
Cálculos estequiométricos da quantidade de matéria de uma
substância a partir da massa de outra substância
Hely Demutti
2. Calcule a massa de cloreto de potássio (KCl) obtida a partir da decomposição de 3 mol de clorato de potássio (KClO3), na qual também
se forma gás oxigênio (O2).
1o PASSO
Identificação da equação química que representa a reação:
KClO3(s) ( KCl(s) + O2(g)
2o PASSO
Balanceamento da equação química:
2KClO3(s) ( 2KCl(s) + 3O2(g)
50
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
O cloreto de potássio, entre outras aplicações, é
utilizado como adubo químico.
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
3o PASSO
Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão:
1 mol KCl = 1 mol KClO3 → 1 =
1 mol KClO3
1 mol KCl
ou 1 =
1 mol KCl
1 mol KClO3
1
2
Como desejamos o valor em massa, temos de converter a relação estequiométrica para a unidade de massa, usando para isso a massa molar obtida pelos valores de massa atômica:
3
74 , 6 g KCl
1 mol KCl
1 mol KCl = 74 , 6 g KCl → 1 =
ou 1 =
74 , 6 g K
KCl
Cl
1 mol KCl
4
5
4o PASSO
Determinação da massa de cloreto de potássio, a partir dos fatores de conversão advindos da relação estequiométrica e da massa molar do KCl:
6
7
74 , 6 g K
Cl
KCl
1 mol KCl
m (KCl = 3 mol KClO3 ⋅
⋅
→ m (K
Cl = 223, 8 g KCl
Cl
KCl
1 mol KClO3 1 moll K
Cl
KCl
)
)
( conversão de KClO3 em KCl )
8
conver
onversã
onver
ersão em m
massa)
assa)
( conversão
Hely Demutti
Cálculos estequiométricos da massa de uma substância a partir
da quantidade de matéria de outra substância
3. Calcule a quantidade de matéria de alumínio
necessária para se obter 51 g de óxido de alumínio (Al2O3), sabendo-se que este é formado
a partir da reação do alumínio com o gás oxigênio (O2).
1o PASSO
Identificação da equação química:
Reciclar alumínio para fazer latinhas consome muito menos energia
do que a fabricação a partir do minério de alumínio (Al2O3), a bauxita.
Al(s) + O2(g) ( Al2O3(s)
2o PASSO
Balanceamento da equação química: 4Al(s) + 3O2(g) ( 2Al2O3(s)
3o PASSO
Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão e dos fatores de conversão:
2 mol Al = 1 mol Al2O3 → 1 =
1 mol Al2O3
2 mol Al
ou 1 =
1 mol Al2O3
2 mol Al
1 mol Al2O3 = 102 g Al2O3 → 1 =
1 mol Al2O3
102 g Al2O3
ou 1 =
102 g Al2O3
1 mol Al2O3
4o PASSO
Determinação da quantidade de matéria desejada, a partir do fator de conversão advindo da relação estequiométrica:
)
n ( Al = 51 g Al2O3 ⋅
1 mol Al2O3
2 mol Al
⋅
→ n ( Al = 1 mol Al
102 g Al2O3 1 mol Al2O3
)
( conversão de
massa em mol )
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
( conversão de
Al2O3 em Al)
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
51
Cálculos estequiométricos envolvendo conversão de
massa de uma substância para massa de outra substância
Hely Demutti
CÁLCULOS QUÍMICOS
4. Calcule a massa de zinco (Zn) necessária para reagir com 109,5 g de ácido clorídrico
(HCl), formando cloreto de zinco (ZnCl2) e gás hidrogênio (H2).
1o PASSO
Identificação da equação química: Zn(s) + HCl(aq) ( ZnCl2(aq) + H2(g)
2o PASSO
Balanceamento da equação química: Zn(s) + 2HCl(aq) ( ZnCl2(aq) + H2(g)
3o PASSO
Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão e dos fatores de conversão:
1 mo
n = 2 mol
mol HC
HCll → 1 =
moll Z
Zn
1 mol Zn
2 mo
mol HCl
ou 1 =
2 mol HCl
1 mol
mo Zn
1 mol
mol HCl
HCl = 3
36
6, 5 g H
HCl
Cl → 1 =
1 mo
moll Z
Zn
n = 65
65, 5 g Zn → 1 =
36 , 5 g HCl
1 mol HCl
ou 1 =
36 , 5 g HCl
1 mol HCl
65, 5 g Zn
mol Zn
1 mo
ou 1 =
1 mol Zn
65, 5 g Zn
4o PASSO
Determinação da quantidade de matéria desejada, a partir do fator de conversão
advindo da relação estequiométrica:
)
m ( Zn = 109 , 5 g HCl ⋅
No tubo de ensaio preso com
a garra, um pedaço de zinco
reage com o ácido clorídrico
aquoso, formando cloreto de
zinco (sal branco) e gás hidrogênio, coletado no tubo
de ensaio.
1 mol HCl
1 mol Zn 65, 5 g Zn
⋅
⋅
→ m ( Zn = 98 , 25 g Zn
36 , 5 g HCl 2 mol HCl 1 mol Zn
)
( conversão de
massa em mol )
( conversão de
HCl em Zn )
( conversão de
mol em g )
Cálculos estequiométricos do volume de uma substância gasosa
a partir da massa de outra substância
Pasquale Sorrentino/Science Photo Library
5. A reação entre os gases oxigênio e hidrogênio para
formar água libera tanta energia que o hidrogênio
pode ser utilizado como combustível. Quantos litros
de gás hidrogênio, nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP), serão necessários para
formar 90 g de água?
1o PASSO
Identificação da equação química: hidrogênio reage
com oxigênio, dando origem à água:
H2(g) + O2(g) ( H2O(g)
A produção de gás hidrogênio é um importante avanço tecnológico, que possibilitará no futuro a substituição de combustíveis fósseis por combustíveis menos agressivos ao ambiente.
52
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
2o PASSO
Balanceamento da equação química:
2H2(g) + 1O2(g) ( 2H2O(g).
3o PASSO
Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão e dos fatores de conversão, para os dados
da tabela: volume molar dos gases (CNTP) = 22,7 L/mol; M(H2O) = 18 g/mol.
1 mol H2 = 22, 7 L H2 → 1 =
1
2
3
22, 7 L H2
1 mol H2
ou 1 =
1 mol H2
22, 7 L H2
4
1 mol H2
1 mol H2O
ou 1 =
1 mol H2O
1 mol H2
5
18 g H2O
1 mol H2O
1 mol H2O = 18 g H2O → 1 =
ou 1 =
1 mol H2O
18 g H2O
7
2 mol H2 = 2 mol H2O → 1 =
6
4 PASSO
Determinação da quantidade de matéria desejada, a partir do fator de conversão advindo da relação estequiométrica:
o
)
1 mol H2O 1 mo
moll H2 22, 7 L H2
⋅
⋅
→ V (H2 = 113, 5 L H2 .
18 g H2O 1 mol H2O 1 moll H2
)
Martin Bond/Science Photo Library
V (H2 = 90 g H2O ⋅
8
Em vez da conhecida fumaça preta que
os ônibus costumam liberar, este libera
vapor de água, resultante da combinação do gás hidrogênio com o oxigênio.
Você pode observar que partimos da massa de água (dado fornecido) e a convertemos
em quantidade de matéria. A quantidade de matéria de água foi convertida em quantidade
de matéria de hidrogênio. Por fim, convertemos a quantidade de matéria de hidrogênio em
volume de hidrogênio, utilizando o fator obtido a partir do volume molar dos gases nas CNTP.
O mesmo princípio adotado nos cálculos ilustrados nos exemplos anteriores podem
ser aplicados em diversos cálculos da Química. Por exemplo, no estudo de gases os químicos puderam estabelecer a lei geral dos gases que prevê, a partir da equação abaixo, o
comportamento químico deles:
P⋅V = n⋅R⋅T
,
em que P é a pressão do gás, V é o volume do gás, n é a quantidade de matéria do gás,
R é a constante dos gases e T é a temperatura do gás.
No Sistema Internacional de Medidas, deve-se adotar as unidades de Pascal (Pa) para
pressão, metro cúbico (m3) para volume e Kelvin (K) para a temperatura. Nesse caso, a
constante dos gases é igual a 8,314472 m3 ⋅ Pa ⋅ K–1 ⋅ mol–1.
O valor dessa constante é válido para situações de baixa pressão e altas temperaturas;
situação em que a interação entre as moléculas é desprezível.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
53
Na indústria, ao se estudar as quantidades de gases reagentes, torna-se necessário
nos cálculos aplicar a equação acima para se determinar a quantidade do gás em função
da temperatura e da pressão.
Hely Demutti
O NaOH, além de ser largamente empregado na
indústria, também é um
reagente muito usado em
laboratórios de Química.
Vamos agora relacionar os cálculos estequiométricos com a produção de soda cáustica, muito utilizada na fabricação do sabão e em outros processos químicos. O hidróxido
de sódio (NaOH) pode ser obtido a partir da reação química entre o carbonato de sódio
(Na2CO3) e o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2].
Calcule a massa de hidróxido de sódio formada a partir de 111 kg de hidróxido de cálcio. A seguir, calcule o número de embalagens de 200 g de hidróxido de sódio que serão
produzidas para comercialização.
Dados fornecidos:
m(hidróxido de cálcio) = 111 kg = 111000 g;
m(embalagem de NaOH) = 200 g.
Dados tabelados:
M(Na2CO3) = 106,0 g/mol;
M[Ca(OH)2] = 74,0 g/mol;
M(NaOH) = 40,0 g/mol.
Calcula-se, primeiro, qual é a massa de hidróxido de sódio formada a partir de 111 kg
de hidróxido de cálcio, para depois determinar quantas embalagens de hidróxido de sódio contendo 200 g serão obtidas.
1o PASSO
Identificação da equação química:
Ca(OH)2(aq) + Na2CO3(aq) ( NaOH(aq) + CaCO3(s)
o
2 PASSO
Balanceamento da equação química:
Ca(OH)2(aq) + Na2CO3(aq) ( 2NaOH(aq) + CaCO3(s)
o
3 PASSO
Identificação da relação estequiométrica referente ao cálculo em questão:
)
1 mol Ca ( OH
2
)
= 74 g Ca ( OH
→ 1=
2
)
1 mol Ca ( OH)
74 g Ca ( OH
2
ou 1 =
2
)
1 mol Ca ( OH
2
)
74 g Ca ( OH)
1 mol Ca ( OH
2
2
40 g NaOH
1 mol NaOH
ou 1 =
1 mol NaOH
40 g NaOH
1 mol NaOH = 40 g NaOH → 1 =
1 emb. NaOH = 200 g NaOH → 1 =
)
1 mol Ca ( OH 2
2 mol NaOH
ou 1 =
2 mol NaOH
1 mol Ca ( OH 2
= 2 mol NaOH → 1 =
)
200 g NaOH
1 emb. NaOH
ou 1 =
200 g NaOH
1 emb. NaOH
4o PASSO
Cálculo da massa de hidróxido de sódio formada.
)
)
m (NaOH = 111 000 g Ca ( OH
2
⋅
)
74 g Ca ( OH)
1 mol Ca ( OH
26
54
OD
ÍNDICE
2
⋅
2
m(NaOH) = 120 000 g = 120 kg
Ferro
CÁLCULOS QUÍMICOS
Cálculos para não desperdiçar
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
40 g NaOH
2 mol NaOH
⋅
1 mol Ca ( OH 2 1 mol NaOH
)
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Embalagens de NaOH = 120 000 g NaO
NaOH
N
aOH
H⋅
CAPÍTULO
5o PASSO
Cálculo do número de embalagens de hidróxido de sódio obtidas.
S
1 emb. NaOH
= 600 emb
b. N
NaOH
aOH
200 g NaOH
Simulador
1
2
Os exercícios resolvidos até aqui ilustram os principais tipos de problemas envolvendo cálculos estequiométricos. São esses
cálculos que os químicos realizam para manter nas reações uma proporção correta dos reagentes.
3
4
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Para responder às questões, caso necessário, consulte os
dados de massa atômica na Tabela Periódica no fim do livro.
1. Qual é a importância do cálculo estequiométrico nos
processos químicos?
2. O que são os índices e coeficientes de uma equação química?
3. Qual a quantidade de matéria de gás oxigênio (O2) que
será produzida a partir de 8 mol de bauxita (Al2O3) no
processo de obtenção do alumínio metálico? Sendo
dada a equação não balanceada:
Al2O3(s) ( Al(s) + O2(g)
4. O etanol é obtido da sacarose por fermentação conforme a equação:
C12H22O11 + H2O ( C2H5OH + CO2
Determine a quantidade de matéria de etanol (C2H5OH)
a partir de 5 mol de sacarose.
5. O gás metano (CH4) pode ser obtido nos tratamentos
de esgoto, por meio de processos biológicos ocorridos
nos biodigestores, e ser aproveitado como combustível. Esse gás, ao reagir com oxigênio (O2), formará gás
carbônico (CO2) e água (H2O). Com base nos valores de
massa atômica da tabela periódica, faça o que se pede.
a) Monte e balanceie a equação.
b) Calcule quantas moléculas de gás carbônico são
liberadas a partir de 13 kg de gás metano.
6. (Fuvest-SP-adaptado) Uma instalação petrolífera produz 12,8 kg de SO2 por hora. A liberação desse gás
poluente pode ser evitada usando-se calcário, o qual
por decomposição fornece a cal, que reage com SO2
formando CaSO3, de acordo com as equações:
CaCO3 (s) ( CaO(s) + CO2(g)
CaO(s) + SO2(g) ( CaSO3(s)
Quantas moléculas de CaSO3 são, por hora, necessárias
para eliminar todo o SO2 formado?
Dados: massas molares (g/mol):
SO2 = 64; 6,02 ⋅ 1023 moléculas de CaSO3 = 64 g de SO2
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
7. A água mineral gaseificada pode ser fabricada pela in-
6
trodução de gás carbônico (CO2) na água, sob pressão um pouco superior a 1 atm. De acordo com a
equação química abaixo, calcule, em quilogramas, a
massa de glicose necessária para produzir 100 mol
de gás carbônico.
C6H12O6(s) ( 2C2H5OH(l) + 2CO2(g)
7
8
8. (UFSCar-SP-adaptado) A termita é uma reação que
ocorre entre alumínio metálico e diversos óxidos metálicos. A reação do Al com óxido de ferro (III), Fe2O3,
produz ferro metálico e óxido de alumínio, Al2O3. Essa
reação é utilizada na soldagem de trilhos de ferrovias
2Al(s) + Fe2O3(s) ( Al2O3(s) + 2Fe(l)
A imensa quantidade de calor liberada pela reação
produz ferro metálico fundido, utilizado na solda. Dadas as massas molares, em g/mol: Al = 27 e Fe = 56.
a) Calcule a quantidade de ferro metálico produzido a
partir da reação com 550 g de alumínio metálico.
b) Quantas moléculas de óxido de ferro (III) Fe2O3 são
necessárias para reagir com 4 mol de óxido de alumínio, Al2O3?
c) Qual é a quantidade de matéria de alumínio necessária
para produzir 510 g de ferro metálico fundido?
9. O titânio (Ti) é considerado o metal do futuro. Na construção de aviões supersônicos, é o metal que oferece as
maiores vantagens por causa da sua elevada temperatura de fusão (1670 °C), visto que o atrito do ar contra
as paredes metálicas tende a elevar a temperatura de
todo o corpo da aeronave. A obtenção do metal pode
ser representada pela equação não balanceada:
TiCl4(s) + Mg(s) ( Ti(s) + MgCl2(s)
a) Calcule a massa de titânio obtida a partir de 800 g
de cloreto de titânio (TiCl4).
b) Qual é a quantidade de matéria de magnésio (Mg)
necessária para produzir 191,6 g de titânio (Ti)?
c) Quantos átomos de magnésio (Mg) são consumidos
por 380 g de cloreto de titânio (TiCl4)?
B
c D
E
GLOSSÁRIO
5
!
TABELAS
SEGURANÇA
55
CÁLCULOS QUÍMICOS
10. Em uma siderúrgica, a reação global para obtenção
14. A reação de combustão de um dos componentes do gás
de ferro ocorre em um alto-forno a partir de óxido de
ferro III (Fe2O3) com carvão (C), formando ferro (Fe) e
gás carbônico (CO2). Calcule:
a) a massa de óxido de ferro III (Fe2O3) que, ao reagir
com carvão (C) produz 660 kg de dióxido de carbono (CO2);
b) a quantidade de ferro, em quilogramas, obtida a
partir de 2 toneladas de hematita (Fe2O3);
c) a massa de dióxido de carbono (CO2) liberada na
produção de 1 mol de ferro.
de cozinha, o gás butano (C4H10), pode ser representada pela seguinte equação química não balanceada:
C4H10(g) + O2(g) ( CO2(g) +H2O(l).
Sabendo que o volume molar de um gás ideal nas CNTP
é 22,7 L/mol, julgue os itens que seguem, marcando C
para os corretos e E para os errados.
1) De acordo com a Lei das Proporções Definidas, dobrando-se as massas dos gases butano e oxigênio, as massas de gás carbônico e de água aumentarão três vezes.
2) São necessários 13 mol de gás oxigênio para reagir
com 2 mol de gás butano.
3) A queima de 58 g de gás butano produzirá 90 g
de água.
4) Nas CNTP, para produzir 45,42 L de gás carbônico
são necessários 116 g de gás butano.
5) Quando são queimados 232,0 g de gás butano,
são utilizados 98,6 L de gás oxigênio nas CNTP.
11. (Unifei-MG-adaptada) A sacarose é metabolizada pelos
animais, sendo uma das principais fontes de energia para
as células. Esse metabolismo ocorre durante a respiração,
formando CO2 e H2O como produtos:
Dados: volume molar (CNTP) = 22,7 L/mol; massas
molares (g/mol): H = 1,C = 12, O = 16.
C12H22O11 + 12O2 ( CO2 + H2O
a) Calcule quantos litros de CO2 (CNTP) são gerados
a partir de 20 g de sacarose.
b) Qual é a quantidade de matéria de água produzida
a partir de 500 g de sacarose?
c) Quantas moléculas de oxigênio reagirão com 5 mol
de sacarose?
15. Mais de 10000 anos é o tempo gasto para se decompor o vidro. Para cada tonelada de vidro reciclado,
economiza-se 1,2 tonelada de matéria-prima. Para a
produção, a barrilha (Na2CO3) é aquecida com calcário
(CaCO3) e areia (SiO2). É barato porque há abundância dessas três matérias-primas. Podemos considerar
a reação a seguir como representativa do processo de
fabricação do vidro:
SiO2(s) + CaCO3(s) + Na2CO3(s) (
( Na2O ? CaO ? SiO2(s) + CO2(g)
Dada a equação não balanceada, responda.
a) Para a produção de uma tonelada de vidro, quantos mols, aproximadamente, economizaríamos de
areia, carbonato de cálcio e barrilha?
b) Qual é o volume de gás carbônico (CO2) produzido
nas CNTP quando se consome 1 tonelada de barrilha nesse processo?
c) Por que há maior consumo de refrigerantes ou cervejas
em latas de alumínio do que em garrafas?
d) Já que o consumo de latas é maior do que o de vidros,
por que é mais caro o refrigerante em lata?
12. O sabão de coco é um produto de grande aceitação nas
lavanderias, por possuir poder de limpeza excelente e
não agredir os tecidos mais finos. Um dos componentes do sabão de coco é o laureato de sódio, que pode
ser obtido pela seguinte equação simplificada:
CH3[CH2]10COOH(aq) + NaOH(aq) (
( CH3[CH2]10COONa(s) + H2O(l)
Suponha que uma indústria produza 580 kg de sabão
por dia.
a) Que quantidade de matéria de laureato de sódio
[CH3(CH2)10COONa] será produzida em 30 dias?
b) Qual é a massa de ácido láurico [CH3(CH2)10COOH]
consumida diariamente?
c) Qual é a massa de hidróxido de sódio (NaOH) consumida em 30 dias de produção?
13. Um produto de cultura milenar é o vinagre. Para a fa- 16. (FMTM-MG) No motor de um carro a álcool, o vapor do
combustível é misturado ao ar e se queima à custa de
faísca elétrica produzida pela vela no interior do cilindro.
A queima do álcool pode ser representada pela equação:
C2H6O(g) + 3O2(g) ( 2CO2(g) + 3H2O(g) + energia.
A quantidade, em mols, de água formada na combustão
completa de 138 g de etanol é igual a:
Dado: massa molar C2H6O = 46 g/mol.
a) 1.
b) 3.
c) 6.
d) 9.
e) 10.
bricação, basta deixar o vinho azedar. Nesta reação,
o etanol (C2H5OH), substância encontrada no vinho,
reage com o gás oxigênio, produzindo o ácido acético
(C2H3COOH), substância encontrada no vinagre e na água.
a) Monte a equação da produção do ácido acético e
verifique o balanceamento.
b) Calcule a massa de ácido acético, quando se fermentam 500 g de etanol.
56
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
17. (Fuvest-SP) O nitrato de cobre é bastante utilizado nas 22. (UFMG-adaptado) Em um tubo, 16,8 g de bicarbonato
indústrias gráficas e têxteis e pode ser preparado por
três métodos:
Método I:
Cu(s) + ... HNO3(conc.) 
 Cu(NO3)2(aq) + ... NO2(g) + ... H2O(l)
Método II:
2Cu(s) + O2(g)  2CuO(s) 
 2CuO(s) + ... HNO3 (dil.) 
 2Cu(NO3)2(aq) + ... H2O(l)
Método III:
3Cu(s) + ... HNO3 (dil.) 
 3Cu(NO3)2(aq) + ... NO(g) + 4H2O(l)
2NO(g) + O2(g)  2NO2(g)
Para um mesmo consumo de cobre:
a) os métodos I e II são igualmente poluentes.
b) os métodos I e III são igualmente poluentes.
c) os métodos II e III são igualmente poluentes.
d) o método III é o mais poluente dos três.
e) o método I é o mais poluente dos três.
de sódio são decompostos, pela ação do calor, em carbonato de sódio (sólido), gás carbônico e água (vapor).
O volume de gás carbônico, em litros, obtidos nas CNTP
é igual a:
Dados: NaHCO3 = 84 g/mol.
a) 2,02.
b) 2,27.
19. (Faap-SP) Nas condições normais de temperatura e pressão, qual é o volume em litros ocupado por 35,5 g de cloro
gasoso a 127 °C e 760 mmHg?
Dados: massa atômica do Cl = 35,5 g ⋅ mol–1;
R = 8,314472 m3 ⋅ Pa ⋅ K–1 ⋅ mol–1.
a) 9,85.
d) 18,20.
b) 11,19.
e) 22,38.
c) 16,40.
ÍNDICE
Ferro
OD
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
4
5
6
7
8
gênio e do sódio são, respectivamente, 16 e 23, então
a massa de 23 átomos de oxigênio é a mesma que a
de 16 átomos de sódio. Essa afirmativa é verdadeira
ou falsa? Justifique.
25. (Unifesp-adaptado) Pessoas com pressão arterial elevada precisam reduzir o teor de sódio de suas dietas.
Um dos meios de se conseguir isso é com o uso do
chamado “sal light”, uma mistura de cloreto de sódio
e cloreto de potássio sólidos. Dados: massas molares,
em g/mol: Na = 23,0; K = 39,1; Cl = 35,5. Calcule a
massa molar do cloreto de sódio (NaCl) e do cloreto
de potássio (KCl).
26. A glicose é um açúcar utilizado pelas células como fonte de energia para o organismo. É um sólido de sabor
adocicado, de fórmula molecular C6H12O6. Determine
a massa molar dessa substância.
Dados: massas molares, em g/mol:
C = 12,0; H = 1,0; O = 16,0
27. O gás liquefeito de petróleo, GLP, é derivado do petróleo e conhecido como gás de cozinha. É constituído de
duas substâncias: o propano (C3H8) e o butano (C4H10).
Um botijão com sua capacidade completa contém em
seu interior cerca de 85% de GLP em estado líquido e
15% em estado de vapor. O gás em estado líquido se
vaporiza à medida que o botijão se esvazia. Qual é a
massa molar do propano e do butano?
Dados: massas molares, em g/mol: C = 12,0; H = 1,0
28. (Mack-SP) O óxido de vanádio é constituído de mo-
(CO2), medido a 0,75 atm e 25 °C que será produzido
pela combustão de 30 g de etano?
Dados: C = 12 g/mol; H = 1 g/mol.
26
3
24. (EE Mauá-SP) Uma vez que as massas atômicas do oxi-
21. (UFSC-adaptado) Qual é o volume de gás carbônico
Fe
e) 8,96.
tura de átomos, dos quais 98,90% são 12C e 1,10% é 13C.
Dados: massas atômicas: 12C = 12,000; 13C = 13,003.
a) Explique o significado das representações 12C e 13C.
b) Com esses dados, calcule a massa atômica do carbono natural.
20. (UFRR) Certa massa de oxigênio ocupa um volume de
10 L à temperatura de 27 °C e pressão de 300 mmHg.
O volume ocupado pela massa de oxigênio à temperatura de 47 °C e 400 mmHg de pressão será:
a) 4 L.
d) 10 L.
b) 8 L.
e) 12 L.
c) 6 L.
2
23. (Fuvest-SP) O carbono ocorre na natureza como uma mis-
18. (Fafi-MG) Certa massa de gás hidrogênio, H2(g), ocupa o volume de 8,2 L a 27 °C e exerce a pressão de
1 520 mmHg. A massa do gás será igual a:
Dados: R = 8,314472 m3 ⋅ Pa ⋅ K–1 ⋅ mol–1 e massa atômica de hidrogênio = 1 g ⋅ mol–1.
a) 5,2 g.
c) 3,9 g.
e) 1,3 g.
b) 4,5 g.
d) 2,6 g.
c) 4,48.
d) 4,03.
1
léculas V2Oy. Se a massa molar do V2Oy é 182 g/mol,
então, y é igual a:
Dados: massas atômicas: V = 51; O = 16.
a) 1.
b) 3.
c) 7.
d) 5.
e) 4.
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
57
4 RENDIMENTO DAS REAÇÕES
CÁLCULOS QUÍMICOS
Peggy Greb/US Department of Agriculture/Science Photo Library
N
Para desenvolver as reações químicas em laboratórios e na indústria, os
químicos fazem cálculos
precisos sobre quantidades de reagentes que precisam adicionar no sistema
racional. Para isso eles fazem cálculos precisos sobre rendimentos de
reações.
ormalmente, em laboratórios e indústrias, a quantidade de
produtos formados é menor do que as previstas em teoria
pela estequiometria. Isso acontece por três motivos principais: primeiro, pela presença de impurezas nos reagentes; segundo, pelo
fato de muitas reações serem reversíveis, ou seja, os produtos reagem entre si produzindo os reagentes originais; e, por último, pela
possibilidade de reações paralelas que fornecem produtos diferentes dos desejados. Além disso, a ocorrência da reação depende de
determinadas condições, como a temperatura, que podem variar
durante o processo. Existem, ainda, dificuldades operacionais que
acarretam perda de produtos.
Indústrias – como a farmacêutica, a química e a de componentes eletrônicos – trabalham com materiais de elevada pureza.
Outras, como a siderúrgica (extração de metais) e as fábricas de
sabão, não utilizam matéria-prima de pureza tão elevada. A indústria sempre procura melhorar equilíbrio entre preço e rendimento
da matéria-prima, sem que haja comprometimento da qualidade
do produto final.
O Rendimento Teórico (RT) de uma reação corresponde
à quantidade de um produto que seria obtida a partir de uma
quantidade de reagente se a reação fosse única e ocorresse
completamente. O rendimento teórico fornece, por meio da estequiometria, a quantidade máxima de produtos que seria obtida se a reação fosse completa.
Para realizarmos os cálculos químicos, precisamos saber que quantidade de produto
será realmente formada. A isso chamamos Rendimento Real (RR), expresso como uma
porcentagem do Rendimento Teórico (RT), conhecido como rendimento percentual.
R% =
RR
⋅ 100 %
RT
RT, em geral, corresponde à massa teoricamente prevista e RR à massa realmente produzida.
Veja um exemplo.
Na produção de sabão, uma amostra de 100 g de hidróxido de sódio reage com a estearina (Est), conforme a equação a seguir:
(C17H35COO)3C3H5(s) + NaOH(aq) ( C17H35COONa(s) + C3H5(OH)3(l)
Considerando que, a partir de 100 g de hidróxido de sódio (NaOH), foram obtidos
512 g de estearato de sódio (principal componente do sabão – EstNa), qual é o rendimento real do processo?
Levando em conta a proporção entre as substâncias envolvidas na reação, teremos a
equação balanceada:
(C17H35COO)3C3H5(s) + 3NaOH(aq) ( 3C17H35COONa(s) + C3H5(OH)3(l)
Ao identificar a relação estequiométrica existente no cálculo em questão, temos a
relação entre o reagente (hidróxido de sódio) e o produto (estearato de sódio).
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OD
ÍNDICE
Ferro
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Fe
2
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T. PERIÓDICA
a
B
c D
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
3 ⋅ 40 g NaOH = 1 ⋅ 890 g EstNa → 1 =
CAPÍTULO
Utilizemos agora o fator de conversão de massa do hidróxido de sódio para o estearato de sódio. Para facilitar a escrita das equações, representaremos o estearato de sódio
por EstNa.
De acordo com os cálculos
químicos, 890 kg de estearina produziriam 918 kg de
sabão, mas na indústria
só foram obtidos 512 kg.
Por que será?
890 g EstNa
EstNa
120 g NaOH
ou 1 =
120 g NaOH
890 g EstNa
2
Hely Demutti
Agora, vamos determinar a quantidade de material desejada, a
partir do fator de conversão obtido das relações estequiométricas.
Para isso, vamos igualar o símbolo da grandeza solicitada com o da
fornecida inicialmente e fazer as devidas conversões.
Fator de conversão:
1
6
7
Calculando a massa do estearato de sódio que deveria ser
produzida:
m (EstNa
)
890 g EstNa
= 100 g NaOH ⋅
120 g NaOH
8
)
→ m (EstNa
stNa ≅ 742 g
Cálculo das conversões de unidade e do valor real do sabão:
Sendo a massa realmente produzida igual a 512 g, e de acordo com a equação apresentada, teremos:
R% =
512 g
⋅ 100 % → R % ≅ 69 %
742 g
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Para responder às questões, caso necessário, consulte os dados de massa atômica na tabela periódica no
fim do livro.
3. (Enem) Na investigação forense, utiliza-se luminol, uma
substância que reage com o ferro presente na hemoglobina do sangue, produzindo luz que permite visualizar locais contaminados com pequenas quantidades
de sangue, mesmo em superfícies lavadas. É proposto
que, na reação do luminol (I) em meio alcalino, na presença de peróxido de hidrogênio (II) e de um metal de
transição (Mn+), forma-se o composto 3-aminoftalato
(III) que sofre uma relaxação, originando o produto
final da reação (IV), com liberação de energia (hv) e
de gás nitrogênio (N2).
Dados: peso moleculares:
Luminol = 177 e 3-aminoftalato = 164.
1. Por que em uma reação química o rendimento não é
igual ao teoricamente previsto?
2. A cárie é um processo de desmineralização localizada
no esmalte do dente e, em geral, também na dentina,
que culmina com a formação de uma cavidade. O fluoreto de sódio (NaF) libera íons fluoreto (F–), que atuam
na prevenção da cárie dentária, porque têm a propriedade de substituir os grupos hidróxido (OH–) do principal constituinte do esmalte dos dentes, a hidroxiapatita
[Ca5OH(PO4)3], formando a fluorapatita [Ca5F(PO4)3], que
é bem mais resistente ao ataque de ácidos e bactérias,
conforme a equação balanceada a seguir:
Ca5 OH(PO 4)3 (s) + NaF(aq) ( Ca5F(PO 4)3 (s) +
+ NaOH(aq)
Considerando que, a partir de 84 g de fluoreto de
sódio, foram obtidos 252 g de fluorapatita, qual é o
rendimento real do processo?
ÍNDICE
Ferro
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OD
4
5
890 g EstNa
120 g NaOH
1=
3
Fe
2
8
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T. PERIÓDICA
a
(II)
NH2 O
NH
NH
+ H2O2 + Mn+
O
*
(I)
NH2 O
O
O
O
O
O
+ hv + N2
O
(III)
(IV)
Adaptado de: Química Nova. São Paulo: SBC, v. 25, n. 6, 2002. p. 1003-1011.
B
c D
E
GLOSSÁRIO
NH2 O
!
TABELAS
SEGURANÇA
59
CÁLCULOS QUÍMICOS
Na verificação de uma amostra biológica para análise
forense, utilizaram-se 54 g de luminol e peróxido de
hidrogênio em excesso, obtendo-se rendimento final
de 70%. Sendo assim, a quantidade do produto final
(IV) formada na reação foi de:
a) 123,9.
b) 114,8.
d) 35,0.
c) 86,0.
e) 16,2.
citrato de sódio, determine o rendimento percentual da reação.
b) Por que duas substâncias com ácido no nome são
utilizadas para combater acidez no estômago, visto que o interior desse órgão já é hiperácido?
c) Calcule o volume de gás carbônico produzido, nas
CNTP, quando reagem 4 mg de carbonato ácido
de sódio.
6. Um zelador usa ácido muriático (ácido clorídrico) regularmente para fazer limpeza do piso de mármore do
prédio em que trabalha. Sabe-se que o ácido ataca o
mármore (formado basicamente por CaCO3), liberando
gás carbônico, de acordo com a equação:
4. “Tarde demais! O papo, que estava bom após o primeiro copo, fica difícil após quatro doses. Isso
acontece porque o cérebro tem dificuldade para
funcionar. Essa quantidade afronta não só o raciocínio como também as restrições sociais. É quando
o tímido consegue passar cantadas impensáveis
quando está sóbrio. ”
CaCO3(s) + 2HCl(aq) ( CaCl2(s) + H2O(l) + CO2(g)
Qual é o volume de gás carbônico formado, nas CNTP,
quando ocorre reação de 50 g de mármore?
Superinteressante, n. 2, fev. 2000.
7. O cobre é um metal encontrado na natureza em diferen-
Para se obter o álcool por fermentação, a partir da
cana-de-açúcar, passa-se por alguns processos, sendo a última etapa, C6H12O6(s) ( C2H5OH(aq) + CO2(g),
chamada fermentação alcoólica. De acordo com as
informações acima, responda.
a) Se o rendimento percentual é de 96%, qual é a
massa de glicose (C6H12O6) necessária para produzir 700 g de etanol (C2H5OH)?
b) Pela lei brasileira, o máximo permitido é 0,6 g de
álcool por litro de sangue. Será que uma pessoa
que tenha 5 litros de sangue e tenha bebido 3
doses de 50 mL de uísque pode dirigir um carro?
Justifique por meio de cálculos, considerando que
todo o álcool foi para o sangue.
Dados: 1 dose de uísque possui cerca de 20 g de álcool.
tes minerais. Um processo de obtenção desse metal
pode ser apresentado pela equação:
Cu2S(s) + 2Cu2O(s) ( 6Cu(s) + SO2(g)
Supondo que o processo apresente rendimento de
60%, qual é a massa de cobre obtida a partir de
100 g de CuS(s)?
8. (Mack-SP) CaF2 + H2SO4 ( CaSO4 + 2HF
O HF é obtido a partir da fluorita (CaF2), segundo a
reação equacionada acima. A massa de HF obtida na
reação de 500,0 g de fluorita de 78% de pureza é:
Dados: massa molar (g/mol).
Ca = 40, F = 19, H = 1, S = 32, O = 16
a) 390,0 g.
b) 304,2 g.
c) 100,0 g.
d) 200,0 g.
e) 250,0 g.
5. Muitas vezes sentimos azia (queimação no estômago),
ou seja, excesso de ácido clorídrico causado por
alguma disfunção na digestão, estresse ou consumo exagerado de alimentos gordurosos. Para aliviar o excesso de acidez no estômago, é necessário
ingerir um produto capaz de neutralizar o ácido,
chamado antiácido. O carbonato ácido de sódio
aquoso (NaHCO3) reage com ácido cítrico aquoso
[COH(CH2)2(COOH3)] para produzir citrato de sódio aquoso [COH(CH2)2(COONa)3] e ácido carbônico
aquoso (H2CO3). Como o ácido carbônico é instável,
a formação estável é com o gás carbônico e a água.
Monte a reação balanceada e, com base nas informações acima, responda.
a) Sabendo que 5 kg de bicarbonato de sódio reagem com ácido cítrico para produzir 2559,5 g de
60
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T. PERIÓDICA
9. Existem loções faciais adstringentes que limpam e tonificam a pele, pois penetram profundamente nos
poros, removendo o excesso de oleosidade e traços
de impurezas. Um dos componentes dessas loções
é o etanol. Este pode ser obtido de acordo com a
equação abaixo:
Ca12H22O11(s) + H2O(l) ( 4C2H5OH(l) + 4CO2(g)
Admitindo-se que essa reação tenha rendimento total
(100%) e que o etanol produzido seja puro (anidro),
qual é a massa de açúcar (C12H22O11) necessária para
produzir 100 L de etanol (C2H5OH)?
Dado: álcool = 0,8 g/cm3.
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
10. Ao reagirmos cloreto de cálcio (CaCl2) com nitrato de
11. (UFU-MG) Encontrou-se uma amostra de mármore
prata (AgNO3), obtemos um precipitado branco – cloreto de prata (AgCl). Sabendo-se que essa reação apresenta um rendimento de 90%, calcule a massa do
precipitado formado a partir de 22,2 g de cloreto de
cálcio, conforme a equação não balanceada abaixo:
CaCl2(aq) + AgNO3(aq) ( AgCl(s) + Ca(NO3)2(aq)
(CaCO3), cuja pureza era de 60%. Decompondo-se
50 g dessa amostra, obtiveram-se cal virgem (CaO)
e gás carbônico (CO2). Admtindo-se um rendimento
de 70% para essa reação, quantos mols de gás carbônico foram conseguidos?
Dados: C = 12; O = 16; Ca = 40
1
2
3
4
5
6
ER
As leis das reações químicas
7
Exercícios de revisão
8
b Os cálculos
ulos químicos são fundamentados nas leis das reações químicas.
b Lavoisier [1743-1794] estabeleceu a Lei da Conservação das Massas: em um sistema fechado, a
massa dos reagentes e dos produtos de uma reação química são sempre as mesmas.
b Em 1797, Louis Prost demonstrou que, independentemente do processo de preparação, a composição do carbonato de cobre era sempre a mesma. Assim, uma substância pode ser proveniente de
diferentes fontes, naturais ou produzidas em laboratórios, mas apresentará sempre a mesma composição química.
Balanceamento da equação química e estequiometria
b As equações químicas representam as reações químicas. Em uma equação química genérica:
aA + bB # cC + dD, as letras minúsculas correspondem aos coeficientes estequiométricos.
b O balanceamento de uma equação química é a determinação dos coeficientes estequiométricos da equação química, ou seja, o acerto numérico entre quantidades de átomos no reagente
e no produto.
b Os coeficientes de uma equação química são valores numéricos que indicam a proporção mínima de cada substância envolvida na reação.
b Cálculos estequiométricos são os cálculos desenvolvidos para a determinação das quantidades
de reagentes e produtos em uma reação.
Rendimento das reações
b Geralmente, nos laboratórios e nas indústrias, as quantidades de produtos obtidos são diferentes dos valores previstos por meio do cálculo estequiométrico. Isso se dá devido à impureza dos
reagentes, à reversibilidade das reações e às reações paralelas. No entanto, é necessário saber
exatamente a quantidade real dos produtos obtidos. Esse valor é chamado Rendimento Real (RR),
expresso por uma percentagem do Rendimento Teórico (RT). O RR corresponde à massa teórica
prevista e o RT à massa realmente produzida.
OD
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
61
UNIDADE
2
Gabriel de Paiva/Agência O Globo
Hidrosfera e
poluição das águas
Mortandade de peixes aumenta na Lagoa Rodrigo de Freitas, na
altura do Parque dos Patins, Rio de Janeiro (RJ), 2013.
62
Como garantir água para
as futuras gerações?
Capítulo 3 Classificação e composição
dos materiais
Capítulo 4 Propriedades da água e
propriedades coligativas
1. Propriedades das substâncias e interações
entre os constituintes
2. Propriedades da água
3. Água e solubilidade dos materiais
4. Propriedades coligativas
Hely Demutti
1. Soluções, coloides e agregados
2. Concentração e suas unidades
3. Composição
4. Diluição de soluções
Capítulo 5 Equilíbrio químico
1. Reações químicas e reversibilidade
2. Sistemas químicos reversíveis
3. Equilíbrio químico
4. Alterações do estado de equilíbrio
5. Princípio de Le Chatelier
6. Aspectos quantitativos de equilíbrios químicos
Temas em foco:
• Ciclo da água e sociedade
• Gestão dos recursos hídricos
• Poluição das águas
• A química, o tratamento de água e o
saneamento básico
63
C apít ulo 3
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO
DOS MATERIAIS
Como expressamos a composição química dos materiais?
Planeta Terra ou planeta Água?
Tema em foco
Tema
&
QS
S
CICLO DA ÁGUA E SOCIEDADE
Química e
Sociedade
O planeta Terra, um imenso globo azulado, existe há cerca de 4,6 bilhões de anos. Sua cor é atribuída ao fato de
aproximadamente 70% de sua superfície serem cobertos por água. Isso equivale a um volume de água estimado em
1,4 bilhão de km3. Acha muito? Será que é suficiente para todos os povos?
I
Ciclo da água
Infográfico
Ciclo da água
volume de vapor
na atmosfera
precipitação sobre
os continentes
área das calotas
e geleiras
Paulo Cesar Pereira
No início da formação de nosso planeta, a temperatura de sua superfície era muito alta, e toda água estava em estado gasoso. Com a diminuição da temperatura, a água presente na atmosfera começou a se precipitar na forma de
chuva, ajudando a diminuir mais a temperatura da superfície. A precipitação constante levou à formação de rios. Estes,
desaguando em partes mais baixas, deram origem aos mares e oceanos.
As águas das chuvas foram “lavando” a terra, carregando sais solúveis que se acumularam nos mares e oceanos, tornando-os ricos em sais minerais. Assim, a água foi se espalhando pelo planeta, armazenando-se em zonas
subterrâneas; na superfície terrestre, em lagos, rios, mares e oceanos; em extensas geleiras nas regiões polares e
montanhas; e uma pequena parte permaneceu na atmosfera. Além de se espalhar, a água passou a se movimentar
continuamente. As águas dos rios, lagos e mares se evaporam, dando origem a chuvas que novamente os alimenta.
Esse movimento da água, mudando de estado de agregação e de lugar constantemente, é denominado ciclo hidrológico ou ciclo da água e é essencial para a vida no planeta.
evapotranspiração
dos continentes
precipitação
sobre os
oceanos
evaporação
dos oceanos
fluxo dos
rios para
os oceanos
fluxo
subterrâneo
para os rios
área dos oceanos
área dos continentes
Apesar de termos a impressão de que a água está acabando, a quantidade de água na Terra é praticamente invariável há 500 milhões de anos.
O que muda é a distribuição no planeta. Nesse constante ciclo da água, os oceanos são os maiores fornecedores de vapor-d’água e exercem
grande influência no clima do planeta.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Não há como medir a quantidade de água disponível na Terra. Por isso, estudiosos do assunto apresentam diferentes
estimativas. Segundo uma delas, uma pequena parte da água está na atmosfera na forma de vapor. Da água restante, cerca de 97,5% está nos mares e oceanos – imprópria para consumo por causa dos sais nela dissolvidos. Dos 2,5% restantes,
a maior parte (1,7%) está na forma de gelo nos polos e em geleiras – pouco disponível para consumo humano –, restando
menos de um por cento que apresenta grau de salinidade baixo, sendo por isso denominada água doce. Dessa pequena fração de água doce disponível, menos de 0,01% está nos rios e lagos e 0,75% está no subsolo (veja quadro abaixo).
2
3
Paulo Cesar Pereira
Distribuição da água
1
água salgada
97,5%
4
5
6
7
água
subterrânea
0,75%
rios e lagos
0,0075%
geleiras
1,72%
8
Se imaginarmos que toda
a água do planeta está
contida em uma caixa-d’água
de 1 000 L, esse volume de
água estaria distribuído nas
proporções indicadas no esquema acima, ou seja, o volume de toda a água dos rios
corresponderia a uma dose e
meia de água (75 mL, pouco
mais do que um cafezinho)!
água doce
2,5%
solo, icebergs,
pântanos etc.
0,0225%
Pense
Pelos dados apresentados no esquema acima, calcule, aproximadamente, a quantidade de água doce existente na Terra,
em litros. Desse total, qual seria a quantidade disponível em rios, lagos e em reservatórios subterrâneos? Finalmente, desse
último total, que quantidade você estima ser de água potável?
Nem toda água é própria para consumo humano. Altas concentrações de cloretos de cálcio e de magnésio tornam
a água salgada e, consequentemente, imprópria ao nosso consumo. As águas que possuem grau de salinidade superior a 30 g/L são consideradas salinas, e as intermediárias – com grau de salinidade entre 0,50 g/L e 30 g/L – são chamadas salobras. A água doce, salinidade igual ou inferior a 0,50 g/L, é a única adequada para o consumo humano.
A atmosfera é o reservatório que contém a menor quantidade de água, mas que se renova em média a cada
dez dias, finalizando o ciclo da água. A distribuição das chuvas sobre o planeta ocorre de maneira bem diferenciada.
Assim, há regiões nas quais os índices de precipitação são altos e nas quais se formam densas florestas. Nas regiões
em que esse índice é muito baixo, formam-se desertos. Isso faz com que tenhamos uma diversidade muito grande
de ambientes em nosso planeta Terra.
Pense
Diante dessa quantidade de água doce, ou melhor dizendo água potável, será que estamos fazendo uso adequado desse
precioso bem natural?
No polígono da seca, no Nordeste brasileiro, o nível médio de precipitação fica na faixa entre 600 e 800 milímetros de chuva por ano. Embora não seja um nível tão baixo, os moradores da região sofrem muito com a seca porque as chuvas se concentram em poucos dias dos meses do ano.
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TABELAS
SEGURANÇA
65
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
Fabio Colombini
Fabio Colombini
A distribuição de água é responsável pela diversidade de
vegetação existente. Nas fotos, uma demonstração da diversidade encontrada em nosso
país. A foto direita mostra paisagem de caatinga, em Canudos (BA), e a esquerda mostra
uma vista da Floresta Amazônica, em Manaus (AM).
A cada 10 anos, geralmente, apenas quatro apresentam boa distribuição de chuvas no tempo e no espaço. Além
disso, em algumas regiões, o solo cristalino não permite a absorção da água, causando um extenso problema da escassez de água no Agreste árido.
Hely Demutti
A água na atmosfera
Você conhece pessoas que conseguem olhar para o céu e prever, com grande chance de acertar, se vai chover ou
não? Algumas pessoas fazem tais previsões observando as nuvens. Um tipo comum e característico de nuvens são as
denominadas cúmulos-nimbos, carregadas por cristais de gelo e fortemente associadas a chuvas fortes.
Existem diferentes tipos de nuvens, mas nem todos promovem chuvas! Tudo depende de fatores como: tamanho da gotícula, pressão atmosférica, temperatura, correntes de ar, tamanho das nuvens, ventos etc.
Os fatores que levam à formação das gotículas de nuvens são
basicamente dois: vapor de água e núcleos de condensação de
nuvens. Esses núcleos são partículas microscópicas que possuem
propriedades de condensar água em sua superfície, formando gotículas microscópicas. Entre o instante em que a gota é formada até
a sua chegada ao chão, em forma de chuva, muita coisa acontece!
As nuvens não têm muito tempo para crescer. As mais altas, conhecidas como nuvens
Se as nuvens se formam
em altas altitudes, a temrasas, chegam a altura máxima de 4 ou 5 mil metros. Quando passam de 6 a 7 mil metros
peratura pode ser tão
de altura, as gotas começam a congelar, por causa das temperaturas muito baixas, formanbaixa que toda a água
do cristais de gelo. Nesses casos, são conhecidas como nuvens profundas. Geralmente, as
existente nela permanechuvas originadas dessas nuvens são acompanhadas de relâmpagos e trovões.
cerá no estado sólido sob
No verão, chuvas de granizo são muito comuns em regiões tropicais. Isso ocorre pora forma de cristais de gelo.
que os cristais de gelo existentes nas nuvens precipitam-se, numa intensidade que não
A cúmulos-nimbus, copermite a completa fusão antes que cheguem ao solo. Felizmente, na maioria das vezes,
mo mostra a foto, é um
os blocos de gelo se fundem ou se desintegram em pedrinhas pequenas. Quando isso não
exemplo dessas nuvens.
acontece, ocorrem as chuvas de granizo que podem causar estragos enormes.
Águas subterrâneas
No subsolo, encontra-se uma das mais preciosas fontes de água potável, resultado de processos de filtração natural da chuva que cai nos solos. Essa água concentra-se em duas diferentes regiões. A primeira região é a subsaturada. Nela, água e ar se encontram entre rochas que constituem o subsolo. Na segunda região, chamada saturada,
todos os espaços ou poros das rochas estão preenchidos pela água. Essas duas zonas são separadas pela região denominada lençol subterrâneo de água ou lençol aquífero.
A água subterrânea, que normalmente utilizamos, fica retida em lençóis-d’água que podem ser classificados em: freático e artesiano. Os lençóis freáticos são mais sensíveis a chuvas, podem secar ou encher, dependendo da estação das secas
ou das grandes precipitações, e podem ser facilmente contaminados. Já os lençóis artesianos, resultantes de milhares de
anos de infiltrações de água no subsolo, por serem mais profundos, quase não variam em função das secas ou das chuvas.
Nesses lençóis, a água fica retida em rochas, sob pressão, e pode emergir à superfície quando as rochas são perfuradas.
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
A água subterrânea é muito valiosa por ser, geralmente, potável. No Brasil, é usada desde o início da colonização,
principalmente em regiões de rochas cristalinas do Nordeste, em que há grandes áreas desprovidas de água na superfície.
As águas subterrâneas representam cerca de um terço do volume total das águas continentais, sendo as principais reservas de água doce. Elas alimentam rios e lagos sendo, por isso, responsáveis pelo suprimento de água doce.
área de recarga
2
Helia Scheppa/JC Imagem
Distribuição de aquíferos
1
áreas de
descarga
3
4
5
nível freático
dias
6
dias
anos
camada de
confinamento
anos
séculos
camada de
confinamento
séculos
aquífero
confinado
milênios
milênios
VENEZUELA
GUIANA
GUIANA FRANCESA (FRA)
SURINAME
COLÔMBIA
RR
Equador
7
8
AMj Studio
Maps World
aquífero não
confinado
A fonte de recarga natural
para a maioria dos aquíferos
é a precipitação (chuva)
que se infiltra em regiões
denominadas áreas de
carga e reabastece o
aquífero. Essa água fica retida
nos aquíferos, em espaços
existentes entre as partículas
do solo e em diferentes níveis
de profundidade, e abastece
rios e poços artesianos.
AP
EQUADOR
AM
PA
CE
MA
PERU
PI
AC
RO
AL
SE
TO
BA
MT
OCEANO
BOLÍVIA
PACÍFICO
Tró
pricórnio
pico de Ca
GO
AG
UA
I
CHILE
DF
MG
MS
PA
R
RN
PB
PE
ES
SP
RJ
PR
SC
RS
ARGENTINA
URUGUAI
OCEANO
ATLÂNTICO
N
Aquífero Guarani
O
0
863
L
1 726 km
1 cm – 863 km
S
Fonte: Com base em FERREIRA, Graça Maria Lemos. Atlas geográfico: espaço mundial.
São Paulo: Moderna, 2010. p. 126.
O maior lençol freático do mundo (em laranja) está localizado no
Brasil, abrangendo o subsolo de áreas dos estados de SP, MS, MT, GO,
MG, PR, SC e RS, além de parte da Argentina, Uruguai e Paraguai.
A perfuração desordenada de poços artesianos pode comprometê-lo.
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Na foto, destaque para técnicos do Compesa e Secretaria de
Recursos Hídricos (CPRH), fiscalizando poço artesiano do
Edifício Nossa Senhora do Loreto, em Boa Viagem, Recife.
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TABELAS
SEGURANÇA
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Hely Demutti
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
Ciclo da água e o consumo humano
A preocupação atual com a água não é que ela acabe. Estima-se que sua quantidade é a mesma há mais de
2 bilhões de anos. O que vem diminuindo com o passar do tempo é a quantidade de água potável em condições adequadas para consumo humano. As atividades humanas têm afetado, sem dúvida, a disponibilidade de água potável.
Um exemplo é a utilização de água de lençóis
CONSUMO HUMANO DE ÁGUA PER CAPITA
freáticos. O seu uso deve ser feito com cautela, pois
AO LONGO DOS TEMPOS
o seu esgotamento afetará regiões vizinhas que tamConsumo humano per capita
Período
bém são abastecidas por ela. Diversos centros urba100 a.C.
12 L/dia
nos dependem de águas subterrâneas, como a cidade
de Natal (RN), e muitos deles têm sofrido escassez
Romano
20 L/dia
de água, por conta de sua exploração desordenada.
Século XIX (cidades pequenas)
40 L/dia
No Nordeste, região constantemente castigada
Século XIX (cidades grandes)
60 L/dia
por longos períodos de seca, o uso de água subterrâSéculo XX
800 L/dia
nea está associado à qualidade de vida da população.
Segundo levantamento de geólogos, o subsolo dessa
Fonte: MACEDO, J. A. B. Águas & águas. Juiz de Fora: Ortofarma, 2000.
região contém cerca de 20% das águas subterrâneas
do Brasil e uma parte desta poderia ser retirada, de forma controlada, para amenizar os problemas das secas.
Enquanto alguns municípios como Joinville (SC)
estudam mecanismos para taxar a água extraída de
poços artesianos, em outros poços jorram dia e noite incessantemente, desperdiçando grandes quantidades desse bem tão precioso.
Plantação sendo irrigada peA necessidade de planejamento do uso dos recursos hídricos tem se tornado cada vez
lo método da aspersão. Na
mais importante em decorrência do aumento do consumo de água por toda a população
irrigação, a água não retormundial, como se pode ver na tabela abaixo. A industrialização, o aumento populacional
na ao manancial de origem.
e a migração para os grandes centros contribuíram para o crescimento dessa demanda,
o que também favoreceu para agravar situações problemáticas.
A necessidade de aumento da produção de alimentos por causa do crescimento da população humana exigiu a utilização de irrigação do solo, para que a agricultura não dependesse exclusivamente das chuvas.
100 L
1 kg de
açúcar
1 kg de
trigo
1 kg de
milho
1 kg de
arroz
1 kg de
frango
100 000 L
Marcos Bergamasco/Folhapress
1 910 L
3 500 L
Mauricio Simonetti/Pulsar Imagens
1 400 L
900 L
Delfim Martins/Pulsar Imagens
3 500
João Prudente/Pulsar Imagens
Delfim Martins/Pulsar Imagens
consumo de água (L)
100 000
1 910
1 400
900
100
José Luis da Conceição/AE
Consumo de água na produção de alimentos
1 kg de
carne bovina
Atualmente, 34% da água doce consumida pelos seres humanos é destinada à agricultura irrigada. Projetos de irrigação mal planejados podem provocar impactos ambientais, causando problemas como: exaustão hídrica da região,
contaminação das águas, erosão, salinização de regiões áridas e semiáridas e, indiretamente, surgimento de problemas
de saúde pública. Além disso, parte da água utilizada para irrigação não retorna ao seu curso original, e a parte que
retorna possui qualidade inferior.
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CAPÍTULO
100 000 L
J. F. Diorio/AE
consumo de água (L)
100 000
Delfim Martins/Pulsar Imagens
Renato Spencer/
JC Imagem
Consumo de água na produção industrial
1
2
3
4
250
10
250 L
10 L
1 L de gasolina
5
1 kg de papel
6
1 kg de alumínio
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a
Indústrias normalmente lançam seus dejetos nas águas dos
rios, infelizmente este controle não é adequado e causa
perigosa contaminação das águas por processos industriais.
Delfim Martins/Pulsar Imagens
Nas indústrias, a situação não é muito diferente. A produção
de bens de consumo utiliza muita água, como exemplifica o infográfico acima. Além de ser uma das atividades que mais poluem a água, a indústria consome grande quantidade de água.
Em países altamente industrializados, o consumo do setor industrial chega a ser superior a 80% do total da água consumida, enquanto a quantidade de água gasta no uso doméstico e municipal não passa de 10%.
Outra fonte de preocupação em relação ao uso e à conservação da água doce são as usinas hidrelétricas, pois exigem
represamento de água para a formação de grandes lagos artificiais. Essas represas causam alagamento de ecossistemas,
perda de grande volume de água por evaporação e inundação
de grandes extensões de terra, que geram sérios problemas
ambientais, como o risco de extinção de espécies de animais
e plantas, a alteração do clima da região e outros impactos.
Esses alagamentos podem causar ainda problemas socioculturais, como o deslocamento de populações vizinhas, a destruição de belezas naturais, a inundação de sítios arqueológicos.
Vivemos hoje uma crise em nosso padrão de civilização,
é evidente que nosso modo de viver é insustentável, sendo
incompatível aos recursos de que o planeta dispõe. É indispensável que encontremos padrões de consumo que não desperdicem os recursos. A água certamente é um recurso-chave
nessa missão e deve estar no centro das atenções.
Certamente, hoje dependemos da água para produzir bens
de consumo que possam nos trazer melhor qualidade de vida,
gerar empregos, impostos etc. Todavia, a atividade industrial não
pode ser realizada sem os cuidados necessários com o ambiente,
pois colocam em risco as nossas vidas e as das futuras gerações.
A escassez de água é agravada pela crescente poluição de
mananciais, levando à transmissão de doenças, como hepatite
A, cólera e disenteria. Na América Central, a água contaminada tornou-se a segunda maior causa de mortalidade entre
crianças de até 1 ano. No mundo, morrem cerca de seis mil
crianças por ano em decorrência do mau uso da água.
Caetano Barreira/Olhar Imagem
7
A barragem de Sobradinho, com vazão de 2 000 m3/s, alagou
4 214 km2 de sertão e causou tanta preocupação que até foi tema
de música (Sobradinho, de Sá e Guarabira).
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TABELAS
SEGURANÇA
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8
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
Para entender melhor a composição desse líquido formador de recursos hídricos, estudaremos, nesta Unidade, as
propriedades químicas da água. Isso nos ajudará a compreender a importância desse líquido para a vida no planeta
e a desenvolver atitudes e valores favoráveis à preservação do meio ambiente para a nossa geração e para as futuras.
Debata
D
ebata e entenda
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Identifique no texto todos os fatores que têm contribuído para a escassez de água no planeta.
2. O Brasil foi pioneiro no aproveitamento das fontes hidrelétricas, na América do Sul e no mundo, graças ao imperador D. Pedro II, que se interessava por invenções e descobertas científicas. Descreva vantagens e desvantagens
das usinas hidrelétricas para o Brasil.
3. Quais são as atividades humanas que mais consomem água e o que pode ser feito para diminuir o consumo nessas atividades?
4. Por que há, no consumo diário de água, uma diferença grande entre os habitantes dos Estados Unidos e os de
alguns países africanos?
5. Quais são os principais fatores que geram uma distribuição diferenciada no consumo per capita de água no globo terrestre?
6. Por que a água dos oceanos e mares é salgada, já que eles são abastecidos por águas das chuvas e rios, que são
de águas doces?
7. As águas doces também possuem sais em sua composição? Justifique.
8. Com base na leitura do texto, explique por que a quantidade total de água no planeta tem sido a mesma há bilhões de anos.
9. Em sua opinião, por que existe pouca água potável em relação ao total de água da Terra?
10. Pesquise exemplos de processos alternativos que permitem explorar as águas que não são potáveis, como a água
dos mares e das geleiras, e delas obter água potável.
1 SOLUÇÕES, COLOIDES E AGREGADOS
N
o primeiro volume, você aprendeu sobre a constituição das substâncias que são formadas por átomos isolados, como os gases nobres, ou pela combinação de átomos
por meio de ligações químicas (iônica, covalente ou metálica). A constituição das substâncias é expressa por fórmulas químicas que apresentam a proporção entre os átomos
constituintes das substâncias ou até mesmo a sua disposição, como indicam as fórmulas
estruturais e as representações das formas geométricas das moléculas.
Ocorre que dificilmente as substâncias são encontradas de forma isolada. Elas sempre
estão disseminadas entre outras substâncias, pois elas são formadas por constituintes (átomos, moléculas ou íons) que são extremamente pequenos e facilmente interagem com
constituintes de outras substâncias.
Chamamos de materiais quando a matéria é constituída por mais de uma substância. Muitos
materiais têm um grau de pureza elevado, em que predomina um tipo de substância que se
apresenta em maior quantidade do que as demais, sendo nesse caso chamadas impurezas.
Pense
A água é um material ou uma substância?
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Todos estes produtos apresentam substâncias dispersas em outras.
1
2
3
Fotos: Hely Demutti
Podemos nos referir à água como um material que contém diversas substâncias dissolvidas, mas também podemos nos referir à substância água, cuja fórmula química é
H2O. Quando nos referimos ao material água, geralmente vinculamos a ele algum adjetivo: água de torneira, água da chuva, água mineral, águas subterrâneas, água do mar etc.
As propriedades dos materiais dependem da quantidade das substâncias que as compõem, daí a razão pela qual precisamos conhecer as relações quantitativas das substâncias
nos materiais, ou seja, a sua concentração ou composição. Antes, porém, vejamos como
os químicos classificam os materiais conforme a sua aparência.
Vamos começar esse estudo pelos materiais saneantes domissanitários que você conhece no
seu cotidiano. Entre os vários materiais existentes estão os produtos saneantes domissanitários.
4
5
Pense
6
Você sabe o que são produtos saneantes domissanitários?
7
8
Os produtos saneantes domissanitários são aqueles que usamos diariamente na
higienização, desinfecção ou desinfestação doméstica. De modo geral, são conhecidos
pela marca ou nome fantasia, mas comercialmente são chamados pelos mais diversos
nomes: lustra-móveis, limpa-pisos, limpa-vidros etc. Eles ajudam a melhorar a aparência
do ambiente doméstico e dos locais de trabalho.
Como você pode ver na imagem ao lado, os produtos químicos que usamos diariamente são constituídos por diversas substâncias. São elas as responsáveis por certas
propriedades químicas e físicas – como cor, textura, cheiro, estabilidade, sabor etc. –,
que conferem aos produtos sua forma de apresentação: solução, emulsão, gel, creme,
aerossol, loção e suspensão.
Pense
Como você classificaria esses materiais quanto à aparência, natureza e proporção de substâncias em sua composição?
Quanto à aparência, podemos classificá-los em:
Material homogêneo é um tipo de material que
apresenta aspecto uniforme em toda a sua extensão.
Material heterogêneo é um tipo de material que não apresenta aspecto uniforme.
A percepção da uniformidade dos materiais dependerá do instrumento óptico a ser utilizado. Assim, um material homogêneo a olho nu pode ser considerado heterogêneo se
for observado, por exemplo, em um microscópio. A uniformidade está relacionada à distribuição homogênea dos constituintes das diversas substâncias que o compõem. Essa distribuição, também conhecida como dispersão, ocorre de forma em que os constituintes de
uma substância se dispersam entre os constituintes de outra substância, ou um material se
dispersa em outro material. Conforme o tamanho das partículas da substância ou do material que está disperso, a sua aparência poderá apresentar-se homogênea ou heterogênea.
A verificação de que em um material existem partículas de tamanhos diminutos dispersas pode ser feita por meio da observação de um fenômeno luminoso que é demonstrado no experimento da próxima página.
É possível perceber o trajeto da luz em um meio quando existem partículas que dispersam os raios luminosos. É o que conseguimos notar quando o feixe de luz atravessa o
recipiente contendo água e xampu. Esse fenômeno, também percebido quando a luz dos
faróis atravessa as gotículas de água da neblina, é chamado efeito Tyndall. Esse efeito
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TABELAS
SEGURANÇA
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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
Hely Demutti
não ocorre com a água pura nem quando nela existem partículas pequenas, como íons e moléculas. Também podemos
observar o efeito Tyndall quando a luz solar entra por frestas
ou buracos da janela de um quarto escuro. Nesse caso, conseguimos ver, em virtude do reflexo da luz, as pequenas partículas de poeira dispersas no ar.
Considerando o tamanho das partículas que estão dispersas em um material, ele poderá ser classificado como solução,
coloide ou agregado, conforme o quadro abaixo.
CLASSIFICAÇÃO DE MATERIAL QUANTO AO TAMANHO
DAS PARTÍCULAS QUE ESTÃO DISPERSAS
“Sob neblina, use luz baixa”. Essa recomendação na
sinalização de estradas é necessária porque a neblina é
um sistema coloidal e, por isso, sujeito ao efeito Tyndall.
Se for utilizado farol alto, o feixe de luz irá se dispersar na
frente do veículo, atrapalhando a visibilidade do motorista.
Material
Tamanho da partícula
Solução
Menor que 1 nm
Coloide
De 1 a 1 000 nm
Agregado
Maior que 1 000 nm
–9
nm = nanômetro (1 nm = 10 m)
Química na escola
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
O que acontece com a luz ao atravessar diferentes materiais?
V
Vídeo
Para observar o tamanho das partículas dispersas em um material, você poderá realizar este experimento no laboratório
ou em sua casa, podendo ser desenvolvido também de forma demonstrativa pelo seu professor na própria sala de aula.
Material
•
•
•
•
•
5 béqueres (ou copos transparentes)
4 colheres (de café)
xampu
cloreto de sódio (NaCl – sal de cozinha)
areia
• álcool
• água destilada (ou filtrada)
• apontador a laser (pode ser substituído por uma lanterna pequena, desde que o ambiente esteja devidamente
escurecido)
Procedimento
Adicione água destilada até 1 ⁄3 do volume de cada béquer.
Ao segundo béquer, adicione uma colher de álcool. Agite bem.
Ao terceiro béquer, adicione uma colher de cloreto de sódio. Agite bem.
Ao quarto béquer, adicione uma colher de xampu. Agite bem.
Ao quinto béquer, adicione uma colher de areia. Agite bem.
Deixe em repouso por cerca de 10 minutos.
Observe os béqueres com as misturas, comparando-os com o primeiro,
que contém apenas água.
8. Incida sobre cada béquer (na sequência de 1 a 5) o feixe de luz do apontador a laser. Observe o líquido perpendicularmente. Cuidado: não direcione a luz do apontador para o rosto das pessoas porque ela pode
causar danos aos olhos.
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Hely Demutti
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Posicione o apontador a laser em relação ao
recipiente com o líquido e observe o comportamento do feixe de luz ao atravessar o material.
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Destino dos resíduos
1. Decante a areia e jogue-a no lixo e não na pia.
2. As demais soluções podem ser descartadas na pia.
1
2
Análise de dados
3
1. Qual substância você colocou em maior e em menor quantidade em cada béquer?
2. Observando a olho nu os materiais, o que é possível constatar ao incidir o feixe de luz em cada béquer?
3. Proponha uma explicação para as diferenças observadas a partir da passagem da luz nos diferentes materiais.
4
5
6
7
A palavra solução pode significar a superação de uma dificuldade, conclusão de um
assunto, resultado de um problema. Em Química, você ouve muito essa palavra, mas geralmente com outro significado: solução é um tipo de material homogêneo.
Em uma solução, existe sempre pelo menos uma substância dispersa (dissolvida) em
outra. A substância que está dispersa é chamada soluto. A que dispersa, ou seja, que
dissolve as outras, é denominada solvente.. O solvente é a substância que se apresenta
em maior proporção no material.
A maioria das soluções de interesse no estudo da Química tem como solvente a água.
Em geral, os solutos são substâncias iônicas, mas podem ser também substâncias moleculares polares.
Veja as ilustrações abaixo.
J. Yuji
J. Yuji
8
H2O
H2O
Na
Sacarose
Cl
Em uma solução aquosa em que o soluto é constituído por
moléculas, como no caso da sacarose, as moléculas do soluto
se distribuem entre as moléculas de água. Observe que, na solução, o soluto está disperso no solvente, mas a aparência visual é
homogênea, mesmo quando se usa microscópio.
Em uma solução aquosa em que o soluto é constituído por
substâncias iônicas, como no caso do cloreto de sódio, os íons
do soluto se distribuem entre as moléculas de água. Observe que,
na solução, o soluto está disperso no solvente, mas a aparência
visual é homogênea, mesmo quando se usa microscópio.
Nas soluções, as minúsculas partículas do soluto estão uniformemente distribuídas
no solvente. Nesse sentido, em tais materiais não é possível observar as partículas do
soluto, mesmo com o auxílio de microscópios. Ocorre, porém, que – nas soluções – um
aumento da proporção do soluto levará à precipitação dele no recipiente, formando
um material heterogêneo.
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SEGURANÇA
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CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
Hely Demutti
Misturas podem ser diferenciadas de soluções pelo fato de
que, nas primeiras, as substâncias formam um material homogêneo em quaisquer proporções. Assim, o ar é considerado uma mistura gasosa, e não uma solução. Da mesma forma, água e álcool
formam misturas. Por sua vez, água e cloreto de sódio formam
soluções, pois, dependendo da quantidade de sal, se precipita.
solução
aquosa
saturada
com sal
Solução é um tipo de material homogêneo, cuja
uniformidade é constatada apenas em determinadas
proporções de suas substâncias constituintes.
precipitado
Em uma solução, a adição de soluto, numa quantidade
maior do que o solvente consegue dissolver, resultará na
precipitação no fundo do recipiente do soluto em excesso,
formando um material heterogêneo.
Hely Demutti
Mistura é um tipo de material homogêneo, cuja
uniformidade é constatada em qualquer proporção das suas
substâncias constituintes.
A olho nu, muitos materiais são classificados como homogêneos. Mas, quando eles são observados em um potente microscópio, é possível enxergar as partículas dispersas. Assim são os
coloides. Tanto o meio de dispersão quanto a fase dispersa podem ser sólidos, líquidos ou gasosos.
O termo coloide vem do grego kólla e eîdos e foi introduzido, em 1861, pelo químico escocês Thomas Graham [1805-1869],
para indicar características intermediárias entre os materiais homogêneos e os heterogêneos.
Como exemplo de coloides, podemos citar:
Do ponto de vista da Química, só denominamos materiais como misturas quando, em qualquer proporção
que estejam as suas substâncias, elas permanecem
com aparência homogênea. Em qualquer proporção
que misturemos os gases da atmosfera, esta continuará homogênea. Em qualquer proporção que se misture
água e álcool, esse material permanecerá homogêneo.
tintas (pigmentos e solvente);
maionese (azeite, vinagre, gema de ovo);
xampus (surfactantes e aditivos);
cremes de beleza (água, óleos e aditivos);
gelatinas (colágeno e água);
chantili (ar e creme de leite);
neblina (água e ar);
fumaça (materiais particulados e ar);
gomas (resina ou amido e água);
sorvetes (gordura, aromatizantes e água);
desodorantes spray (álcool, antitranspirante, gás propelente etc.);
• leite (gorduras e água);
• queijos (proteínas e água);
• sangue (glóbulos, plaquetas e plasma sanguíneo).
Hely Demutti
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Coloide é um tipo de material heterogêneo, cuja
multiformidade é constatada apenas por meio de
instrumentos de alta resolução.
A maioria das tintas é coloide constituído por pigmentos
dispersos em solventes.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
H el
yD
em
ut t
Uma das propriedades dos coloides é provocar o
efeito Tyndall, conforme verificamos no experimento
anterior. O xampu adicionado à água naquele experimento formou pequenas micelas, que são partículas coloidais, as quais provocaram a dispersão da luz.
Podemos dizer, portanto, que o coloide é constituído por partículas muito pequenas para serem vistas a
olho nu, mas grandes o bastante para dispersar a luz.
Quimicamente, as partículas coloidais possuem tamanho entre 1 e 1000 nanômetros (nm).
Alguns coloides recebem denominações específicas,
cujos termos são encontrados em muitos produtos químicos de uso doméstico. Essas denominações são derivadas da classificação dos coloides de acordo com as
fases dispersas e de dispersão. A tabela a seguir apresenta exemplos de coloides usados em nosso dia a dia
com a sua respectiva classificação.
As emulsões são constituídas por materiais imiscíveis como óleo e água. Para que as fases não se separem, são usados agentes emulsificantes, os quais são
constituídos por moléculas com uma extremidade polar
e outra apolar.
i
Imagem colorida de uma
amostra de leite produzida utilizando-se um microscópico com aumento
de 300 vezes.
Hely Demutti
2
7
8
Meio de
dispersão
aerossol
líquido
líquido
gás
neblina, desodorante
aerossol
sólido
sólido
gás
fumaça, poeira
espuma
gás
líquido
espuma de sabão e
de combate a incêndios
espuma
sólida
gás
sólido
isopor, poliuretano
ÍNDICE
Ferro
OD
55,8
T. PERIÓDICA
Exemplos
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Fotos: Hely Demutti
O leite e vários de seus derivados são exemplos de coloides. Apesar
de terem uma aparência homogênea, apresentam partículas que podem ser visualizadas em um microscópio.
Fase dispersa
2
8
14
2
4
6
Coloide
26
3
5
CLASSIFICAÇÃO DOS COLOIDES DE ACORDO COM A FASE DISPERSA E O MEIO DE DISPERSÃO*
Fe
1
75
Coloide
Fase dispersa
Meio de
dispersão
emulsão
líquido
líquido
leite, maionese, manteiga
emulsão
sólida
líquido
sólido
margarina, opala, pérola
sol
sólido
líquido
tinta, creme dental
sol sólido
sólido
sólido
vidro e plástico pigmentado
Exemplos
Fotos: Hely Demutti
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS COLOIDES DE ACORDO COM A FASE DISPERSA E O MEIO DE DISPERSÃO*
* Extraído da revista Química Nova na Escola, n. 9, p. 10, maio 1999.
Hely Demutti
O gel é um tipo de coloide em que o meio de dispersão é sólido
e a fase dispersa é um líquido. Além disso, ele apresenta uma característica especial: possui propriedades macroscópicas (elasticidade
e manutenção da forma) parecidas com as dos sólidos. Exemplos
típicos são a gelatina (sobremesa) e os géis usados nos cabelos.
O álcool que compramos no supermercado é uma mistura
de álcool etílico (etanol), água e aditivos que lhe conferem sabor
desagradável. O álcool comercial é um produto muito útil, sendo utilizado como combustível, desinfetante e desengordurante.
Porém, ele é extremamente perigoso. Muito inflamável, o álcool
é responsável, no Brasil, por cerca de 150 000 queimaduras por
ano, sendo que quase um terço delas ocorre com crianças até 12
anos. Ele também está associado a um grande número de intoxicações causadas por sua ingestão.
Para evitar esses problemas domésticos, a Anvisa (Agência
Nacional de Vigilância Sanitária) baixou uma resolução decretando que o álcool etílico para consumo doméstico deverá ser
vendido na forma de gel. Esse gel é obtido pela adição de propilenoglicol (C3H8O2), que lhe confere alta viscosidade e diminui
a sua volatilidade, reduzindo o risco e a intensidade das queimaduras. Também neste caso são adicionadas substâncias que lhe
conferem um sabor amargo.
O creme é uma emulsão de água em óleo. Na composição dos cremes e das loções são encontrados também agentes emulsificantes, substâncias que mantêm a
emulsão estável. Se não fossem os emulsificantes, o óleo
e a água se separariam, descaracterizando o produto.
O etanol é comercializado
na forma de gel para diminuir o risco de acidentes.
Hely Demutti
76
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
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T. PERIÓDICA
a
B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
i
ut t
em
ly D
He
1
2
3
O rubi é um exemplo de coloide sol sólido, em que a
fase dispersa é o óxido crômico (Cr2O3), que está disperso em óxido de alumínio
(Al2O3). O chamado vidro rubi (vermelho) é constituído
de ouro disperso no vidro.
Hely Demutti
Hely Demutti
CAPÍTULO
Atualmente, os géis têm encontrado aplicação em uma enorme variedade de produtos, entre as quais citamos os solados de tênis com objetivo de diminuir impactos que
ocorrem em esportes, formulações de cloro gel, destinadas à limpeza de pisos e roupas,
e rodas em gel, substituindo a borracha.
Um coloide oposto ao gel é o sol.. No sol, o meio de dispersão é um líquido e a fase
dispersa é um sólido, e a mistura tem a aparência de um material líquido. Quando o pó
de gelatina é aquecido em água forma um sol.
4
5
6
7
8
Gel
Os materiais heterogêneos podem se apresentar de duas formas: como agregados ou
como coloides. Enquanto os coloides são materiais heterogêneos identificáveis apenas por
meio de instrumentos ópticos de maior precisão, a heterogeneidade dos agregados pode ser
constatada a olho nu. Neles, as partículas que formam o material são maiores do que nos
coloides e podem ser separadas por filtração, dependendo da interação entre as partículas.
Hely Demutti
Sol
Quando aquecido em água, o pó de gelatina forma um coloide denominado sol.
Depois de resfriado na geladeira, forma
um coloide denominado gel.
Agregado é um tipo de material heterogêneo, cuja multiformidade é constatada
por meio de instrumentos de baixa resolução.
Hely Dem
ut ti
Agregados com sólidos dispersos em líquidos ou gases são
chamados de suspensão. Neles, a fase sólida tende a sedimentar quando o sistema fica em repouso. Antibióticos
são exemplos de suspensão.
O granito é um material heterogêneo, no qual se percebe claramente
a existência de partículas que estão
disseminadas na rocha.
A preparação de muitos antibióticos é um exemplo típico de
suspensão. Antes de tomar medicamentos na forma de suspensão, não se esqueça de agitá-los bem, pois nas suspensões o
material particulado geralmente decanta no fundo do frasco.
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Como podemos identificar os diferentes componentes
de uma mistura?
2. Em que consiste o efeito Tyndall e onde ele é mais evidente, num coloide ou numa suspensão?
3. O sol emite luz branca, deixando o aspecto de céu
azul. No entanto, durante o pôr do sol, apenas os raios
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
vermelhos e alaranjados conseguem atravessar a atmosfera. O que a questão 2 e o pôr do sol têm em comum?
4. Qual é a diferença entre solução, coloide e agregado?
5. Identifique os materiais que normalmente utilizamos na
nossa higiene pessoal e que podem ser classificados como
homogêneos ou heterogêneos (coloides ou agregados).
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
77
3) O efeito Tyndall pode ser observado quando um
feixe luminoso atravessa uma solução coloidal.
4) Os materiais heterogêneos podem se apresentar
na forma de coloides ou como agregados.
5) As emulsões são constituídas por materiais
miscíveis.
6. Nos itens a seguir, classifique os materiais em: solução,
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
mistura gasosa, coloide ou agregado.
a) O ar atmosférico (partículas sólidas da poeira, substâncias gasosas).
b) A fumaça dos grandes centros urbanos de clima frio
(impurezas da fumaça; pó natural; neblina úmida,
condensada).
c) Loção de leite para limpeza de pele, em repouso.
d) Suco de laranja natural (laranjas e água).
e) Suco de laranja artificial (pó para suco e água).
7. Em uma solução, o que é denominado soluto e o que
é solvente?
8. Em relação aos materiais coloidais, julgue os itens, marcando C para os corretos e E para os errados.
1) Gel é uma dispersão coloidal na qual o meio de
dispersão é sólido, e o disperso é líquido.
2) Os coloides são facilmente perceptíveis a olho nu.
3) Sol é uma dispersão coloidal na qual o meio de
dispersão e o disperso são líquidos.
4) O efeito Tyndall pode ser utilizado para identificação de sistemas coloidais.
13. (Cesgranrio-RJ) Considere o quadro a seguir:
Propriedade
átomos, íons
ou pequenas
moléculas
Efeito da
gravidade
não sedimenta não sedimenta
Uniformidade
homogênea
potes de plástico ou, no caso do chantili, na forma de
spray. E trazem, indicado na embalagem, o volume em
vez da massa. Responda aos itens utilizando os seus
conhecimentos.
a) Como poderiam ser classificados esses dois materiais coloidais?
b) Por que eles são vendidos em volume e não em
massa?
possui massa molecular 74,5, espera-se que o fluoreto
XF apresente massa molecular:
Dados: F = 19; Cl = 35,5
a) 29,0.
b) 37,5.
c) 44,0.
d) 58,0.
e) 83,5.
E para os errados.
1) A característica que diferencia soluções verdadeiras
de dispersões coloidais e de suspensões é a dimensão das partículas.
2) Em uma emulsão, a fase dispersa e dispersante são
respectivamente líquida e sólida.
ÍNDICE
Ferro
T. PERIÓDICA
pode ser
separada por
papel de filtro
15. (Esan-SP) Se o cloreto representado pela fórmula XCl
12. Julgue os itens abaixo, marcando C para os corretos e
55,8
pode ser separada
somente por
membranas
especiais
a) um eletrólito é adicionado a uma solução coloidal.
b) uma corrente elétrica atravessa uma solução ou dispersão coloidal.
c) um feixe luminoso atravessa uma solução coloidal.
d) aquecemos um sol.
e) aquecemos um gel.
mistura heterogênea. No entanto, se misturarmos o
óleo e o vinagre com as gemas de ovos, sob agitação
constante, forma-se uma mistura de aspecto uniforme: a maionese.
a) Que tipo de material coloidal é a maionese?
b) Explique por que o óleo se misturou com o vinagre
ao serem adicionadas as gemas de ovos.
OD
não tão homogênea heterogênea
14. (Mack-SP) O efeito Tyndall é observado quando:
11. Quando se coloca óleo no vinagre, obtém-se uma
78
sedimenta
rapidamente
Logo, podemos afirmar que:
a) A = solução verdadeira; B = suspensão; C = solução coloidal.
b) A = suspensão; B = solução coloidal; C = solução
verdadeira.
c) A = solução coloidal; B = solução verdadeira; C =
suspensão.
d) A = solução coloidal; B = suspensão; C = solução
verdadeira.
e) A = solução verdadeira; B = solução coloidal; C =
suspensão.
10. Produtos como o chantili e o sorvete são vendidos em
2
8
14
2
Dispersão C
partículas
macromoléculas ou
visíveis a
grupos de moléculas
olho nu
não pode ser
Separabilidade separada por
filtração
mento como resfriada, e a maionese são consideradas
coloides ou soluções? Qual é o meio de dispersão e o
disperso em cada caso?
26
Dispersão B
Natureza das
moléculas
9. A gelatina, tanto dissolvida na água após o seu aqueci-
Fe
Dispersão A
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
2 CONCENTRAÇÃO E SUAS UNIDADES
A
s reações químicas conduzidas em laboratórios geralmente ocorrem em soluções
aquosas. Dessa forma, um cálculo muito comum pelos químicos envolve relações quantitativas de soluções. A expressão dessas relações quantitativas é denominada concentração.
1
2
3
Pense
4
O que você entende por concentração?
5
6
Hely Demutti
O termo concentração é polissêmico. Ele pode ser usado para se referir à preparação de jogadores para uma partida de futebol, para a manifestação popular, para o
grau de atenção de um estudante na prova etc. Em Química, ele assume significado semelhante à ideia que se tem da indicação da existência de muito ou pouca substância
em um material.
Por exemplo, nos referimos a sucos concentrados como aqueles que possuem uma
grande quantidade de extrato do suco por unidade de volume; os diluídos são aqueles
que estão misturados com mais água. As garrafas de suco concentrado devem conter
orientações sobre quantas partes de água devem ser acrescentadas para o preparo da
bebida. É claro que essa é apenas uma recomendação do fabricante, que se baseia no
gosto médio da população. Sempre há aquele que prefere o suco mais concentrado ou
mais diluído, ou seja, misturado com mais ou menos água. Assim também surgiram as
tradicionais expressões “café forte” ou “chá fraco”. A concentração pode ser percebida, nesses casos, pela cor do material ou pelo sabor.
7
8
Copos contendo o mesmo
suco, todos com concentrações diferentes.
Pense
Qual dos copos apresenta uma maior concentração de suco?
Por que variando a concentração de soluções coloridas há variação na sua cor?
A variação da quantidade de soluto dissolvido em uma solução altera as suas propriedades que podem ser perceptíveis pela cor ou sabor. Mas, em laboratórios de química,
não é possível a identificação da variação dessa propriedade sem medidas adequadas.
Para fazer seus cálculos, os químicos precisam saber com precisão a quantidade de cada
substância presente nos materiais. Assim, em química, a concentração refere-se às relações entre a quantidade de uma substância (usualmente denominada soluto) e o volume
OD
ÍNDICE
Ferro
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2
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2
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
79
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
total do material (solução). A quantidade do soluto pode ser expressa em diferentes unidades. Dessa forma, obtemos diferentes tipos de concentração:
• concentração em massa;
• concentração em volume;
• concentração em quantidade de matéria.
A seguir, vamos estudar as duas formas mais comuns de expressar a concentração.
Nessas expressões, utilizamos grandezas relativas ao soluto, ao solvente ou à solução. Para
facilitar, adotaremos como convenção os seguintes índices nas grandezas: 1 para o soluto
e 2 para o solvente. No caso de solução, não usaremos índice.
Concentração em massa
A maneira mais comum de se expressar a concentração de soluções é por meio da
massa do soluto (m1) e pelo volume da solução (V).
(V) Como a massa é normalmente
expressa em gramas e o volume, em litros, teremos como unidade de medida da concentração g/L. Dependendo da situação, outras unidades podem ser adotadas, como
mg/mL, g/100 mL, g/m3, mg/L etc.
A concentração em massa de uma solução (Cm/V) expressa a relação
entre massa do soluto (m1) e volume da solução (V).
A concentração em massa é expressa da seguinte forma:
C m/ V =
msoluto ( g ) m1( g )
=
Vsolução (L )
V(L )
Vejamos um exemplo:
1. Qual será a concentração em massa de cloreto de sódio em um soro fisiológico que
possui 9 g desse sal dissolvido em 100 mL de água?
Cm/ V (NaCl) =
9 g NaCl
100 mL
⋅
90 g NaCl
1000 mL
=
= 90 g / L
1 L solução
L solução
Concentração em quantidade de matéria
As substâncias reagem em proporções definidas. Essas proporções podem ser expressas pela grandeza “quantidade de matéria” e são denominadas proporções estequiométricas. Assim, um mol de ácido clorídrico (HCl) reage com um mol de hidróxido de
sódio (NaOH) para formar um mol de cloreto de sódio (NaCl) e um mol de água (H2O),
como indica a equação química abaixo:
HCl(aq) + NaOH(aq) ( NaCl(aq) + H2O(l)
Em virtude das relações estequiométricas e ao fato de a maioria das reações químicas
ocorrer em meio aquoso, é muito importante para o químico conhecer as concentrações
80
OD
ÍNDICE
Ferro
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T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
das substâncias em quantidade de matéria (Cn/V ). Essas são expressas em mol por litro
(mol/L) ou seus múltiplos.
A concentração em quantidade de matéria de uma solução (Cn/V) expressa a relação
entre a quantidade de matéria e o volume da solução.
1
2
Veja os exemplos a seguir:
3
2. Qual é a concentração da solução preparada pela dissolução de 1 mol de HCl em meio
litro de água?
A partir da definição de concentração em quantidade de matéria:
Cn/ V
4
5
6
quantidade de matéria (mol
mol) n (mol
mol)
=
=
volume (L )
V (L )
7
8
Substituem-se os valores fornecidos, então se tem:
Cn/ V (HCl) =
1 mol HCl
= 2 mol
mol / L
0 , 5 L solução
Muitas vezes, o valor disponível é a massa do soluto. Nesse caso, inicialmente
deve-se calcular a quantidade de matéria do soluto, para depois se fazer o
cálculo da concentração em quantidade de matéria. Vejamos um exemplo
nesse sentido.
3. Qual será a concentração em quantidade de matéria da solução preparada, dissolvendo-se 20 g de hidróxido de sódio em 2 L de água?
Dados: M(Na) = 23 g/mol, M(O) = 16 g/mol, M(H) = 1 g/mol.
Nesse caso, inicialmente deve-se calcular a quantidade de matéria (n) do soluto,
a partir da massa molar (M) do soluto: massa molar do NaOH:
M(Na) + M(O) + + M(H)
M(NaOH) = 23 g/mol + 16 g/mol + 1 g/mol = 40 g/mol
n (NaOH) =
20 g NaOH
m (g )
= 0 , 5 mol
=
M ( g / mol) 40 g / mol NaOH
Finalmente, calcula-se a concentração em quantidade de matéria:
C( n / V ) =
n (mol) 0 , 5 mol
=
= 0 , 25 mol / L
V (L )
2L
Observe que para o cálculo acima, a quantidade de matéria (n) é determinada em função da massa do soluto (m1) fornecida e da sua massa molar (M).
Portanto, nesse caso a concentração em quantidade de matéria será calculada pela fórmula:
m1 ( g )
massa ( g )
=
massa molar ( g / mol) ⋅ volume (L ) M ( g / mol) ⋅ V (L )
26
OD
ÍNDICE
Ferro
Cn/ V =
Fe
2
8
14
2
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
81
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
Calculando a concentração de
algumas soluções
De modo geral, as unidades de concentração mais utilizadas nos cálculos químicos
são: concentração em massa e concentração em quantidade de matéria. Vejamos alguns
exemplos de cálculos básicos de concentração de soluções.
Cálculo de concentração em quantidade de matéria
a partir da massa do soluto
1. As informações abaixo foram retiradas de uma bula de medicamento para reidratação oral:
Modo de usar:
dissolva o conteúdo do envelope em 500 mL de água.
Composição:
cada envelope contém
cloreto de potássio
citrato de sódio di-idratado
cloreto de sódio
glicose
75 mg
145 mg
175 mg
10 g
Calcule a concentração em quantidade de matéria de cloreto de potássio, na solução preparada segundo as instruções da bula. Sabendo que, para dados de soluto em massa, a concentração em quantidade de matéria é definida por:
Cn/ V =
m1 ( g )
M ( g / mol) ⋅ Vsolução (L )
Inicialmente, calcula-se a massa molar do cloreto de potássio.
Dados: M(K) = 39,1 g/mol, M(Cl) = 35,5 g/mol
M(KCl) = 39,1 + 35,5 = 74,6 g/mol
75 mg ⋅ 1 g
M(KCl
) = para litro: = 0 , 075 g
Em seguida, calcula-se a quantidade de matéria e converte-se
o volume
1000 mg
M(KCl) =
75 mg ⋅ 1 g
1000 mg
= 0 , 075 g
V =
500 mL ⋅ 1 L
1000 mL
= 0, 5 L
500 mL ⋅ 1 L
V = a concentração
= em
0 , 5quantidade
L
Determina-se, agora,
de matéria, substituindo-se os valores com as unidades
1000 mL
apropriadas:
Cn/ V =
0 , 075 g
m1 ( g )
= 0 , 002 mol / L
=
M ( g / mol) ⋅ Vsolução (L ) 74 , 5 g / mol ⋅ 0 , 5 L
82
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
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T. PERIÓDICA
a
B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Cálculo de concentração em quantidade de matéria
a partir da concentração em massa
1
2. Determine a concentração em massa (g/L) de uma solução de NaOH com a concentração de 2,0 mol/L.
2
Dados: M(Na) = 23 g/mol; M(O) = 16 g/mol; M(H) = 1,0 g/mol.
Neste caso, deve-se converter a quantidade de matéria em massa, a partir da massa molar:
M(NaOH) = 23 g/mol + 16 g/mol + 1 g/mol = 40 g/mol
)
3
4
)
m (NaOH = n ⋅ M (NaOH
H = 2 mol
mol ⋅ 4
40
0 g/ m
mol
ol = 8
80
0g
5
6
Daí: m(NaOH) = n(NaOH) ⋅ M(NaOH) = 2 mol ⋅ 40 g/mol = 80 g
Substituindo-se os valores, temos:
Cn/ V =
7
m1 ( g )
80 g
=
= 80 g / L
Vsolução (L )
1L
8
3 COMPOSIÇÃO
N
Hely Demutti
os materiais em geral são encontradas mais de duas substâncias. Nesse caso, muitas vezes temos necessidade de conhecer a composição do material, ou seja, precisamos identificar todas as substâncias nele contidas e em que quantidades elas estão
presentes. Quando nos referimos à quantidade de apenas uma das substâncias presentes no material, sem nos interessar pelas demais, chamamos essa quantidade de teor da
substância no material.
A concentração dos nutrientes de alimentos sólidos geralmente é apresentada sob a
forma de título (m1/m).
Lembre-se de que solução refere-se, em geral, a um material em que se considera a
existência de apenas duas substâncias – o soluto e o solvente, embora sempre existirão,
além do soluto, outras impurezas. Portanto, o conceito de concentração refere-se a um
material homogêneo (solução) com duas substâncias. Já o teor se refere à relação quantitativa de uma substância em um material constituído por mais de duas substâncias.
O teor das substâncias deve ser expresso corretamente e suas unidades identificadas.
Como o teor pode ser medido por diferentes unidades, a composição dos materiais poderá ser expressa conforme os teores de cada substância, de várias formas. Vejamos, a
seguir, alguns tipos.
OD
ÍNDICE
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Fe
2
8
14
2
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
83
Teor em massa por massa (título — δ)
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
O título, muito utilizado pela indústria, expressa a concentração em massa do soluto, ou solutos, por massa da solução. A massa do soluto (m1) é normalmente expressa
em gramas ou miligramas, enquanto a massa da solução (m) é expressa em grama, quilograma ou dag (100 g). Dessa forma, as unidades que comumente aparecem são: g/g,
mg/g, mg/kg. A expressão do teor em massa por massa (δ)
( será:
Hely Demutti
δ =
m (g )
massa do soluto ( g )
= 1
massa da solução ( g )
m (g )
Se em um xampu específico existem 2,4 g de cloreto de sódio em cada 100 g de
xampu, além de poder expressar o teor de NaCl como 2,4 g/100 g de xampu, podemos
também representá-lo assim:
δ (Na
Cl) =
NaCl
2, 4 g
= 24 g / kg
0 ,100 kg
Outra forma comum de apresentar o título é em percentual.
O teor de acidez do ácido
acético em vinagre é,
geralmente, expresso em
percentual. Esse teor indica
a fração percentual em
massa. Assim, um vinagre
com 4% de acidez possui
4 g de ácido acético em
100 g de vinagre.
Pense
O que significa dizer que um determinado vinagre tem acidez igual a 4%?
É comum encontrar a concentração expressa dessa forma em embalagens de produtos
de limpeza, cosméticos, alimentos, medicamentos e outros. Ela indica a massa (m1, em
gramas) de determinada substância existente em 100 g do produto. Por ser em 100 g é
que chamamos de porcentagem. Nesse caso, o teor é denominado fração percentual
em massa, que corresponde ao título multiplicado por 100%.
P(m)% = δ ⋅ 100%
Teor em partes por milhão (ppm)
Hely
D em
ut ti
Expressar uma concentração em mg/kg significa que para cada 1000000 mg de solução tem-se x mg do soluto, ou seja, x partes por milhão. Outras combinações de unidades, por exemplo, mg/L, mL/kg ou mL/kL, também representam essa proporção. Todas
elas podem ser representadas por ppm (partes por milhão).
Essa unidade é muito utilizada para expressar a concentração de contaminantes,
como chumbo, em água. Se na água há 25 ppm de chumbo, isso significa que haverá
25 g de chumbo em cada metro cúbico (1 m3 = 1000 L = 1000000 mL = 1000000 g).
Utilizados pelos químicos,
os espectrofotômetros
possibilitam a determinação de concentrações em
ppm e até em ppb (partes
por bilhão).
Fração por quantidade de matéria (φ)
A fração por quantidade de matéria(φ) é pouco utilizada para soluções líquidas porque a quantidade de matéria do soluto normalmente é muito menor que a quantidade
de matéria total da solução. Mas ela é importante porque certas propriedades químicas
dependem diretamente dessa fração dos constituintes, que pode variar de zero a um.
84
OD
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Ferro
26
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2
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2
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a
B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
φ =
n (m
mo
oll)
o
quantidade de matéria da substância
mol
a (m
oll)
= 1
quantidade de matéria total (mol
ol)
mol)
nT (mol
1
Qual será a fração por quantidade de matéria do açúcar (sacarose — C12H22O11) quando
se dissolvem 171 g em 540 g de água, sabendo que a massa em quantidade de matéria
do açúcar é igual a 342 g/mol? Para facilitar, vamos calcular inicialmente a quantidade de
matéria dos dois constituintes da solução: o açúcar e a água.
n( açúcar ) =
m( açúcar )
3
4
171 g
=
= 0 , 5 mol
342 g / mol
M( açúcar )
5
6
m( água )
n( água ) =
2
=
M( água )
540 g
=3
30
0 mol
18 g / mol
7
8
E a fração por quantidade de matéria será então:
φ( açúcar ) =
0 , 5 mol de açúcar
= 0 , 016
30 , 5 mol total
Note que a fração por quantidade de matéria não apresenta unidade porque, ao final,
teremos sempre mol/mol.
Qual será a fração por quantidade de matéria da água nessa solução?
Fazendo os cálculos, teremos:
φ( água ) =
30 mol de água
= 0 , 984
30 , 5 mol total
Somando as frações por quantidades de matéria, teremos:
φ( açúcar ) + φ( água ) = 1
A soma das frações por quantidades de matéria de todos os constituintes de uma solução será sempre igual a um, independentemente do seu número de constituintes.
O mesmo cálculo pode ser feito para uma mistura de sólidos, líquidos ou gases.
Calculemos, por exemplo, a fração por quantidade de matéria do etanol (CH3CH2OH),
quando se misturam 500 g deste com 500 g de água:
n(etanol) =
n( água ) =
m(etanol)
M(etanol)
m( água )
M( água )
=
500 g
≈ 10 , 87 mol
46 g / mol
=
500 g
≈ 27 , 78 mol
18 g / mol
E a fração por quantidade de matéria do etanol será então:
φ(etanol) =
10 , 87 mol de etanol
≈ 0 , 2812
38 , 65 mol tottal
Consequentemente, a fração por quantidade de matéria da água na mistura será de
0,7188, o que corresponde à diferença 1 – 0,2812.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
85
Muitos postos de combustíveis adulteram o teor de
álcool na gasolina, adicionando outros solventes.
Inspeções periódicas para
verificar se a composição
dos combustíveis está com
seus teores corretos são feitas por químicos.
Hely Demutti
Na comunidade científica, os químicos buscam padronizar suas unidades de medidas e
expressá-las corretamente. No caso de soluções, usa-se concentração em quantidade de matéria. Na indústria, porém, nem sempre há uma padronização. Por esse motivo, frequentemente são encontrados nos rótulos dos produtos químicos teores com unidades diferentes das
estudadas aqui. Muitos desses teores não especificam claramente a relação a que se referem.
Um dos teores utilizados é a fração em volume, usualmente expressa
em fração percentual. Essa fração é usada para líquidos e gases. Como
na mistura de líquidos o volume total nem sempre corresponde à soma
dos volumes das substâncias que o compõem, considera-se o total como
a soma de cada um dos volumes separadamente. Por exemplo, a mistura de 50 mL de água com 50 mL de álcool produz uma solução com
volume final inferior a 100 mL, mas, para cálculo da fração em volume,
consideram-se 100 mL como a soma das duas substâncias.
Como as embalagens não têm especificação precisa das unidades,
muitas vezes ficamos confusos sobre a que se referem os valores. Por
exemplo, quando na embalagem há informação de que determinado componente ativo
tem o teor de 0,50%, fica para nós a seguinte interrogação: esse percentual é relativo à
massa ou ao volume? Por essa razão, os químicos evitam empregar teores em percentual,
mesmo sendo usuais, para expressar a composição, em frascos de desinfetantes, água sanitária, álcool etc. Veja outros exemplos de teores comumente empregados.
Nos frascos de água oxigenada, usada como antisséptico, o teor em fração percentual em volume de peróxido de hidrogênio (H2O2) é 3%, embora a embalagem indique
água oxigenada 10 volumes. Esse teor diz respeito à quantidade de gás oxigênio produzida pela decomposição do peróxido de hidrogênio. Assim, um frasco de um litro de água
oxigenada 10 volumes produzirá 10 litros de gás oxigênio nas CNTP (condições normais
de temperatura e pressão).
A concentração do álcool comercial é expressa em dois tipos de unidades: grau GayLussac (GL) e grau INPM. O grau GL refere-se à fração percentual em volume, e o INPM,
à fração percentual em massa. Assim, um álcool 96 graus GL é um álcool que contém,
em volume, etanol na fração percentual de 96%, ou seja, nesse material há a proporção
960 mL de etanol para cada 40 mL de água.
O álcool mais recomendado para uso doméstico
como desinfetante é o
46 INPM. Esse álcool, com
menor teor de etanol, não
queima tão facilmente
como o álcool 92,8 INPM,
que possui maior teor
de etanol.
No Brasil, a fração percentual em volume do etanol
na gasolina é de aproximadamente 24%.
Hely Demutti
Os teores de determinados produtos possuem uma significação diferente das usualmente adotadas. Um frasco de água oxigenada de 10 volumes é, assim, denominado
não porque tenha 10 volumes de peróxido de
hidrogênio, mas porque um litro desse frasco
produz 10 litros de gás oxigênio nas CNTP.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
86
Hely Demutti
Fábio Motta/AE
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
Composição de produtos comerciais
Fe
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2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
(diluente) – 95,7%; dióxido de silício coloidal (antiumectante) – 0,5%.
a) Calcule a massa de cada soluto.
b) Pesquise o significado das palavras: edulcorante,
diluente e antiumectante.
1. Conforme a quantidade de essência utilizada, os perfumes podem ser classificados em:
Classificação
CAPÍTULO
Exercícios
% da mL de essência por
essência litro de perfume
Composição do
solvente
Perfume
entre 15
entre 150 e 300
e 30
950 mL de álcool etílico e 50 mL de água
Loção
perfumada
entre
8 e 15
entre 80 e 150
900 mL de álcool etílico e 100 mL de água
Água de toalete
entre
4e8
entre 40 e 80
800 mL de álcool etílico e 200 mL de água
Água-de-colônia
entre
3e4
entre 30 e 40
700 mL de álcool etílico e 300 mL de água
Deocolônia
entre
1e3
entre 10 e 30
700 mL de álcool etílico e 300 mL de água
ÍNDICE
Ferro
T. PERIÓDICA
7
8
dratação. Uma de suas receitas é: dissolver 1 colher de
chá de sal (NaCl), 2,5 g, e 8 colheres de chá de açúcar,
(C12H22O11), 18 g, em um litro de água. Calcule a concentração em quantidade de matéria de cada componente
dessa solução.
8. Sabendo-se que uma solução foi preparada pela dissolução de 0,50 mol de cloreto de sódio em 36 g de
água, calcule a fração por quantidade de matéria do
cloreto de sódio e da água.
9. Considerando que em 100 g de ar existem 75,4 g de
nitrogênio (N2), 23,3 g de oxigênio (O2) e 1,3 g de argônio (Ar), calcule a fração por quantidade de matéria
desses gases.
10. (ITA-SP) Para preparar 500 mL de uma solução aquosa
massa, frações percentuais de: aspartame (edulcorante artificial) – 3,8%; lactose alfamonoidratada
a
6
o preparo das seguintes soluções:
a) 2,0 L de NaCl(aq) 0,20 mol/L.
b) 500 mL de CaCl2(aq) 0,50 mol/L.
c) 250 mL de C6H12O6(aq) 0,315 mol/L.
3. Em um envelope de adoçante dietético de 1 g há, em
55,8
5
ta sua composição química: 2,21 mg/L de NaF (fluoreto de sódio). Será que essa água possui quantidade suficiente de flúor para proteger a dentição das
crianças, sabendo que o teor recomendado de íons
fluoreto na água mineral para o combate às cáries é
de 0,8 ppm?
7. O soro caseiro é um grande aliado no combate à desi-
e agem como poderosos estimulantes. Mas não
possuem o poder de nos carregar de energia. Antes de consumir esse tipo de bebida, convém ler os
rótulos. Veja a composição de uma bebida energética qualquer: água gaseificada, sacarose, glicose, taurina (1 000 mg/250 mL), glucoronolactona
(60 mg/250 mL), cafeína (80 mg/250 mL), inositol
(50 mg/250 mL), vitamina, ácido cítrico, caramelo
e aromatizantes. Responda aos itens a seguir.
a) Calcule a concentração em massa (g/L) da cafeína,
da taurina, da glucoronolactona e do inositol.
b) Será que podemos considerar a bebida energética como bebida isotônica (que visa a reidratar o
corpo rapidamente)? Cuidado: bebidas isotônicas
são recomendadas para pessoas que praticam atividade física intensa. Beber água com frequência
é o ideal.
c) Que pessoas não devem tomar esse tipo de bebida?
Justifique.
OD
4
5. No rótulo de uma água mineral natural fluoretada, cons-
2. As ditas “bebidas energéticas” são ricas em cafeína
2
8
14
2
3
de álcool etílico hidratado: 65° INPM. Nesse tipo de
notação, o número indica a porcentagem do volume
de álcool. Isso significa que, para cada 100 mL desse
produto, 65 mL são de álcool. Qual o volume de álcool
em 1 L de álcool gel? Classifique o material.
6. Calcule a massa (em gramas) do soluto necessária para
26
2
4. O rótulo de um álcool em gel apresenta a indicação
Responda às questões a seguir.
a) Esta é a duração média do cheiro dos perfumes na
pele: meia hora aproximadamente, 1 hora e meia,
4 horas, 6 a 8 horas, 8 horas a dois dias. Correlacione a duração com a classificação. Justifique.
b) Se colocarmos 0,6 g (δ = 0,9 g/mL) de essência
em 800 mL de solvente, obteremos um perfume
concentrado? Qual será a sua concentração em
massa (g/L)?
Fe
1
0,2 mol/L de NaOH, um indivíduo tem à sua disposição:
Frasco I – solução aquosa de NaOH 5,0 mol/L à vontade;
Frasco II – balão volumétrico de 500 mL e água destilada à vontade.
O procedimento correto será:
a) colocar, no frasco II, 40,0 mL da solução do frasco I
e completar os 500 mL com água destilada.
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
87
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
b) colocar, no frasco II, 20,0 mL da solução do frasco I
e completar os 500 mL com água destilada.
c) colocar, no frasco II, 460 mL de água destilada e
completar os 500 mL com solução do frasco I.
d) colocar, no frasco II, 480 mL de água destilada e
completar os 500 mL com solução do frasco I.
e) colocar, no frasco II, 460 mL de água destilada e
completar os 40,0 mL de solução do frasco I.
15. (Fuvest-SP) O limite máximo de “ingestão diária
11. (UFPA) Uma solução contém 30 g de NaI, 48 g de
consistem basicamente de solução aquosa de amônia. Para reagir completamente com a amônia presente em 5,00 mililitros de amostra de um determinado produto de limpeza, foram necessários 31,20
mililitros de ácido clorídrico 1,00 mol/L. A reação
que ocorre é:
NH3(aq) + HCl(aq) ( NH4Cl(aq)
a) Calcule a concentração em quantidade de matéria
de amônia na amostra.
b) Supondo a densidade da solução de amônia igual
a 1 grama por mililitro, calcule a fração percentual
em massa de amônia presente na amostra.
aceitável” (IDA) de ácido fosfórico, aditivo em alimentos, é de 5 mg/kg de peso corporal. Calcule o
volume de refrigerante, contendo ácido fosfórico
na concentração em massa de 0,6 g/L, que uma
pessoa de 60 kg deve ingerir para atingir o limite
máximo de IDA.
16. (Vunesp) Alguns produtos de limpeza doméstica
NaOH e 702 g de água. As frações por quantidade de
matéria do NaI e do NaOH são, respectivamente:
a) 0,5 e 0,3.
b) 0,005 e 0,03.
c) 5 e 5.
d) 0,05 e 0,3.
e) 0,005 e 0,3.
12. (Fuvest-SP) Um analgésico em gotas deve ser ministrado
na quantidade de 3 mg por quilograma de peso corporal, não podendo exceder 200 mg por dose. Cada gota
contém 5 mg de analgésico. Quantas gotas deverão
ser ministradas a um paciente de 80 kg?
17. (UFRJ) A sacarina, que tem massa
O
molecular 183 e fórmula estrutuC
ral conforme ilustração ao lado, é
NH
utilizada em adoçantes artificiais.
SO2
Cada gota de um certo adoçante contém 4,575 mg de sacarina.
Foram adicionadas, a um recipiente contendo café
com leite, 40 gotas desse adoçante, totalizando um
volume de 200 mL.
a) Determine a concentração em quantidade de matéria da sacarina nesse recipiente.
b) Quantos mililitros de café com leite devem ser adicionados ao recipiente para que a concentração em
massa da sacarina se reduza a 1/3 da concentração
em massa inicial?
13. (UFG-GO) A quantidade diária de cálcio recomendada
a adultos é de 1,0 g. Um indivíduo, pela manhã, ingere um copo de iogurte integral de 200 g, no almoço,
250 mL de leite, preparado a partir de leite em pó. Que
quantidade de leite integral deverá ser consumida à
noite, para o indivíduo alcançar a dose diária de cálcio?
Dados: 400 g de leite em pó produzem 4 L de leite;
teores médios de cálcio: 145 mg/100 g de iogurte integral; 120 mg/100 g de leite integral; 100 mg/100 g
de leite em pó.
14. (UFMG) Uma dona de casa, em um supermercado, se
depara com as seguintes informações sobre detergentes à base de amoníaco:
Detergente
Conteúdo da Concentração de amoembalagem níaco em porcentagem
(mL)
volume/volume
18. (PUC-MG-Adaptado) De acordo com o laboratório,
Preço do
produto
(R$)
I
500
5
2,50
II
500
10
4,00
III
1000
5
5,00
IV
1000
10
9,00
o suco de laranja industrializado apresenta em 200
mL do suco 80 mg de vitamina C, cuja massa molar
é igual a 176 g/mol. No suco de laranja, a concentração, em quantidade de matéria (mol/L), de vitamina C, equivale em média a, aproximadamente:
a) 2,2 ⋅ 10 –6.
b) 4,5 ⋅ 10 –4.
c) 2,3 ⋅ 10 –3.
d) 4,5 ⋅ 10 –1.
e) 2,2 ⋅ 10 –1.
Considerando-se os dados do quadro, a alternativa
que indica o detergente que tem o menor preço por
quantidade de amoníaco em solução é:
a) I.
c) III.
b) II.
d) IV.
88
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
19. (Ufes) Em diabéticos, a ingestão de 80 g de açúcar
comum (sacarose) eleva a quantidade de glicose no
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
A massa de nitrato de amônio, em quilogramas, que o
agricultor deverá empregar para fertilizar sua cultura,
de acordo com a recomendação do fabricante, é igual a:
a) 120.
c) 180.
b) 150.
d) 200.
2
gerante, uma na versão diet e outra na versão comum. Ambas contêm o mesmo volume de líquido
(300 mL) e têm a mesma massa quando vazias. A
composição do refrigerante é a mesma em ambas,
exceto por uma diferença: a versão comum contém
certa quantidade de açúcar, enquanto a versão
diet não contém açúcar (apenas massa desprezível de um adoçante artificial). Pesando-se duas
latas fechadas do refrigerante, foram obtidos os
seguintes resultados:
3
com nomes especiais são mostradas a seguir:
Fórmula do soluto
predominante
Fração percentual
em massa
NaCl
0,9
Vinagre
C2H4O2
5
Água sanitária
NaClO
2
H2O2
3
Soro fisiológico
Água oxigenada
Considerando que a densidade das soluções é de 1,0
g/mL e que as soluções são formadas exclusivamente pelo soluto predominante e pela água, o produto
que apresenta a maior concentração em quantidade
de matéria, mol/L, é:
a) soro.
b) vinagre.
c) água sanitária.
d) água oxigenada.
J. Yuji
ÍNDICE
Ferro
OD
55,8
T. PERIÓDICA
a
331,2
Lata com refrigerante diet
316,2
7
8
24. (UFRGS-RS) Um aditivo para radiadores de automó-
90 m
2
8
14
2
Lata com refrigerante comum
6
0,4 mol/L de HCl, a partir do ácido concentrado (16
mol/L), o volume de água, em litros, a ser utilizado
será de:
a) 0,03.
b) 0,47.
c) 0,74.
d) 1,03.
e) 1,17.
50 m
26
Massa (g)
5
23. (Cesgranrio-RJ) Para se preparar 1,2 litro de solução
60 m
Fe
Amostra
4
Por esses dados, pode-se concluir que a concentração
em massa, em g/L, de açúcar no refrigerante comum
é de, aproximadamente:
a) 0,020.
b) 0,050.
c) 1,1.
d) 20.
e) 50.
21. (Uerj) Um fertilizante de larga utilização é o nitrato
de amônio, de fórmula NH4NO3. Para uma determinada cultura, o fabricante recomenda a aplicação
de 1 L de solução de nitrato de amônio de concentração, em quantidade de matéria 0,5 mol ⋅ L–1 por
m2 de plantação.
A figura a seguir indica as dimensões do terreno que
o agricultor utilizará para o plantio.
1
22. (Fuvest-SP) Considere duas latas do mesmo refri-
20. (Uerj) Algumas soluções aquosas vendidas no comércio
Nome do
produto
CAPÍTULO
sangue em 1,0 g de glicose para cada litro de sangue.
Considerando-se que a taxa de glicose no sangue
dos diabéticos, em condições normais, é de aproximadamente 1,4 g/L, a concentração, em quantidade
de matéria, de glicose (C6H12O6) no sangue de uma
pessoa diabética após o consumo de 100 g de açúcar
será de, aproximadamente:
a) 7,8 ⋅ 10 –3 mol/L.
b) 6,9 ⋅ 10 –3 mol/L.
c) 6,9 ⋅ 10 –2 mol/L.
d) 1,5 ⋅ 10 –2 mol/L.
e) 1,5 ⋅ 10 –1 mol/L.
veis é composto de uma solução aquosa de etilenoglicol. Sabendo que em um frasco de 500 mL dessa solução existem cerca de 5 mol de etilenoglicol
(C2H6O2), a concentração em massa dessa solução,
em g/L, é:
a) 0,010.
d) 310.
b) 0,62.
e) 620.
c) 3,1.
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
89
4 DILUIÇÃO DE SOLUÇÕES
E
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
m suas atividades, o químico necessita preparar soluções com concentração conhecida. Isso pode ser feito a partir da medida precisa da massa do soluto e do volume
da solução, conforme a técnica apresentada no experimento da página seguinte. Outro
procedimento seria diluir soluções de concentração conhecida.
O processo de diluição é muito usual no nosso cotidiano. Isso ocorre com materiais de
limpeza, medicamentos, tintas etc. O processo de diluição consiste no acréscimo de solvente à solução. Ao fazermos isso, a quantidade do soluto permanece constante, mas a
concentração (razão entre quantidade de soluto e volume da solução) altera-se.
Assim, poderemos ter as seguintes relações, diferenciando-se a solução inicial da final,
utilizando, respectivamente, os índices i e f:
Ci =
mi
Vi
e Cf =
mf
Vf
Como a quantidade de soluto não varia com a diluição, podemos, então, afirmar que
mi é igual a mf. Igualando as equações anteriores, teremos:
m1 = mf ( Ci ⋅ Vi = Cf ⋅ Vf ( C f =
Ci ⋅ Vi
Vf
O mesmo raciocínio pode ser empregado para soluções, cujas concentrações são expressas em quantidade de matéria por litro (mol/L). Nesse caso, igualando as quantidades
de matéria iniciais e finais, obteremos a equação:
mf =
mi ⋅ Vi
Vf
Esse raciocínio permite-nos fazer cálculos para preparar soluções a partir de soluções
concentradas por diluições.
Química na escola
Vídeo
V
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
Como preparar uma solução
Uma atividade muito comum no laboratório de química é a preparação de solução. A técnica envolve a pesagem cuidadosa do soluto, a medida rigorosa de seu volume, a transferência correta do soluto e o acréscimo da quantidade exata do
solvente. O rigor exige materiais de laboratório bem calibrados, como balão volumétrico e balança. O presente experimento
deve ser feito no laboratório da escola. Na ausência dos materiais indicados, eles poderão ser substituídos por materiais
caseiros. Nesse caso, o experimento poderá ser desenvolvido em casa. Com ele, você vai aprender a técnica utilizada pelos
químicos na preparação de soluções.
90
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B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Material
•
•
•
•
•
água destilada (ou filtrada)
béquer (ou copo de vidro)
permanganato de potássio (KMnO4) – 1 envelope de 0,1 g
5 balões volumétricos (ou pipetas, ou seringas descartáveis) de 100 mL
pipeta (ou seringa) de 10 mL
1
2
3
4
Procedimento
5
1. Dissolva completamente 0,1 grama de permanganato de potássio (KMnO4) em um béquer com água destilada.
6
2. Transfira, quantitativamente, para um balão de 100 mL.
7
3. Lave, por duas vezes, o béquer com um pouco de água destilada e transfira-a para o balão.
8
4. Adicione água ao balão até a marca do volume e homogeneíze.
5. Verta um pouco da solução para um béquer e retire, com auxílio de uma pipeta, 10 mL.
6. Adicione os 10 mL da solução a um balão de 100 mL contendo água até a metade de seu volume, homogeneíze e complete o volume.
7. Repita o procedimento anterior, retirando 10 mL de cada solução e diluindo novamente para 100 mL, até obter uma
solução incolor.
Destino dos resíduos
1. Os resíduos desta prática podem ser descartados na pia, sob água corrente.
Análise de dados
1. A última solução (a que não apresentou cor) também possui soluto? Justifique sua resposta.
2. Calcule a concentração em massa (Cm /V) e em quantidade de matéria (Cn /V) para cada uma das soluções preparadas.
3. O fato de a solução ser incolor significa que ela não possui soluto?
1. Qual será a concentração final da solução obtida pela diluição de 5,0 mL de solução aquosa de NaOH 2,0 mol/L a qual
se adiciona água destilada até completar 50 mL.
Para facilitar a resolução dos problemas, é melhor trabalharmos com as unidades-padrão.
Nesse caso, utilizaremos os volumes em litro, a partir da expressão:
Cf =
Substituindo os valores, temos:
Ci ⋅ Vi
Vf
2 mol / L ⋅ 0 , 005 L i
= 0 , 2 mol / L
0 , 050 L
Cf =
ou então:
Cf = 0,2 mol/L
OD
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T. PERIÓDICA
a
B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
91
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
2. Um técnico tem 500 mL de solução de um detergente de concentração 1,2 mol/L e precisa diluir sua concentração
a ¼ desse valor. Como esse técnico deve proceder?
A concentração final desejada pelo técnico é de 0,3 mol/L (¼ de 1,2). Precisamos conhecer então qual será o volume
final. Da relação de igualdade entre a quantidade de matéria das duas soluções, temos:
ni = nf → Ci ⋅ Vi = C f ⋅ Vf → Vf =
Ci ⋅ Vi
Cf
o que nos fornece o volume final:
ni = nf → Ci ⋅ Vi = C f ⋅ Vf → Vf =
Ci ⋅ Vi
Cf
Substituindo os valores, temos:
Vf =
1, 2 mol
mol / L ⋅ 0 , 5 L
= 2, 0 L
mol / L
0 , 3 mol
Para obter dois litros de solução, partindo de meio litro, o técnico deverá adicionar 1 500 mL de água aos 500 mL
do detergente.
Diluições de produtos domésticos
Hely Demutti
Na limpeza doméstica,
muitos produtos devem ser
diluídos em água antes de
ser utilizados. Para isso,
devem-se usar medidores
para que a diluição ocorra
na concentração correta.
Muitos produtos domésticos de uso cotidiano devem ser diluídos antes de ser
usados. Porém, cada produto que precisa ser diluído possui uma forma específica de
diluição que, geralmente, vem expressa nos rótulos. Veja na página seguinte alguns
produtos de uso doméstico com suas aplicações e também as diferentes formas de
diluição identificadas em seus rótulos.
Alguns rótulos de desinfetante sugerem que o produto seja diluído em água na proporção de 1 para 3, o que significa que para cada parte do produto devem-se acrescentar 3 partes de água.
Você segue as recomendações dos fabricantes dos produtos que
utiliza? Nem todas as pessoas o fazem, o que pode trazer desperdício
ou prejuízo à economia doméstica ou ao ambiente. Por exemplo, se
você dilui um produto de limpeza mais do que deveria, pode estar perdendo dinheiro. Em vez de fazer o seu produto “render mais”, como
muita gente pensa, a diluição excessiva impede sua eficácia.
Resultado: você gasta o produto sem atingir o objetivo desejado.
Entretanto, quando se usa uma quantidade superior à recomendada,
além de desperdiçar dinheiro, você estará agredindo a natureza, pois
o destino de todos os produtos de limpeza é o ralo, que os conduz
aos rios e mares. Então, quanto menos produtos químicos jogarmos
no ralo, melhor.
92
OD
ÍNDICE
Ferro
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Fotos: Hely Demutti
Exemplos de rótulos de produtos químicos de uso diário preparados na forma de soluções*
1
2
Tipo do
produto:
sabão em pó.
Função:
lavar roupas.
Unidade de medida
de dosagem:
copo americano (180 mL). Conforme a marca da máquina, a quantidade pode variar.
Recomendações do fabricante:
dissolver o produto na máquina antes de
colocar a roupa.
Outras informações importantes:
em caso de roupas muito sujas, deixar
de molho por 1 ou 2 horas.
3
4
5
Tipo do produto:
detergente em pó.
Função:
lavar louças.
Unidade de medida de dosagem:
reservatório da máquina ou medida indicada pelo fabricante.
Recomendações do fabricante:
——
Outras informações importantes:
não deve ser utilizado para lavagem manual de louças.
Tipo do produto:
amaciante de roupas.
Função: amaciar e
perfumar as roupas.
Unidade de medida
de dosagem:
meio copo americano
(90 mL) para cada máquina de roupa.
Recomendações do fabricante:
dissolver o produto na água de enxágue
das roupas.
Outras informações importantes:
não despejar diretamente em cima das roupas; diluir em um pouco de água antes de
colocar na máquina.
Tipo do produto:
enxaguador bucal.
Função:
antisséptico bucal: é exterminador de
micro--organismos (bactérias,
fungos e outros).
Unidade de medida de dosagem:
medida de uma tampa (15 mL), sem
diluir em água.
Recomendações do fabricante:
não ingerir, pois pode causar danos
à flora intestinal (micro-organismos
benéficos que vivem no intestino
ao organismo).
6
7
8
Tipo do produto:
sais de banho.
Função:
relaxar e perfumar
o corpo.
Unidade de medida
de dosagem:
100 g na água de uma
banheira pequena.
Recomendações
do fabricante:
——
Outras informações
importantes:
para banho de chuveiro,
dissolva primeiro em água.
* Exemplos ilustrativos de alguns rótulos. Siga as instruções que estão nos rótulos dos produtos!
A observação do efeito do produto em relação à sua diluição será um bom indicador
para determinar na prática a melhor dosagem a ser utilizada. Para isso, é bom sempre
fazer diluições usando alguma medida. Dessa forma, você terá uma ideia de quanto deverá diluir da próxima vez. Siga as recomendações do fabricante e, tendo alguma dúvida, entre em contato com ele.
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SEGURANÇA
93
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
CLASSIFICAÇÃO E COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS
1. Um aluno resolveu preparar um litro de solução de 10. Qual será a concentração em quantidade de matéria da solução preparada, acrescentando 180 mL de
água a 250 mL de solução de HCl a 0,85 mol/L?
hidróxido de sódio, substância utilizada na fabricação do sabão, com concentração de 50 g/L. Ele
fez o seguinte: colocou 50 g de hidróxido de sódio
(NaOH) e dissolveu diretamente em um litro de água.
Responda:
a) Que erro o aluno cometeu na preparação da
solução?
b) A solução preparada tem concentração em massa
igual, menor ou maior do que 50 g/L?
11. Qual a importância de observar as orientações dos
fabricantes em relação à diluição de produtos químicos (remédios, produtos de limpeza etc.)?
12. Uma marca de suco de caju traz a seguinte informação
no seu rótulo: para o preparo do refresco, dilua uma
parte do suco em nove partes de água. Que volume
desse suco, em mL, deve-se utilizar para o preparo
de 1,5 L de refresco?
2. O que acontece com a quantidade de matéria total de
soluto quando um volume pequeno de uma solução
é diluído em um volume maior?
13. No tratamento de pneumonia, pode ser utilizado um
antibiótico que traz a seguinte informação: 80 mg de
amoxicilina, em gramas por mL. Que quantidade de
amoxicilina, em gramas, irá ingerir uma pessoa que
tenha de tomar 3 mL duas vezes ao dia, após 7 dias
de tratamento?
3. Analise as seguintes soluções: a primeira foi obtida
dissolvendo-se 0,01 mol de soluto em água para
um volume final de 500 mL, enquanto a segunda
solução tem um décimo de mol do mesmo soluto
por litro de solução. Qual das soluções é a mais
concentrada? Justifique.
14. (Unitau-SP) Deseja-se diluir um litro da solução de
H2SO 4 com fração percentual de 80% e de densidade 2,21 g/cm3 até o volume de cinco litros. As
concentrações em quantidade de matéria do H2SO 4,
antes e depois da diluição, são, respectivamente,
em mol/litro:
4. Tendo-se 900 mL de uma solução 0,6 mol/L, que volume
de solvente deve-se adicionar para que se obtenha
uma solução 0,2 mol/L?
5. Qual é a concentração em quantidade de matéria das
soluções resultantes das diluições abaixo?
a) 10,1 e 5,2.
a) 400 mL de HCl 12 mol/L + 200 mL de H2O
b) 12,0 e 4,0.
b) 30,0 mL de ZnSO4 0,30 mol/L + 500 mL de H2O
c) 4,0 e 11,3.
6. Em que volume devem ser diluídos 250 mL de uma so-
d) 18,0 e 3,6.
lução de 40 g de H2SO4 para se obter uma solução
0,10 mol/L?
e) 22,5 e 10,5.
15. (Uerj) Diluição é uma operação muito empregada
7. Dilui-se uma amostra de 20 mL de HNO3 16 mol/L para
no nosso dia a dia, quando, por exemplo, preparamos um refresco a partir de um suco concentrado.
Considere 100 mL de determinado suco em que a
concentração em quantidade de matéria do soluto
seja 0,4 mol ⋅ L–1.
O volume de água, em mL, que deverá ser acrescentado para que a concentração em quantidade de
matéria do soluto caia para 0,04 mol ⋅ L–1 será de:
500 mL. Qual é a concentração em quantidade de
matéria final da solução?
8. A água sanitária (hipoclorito de sódio) é muito utilizada
na limpeza doméstica. Que volume de água deve-se
adicionar a 400 mL de solução 10 mol/L de água sanitária para torná-la 0,5 mol/L?
9. Calcule a massa de água que deve ser acrescentada
a) 1 000.
a 3,0 kg de uma solução de KOH(aq) com fração
percentual em massa de 40% para convertê-la
em uma solução com fração percentual em massa
de 15%.
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b) 900.
c) 500.
d) 400.
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
ER
Soluções, coloides e agregados
1
Exercícios de revisão
2
b Materiais são porções de matéria constituída por mais de uma substância.
3
b Materiais homogêneos são materiais que apresentam aspectos uniformes em toda a extensão.
4
b Materiais heterogêneos são materiais que não apresentam aspectos uniformes.
5
b Solução é um tipo de material homogêneo cuja uniformidade é constatada apenas em determina-
6
das proporções de suas substâncias constituintes (exemplo: água e sal).
7
b Mistura é um tipo de material homogêneo cuja uniformidade é constatada a qualquer proporção
8
das suas substâncias constituintes (exemplo: água e álcool).
b Coloide é um tipo de material heterogêneo cuja multiformidade é constatada apenas por meio de
instrumentos de alta resolução.
b Agregado é um tipo de material heterogêneo cuja multiformidade é constatada por meio de instrumentos de baixa resolução.
b Emulsão é um tipo de material constituído por substâncias imiscíveis, estabilizadas por agentes
emulsificantes – substâncias cujas moléculas têm uma extremidade polar e outra apolar.
Concentração e suas unidades
b Solução é um material homogêneo em que, pelo menos, uma substância – soluto – está dissolvida
em outra substância, ou material, em maior quantidade, denominado solvente.
b A concentração em massa de uma solução (Cm/V ) expressa a relação entre massa do soluto e volume da solução.
b A concentração em quantidade de matéria de uma solução (Cn/V ) expressa a relação entre a quantidade de matéria e o volume da solução.
b O título, muito utilizado pela indústria, expressa a concentração em massa do soluto por massa
da solução.
b Teor em partes por milhão (ppm) expressa a concentração em miligrama de soluto por quilograma
de solução (mg/kg).
b A fração em quantidade de matéria expressa a quantidade de matéria do soluto por quantidade
de matéria total da solução.
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SEGURANÇA
95
C apít ulo 4
TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS
PROPRIEDADES DA ÁGUA
E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Como a água e demais solventes dissolvem outras substâncias?
Como evitar a escassez de água no planeta?
Tema em foco
Tema
&
QS
S
GESTÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS
Química e
Sociedade
Fabio Colombini
Wellington Macedo/AE
Não é por acaso que a maioria das cidades nasceu às margens de rios. Com o tempo, o processo de urbanização
interferiu nos sistemas de infiltração e de escoamento das águas das chuvas. A recepção da água servida e a utilização irracional que habitualmente se faz da água e do solo trouxeram sérias consequências a nossos recursos hídricos: poluição, assoreamento e degradação de mananciais, rios, lagos e lençóis freáticos; deterioração de ambientes;
extinção de diferentes formas de vida.
É preciso que os impactos sobre o ambiente sejam considerados durante o planejamento e o desenvolvimento de grandes projetos que utilizem ou interfiram na água ou seus mananciais. As águas utilizadas em atividades humanas devem ser
devolvidas ao ambiente na mesma quantidade e em condições iguais ou melhores que as iniciais. Esse é um grande desafio.
Não basta ter água para consumo. É necessário que ela esteja em condições apropriadas para o uso que se pretende. Água com qualidade inadequada favorece o desenvolvimento de diversas doenças, a diminuição da produção
de alimentos, a fome, e, consequentemente, o surgimento de crises sociais e políticas. De acordo com documentos
da ONU, “a crise da água já tem data prevista: 2025. Nesse período, haverá a globalização da deficiência que hoje
ocorre de maneira localizada”.
Rio Capibaribe, em Recife (PE), 2006.
Rio Acaraú, em Sobral (CE), 2009.
A maioria das cidades brasileiras, inclusive as capitais, é cortada por rios que foram responsáveis por sua fundação e muito contribuíram para o
seu desenvolvimento. Infelizmente, muitos deles se encontram em situação deplorável.
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
A água é um recurso renovável, mas também finito. Sua qualidade depende de condições ambientais que, por sua
vez, estão sujeitas a ações humanas. Muitos problemas relacionados a recursos hídricos têm surgido em consequência
da utilização impensada da água. No quadro a seguir estão identificadas diversas interferências das atividades humanas nos recursos hídricos, muitas delas causando prejuízos irremediáveis aos ecossistemas e aos próprios cursos de
água. Esses efeitos decorrem principalmente da falta de um modelo de desenvolvimento ambientalmente controlado.
Os problemas da falta de água potável e límpida estão também relacionados à sua distribuição geográfica. Embora
o Brasil tenha uma das maiores reservas de água doce, sua distribuição não é regular. A região Norte do país contém
cerca de 80% das águas superficiais disponíveis.
1
2
3
4
ALGUMAS AÇÕES COM INTERFERÊNCIA NOS RECURSOS HÍDRICOS
Atividade
Possível ação
inadequada
Consequências diretas
Retirada de areia de
margens e leitos de rios.
Modificação da calha natural e
do transporte de sedimentos.
Assoreamento e/ou erosão
dos rios.
Garimpo de ouro.
Utilização de mercúrio.
Contaminação da água.
Contaminação de peixes e
populações ribeirinhas.
Mineração e usina de
carvão.
Emissão de enxofre para
a atmosfera.
Chuva ácida.
Extração madeireira,
pecuária e agricultura.
Desflorestamento
Mudança na permeabilidade
do solo; erosão do solo.
Práticas agrícolas
inadequadas.
Perda de solo, carregado para
os rios.
Assoreamento e poluição
de rios.
Aplicação inadequada
de agrotóxicos e
fertilizantes.
Contaminação da água e/ou
eutrofização.
Rompimento dos equilíbrios
biológicos.
Captação excessiva de
água para irrigação.
Subida do lençol freático.
Salinização do solo e da água.
Criação de animais.
Matadouros
inadequados.
Carregamento de matéria
orgânica e lançamento nos rios.
Poluição da água.
Disposição de resíduos
sólidos.
Aterros sanitários mal
executados.
Infiltração de poluentes no
solo.
Contaminação do lençol
freático.
Ocupação das zonas
marginais de rios.
Estrangulamento (constrição) das
seções de escoamento dos rios.
Inundações.
Ocupação de encostas.
Erosão de encostas e
carregamento de lixo pelas
chuvas.
Entupimento de sistemas
de drenagem; inundações.
Pavimentação com
asfalto.
Impermeabilização do solo.
Acentuação de enchentes.
Aumento da
concentração de dejetos
nas águas.
Sobrecarga de sistemas de
tratamento de água.
Degradação do corpo
de água receptor.
Urbanização.
6
Consequências indiretas
Indústria de materiais de
construção, garimpo etc.
Agricultura.
5
7
8
Acidificação da água dos
rios, agressão a ambientes
e patrimônios urbanos.
Mudanças no regime hidrológico
da bacia; assoreamento e/ou
erosão de rios.
Fonte: Observatório das Águas. Água e Pacto Federativo, p. 15, mar. 2002.
Por outro lado, os demais 20% de água abastecem 95% da população nacional, sendo que essa distribuição também não é proporcional. Enquanto nas regiões Sul e Sudeste casos de enchentes são comuns, o Nordeste convive
com longos períodos de seca.
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SEGURANÇA
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Além da distribuição geográfica dos recursos hídricos, deve-se considerar também sua
distribuição social. Segundo dados de pesConsumo anual per capita
País
quisas, estima-se que uma pessoa precise de
3
pelo menos 50 litros de água por dia. Para viEstados Unidos
1 870 m
ver confortavelmente, essa quantidade sobe
Egito
952 m3
para cerca de 200 litros diários. Nos Estados
Europa
626 m3
Unidos da América, no entanto, o consumo
diário por habitante chega a 600 litros; já em
Índia
612 m3
alguns países africanos pobres esse consumo
China
461 m3
não passa de 10 litros (veja tabela ao lado).
3
Enfim, seja por motivos socioeconômicos ou
Brasil
245 m
pela distribuição irregular da água no planeta,
África
202 m3
dos 200 países atualmente existentes, cerca
Fonte: MACEDO, J. A. B. Águas & águas. Juiz de Fora: Ortofarma, 2000.
de 26 apresentam consumo inferior ao ideal.
À distribuição irregular soma-se a crescente diminuição da disponibilidade de água potável. O mar de Aral – um
lago de águas salgadas, localizado na Ásia Central, que faz fronteira entre os atuais países Cazaquistão e Uzbequistão –
perdeu um terço de seu volume depois que as águas dos rios que o abasteciam foram desviadas para irrigar plantações.
Como resultado, a vegetação ao redor do
lago foi drasticamente reduzida, diversas espé1989
2008
cies animais que ali habitavam foram extintas,
e as pessoas que moravam nas suas margens
e viviam da pesca, atualmente, estão 50 quilômetros distantes do mar. Problema semelhante ocorreu com vários rios – como o Colorado,
nos Estados Unidos, e o Yang-tsé, na China –
que tiveram o volume de suas águas diminuído por desvio de afluentes.
Esses fatos têm provocado problemas muitas vezes de ordem diplomática. A exploração
do rio Nilo pela Etiópia e pelo Egito poderá
gerar sérios conflitos diplomáticos entre esses
dois países. No Brasil, o represamento do rio
Paraná gerou conflitos entre nosso país e a
Argentina. Assim, é possível que venhamos a
ter guerras para conquista de água. Você acredita nisso?
Imagem de satélite do mar de Aral,
A verdade é que, para assegurar água para as futuras gerações e para a paz
permitindo perceber a diminuição de
mundial, precisamos de uma gestão global desse recurso.
Nasa
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
CONSUMO ANUAL PER CAPITA DE ÁGUA
EM ALGUNS PAÍSES
tamanho da área alagada.
Uma política para a água
Em todo o mundo existem problemas ambientais relacionados à distribuição e ao uso dos recursos hídricos.
Enquanto nos países desenvolvidos estes problemas estão ligados aos efeitos da industrialização e da ocupação urbana, nos países em desenvolvimento, como o Brasil, eles se dividem em dois tipos: os relacionados ao processo de
industrialização e à urbanização e os ligados à degradação ou à exploração inadequada dos recursos hídricos nas
áreas rurais, ocasionando conflitos sociais e ambientais de grande relevância. Assim, manter água para todos implica
ter uma gestão ambiental voltada à conservação dos recursos naturais.
Mas a quem pertence toda a água do mundo? A todos ou a ninguém? Segundo a Constituição brasileira, o domínio da água depende da sua localização geográfica. O rio São Francisco, por exemplo, é de domínio da União,
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
Evandro Rodney
porque banha mais de um Estado, enquanto o rio Paracatu, que possui todo seu curso no território de Minas Gerais,
é de domínio estadual. Quanto às águas subterrâneas, a lei definiu como de domínio dos Estados.
1
2
3
4
5
6
7
8
O rio Paracatu, maior
A crescente necessidade de água, a limitação de recursos hídricos, os conflitos entre
afluente do rio São Frandeterminadas formas de utilização e os prejuízos causados também por excesso de água
cisco, só corre em terras
exigem que tanto o planejamento como a gestão da utilização e do domínio da água
mineiras.
se façam de forma refletida, integrando-se às políticas públicas de todas as regiões.
Logo, é fundamental haver uma política muito bem planejada para evitar que as necessidades mais imediatas da população venham a ser prejudicadas por projetos de exploração de recursos hídricos aprovados pelo
Estado para atender aos interesses de grandes grupos financeiros e que muitas vezes provocam sérios problemas ambientais.
A política da água não se restringe a decidir sobre quem cuida da água, mas também quem gerencia esse
recurso. Para isso, é necessário um controle dos assentamentos urbanos, do sistema de abastecimento público
e também ações que procurem minimizar os efeitos de secas e inundações.
No caso da seca, temos um exemplo de um problema que é mais político do que de natureza climática, pois apesar da existência de diversas alternativas para abastecer as populações nos períodos de estiagem, faltam políticas que
viabilizem o encaminhamento dessas alternativas. A situação agrava-se em razão de problemas sociais, como elevados índices de mortalidade infantil, analfabetismo e população indigente. Essa população, desprovida de recursos
tecnológicos para enfrentar os problemas decorrentes da seca, sofre em dobro as consequências.
Assim, o uso de técnicas inadequadas, pastoreio excessivo, desmatamento, irrigação sem cautela vão perpetuando o problema, em um sistema de políticas assistencialistas que não atacam diretamente a questão, mantendo na miséria grande parte da população. Isso significa que uma política responsável deve compatibilizar e
aperfeiçoar os múltiplos usos dos recursos naturais, desenvolvendo ações de recuperação dos ecossistemas já em
processo de degradação.
Tendo em vista o reconhecimento à necessidade de preservação e a gestão consciente dos recursos hídricos, foi
criado, em 1992, o Dia Mundial da Água (22 de março), para lembrar a importância desse recurso natural para a
existência da vida na Terra, e a Declaração dos Direitos da Água. Essa declaração prevê, entre outros princípios, que:
• a água é patrimônio da Terra e dela depende seu futuro.
• a água deve ser utilizada com racionalidade e moderação.
• a água não deve ser contaminada nem poluída.
• a água pode tornar-se escassa em diferentes regiões do planeta.
• a proteção da água é obrigação de todos.
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Flávio Bacellar/Olhar Imagem
Dida Sampaio/AE
No início do século XX, ainda era possível ver a utilização do rio
Tietê para o lazer: pescarias e regatas de clubes paulistanos eram
realizadas em suas águas. O Programa de Despoluição da Bacia do
Alto do Tietê, que engloba a região metropolitana de São Paulo, já
começou a produzir alguns resultados: nos anos de 1990, a mancha de poluição se estendia por 250 km a partir da capital. Hoje,
já recuou cerca de 100 km e, em alguns trechos mais próximos a
São Paulo, os peixes reapareceram.
Guilherme Gaensly/Instituto Moreira Salles
O rio Reno nasce na Suíça e deságua no mar do Norte banhando, assim, vários países europeus. Era um dos mais poluídos da Europa. Em
1986, um grave acidente na multinacional suíça Sandoz contaminou o
rio com 20 toneladas de um pesticida altamente tóxico. Esse fato chamou a atenção da opinião pública e das autoridades, que investiram na
construção de estações de tratamento da água e de monitoramento ao
longo do rio. Atualmente, cerca de 95% dos esgotos das empresas são
tratados. Os resultados do programa e da despoluição do Reno são visíveis. Das 64 espécies de peixes que ali habitavam, 63 delas já voltaram.
Noebu/Creative Commons
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
A cidade de Cariri (PB) é uma das que sofrem com as frequentes
secas no Nordeste.
O rio São Francisco está agonizando, vítima de ações humanas
que retiram dele a sua subsistência, sem a preocupação de preservá-lo. Será que você não está prejudicando algum rio, manancial
ou lençol freático da mesma maneira?
Esses princípios foram referendados na Conferência Ambiental do Rio de Janeiro, em 1992,
e estão presentes no capítulo 18 da Agenda 21. Todavia, só se tornarão realidade quando
pessoas como você se engajarem em ações que garantam água para as futuras gerações.
O uso sustentável da água
A água é um recurso fundamental para a vida. Por isso, sua escassez pode comprometer seriamente todos os ciclos vitais e gerar conflitos sociais.
Em várias metrópoles brasileiras, bairros nobres consomem elevadas quantidades de água
em piscinas e jardins, e a população mais pobre sofre com o racionamento. Isso ilustra o
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
Hely Demutti
problema do gerenciamento de recursos hídricos que, geralmente, privilegia grandes organizações econômicas e grupos políticos em detrimento das necessidades básicas da população.
Nas residências, é comum haver grandes desperdícios de água, principalmente nos banheiros. Um dos problemas está no vazamento de água. Veja no quadro abaixo a quantidade de água que se perde em vazamentos.
Mas o desperdício está muito relacionado também ao uso inadequado da água. Se na
sua casa é comum lavar calçadas com jatos de água, deixa-se a torneira constantemente aberta em diferentes ações realizadas com água etc., vocês estão contribuindo para a
previsão da ONU de falta de água. Leve em conta ainda que para a água chegar até sua
casa ela foi captada, tratada, transportada e paga. Um elevado custo agregado a esse
benefício precioso que chega tão fácil em sua residência!
1
2
3
4
5
6
DESPERDÍCIO DE ÁGUA EM LITROS/DIA
Condições da torneira
Média diária (litros/dia)
Média mensal (litros/mês)
7
Gotejando
46
1 400
8
Abertura de 1 mm
2 068
62 600
Abertura de 2 mm
4 512
135400
Abertura de 6 mm
16400
492 000
Abertura de 9 mm
25 400
762 000
Abertura de 12 mm
33 964
1019520
Atitude sustentável
&
QS
S
Boas maneiras de economizar água
b Um banho de chuveiro de 20
minutos consome, em média,
120 litros de água. Se você
fechar a torneira enquanto
se ensaboa, a economia será
muito grande.
Química e
Sociedade
S
AMj Studio
Fonte: Secretaria do Meio Ambiente. Como proteger o meio ambiente gastando menos em sua escola. Disponível em: <www.ambiente.sp.gov.br/wp-content/uploads/cea/Escola_Completo.pdf>.
Acesso em: 2 maio 2013. Adaptado.
Simulador
b Escovar os dentes com a torneira
aberta continuamente por 3 minutos gasta cerca de 20 litros de
água. Se você mantiver a torneira
fechada durante a escovação, o
gasto cairá para cerca de 2 litros.
b A torneira aberta continuamente para lavar louça pode
consumir mais de 240 litros de
água. Abrindo e fechando durante a lavagem, o gasto pode
cair para um terço dessa medida. Uma boa dica é ensaboar
tudo e depois enxaguar.
b A lavagem de calçadas e quintais
utilizando a mangueira como vassoura pode consumir mais de 300
litros de água. Recomenda-se varrer a sujeira antes e lavar a calçada com água reutilizada da lavagem de roupa ou da chuva.
b Uma descarga de vaso sanitário consome cerca de 10 litros de água. Para não aumentar o
consumo, recomenda-se manter a válvula sempre regulada e não jogar papéis no vaso, ou
substituir a descarga por vasos sanitários com bacias acopladas, que possuem dosagem
única de água para cada descarga de, aproximadamente, 5 litros.
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SEGURANÇA
101
Hely Demutti
Reúso da água
Sabesp
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Que atitudes devemos tomar para que no futuro haja água suficiente para
nosso consumo e lazer?
A água de um rio hoje será a água de uma
chuva amanhã.
Assim como a natureza, a água tem um ciclo,
e nós também podemos utilizá-la mais vezes.
Depois de utilizada para banho, lavagem de
roupas, em processos industriais ou algum outro
fim, a água restante é denominada água servida. Essa água é muitas vezes descartada na
forma de esgoto. No entanto, ela pode ser utilizada novamente para a mesma função ou para
outra função diferente. Essa reutilização da água
é denominada reúso e a água reutilizada é denominada água secundária.
De modo geral, a água pode ser reutilizada
várias vezes. Em muitos casos, é necessário que
seja tratada, conforme o uso que teve e o uso que
terá. Essa demanda é grande, principalmente nas
grandes cidades.
No Brasil, cerca de 70% do esgoto produzido
é coletado, sendo que apenas um quarto dele é
tratado. Os outros três quartos são despejados
em rios e lagos. Por isso é tão importante o reúso da água que possibilita diminuir a quantidade
de esgoto e, assim, diminui o impacto da ação
humana no ambiente e na sua biodiversidade.
Nesse sentido, novas tecnologias têm surgido
com o objetivo de diminuir o consumo de água
potável e, ao mesmo tempo, facilitar seu reúso.
A crescente reutilização da água tem contribuído para que a utilização de mananciais disponíveis
seja feita de forma mais racional, minimizando o
consumo e a produção de esgotos (efluentes).
ETE Barueri (SP), 2006
Depois de tratada, essa água pode ser reutilizada.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
102
O desperdício de água pode ser revertido com
simples mudanças de hábitos, como as sugeridas no
quadro de atitude sustentável da página anterior.
Além de economizar água, devemos lembrar
que todos os resíduos lançados no ralo vão parar
em algum rio ou lago, que deverá ter suas águas
tratadas. Todos os detergentes e xampus usados terão o mesmo destino. Daí a necessidade
de economizar também no uso desses produtos
que contaminam as águas.
A preservação da água no planeta implica
uma gestão responsável que, na busca por um
equilíbrio hídrico, possa garantir água para as futuras gerações. Uma boa prática nesse sentido é
a do reúso da água.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
1
2
3
4
5
6
7
8
Hely Demutti
Ações planejadas para o reúso da água são classificadas em três grupos: reúso direto, indireto e reciclado.
O reúso direto é o mais comum e ocorre quando os efluentes tratados são encaminhados diretamente até o ponto em que vão ser novamente utilizados para outros fins. No reúso indireto, o efluente tratado é misturado a outros efluentes tratados para ser usado novamente antes de ir para o seu destino. Na reciclagem, a água é tratada
antes de sua descarga podendo, posteriormente, ser utilizada como fonte de abastecimento.
Diversos setores e indústrias investem em equipamentos para tentar suprir essa necessidade do reúso da água,
por diversas razões. Algumas formas de utilização são reúso em irrigação paisagística; irrigação de campos de cultivos; usos industriais, como refrigeração, lavagem de gases, alimentação de caldeiras; no combate ao fogo; descargas de vasos sanitários; sistemas de ar condicionado; lavagem de veículos; ruas e pontos de ônibus; controle
de poeira em construções e outros.
No Brasil, essa prática ainda é muito pouco difundida. Entretanto, para diminuir custos, alguns setores, como
indústrias, hotéis, empresas de lavagem de automóveis, condomínios residenciais e comerciais, entre outros, já
estão reutilizando parte da água consumida.
Algumas práticas, como a utilização de esgotos domésticos para a irrigação de hortaliças, forrageiras e jardins,
são até antigas. Entretanto, vale ressaltar que tal utilização – feita sem controle – pode trazer riscos à saúde, causando doenças por causa da contaminação de alimentos.
Esse exemplo alerta sobre a necessidade de regulamentação para que os mecanismos desenvolvidos estejam
em conformidade com condições técnicas, culturais e socioeconômicas.
Hely Demutti
Reutilizar a mesma água mais de uma vez
para a mesma ou para outras finalidades é uma
forma de evitar o desperdício. Acima, sistema
de reaproveitamento de água, com purificação
feita por Osmose Reversa.
A preocupação com o consumo e a qualidade
da água servida deve ser de todos. Esta é uma
estação de tratamento de água de um lava-rápido ecológico que, após a lavagem dos
veículos, trata a água utilizada para reutilizá-la.
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TABELAS
SEGURANÇA
103
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Debata
D
ebata e entenda
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Escreva uma lista de todos os problemas relacionados à degradação dos recursos hídricos apresentados
no texto.
2. Por que países ricos adotam uma política de tornar os países mais pobres seus produtores de grãos, carnes
e aves?
3. Liste atividades domésticas que desperdiçam água e proponha medidas que permitam diminuir ou mesmo
eliminar desperdícios nessas atividades.
4. Tomando como base a conta de água de sua residência ou de seu condomínio, calcule a média de consumo de água per capita por dia. Consultando a tabela da página 98, com a população de que país se
equipara seu consumo?
5. Calcule a quantidade de água desperdiçada por mês em um vazamento, cujo fluxo é de uma gota por segundo. Considere o volume de uma gota como sendo igual a 0,05 mL.
6. Cite uma maneira indireta de preservarmos os recursos hídricos, além da redução do consumo direto
de água.
7. Por que o problema da água é mais político do que geográfico?
8. Tomando como base todos os textos de temas em foco deste módulo, enumere medidas que deveriam ser
adotadas em uma política de gerenciamento dos recursos hídricos.
9. Proponha medidas para melhorar a gestão da água em sua escola.
10. Debata com seus colegas sobre a quem devem pertencer os recursos hídricos e como podemos ter controle sobre o uso desses recursos pela iniciativa privada.
11. Cite exemplos de reutilização da água que poderiam ser adotados em sua residência.
Ação e cidadania
1. Identifique os mananciais que abastecem a sua residência e a sua escola, levante informações sobre a situação
ambiental desses mananciais e as medidas governamentais que têm sido adotadas para protegê-los.
2. Procure informações sobre o risco de sua comunidade passar por racionamento de água e liste as medidas que
precisam ser adotadas pela comunidade, pelo governo e pelos empresários para evitar tal racionamento.
3. Pesquise se existe tratamento de água potável e de esgoto em seu município e quais são os processos utilizados para o seu tratamento.
4. Pesquise se existe saneamento básico para toda a população de seu município.
5. Debata ações comunitárias e governamentais que deveriam ser adotadas para proteger as comunidades de seu
município que não dispõem de saneamento básico.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
N
INTERAÇÕES ENTRE OS CONSTITUINTES
este capítulo vamos estudar as propriedades da água. Antes, vejamos as propriedades
de algumas substâncias em relação às interações intermoleculares dos constituintes.
Conforme o grau de polarização das moléculas, tanto nos dipolos permanentes como
nos induzidos, a intensidade dessas interações entre as moléculas será maior ou menor.
CAPÍTULO
1 PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS E
1
2
3
4
Pense
5
A temperatura de ebulição de substâncias apolares será maior ou menor do que a de substâncias polares? Por quê?
6
7
A passagem do estado líquido para o gasoso – ebulição – depende do rompimento das interações entre as moléculas, para que fiquem mais afastadas, em um estado de
agregação em que as interações de Van der Waals serão desprezíveis.
Obviamente, a quebra das interações de moléculas polares é mais difícil do que a de apolares. Todavia, deve-se observar que esse não é o único fator que afeta a temperatura de ebulição das substâncias. O tamanho e a massa das moléculas também são importantes para as
interações intermoleculares. Por exemplo, em temperatura ambiente, existem substâncias apolares que são sólidas, como o iodo (I2, massa molecular igual a 253,8 u, em que u é a unidade
de massa atômica – grandeza usada pelos químicos para determinar a massa dos átomos e
das moléculas), enquanto outras se apresentam líquidas, como o bromo (Br2, massa molecular
igual a 159,8 u), e outras, gasosas, como o cloro (Cl2, massa molecular igual a 71 u).
8
Pense
Sabemos que o oxigênio (O2), massa molecular 32 u, e o dióxido de carbono (CO2), massa molecular 44 u, apresentam-se como gases em temperatura ambiente, enquanto a água (H2O), massa molecular 18 u, se apresenta no estado líquido.
Como você poderia explicar essa diferença pelas forças intermoleculares?
Isso pode ser explicado pelo fato de a água ser formada por moléculas polares, enquanto o gás oxigênio e o dióxido de carbono são formados por moléculas apolares. Nesse caso,
observa-se que o efeito da polarização acentuada das ligações de hidrogênio é muito maior
do que o efeito provocado pela massa molecular. Vejamos ainda outra grande diferença do
efeito da ligação de hidrogênio. O clorofórmio (CHCl3), massa molecular 119,5 u, é formado por moléculas polares, estando no estado líquido em temperatura ambiente, mas apresenta temperatura de ebulição igual a 61 °C, menor do que a da água (100 °C). Veja que,
apesar de as moléculas da água terem massa menor (18 u) e serem menores (possuem três
átomos) do que as do clorofórmio, as interações entre essas moléculas de água são muito
mais fortes do que as interações de dipolo-dipolo permanente das moléculas de clorofórmio.
Pense
Em que estado físico se apresentaria a água a 25 °C se ela fosse constituída por moléculas lineares? Justifique a resposta.
Considerando, portanto, as influências das interações acima descritas, podemos fazer
algumas previsões sobre as propriedades dos grupos de substâncias inorgânicas e orgânicas
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TABELAS
SEGURANÇA
105
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
J. Yuji
A conformação espacial do DNA é mantida
graças às interações moleculares. Durante o processo de formação das células germinativas, o DNA
é duplicado. Para isso, é
necessário que as ligações de hidrogênio sejam
quebradas, possibilitando
a passagem das características hereditárias.
–
O
P
O CH
3
O
CH2 O
N
O
–
O
P
O
O
CH2
O
N
O
–
O
P
O
estudadas neste capítulo. As bases de Arrhenius, os sais e os óxidos iônicos são constituídos por íons, logo se apresentam no estado sólido e, em geral, são solúveis em água.
Dependendo do tamanho dos íons constituintes e de seu retículo cristalino, algumas dessas substâncias são pouco solúveis em água.
Os ácidos de Arrhenius são substâncias moleculares e, portanto, encontram-se no estado gasoso ou líquido, pois as interações entre moléculas são mais fracas do que entre
íons. Os ácidos são constituídos por átomos de hidrogênio ligados a átomos dos grupos
16 ou 17, portanto, suas moléculas são polares. Como consequência, os ácidos são muito solúveis em água. Por isso, a maioria dos ácidos é normalmente utilizada na forma de
solução aquosa.
Os óxidos não metálicos são substâncias moleculares pouco polares e, portanto, em
geral se apresentam no estado gasoso.
As substâncias orgânicas são moleculares, logo os que possuem pequenas cadeias carbônicas se apresentam no estado líquido e gasoso. Os com cadeias mais longas, como as
gorduras e os polímeros, se apresentam como sólidos.
As cadeias carbônicas das substâncias orgânicas são constituídas principalmente por átomos
de carbono e hidrogênio, cuja diferença de eletronegatividade é muito pequena, e o somatório
dos dipolos entre os átomos ligantes a cada carbono se anula. Logo, em geral, as substâncias
orgânicas apresentam partes das moléculas apolares, o que as torna pouco solúveis em água.
Ligação de hidrogênio e propriedades
das substâncias
A presença de ligações de hidrogênio confere algumas mudanças interessantes às propriedades das substâncias. Por exemplo, a maioria das substâncias apresenta maior grau
de compactação no estado sólido: portanto, seus sólidos são mais densos que os líquidos.
As ligações de hidrogênio ocorrem entre muitas substâncias orgânicas, conferindo diferentes
–
O
P
O
propriedades a elas, como solubilidade em água
e temperaturas de fusão e ebulição mais elevadas.
O
N
O
H2N
CH
As proteínas que compõem o nosso organismo
são constituídas por sequências de aminoácidos, liN
NH
N
O
gados covalentemente. Esses aminoácidos têm gruN
CH2
O
pos hidroxilas ( K OH ) e aminos ( K NH2 ) capazes
de formar fortes redes de ligações intermoleculares.
O
Outro exemplo é o DNA, cuja forma de dupla hélice
–
O
P
O
é mantida graças às ligações de
hidrogênio entre os grupos
O
N
NH2 O
hidroxilas ( K OH ) e aminos
CH
( K NH2 ) das bases nitrogeN
N
NH
nadas que compõem o cóO
N
digo genético. As ligações
CH2
O
H 2N
20Å
de hidrogênio nessas moléO
culas são responsáveis por
Cadeias de
importantes propriedades
–
O
P
O
desoxirriboseque essas substâncias apre-fosfato
sentam no metabolismo de
nosso organismo.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
2 PROPRIEDADES DA ÁGUA
A
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SEGURANÇA
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J. Yuji
Terra é um planeta vivo! Ou seja, um sistema complexo e dinâmico de organismos vivos. Esses, por sua vez, são dependentes da água, sendo constituídos por quantidades desse líquido, que em algumas espécies variam de 75% a 85%
em massa. Daí podermos afirmar que não existe vida sem água. Pelo menos a vida
como conhecemos.
São as características da água que lhe dão o papel central nos processos relacionados à vida. Propriedades características como sua capacidade de dissolver a
maioria das substâncias químicas, suas temperaturas de fusão e ebulição, sua absorção de radiação infravermelha solar, entre outras, têm papel fundamental na regulação do clima global. Sua capacidade de receber e armazenar energia permite
distribuir a energia incidente sobre a superfície terrestre, diminuindo variações de
temperatura entre os dias e as noites, favorecendo o desenvolvimento de diferentes formas de vida.
Os vegetais armazenam energia por meio da fotossíntese, processo no qual as
plantas processam água e sais minerais, retirados do solo pelas raízes, utilizando a
luz solar e o dióxido de carbono (CO2), capturado da atmosfera pelas folhas. Esse
processo é capaz de transformar energia solar em energia química, na forma de carboidratos, fonte de alimentação de inúmeros seres vivos. Sem contar que também
é capaz de liberar para a atmosfera o precioso gás oxigênio (O2).
Nós, como seres vivos e parte do ambiente, também necessitamos muito da água.
De forma indireta, ela ajuda na manutenção das condições que precisamos para viver.
De forma direta, ela faz parte de nosso corpo, constituindo cerca de 80% de nossa
massa. Ela é importantíssima em diversos processos de nosso corpo, auxiliando na
digestão (saliva e suco gástrico), na manutenção da temperatura corporal (suor), no
transporte de nutrientes e gases até as células (sangue). Sua importância é tanta que,
ao consumirmos pouca água, podemos ter problemas de saúde; como cálculos renais,
que causam dores fortíssimas.
Entre as características peculiares da água está o fato de ela ser a única substância encontrada naturalmente nos três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso. E suas moléculas têm estruturas simples: dois átomos de hidrogênio ligados a um
átomo de oxigênio.
A forma angular da moA água no estado líquido apresenta moléculas que estão fortemente ligadas entre si.
lécula de água, com
Isso ocorre em razão das fortes interações entre elas em função das ligações de hidroângulo de 104º40’, congênio. Assim, considera-se que nessa situação as moléculas de água não têm existência
fere à substância uma
isolada. Elas encontram-se formando uma estrutura em rede tridimensional na qual as
série de propriedades
moléculas interagem fortemente com as moléculas vizinhas.
características.
Nas moléculas de água, os átomos de oxigênio possuem qua- Forma angular da mólecula de água
tro pares de elétrons distribuídos uniformemente ao redor de seu
núcleo que, de acordo com a teoria da repulsão dos pares de elétrons, formam ângulos (par de elétrons – núcleo – par de elétrons)
O
de 109º. Os dois pares de elétrons do oxigênio que não participam
das ligações químicas ficam mais próximos do núcleo, repelindo os
dois pares que estão ligados aos átomos de hidrogênio; com isso,
há uma retração no ângulo entre as ligações H K O K H , que
H
H
104°40’
passa a ser de 104º40’. Por isso, a molécula de água tem geometria angular (veja a ilustração), que é responsável pela formação de
ligações de hidrogênio entre suas moléculas.
107
Global Arts Collection
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
A Ciência na História
A     
A
água vem sendo estudada desde a Antiguidade. Aristóteles
[384 a.C.-322 a.C.], filósofo grego, acreditava que ela não poderia
ser decomposta, pois era um dos “elementos” básicos da natureza. Essa ideia
prevaleceu até o século XVIII. Joseph Priestley [1733-1804], químico e físico inglês, contestou Aristóteles, mas não conseguiu comprovar sua teoria.
Foi o químico francês Antoine-Laurent Lavoisier [1743-1794] quem conseguiu derrubar a hipótese de Aristóteles, demonstrando que a água pode
ser decomposta nos gases hidrogênio e oxigênio. John Dalton [1766-1844],
cientista inglês, considerava que a água teria a fórmula HO, mas essa ideia
não era aceita pelo cientista francês Louis-Joseph Gay-Lussac [1778-1850].
Em 1811, o químico italiano Amedeo Avogadro [1776-1856] introduziu
Alexander von Humboldt,
o conceito de molécula e demonstrou que a fórmula da água é H2O, permiamigo do químico brasileiro
tindo a conciliação entre os dados de Dalton e os de Gay-Lussac. As ideias de
José Bonifácio, obteve dados
Avogadro não foram muito divulgadas e ficaram esquecidas por meio século,
que levaram os químicos a reconhecer a fórmula química da
até que o químico Stanislao Cannizzaro [1826-1910], seu compatriota, conágua como H2O.
vencesse a comunidade científica sobre o valor de suas ideias.
Com base nos dados experimentais de Gay-Lussac e do cientista prussiano Alexander von Humboldt
[1769-1859], finalmente os químicos reconheceram que a água é formada por moléculas contendo dois
átomos de hidrogênio e um de oxigênio, podendo ser representada pela fórmula H2O.
J. Yuji
Moléculas de água formam redes
As moléculas de água formam redes, nas quais os átomos de
oxigênio (vermelhos) ligam-se a átomos de hidrogênio (brancos)
de outras moléculas por meio de ligações de hidrogênio
(linhas azuis descontínuas).
108
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T. PERIÓDICA
A diferença de eletronegatividade entre átomos de
oxigênio (3,44) e átomos de hidrogênio (2,20) gera deslocamento de cargas nas ligações, ocasionando dipolos
elétricos. Por causa da geometria angular, os dipolos da
molécula não se anulam, conferindo-lhe polaridade. Essa
característica permite a ocorrência de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água: interações intermoleculares entre átomos de hidrogênio e átomos de oxigênio de
moléculas vizinhas. Essas interações são relativamente fortes e responsáveis por muitas das propriedades da água.
Uma das propriedades características da água é sua elevada temperatura de fusão em relação a outras substâncias
(NH3, H2S e CH4) que possuem valores de massa molar similares à da água, mas que são gases à temperatura ambiente.
Essa diferença se deve basicamente às ligações de hidrogênio.
As ligações de hidrogênio também são responsáveis por
outra propriedade curiosa da água: a flutuação dos icebergs
nos mares, devido à menor densidade do gelo em relação à
água líquida (veja tabela na página seguinte). Propriedade essa
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
que não se verifica na maioria das substâncias, pois os sólidos geralmente
são mais densos que os líquidos. Um bom exemplo é o caso do etanol, cuja
densidade no estado líquido é igual a 0,79 g/cm3 e, no sólido, 0,815 g/cm3.
Observar um sistema contendo uma mesma substância nas fases sólida e
líquida não é comum porque poucas substâncias possuem valores de temperatura de fusão próximos à temperatura ambiente. Uma dessas substâncias
é o benzeno, cuja temperatura de fusão é igual a 5,5 ºC. Outra é a água.
DENSIDADE DA ÁGUA
Temperatura
Valor
0 °C (gelo)
0,9168 g/cm3
1
3
4 °C
1,00000 g/cm
20 °C
0,99707 g/cm3
2
3
Pense
4
5
Hely Demutti
Em cada um dos recipientes ao
lado, temos uma mesma substância
nas formas sólida e líquida. Qual recipiente contém água e qual contém
benzeno? Justifique sua resposta.
6
7
8
Nruboc/Dreamstime
O gelo flutuando na água é explicado, no nível molecular, pela
interação entre as moléculas dessa substância. No gelo, as moléculas da água estão mais próximas e essa proximidade faz com que
as ligações de hidrogênio se organizem de forma direcional num
arranjo hexagonal bem definido. Dessa forma, os átomos de oxigênio interagem com quatro átomos de hidrogênio: dois por ligações
covalentes e dois por ligações de hidrogênio (ver figura).
Essas ligações conferem ao gelo uma estrutura cristalina muito
bem organizada e com grandes espaços vazios no seu interior. Como
resultado, o sólido é menos denso que o líquido. Quando o gelo se
funde, parte das ligações de hidrogênio é desfeita, rompendo a organização da estrutura e permitindo que as moléculas se aproximem
umas das outras. Consequentemente, por apresentar uma compactação maior, o gelo é menos denso do que a água líquida.
A flutuação do iceberg
é explicada pelo fato de as
ligações de hidrogênio da
água propiciarem a formação de uma estrutura cristalina no gelo menos compacta do que a da água na
fase líquida.
Gelo
Água no estado líquido
Oxigênio
Hidrogênio
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OD
ÍNDICE
Ferro
J. Yuji
Ligações de hidrogênio na água
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T. PERIÓDICA
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Ligação covalente
Ligação de hidrogênio
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Na água em estado sólido,
as ligações de hidrogênio
provocam arranjo cristalino que leva as moléculas a
ocupar espaço maior do que
ocupam no estado líquido.
109
Ka_ru /Dreamstime
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
As ligações de hidrogênio são também
responsáveis por outra propriedade fundamental da água que também favorece as
condições para a vida em nosso planeta: o
elevado calor específico. O calor específico
da água líquida é 4,184 J/g ⋅ °C. Ou seja,
para elevarmos a temperatura de um grama de água em um grau Celsius (de 14,5 °C
a 15,5 °C) é necessária uma quantidade de
energia igual a 4,184 joules.
Esse valor é elevado se comparado à quantidade de energia necessária para aquecer outras substâncias nessas mesmas condições. Tal
fato também se deve às ligações de hidrogênio, as quais originam imensas cadeias.
Nos mares e rios de regiões frias, o gelo sobre
a água forma uma camada isolante térmica (pois
o calor específico do gelo
é menor que o da água)
que permite melhores condições para a vida. Por isso
o gelo é usado pelos esquimós para a construção
de iglus.
A tabela abaixo apresenta valores de capacidade calorífica de algumas substâncias.
CALOR ESPECÍFICO DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS E MATERIAIS
Substância/material
Capacidade calorífica
Ar
1,01 J/g ⋅ ºC
Cobre
0,38 J/g ⋅ ºC
Vidro
0,78 J/g ⋅ ºC
Aço
0,51 J/g ⋅ ºC
Sílica
0,74 J/g ⋅ ºC
Alumínio
0,90 J/g ⋅ ºC
Água (s)
2,03 J/g ⋅ ºC
Água (l)
4,18 J/g ⋅ ºC
Água (g)
2,01 J/g ⋅ ºC
A vida na Terra é extremamente favorecida pela alta capacidade calorífica da
água, porque esse elevado valor permite que ela absorva grandes quantidades de
energia, ocasionando pequenas variações de temperatura. Além disso, qualquer
quantidade de água requer, para evaporar, 500 vezes mais energia do que a necessária para aumentar em 1 °C sua temperatura. Para congelar certa quantidade de
água, é necessário retirar 80 vezes mais energia do que a retirada para diminuir 1 °C
dessa mesma quantidade de água. Isso evita que a Terra tenha variações muito bruscas de temperatura, tornando pequenas as variações de temperatura entre os dias
e as noites. A água existente na superfície e na atmosfera absorve grande quantidade de calor durante o dia e a devolve para o ambiente à noite, reduzindo a variação da temperatura. Em Marte, planeta onde as condições atuais de baixa pressão
atmosférica dificultam a existência de grandes reservatórios de água na sua superfície, durante o dia a temperatura pode chegar a 22 °C e, à noite, cair para 63 °C.
Situação semelhante ocorre nos desertos.
110
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ÍNDICE
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
J. Yuji
Nas vibrações de estiramento, os
átomos ligados aproximam-se e afastam-se, diminuindo e aumentando o
comprimento das ligações.
Rcaucino/Dreamstime
CAPÍTULO
A grande quantidade de água na
superfície de nosso planeta contribui
também para o fluxo da energia térmica absorvida da radiação solar. Isso
ocorre pela movimentação de correntes marítimas e pelo processo de evaporação e condensação. A evaporação
de grandes quantidades de água nas
regiões tropicais esfria o ambiente ao
consumir energia. Já nas regiões polares, o processo de condensação libera
energia, aquecendo o ambiente. Assim,
cerca de 20% da energia solar absorvida nos trópicos é transportada pelos
vapores de água às regiões mais frias.
A coloração da água está relacionada às ligações de hidrogênio e às suas vibrações.
Estudos demonstram que, quando dois átomos estão ligados, aproximam-se e afastam-se
constantemente. Esse movimento é denominado vibração de estiramento.
1
2
3
4
5
6
7
Por ter pouca quantidade de água, os desertos
apresentam temperaturas
que podem ultrapassar
50 °C durante o dia e, à
noite, apresentam temperaturas próximas de
0 °C. Por isso, nesses locais, o calor é escaldante
durante o dia, e o frio, à
noite, rigoroso.
8
J. Yuji
Nas moléculas, existe também o movimento dos átomos que causa variação
dos ângulos formados pelas ligações. Esse movimento permanente é denominado
vibração de dobramento.
Nas vibrações de dobramento, as
ligações vibram num sentido que faz
com que os átomos de hidrogênio se
aproximem e se afastem uns dos outros.
As vibrações de estiramento e de dobramento são chamadas vibrações moleculares. As vibrações moleculares da água ocorrem em frequências compreendidas
na região das micro-ondas (região entre 10 8 e 1011 hertz). Quando uma molécula de
água vibra, ela afeta as moléculas vizinhas às quais está unida por ligações de hidrogênio. Essa alteração vibracional ocorre com a absorção de energia. No caso da
água, não ocorre absorção da luz na frequência correspondente à região do azul,
sendo ela, portanto, refletida. A mesma tonalidade azulada é muitas vezes vista nas
formações de gelo.
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ÍNDICE
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
111
Hely Demutti
Hely Demutti
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
O forno de micro-ondas não
transmite calor ao alimento.
É a viscosidade da água
que permite a formação
de gotas.
Em parte, são as vibrações moleculares da água que tornaram a larga
aplicação na cozinha dos fornos de micro-ondas. Esse forno foi patenteado em 1953 e, a partir da década de 1970, ganhou grande popularidade.
Hoje, está presente em muitas residências e estabelecimentos comerciais.
Diferentemente dos fornos elétricos ou a gás, o forno de micro-ondas não fornece calor: ele gera radiações com frequência de
2,45 ⋅ 109 hertz. No forno, essas radiações são direcionadas ao compartimento onde ficam os alimentos, e elas atuam nas moléculas de água presentes nos alimentos. As moléculas absorvem as radiações e, com isso, aumentam a
vibração de suas ligações, causando aquecimento. Como as micro-ondas atuam basicamente em moléculas de água, alimentos ou recipientes que não contenham água
não são aquecidos. Por causa da capacidade de penetração dessa radiação, alimentos são cozidos por inteiro, e não a partir da superfície,
como nos fornos a calor.
As ligações de hidrogênio têm tempo variável de existência. E esse
tempo acaba determinando a viscosidade do material. Chamamos
de viscosidade de um líquido a resistência que ele oferece ao
movimento de suas partes. Assim, um líquido muito viscoso não
escoa facilmente, e um líquido pouco viscoso escoa com mais facilidade. Na água, a duração da ligação de hidrogênio é muito pequena – aproximadamente 10 –9 segundos –, caracterizando um líquido pouco viscoso.
3 ÁGUA E SOLUBILIDADE DOS MATERIAIS
A
água é conhecida como solvente universal por ser capaz de dissolver uma grande
diversidade de substâncias ou materiais, além de estar presente, mesmo que em
pequena quantidade, na maioria dos materiais. Ela é o solvente mais abundante em nosso
planeta, sendo sua quantidade estimada em aproximadamente 1,5 ⋅ 1021 litros.
Os mares e oceanos são bons exemplos do grande poder de dissolução da água.
Acumuladores de materiais dissolvidos pelos rios nos continentes, eles formam uma imensa
solução que possui cerca de 35 gramas de sólidos dissolvidos por litro (veja tabela abaixo).
Nesse sólido, encontramos átomos de mais de 64 elementos químicos diferentes. Muitos
dos materiais dissolvidos são importantes fontes de matéria-prima, apesar de poucos serem explorados comercialmente.
QUANTIDADE MÉDIA DAS SUBSTÂNCIAS MAIS ABUNDANTES NOS MARES
Substância
Fórmula
Massa por litro de água
Cloreto de sódio
NaCl
27,500 g
Cloreto de magnésio
MgCl2
6,750 g
Sulfato de magnésio
MgSO4
5,625 g
Sulfato de cálcio
CaSO4
1,800 g
Cloreto de potássio
KCl
0,750 g
Carbonato de cálcio
CaCO3
0,111 g
KBr
0,103 g
Brometo de potássio
o
Fonte: CRUZ, M. N.; MARTINS, I. P. Química Hoje! 9 ano. Porto: Porto Editora, 1995.
112
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Magicinfot/Dreamstime
Hely Demutti
CAPÍTULO
A substância extraída em maior abundância da água do mar é
o cloreto de sódio (NaCl): em torno de 27 gramas por litro. Para
extrair essa mesma massa de outras substâncias, precisamos de
quantidades bem maiores de água. Em cada quilômetro cúbico
(1 km3 = 1012 L) de água do mar, podemos ter cerca de 11,3 toneladas de zinco; 3,4 toneladas de cobre e estanho; 240 gramas
de prata e 430 gramas de ouro.
A facilidade com que a água dissolve diferentes tipos de substância deve-se à sua geometria e à distribuição de cargas de suas
moléculas. A polarização de cargas nas moléculas da água permite
a separação de íons, fortemente unidos por atração eletrostática.
Quando dissolvidos, os íons são envolvidos por moléculas de água
num processo denominado solvatação.. Dessa forma, os íons podem ser transportados pela água, favorecendo a ocorrência de diversos processos químicos, físicos e biológicos.
1
2
3
4
5
6
7
8
Enquanto a proporção salina nos mares é de 35 g/L,
no Mar Morto é de 350
g/L a 370 g/L. Suas águas
são consideradas terapêuticas pelo fato de ter um
grande concentrado de
21 minerais, sendo que
12 deles não são encontrados em outros lugares.
Na água do mar há uma
grande quantidade de
substâncias, tais como:
cloretos de sódio, de magnésio, de potássio e de rubídio; sulfatos de magnésio; metafosfato de cálcio;
sílica; bicarbonatos e outras substâncias, em menor quantidade.
Solubilização dos materiais
Você já tentou adoçar um suco, mas se deparou com a situação de o açúcar se depositar no fundo do copo e não se dissolver mais, apesar da agitação contínua?
A dissolução de um soluto em um líquido depende das possíveis interações entre
os constituintes das duas substâncias. Dependendo também dessas interações, o soluto poderá se dissolver em maior ou menor proporção. Denominamos essa propriedade
específica de solubilidade ou coeficiente de solubilidade.
Solubilidade é a quantidade máxima de uma substância que pode ser dissolvida em
uma determinada quantidade de solvente, produzindo uma solução estável e sem formação de precipitado (parte do sólido depositado no fundo do recipiente). Normalmente, a
solubilidade é expressa em massa do soluto por 100 gramas de água.
Quando se dissolve a quantidade máxima do soluto no solvente, obtém-se uma solução saturada. Quando em uma solução houver menos soluto do que o solvente é capaz
de dissolver, a solução será denominada solução insaturada. Ou seja, em uma solução
insaturada ainda é possível dissolver mais soluto, sem a formação de precipitado.
Em determinadas situações, é possível que a quantidade de soluto dissolvida seja maior
do que a solubilidade permite. Nesse caso, teremos uma solução supersaturada. Esse tipo
de solução não é estável, e uma simples perturbação pode transformá-la em um material
heterogêneo, pela precipitação do excesso de soluto.
OD
ÍNDICE
Ferro
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Fe
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2
55,8
T. PERIÓDICA
a
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
113
solução saturada
com precipitado
de KNO3 a 30 °C
solução
supersaturada de
KNO3 a 20 °C
resfriamento
100 g de H2O
45 g de KNO3
100 g de H2O
45,8 g de KNO3
À temperatura de 30 ºC é
possível dissolver 45,8 g de
KNO3 em 100 g de água.
Nesse caso, conforme
a quantidade de soluto
adicionada à água, podemos ter três situações
diferentes: a) solução
insaturada; b) solução
saturada; c) solução saturada com precipitado. Se a solução saturada
obtida nessas condições
for esfriada para 20 ºC,
sem agitação, ela poderá
se transformar em uma solução supersaturada, que
ao sofrer alguma perturbação poderá precipitar a
quantidade de KNO3 que
ultrapassa o coeficiente
de solubilidade desse sal
a 20 ºC.
100 g de H2O
47 g de KNO3
(45,8 g dissolvidos e
1,2 g precipitados)
100 g de H2O
45,8 g de KNO3
solução saturada
de KNO3 a 20 °C
com precipitado
perturbação
do sistema
100 g de H2O
45,8 g de KNO3
100 g de H2O
31,6 g de KNO3
dissolvidos e 14,2 g
de KNO3 precipitados
Um exemplo comum de solução supersaturada é um tipo de bolsa térmica, disponível
comercialmente, utilizada para fazer compressas quentes. Algumas possuem uma solução
supersaturada de acetato de sódio (NaOCOCH3) e, quando dobramos a pequena placa de
metal imersa na solução, inicia-se a precipitação do sal na forma de cristais. Esse processo
é exotérmico, portanto, libera energia, aquecendo a bolsa.
Para preparar uma boa
limonada, o ideal é
dissolver o açúcar antes
de se adicionar o gelo.
A solubilidade das substâncias em um mesmo solvente varia com a temperatura do
sistema. Você já percebeu como o açúcar se dissolve melhor na água quente, utilizada na
preparação do café, do que na água gelada, utilizada para preparar um suco?
Pois é, geralmente, a solubilidade de substâncias sólidas aumenta à medida que a
temperatura sobe. Entretanto, como para outras regras, há exceções. O sulfato de lítio
(Li2SO4) é um exemplo de substância que tem sua solubilidade diminuída com o aumento da temperatura.
A água dissolve grandes quantidades de algumas substâncias, como o cloreto de sódio (NaCl); pequenas quantidades de outras, como o carbonato de cálcio (CaCO3); e há
ainda aquelas que praticamente não são dissolvidas pela água, sendo exemplo o cloreto
de prata (AgCl).
Para algumas substâncias, a temperatura do sistema aumenta em consequência do
processo de dissolução, como no caso do hidróxido de sódio (NaOH); para outras, ocorre diminuição da temperatura, sendo exemplo o cloreto de amônio (NH4Cl).
Quando dissolvemos uma substância em um solvente, ocorrem interações entre as moléculas do solvente e os constituintes – íons ou moléculas – do soluto. Como exemplo, podemos citar a dissolução do fluoreto de potássio em água.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
114
solução saturada
Fe
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8
14
2
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T. PERIÓDICA
a
B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
J. Yuji
solução
saturada
Hely Demutti
J. Yuji
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
solução
insaturada
J. Yuji
CAPÍTULO
ânion
água
1
2
3
Hely Demutti
cátion
Na dissolução do fluoreto de potássio em água, os átomos de hidrogênio
interagem com os ânions e os de oxigênio com os cátions.
O refrigerante é uma solução supersaturada de gás
carbônico; quando a garrafa é aberta, o sistema sofre
uma perturbação que provoca a expulsão do excesso
de gás dissolvido.
Substâncias poliatômicas moleculares apolares também podem se dissolver em água
graças ao deslocamento de cargas em suas moléculas. Como exemplo, podemos citar o
iodo, que é formado por moléculas diatômicas apolares, mas que se dissolve em água,
mesmo que pouco, graças ao deslocamento de cargas nas moléculas.
4
5
6
7
8
Pense
Provavelmente você já deve ter aberto um refrigerante “quente” (que não está gelado) e viu o gás escapando rapidamente. Esse fato ocorre por causa da solubilidade que
é afetada pela temperatura e pela pressão no interior da garrafa.
No caso de gases, também há diminuição da solubilidade com o aumento da temperatura. Quando a garrafa do refrigerante está fechada, a pressão interna é maior do que a
pressão externa. Ao abrir a tampa, ocorre uma diminuição da pressão interna, igualando-se
à pressão externa. Nesse momento, observamos a formação de bolhas: é o gás carbônico
que estava dissolvido no líquido escapando para a atmosfera, por conta da diminuição da
solubilidade. A solubilidade dos gases é passível à variação da pressão atmosférica, um fator que praticamente não interfere no caso dos sólidos. Refrigerantes são soluções aquosas cujo solvente é a água, que contêm diversos solutos: açúcar, corantes, aromatizantes,
acidulantes etc. É claro que não podemos esquecer o soluto gasoso que caracteriza os
refrigerantes: o gás carbônico (CO2). Neste último caso, junto ao processo de dissolução
ocorre uma reação química que é representada pela seguinte equação:
H2O(l) + CO2(aq) F H2CO3(aq)
O ácido carbônico (H2CO3), produto da reação, é uma das substâncias que conferem
sabor característico aos refrigerantes. Esse sabor pode ser percebido também em água
gaseificada (com gás carbônico).
Água mineral
Para muitos, a água mineral não é somente utilizada como bebida; ela apresenta diversas propriedades curativas, dependendo da fonte de que foi extraída.
A água mineral já foi
tema de música, tem grife,
aparência extremamente
agradável e gosto maravilhoso (embora alguns
digam que não tem gosto
ou cheiro) e seu cheiro
não desagrada a ninguém.
Essas seriam algumas das
características da bebida
mais consumida no mundo.
Hely Demutti
Como a temperatura influencia na solubilidade do gás carbônico contido em refrigerantes?
Pense
O que é água mineral?
De acordo com o Ministério da Saúde, água mineral é aquela “obtida diretamente de fontes naturais ou artificialmente captada, de origem subterrânea,
caracterizada pelo conteúdo e pela proporção relativa de certos sais minerais”.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
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2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
115
Pense
Toda água mineral é natural?
De acordo com a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), instituição governamental que tem como missão “proteger e promover a saúde da população garantindo a segurança sanitária de produtos e serviços”, água mineral natural é aquela “obtida
diretamente de fontes naturais ou artificialmente captada, de origem subterrânea, caracterizada pelo conteúdo definido e constante de sais minerais… e outros constituintes”.
Durante sua passagem por diferentes regiões do
solo, a água dissolve diversas substâncias, adquirindo propriedades características, tais como pH, salinidade, odor (em virtude da dissolução de gases)
etc. Essas propriedades dependem basicamente das
várias espécies químicas dissolvidas numa solução
denominada água mineral. A composição da água
mineral depende do tipo de solo e subsolo da região
de onde foi extraída.
Juca Martins/Olhar Imagem
Canindé Soares
Diliff/Wikipedia Commons
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Os gregos antigos curavam os males físicos e mentais mergulhando em imensos tanques. Os romanos
criaram os centros de tratamento hidroterápico. Os
muçulmanos inventaram o
banho turco, e os finlandeses, a sauna.
Quem resiste a um gostoso banho numa piscina de água mineral? Muitas cidades brasileiras têm explorado as suas fontes hidrotermais, pois elas possuem
um elevado potencial turístico. Na foto, água mineral em Caldas Novas (GO).
Fontes térmicas na cidade de Mossoró (RN). No Brasil, existem águas hidrominerais espalhadas em 16 estados.
As águas minerais são classificadas conforme suas composições químicas e as suas
propriedades físico-químicas. As principais espécies químicas encontradas nas águas
minerais são os íons cálcio, magnésio, potássio, sódio, cobre, bário, antimônio, arsênio, cádmio, chumbo, manganês, mercúrio, níquel, cromo, cianeto, borato, fosfato, bicarbonatos, sulfatos, sulfetos, nitratos, cloretos e ferro. É claro que não podemos nos
esquecer dos gases dissolvidos, sendo os principais o oxigênio e o dióxido de carbono.
No campo, é comum as pessoas utilizarem águas que brotam de nascentes, que
se fossem analisadas receberiam o título de água mineral. Como nas cidades isso é
praticamente impossível, para podermos saborear água mineral temos que comprá-la engarrafada. Em cada região, há várias marcas de água disponíveis comercialmente, mas nem todas são águas minerais naturais. A legislação permite que águas
purificadas e adicionadas de sais sejam vendidas como água mineral mineralizada.
116
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
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E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
CAPÍTULO
A água mineralizada é uma água comum fornecida por
uma empresa de tratamento de água, mas que recebe
quantidade de sais para ficar com constituição química
semelhante a algum tipo de água mineral.
A leitura de rótulos pode ajudar na escolha de uma água
que possua características de sabor e de odor agradáveis ao
seu paladar.
1
2
3
4
A água mineral é uma solução aquosa que contém diversos materiais,
entre eles os sais. Os metais indicado na tabela (bário, estrôncio, cálcio
etc.) estão presentes na água sob a forma iônica.
5
6
7
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
a) O que podemos observar comparando as propriedades físicas da água e dessas outras substâncias?
b) Por que a água apresenta essas propriedades diferentes das demais substâncias?
1. Explique com suas palavras por que a água apresenta
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Cor
Massa
molar
(g/mol)
t f (ºC)
Calor de
te
fusão
(1atm)
(cal/g)
(ºC)
H2O
Incolor
18,02
0,00
100,0
80,0
540
H2S
Incolor
34,08
–85,5
–60,3
16,7
131
H2Se
Incolor
80,98
–65,7
–41,3
7,4
57,0
H2Te
Incolor
129,6
–49,0
–2,0
—
42,8
Ferro
26
ÍNDICE
de micro-ondas está relacionado com a energia vibracional da molécula da água.
11. Considere quantidades iguais de água nos três estados físicos (sólido, líquido e gasoso) relacionados no
esquema a seguir.
I
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
II
III
água
(s)
água
(l)
IV
água
(g)
V
Com base nos seus conhecimentos e no esquema acima, julgue os itens a seguir, marcando C para os corretos e E para os errados.
1) A água apresenta a mesma estrutura geométrica
nos três estados físicos.
2) O processo II envolve absorção de energia.
3) O processo III é acompanhado de um aumento de
densidade.
4) O vapor de água está em estado mais energético
do que a água líquida e a sólida.
5) O gasto de energia no processo IV é maior do que
no processo V.
Calor de
vaporização
(cal/g)
Fórmula
OD
10. Explique como o princípio de funcionamento do forno
J. Yuji
2.
geometria angular.
Água e gelo coexistem em equilíbrio a 0 °C. Enquanto
funde, nessa temperatura, o gelo absorve o equivalente
a 80 calorias por grama, transformando-se em líquido;
a temperatura permanece a mesma. Explique o que
pode ser realizado para congelar novamente a água.
A molécula da água apresenta geometria angular; se fosse
linear, com todos os seus três átomos em linha reta, qual
seria o efeito disso sobre as suas propriedades físicas?
Explique o efeito da ligação de hidrogênio nas propriedades físicas da água.
Por que o gelo flutua na água? O gelo flutuará no álcool?
Dado: densidade do álcool = 0,789 g/mL.
Por que uma garrafa cheia de água e tampada estoura
quando esquecida no freezer?
Explique por que uma mistura gelo-água permanece a
0 °C até que todo o gelo tenha fundido, mesmo que
essa mistura esteja sobre uma fonte de aquecimento.
A temperatura da água no fundo de um lago é muito diferente da temperatura verificada na superfície? Explique.
A tabela abaixo mostra as propriedades físicas da água
e de outras substâncias constituídas por átomos de
hidrogênio.
8
12. Considere as seguintes propriedades das substâncias
A, B e C na mesma temperatura:
Substância A: quando colocada dentro de um recipiente, move-se sempre para o fundo.
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
117
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Substância B: quando colocada dentro de um recipiente,
espalha-se por todo o espaço disponível.
19. Por que é importante indicar a temperatura em uma
Substância C: quando colocada dentro de um recipiente,
move-se sempre para o fundo espalhando-se por ele e
cobrindo-o por inteiro.
20. O sulfato de cobre, à temperatura de 20 ºC, dissolve-se
solução saturada?
no máximo 1,2 g em 6,0 mL de água. Responda:
a) Em 10 mL de água é possível dissolver 0,3 g de sulfato de cobre, na temperatura indicada? Justifique.
b) Quantos mL de água são necessários para dissolver
0,5 g de sulfato de cobre na temperatura indicada?
Analise o texto acima e julgue os itens, marcando C
para os corretos e E para os errados.
1) Os estados de agregação das substâncias A, B e C
são, respectivamente, líquido, sólido e gasoso.
2) O processo de evaporação da água absorve energia,
sendo classificado como endotérmico.
3) As moléculas da substância B apresentam maior
energia cinética que as moléculas da substância A.
4) Ao analisar a densidade das substâncias, observa-se
que a substância C é mais densa que a substância B.
5) A substância C, ao entrar em ebulição, manteve-se a
uma temperatura constante, logo pode-se concluir que
se trata de uma substância pura composta.
21. Uma solução preparada pela adição de 0,5 g de bicarbonato de sódio (NaHCO3) a 10,0 g de água será
saturada ou insaturada a 20 °C?
Obs.: Nessa temperatura, a solubilidade do NaHCO3 é
9,6 g/100 g H2O.
22. Ao abrirmos uma garrafa de refrigerante, ocorre uma
maior liberação de gases.
Explique, com base na solubilidade de gases em líquidos, por que isso ocorre.
23. Por que uma pequena mudança de pressão tem
13. Explique, com base nas propriedades da água, o motivo
pouco efeito na solubilidade de sólidos e líquidos e
maior efeito na solubilidade de gases dissolvidos em
líquidos?
de ela ser considerada o solvente universal.
14. Quais são os fatores que influenciam na eficiência de
um solvente?
24. Champanhe é uma bebida que deve ser guardada na
geladeira antes de ser aberta, sendo necessário abri-la
com muito cuidado. Explique, com base no conceito de
solubilidade de gases em líquidos, o que acontece se
uma garrafa for sacudida e aberta rapidamente.
15. Explique por que uma substância iônica pode ser dissolvida
em água, e não, necessariamente, em outros solventes.
16. Uma enorme fonte de água está nos oceanos, mas a
água do mar contém 35 000 ppm (parte por milhão)
de sais dissolvidos, o que a torna inadequada para o
uso doméstico e para a agricultura. Qual a importância
de tornar a água do mar potável?
25. Ao realizar, com seus alunos, um experimento no laboratório, o professor derramou água sobre uma mesa.
Em alguns minutos, os alunos perceberam que a água
havia se evaporado. Alguns meses depois, o mestre
repetiu a mesma cena. Dessa vez, a água permaneceu
sobre a mesa por cerca de 6 a 9 horas. Indique algumas
condições que poderiam ter ocorrido no laboratório
para causar essa diferença.
17. Explique como ocorre a dissolução de uma substância
em diferentes solventes?
18. Por que se faz chá com água quente mesmo quando
se vai, posteriormente, bebê-lo gelado?
Pense
4 PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Por que a água filtrada congela quando é colocada no congelador da geladeira, e a água com sal não congela? Será que a
água pode permanecer líquida em temperatura acima de 100 °C?
A
s propriedades químicas e físicas dos materiais dependem das substâncias que os
compõem. As soluções, como outros materiais, apresentam propriedades diferentes
das substâncias que as originam. Ao estudar a variação dessas propriedades com a concentração dos solutos, os químicos observaram que algumas propriedades dependem da
proporção entre seus constituintes (concentração) e não da natureza do soluto.
118
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
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E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
As propriedades das soluções que dependem do solvente e da concentração do
soluto, e não da natureza deste, são denominadas propriedades coligativas. Essas
propriedades têm várias aplicações práticas e são utilizadas na determinação de outras
propriedades das substâncias.
Do ponto de vista químico, as propriedades coligativas mais importantes são:
• abaixamento da pressão de vapor;
• abaixamento da temperatura de fusão;
• elevação da temperatura de ebulição; • variação da pressão de osmose.
Como as propriedades coligativas estão relacionadas a soluções, é importante conhecer bem as propriedades dos solventes em questão. Duas propriedades do solvente importantes nesse estudo são: a pressão de vapor e a temperatura de ebulição.
Mas o que é pressão de vapor? É o que veremos a seguir!
Química na escola
1
2
3
4
5
6
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
7
8
Os líquidos evaporam com a mesma rapidez?
A evaporação, passagem da fase líquida para a fase gasosa, ocorre lentamente na superfície dos líquidos. Este experimento, que poderá ser feito em grupo em sala de aula, tem como objetivo observar se as
evaporações de diferentes líquidos ocorrem na mesma intensidade.
V
Vídeo
Material
água
álcool
solvente para limpeza de esmalte
três colheres (de sopa)
três conta-gotas
Hely Demutti
•
•
•
•
•
Procedimento
1. Coloque as colheres próximas.
2. Pingue dez gotas de água na primeira colher, dez gotas de álcool na segunda colher e dez gotas de solvente
para limpeza de esmalte na terceira colher.
3. Observe e marque o tempo que cada material gasta para evaporar completamente.
Destino dos resíduos
Os resíduos desta prática podem ser descartados na pia.
Análise de dados
1. Qual é a ordem de evaporação dos líquidos
observada no experimento?
2. Analisando os dados e o gráfico ao lado,
justifique as diferenças das curvas de evaporação
apresentadas no gráfico.
Pressão/mmHg
éter dietílico
propanona (acetona)
álcool etílico
água
760
A uma mesma temperatura, líquidos diferentes apresentam diferentes valores de pressões de vapor.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
34,6
B
c D
E
GLOSSÁRIO
54,5
78,4
!
TABELAS
SEGURANÇA
100
Temperatura (°C)
119
Pense
Será que em uma garrafa fechada há água evaporada?
Após a chuva, formam-se, no chão, poças de água que, com o tempo, desaparecem.
Normalmente, não enxergamos a evaporação da água, mas sabemos que ela acontece.
Provavelmente, a maioria das pessoas sabe que a tendência da água contida em um
recipiente aberto é evaporar-se. E que quanto maior sua temperatura, maior será a rapidez dessa evaporação! Em um sistema fechado, como uma garrafa de água tampada,
muitas moléculas passam da fase líquida para a fase gasosa (evaporam). Nesse caso, não
há diminuição do líquido porque muitas fazem o inverso: passam da fase gasosa para a
líquida (condensam).
J. Yuji
Hely Demutti
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Pressão de vapor
vapor
A chuva pode parecer
incômoda, mas sua falta pode causar sérios
problemas.
Na superfície de um líquido há passagem constante de moléculas da fase líquida para a gasosa e vice-versa.
líquido
Quando na superfície de um líquido as fases gasosa e líquida permanecem constantes, dizemos que o sistema está em equilíbrio dinâmico, pois nele há passagem constante de moléculas de uma fase para outra. Nesse equilíbrio, a pressão da fase gasosa
sobre a fase líquida apresenta valor constante, que é denominado pressão de vapor
do líquido.
Pressão de vapor de um líquido, a uma dada temperatura, é a pressão exercida
pelo vapor quando as fases estão em equilíbrio.
A pressão de vapor de uma substância depende da temperatura e das interações
intermoleculares. Consequentemente, a pressão de vapor de um líquido, ou seja, sua
volatilidade é proporcional à temperatura e inversamente proporcional à intensidade
das interações intermoleculares. A 25 °C, a água apresenta pressão de vapor igual a
3172 Pascais (0,03131 atmosferas).
J. Yuji
água a 10 °C
pressão = 1211 Pa
água a 40 °C
pressão = 7281 Pa
água a 80 °C
pressão = 44078 Pa
A pressão de vapor de um
líquido aumenta com a elevação da temperatura.
120
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Para cada substância, assim como se pode atingir equilíbrio entre a fase líquida e a gasosa, também se pode atingir equilíbrio entre a fase sólida e a líquida e entre a fase gasosa
e a sólida. Os valores de temperatura nos quais ocorrem esses equilíbrios dependem da
pressão. Os gráficos que indicam essas variações são denominados diagramas de fases.
Observe que a curva TC – entre os pontos T e C – representa valores de pressão e
temperatura nos quais o líquido ferve. Nessa curva, o ponto C corresponde à temperatura mais alta, na qual o gás pode ser liquefeito; é a chamada temperatura crítica.
Acima desse ponto, existe apenas uma fase: gás. Observe que a fase gasosa pode estabelecer equilíbrio com a fase líquida de duas formas: diminuindo a temperatura ou
aumentando a pressão. Acima da temperatura crítica, não há equilíbrio entre as fases
gasosa e líquida.
Note que abaixo do ponto T (607,95 Pa) não é possível ter água líquida: ela sublima.
O ponto T é denominado ponto tríplice e indica os valores de pressão e temperatura
nos quais coexistem os três estados de agregação.
1
2
3
4
5
6
7
Pressão
J. Yuji
8
B
C
5
1⋅10 Pa
líquido
Nesse diagrama de fases da água,
a linha violeta representa a fusão; a linha laranja, a evaporação; e a azul, a
sublimação. Observe que, ao nível
do mar (1 ⋅105 Pa), as temperaturas de fusão e ebulição da água são,
respectivamente, 0 ºC e 100 ºC. Alterando essas pressões, esses valores também mudam.
gás
sólido
T
A
vapor
0 °C
100 °C
Temperatura
Pense
Quando aquecemos água, observamos a formação de bolhas, e isso ocorre por dois
motivos. Inicialmente, formam-se bolhas por causa da liberação de gases nela dissolvidos. São essas bolhas que percebemos
em um copo de água ou refrigerante retirado da geladeira e colocado sobre uma
mesa. Durante o aquecimento de um líquido, quando a temperatura se aproxima
da temperatura de ebulição (para a água:
100 ºC a 105 Pa), inicia-se a formação de
bolhas por causa da passagem da fase líquida para a gasosa.
Ao atingir a temperatura de ebulição,
a pressão de vapor no interior do líquido torna-se igual à pressão sobre a superfície do líquido. A continuidade do
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
Qual é a diferença entre as bolhas formadas ao aquecermos água e as existentes no interior de um copo com refrigerante?
Na preparação de pudim em
banho-maria, a temperatura
do recipiente que está imerso no banho não ultrapassa
a temperatura de ebulição da
água do banho.
121
J. Yuji
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
aquecimento faz com que mais moléculas passem da fase líquida para a fase gasosa.
Todavia, se o sistema estiver aberto, a pressão é constante e a temperatura do líquido não
varia, porque a energia fornecida ao sistema é consumida no processo de vaporização.
Veja esquema ilustrativo abaixo.
pressão
atmosférica
líquido em
ebulição
pressão da camada líquida
(desprezível)
Um líquido entra em ebulição quando a pressão de
vapor (PV) se iguala à pressão atmosférica (pressão
exercida sobre sua superfície). Ao nível do mar, a
pressão é de 100 000 Pa,
e a água entra em ebulição
a 100 °C.
líquido em
ebulição
Pv
Pense
Será que a temperatura da água varia, dependendo do valor da pressão atmosférica (diferentes altitudes)?
Malucs /Dreamstime
Patrick Grosner/Folhapress
A temperatura de ebulição de um líquido varia conforme a pressão externa exercida
sobre sua superfície. Quanto menor for a pressão externa, menor será a temperatura de
ebulição. Ao nível do mar, a água ferve a 100 °C. Se você mora no litoral, é fácil constatar esse fato. Se, por outro lado, você mora no interior, muito provavelmente a altitude é
maior que a do nível do mar e, consequentemente, a pressão atmosférica é menor. Nesse
caso, a água ferve a temperaturas inferiores a 100 °C.
Em cidades como Belo Horizonte, Cuiabá, Teresina, São Paulo, Brasília e Manaus, a
água entra em ebulição a valores de temperatura próximos de 98 °C.
Observe as fotos abaixo. Em qual desses lugares a temperatura de ebulição é menor?
Monte Everest, na cordilheira do Himalaia, na Ásia.
Brasília, situada no Planalto Central do Brasil.
122
OD
ÍNDICE
Ferro
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2
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14
2
55,8
T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Altitude (km)
9
8,373
8
7,392
6,503
7
5,688
6
4,947
5
4,265
3,629
4
3,025
2,452
3
1,917
1,406
2
0,914
0,676
1
0
1000
900
800
700
600
500
400
Monte Everest
CAPÍTULO
Relação pressão × altitude
Quanto maior a altitude do local, menor a pressão atmosférica e, portanto, menor será a temperatura de ebulição.
1
2
3
4
5
Pressão (hPa)
Fonte: <www.inpe.gov.br>. Acesso em: 8 fev. 2010 (dados fornecidos por correio eletrônico, em resposta à consulta sobre o tema).
6
Pense
Como fica a temperatura de ebulição da água quando a pressão é maior que a do nível do mar?
7
8
Hely Demutti
Poucos são os lugares com altitude abaixo do nível do mar. O mar Cáspio
– mar interior da Ásia que banha a Rússia, o Daguestão, o Azerbaijão, o
Turcomenistão, o Cazaquistão e o Irã – tem altitude de 28 metros abaixo
do nível do mar. Nas margens do mar Cáspio, a água ferve a uma temperatura maior do que 100 °C.
Como o mar Cáspio é do outro lado do planeta, não podemos observar a água ferver a uma temperatura superior a 100 ºC? Podemos
sim! Na verdade, isso acontece com muita frequência em nossas casas.
Até o momento, estávamos falando de sistemas abertos e, consequentemente, de pressão atmosférica. Entretanto, quando preparamos um alimento em uma panela de pressão devidamente fechada, a água ferve a
temperaturas superiores a 100 ºC. Como o sistema é fechado, o aquecimento provoca um aumento da pressão interna, fazendo com que a temperatura de ebulição seja maior do que em uma panela normal. Esse aumento de temperatura acelera as transformações físicas e químicas que
ocorrem durante o cozimento de alimentos.
Praia do Farol, Ilha do
Mel (PR), 2007: a altitude
é igual a zero. Qual será
a temperatura de ebulição
nesse local?
Abaixamento da pressão de vapor
Pense
O que acontece com a água que está iniciando a ferver quando acrescentamos sal ou açúcar?
A adição de um soluto não volátil, como o sal e o açúcar, a uma solução (no caso,
a água que usamos em nossa casa é um solução, pois não é pura) diminui a pressão
de vapor-d’água, retardando a ebulição. Por isso a água para de ferver ao adicionarmos
sal ou açúcar.
Esse fenômeno é observado também em outros sistemas. Diversos estudos demonstraram que esse abaixamento da temperatura de ebulição está relacionado à quantidade de partículas que é adicionada ao sistema e não depende da natureza de suas
partículas constituintes.
OD
ÍNDICE
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Fe
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T. PERIÓDICA
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B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
123
Pressão
líquido
gás
Temperatura
O estudo da variação da
pressão de vapor de um solvente pela adição de um soluto não
volátil é denominado tonometria ou tonoscopia.
A variação da pressão de vapor pode ser representada pelo
gráfico ao lado.
Elevação da temperatura de ebulição
A diminuição da pressão de vapor do solvente, causada pela dissolução de um soluto
não volátil, provoca o aumento da temperatura de ebulição. Quanto maior a concentração
em quantidade de matéria do soluto, maior será a variação da temperatura.
Se colocarmos iguais quantidades de partículas de diferentes solutos não voláteis
dissolvidos em recipientes diferentes com a mesma quantidade de água, obteremos o
mesmo aumento de temperatura de ebulição.
O efeito do aumento da temperatura de ebulição pode ser observado quando, por
exemplo, cozinhamos alimentos em água com sal ou açúcar. Ao elevar a temperatura de
ebulição, os alimentos são cozidos mais rapidamente. Nesse sentido, todo cuidado deve
ser tomado na cozinha, pois uma queimadura com calda de um doce será muito mais
séria do que se for com água.
A variação da temperatura de ebulição pode ser representada pelo gráfico a seguir.
A linha vermelha representa
os valores de temperatura e
pressão em que um solvente puro passa de líquido para gás. A linha azul representa esses valores quando uma
dada quantidade de soluto
é acrescentada ao solvente. Observe que, para uma
mesma pressão (linha pontilhada), a temperatura de
ebulição da solução é maior
que a do solvente.
Pressão
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
A linha vermelha representa os
valores de temperatura e pressão em que um solvente puro
passa de líquido para gás. A
linha azul representa esses valores quando uma dada quantidade de soluto é acrescentada ao solvente. Observe que,
para uma mesma pressão (linha pontilhada), a temperatura de ebulição da solução
é maior que a do solvente.
líquido
gás
Temperatura
O estudo da variação da
temperatura de ebulição de
um solvente pela adição de um
soluto não volátil é denominado
ebuliometria ou ebulioscopia.
Abaixamento da temperatura de fusão
Pense
Por que as águas dos oceanos não congelam, mesmo em locais muito frios, com a temperatura abaixo de 0 °C? Por que
se acrescenta sal ao gelo utilizado para gelar bebidas mais rapidamente?
Nos países não tropicais, é comum no inverno a temperatura ambiente atingir valores inferiores a 0 °C. Isso pode causar diversos problemas por causa do congelamento da
água: encanamentos podem romper-se, motores de automóveis podem não funcionar
adequadamente etc.
124
OD
ÍNDICE
Ferro
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Fe
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55,8
T. PERIÓDICA
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B
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
A correta utilização dos diversos tipos de aditivos e
fluidos existentes no mercado ajuda na redução de
gastos com a manutenção
dos veículos. Devido a suas
propriedades físico-químicas, esses produtos ajudam
a manter os sistemas mecânicos em boas condições de
funcionamento.
CAPÍTULO
Como evitar problemas desse tipo? No caso de
água para refrigeração dos motores, alguns produtos químicos comerciais podem ser acrescentados
para evitar seu congelamento. Esses aditivos têm
a finalidade de diminuir a temperatura de fusão
do líquido de refrigeração, evitando que o carro
amanheça com o motor congelado. Além disso,
o aditivo eleva a temperatura de ebulição do líquido de refrigeração, dificultando que ele ferva
se o motor se aquecer além do normal.
Vamos, agora, voltar ao caso dos oceanos. Como o sal diminui a temperatura de solidificação da água, o mar não se congela em locais perto dos polos, apesar de a temperatura ali atingir valores inferiores a 0 ºC. Isso pode ser observado no experimento a seguir.
1
2
3
4
5
6
7
Química na escola
8
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
Podemos evitar que um líquido congele?
V
Vídeo
Pense
Que líquido apresenta maior temperatura de fusão: água ou água com sal?
Material
dois tubos de ensaio (ou saquinhos plásticos)
um béquer (ou copo)
gelo
água destilada (ou filtrada)
cloreto de sódio (sal de cozinha)
Hely Demutti
•
•
•
•
•
Procedimento
1.
2.
3.
4.
Coloque gelo picado no béquer até a metade de seu volume.
Adicione sal equivalente a um terço da quantidade de gelo e misture bem.
Em um tubo de ensaio, coloque água até a metade de seu volume.
No outro tubo de ensaio, coloque uma solução saturada de cloreto de sódio (solução com sal depositado no fundo do
recipiente) até a metade de seu volume.
5. Mergulhe, simultaneamente, os dois tubos no gelo do béquer e observe por cinco minutos.
Destino dos resíduos
1. Os resíduos desta prática podem ser descartados na pia, sob água corrente.
Análise de dados
1. O que aconteceu com cada líquido?
2. Como você explica a diferença observada?
OD
ÍNDICE
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55,8
T. PERIÓDICA
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c D
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
125
Juca Martins/Olhar Imagem
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Diferentes quantidades de solutos não voláteis, quando dissolvidos em água ou em
outro solvente, causam diferentes variações da temperatura de congelamento das soluções. Entretanto, se dissolvermos a mesma quantidade de matéria de diferentes solutos
não voláteis, a variação na temperatura de fusão será sempre a mesma.
A partir dessa constatação, podemos concluir que a variação de temperatura está
relacionada à quantidade de espécies dissolvidas e não à sua natureza. Essa informação
permite estimar a massa molar de substâncias em função da variação na temperatura
de fusão que determinada quantidade do soluto provoca.
No preparo de sorvetes
e picolés, utiliza-se uma
mistura de água e sal – salmoura – ou água e álcool,
com a finalidade de obter
uma temperatura mais baixa, na qual a calda possa se
congelar dentro de formas.
A variação da temperatura de fusão pode ser representada pelo gráfico 1.
O estudo da variação da temperatura de fusão de um solvente pela adição de um soluto não volátil é denominado criometria ou crioscopia.
O gráfico 2 representa as variações de pressão de vapor e temperaturas de fusão e
ebulição causadas pela adição de um soluto não volátil à água.
Pressão
2
Pressão
1
líquido
ΔT crioscopia
ΔT
líquido
ebulioscopia
sólido
sólido
ΔP
P
Temperatura
tonoscopia
gás
P solução
A linha vermelha do gráfico representa os valores de temperatura e pressão, nos quais um solvente puro passa de líquido
para sólido e vice-versa. A linha verde representa esses valores quando uma dada quantidade de soluto é acrescentada ao solvente. Observe que para uma mesma pressão (linha
pontilhada) a temperatura de fusão da solução é menor
que a do solvente.
126
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
Temperatura
As linhas pontilhadas no gráfico representam os valores de pressão e
temperatura para uma solução preparada com o solvente indicado na
linha contínua. Nele, também são indicadas as respectivas propriedades coligativas.
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Osmose
Pense
1
Hely Demutti
O que acontece quando se
coloca sal sobre um pedaço de
carne? O que acontece com um
pedaço de fruta desidratada dentro de um recipiente com água?
2
A salga é muito utilizada na conservação
de carnes.
3
4
5
6
7
A calda ajuda a conservar
as frutas.
8
Hely Demutti
Uma das maneiras de aumentar o tempo de conservação dos alimentos é desidratá-los.
Isso pode ser feito de duas formas básicas: salgando ou colocando em calda de açúcar.
No caso da salga, o objetivo é retirar o máximo de água possível para evitar a proliferação de fungos e bactérias que se desenvolvem em alimentos. O sal desidrata os alimentos porque a água neles contida passa pelas membranas desses alimentos de maneira mais fácil do que o sal. A saída de água compensa a diferença de concentração
entre os dois meios do alimento: o externo e o interno.
Quando uma fruta é colocada numa calda – solução aquosa concentrada de açúcar –, a
água se movimenta da fruta (solução diluída de açúcar) para a calda (solução concentrada) até
que os dois meios fiquem com iguais concentrações de açúcar. Consequentemente, a fruta fica
com uma consistência mais rígida e adocicada que a fruta natural. A alta concentração de açúcar no fruto dificulta o desenvolvimento de microrganismos que causariam sua deterioração.
Esse processo de movimentação de líquidos através de uma membrana é denominado osmose.
RECIPIENTE 1
solução diluída de glicose
RECIPIENTE 2
solução concentrada de glicose
membrana
moléculas de água
moléculas de glicose
A membrana semipermeável impede a passagem de solutos, mas permite a passagem de água, do
meio mais diluído para o mais concentrado.
Diferentes membranas são permeáveis a diferentes substâncias químicas, iônicas
ou moleculares. As espécies químicas irão atravessar a membrana, ou não, em função de propriedades, como tamanho, carga, polaridade etc. Organismos vivos utilizam
membranas que controlam a concentração de espécies químicas, como íons sódio e
potássio, fundamentais para a sobrevivência.
26
OD
ÍNDICE
Ferro
J. Yuji
Osmose é o fluxo de solvente, através de uma membrana semipermeável, de
uma solução diluída (ou de um solvente puro) para uma solução mais concentrada.
Fe
2
8
14
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55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
127
Inicialmente, no lado esquerdo do tubo em forma
de U há uma solução mais
concentrada que a solução do
lado direito, ambas separadas
por uma membrana
semipermeável. Com o
passar do tempo, o solvente
atravessa a membrana,
aumentando o volume do
lado esquerdo e a pressão
em sua base. A diferença de
pressão entre os dois lados é
dada pela diferença de altura
das duas colunas.
Renato Spencer/JC Imagem
Equipamentos de dessalinização produzem anualmente bilhões de litros de
água potável no mundo inteiro. Dessalinizadora do
Real Hospital Português,
em Recife (PE).
estado inicial
estado final
pressão
osmótica
tempo para
estabelecer
o equilíbrio
membrana permeável
ao solvente
Quando dois meios têm a mesma concentração de espécies químicas, diz-se que são
isotônicos. No processo de nutrição das plantas, a água e os nutrientes passam do solo
para as raízes por processos de osmose. Atualmente, encontramos em prateleiras de supermercados algumas bebidas denominadas isotônicas. Elas recebem essa denominação
por apresentar sais minerais nas mesmas concentrações em que eles aparecem nos fluidos do organismo. Dessa forma, são fácil e rapidamente absorvidos pelo organismo. Um
bom exemplo de bebida isotônica natural é a água de coco.
A administração de soluções de concentrações muito diferentes das de nosso organismo
pode causar diversos problemas. Veja um exemplo: a pressão osmótica do sangue é controlada por hormônios. Ao bebermos muita água, há diminuição na produção de hormônios
e produção de urina, restabelecendo o equilíbrio osmótico. Quando não bebemos água, os
hormônios liberados evitam a excreção de urina pelos rins e surge a sensação de sede. Se o
plasma sanguíneo não for isotônico como as hemácias, elas poderão murchar ou explodir.
Uma importante aplicação tecnológica da osmose está no
desenvolvimento de dessalinizadores. Ao se colocar água salgada em contato com água doce – porém separadas por uma
membrana semipermeável que permite a passagem de água,
mas não de íons cloreto e sódio –, a água migrará para o recipiente de água salgada, para diminuir essa concentração.
Todavia, se a água salgada for injetada nesse sistema de
alta pressão, teremos a osmose reversa, na qual as moléculas de água atravessam a membrana e os íons ficam retidos. A dessalinização por osmose reversa é também utilizada para outras finalidades, como em sistemas centrais de
purificação de água para aparelhos de hemodiálise e para a
indústria alimentícia.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
128
J. Yuji
Andre Seale/Pulsar Imagens
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Os peixes possuem organismos adaptados ao
meio aquático. Se não
existisse essa adaptação, a
osmose poderia provocar
a saída da água das células
para a água do mar, no
caso dos peixes marinhos.
Para que haja equilíbrio entre as concentrações nos dois meios, algumas espécies químicas atravessam a membrana, passando do meio mais concentrado para o mais diluído.
Logo, a diferença entre as concentrações de uma mesma espécie química nos dois lados
de uma membrana semipermeável (permeável ao solvente, mas não ao soluto) faz com que
o líquido passe do lado mais diluído para o mais concentrado. Para interromper esse fluxo, é
necessário exercer uma pressão sobre ela. Essa pressão é denominada pressão osmótica.
Alguns exemplos de membranas semipermeáveis de uso comum são: bexiga de porco,
tripa de carneiro, papel celofane etc. As membranas são essenciais para diversos processos vitais de animais e plantas. No processo de nutrição das plantas, a água e os nutrientes passam do solo para as raízes por processos de osmose.
A osmose é muito comum em sistemas biológicos celulares. As paredes das células
funcionam como membranas semipermeáveis. Nutrientes, água, oxigênio e outros gases
entram e saem da célula através da membrana.
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
c) A criança irá obter uma pequena quantidade de
sal no organismo que servirá para desidratá-la.
d) A criança irá absorver certa quantidade de líquido, que, juntamente com as demais substâncias,
será essencial para hidratá-la.
1. O que são propriedades coligativas?
2. Caracterize as seguintes propriedades coligativas:
a) tonoscopia.
b) ebulioscopia.
c) crioscopia.
d) osmose.
12. A dessalinização é um processo no qual se separa
o sal da água do mar para obtenção de água
potável. Que propriedade coligativa é utilizada
nesse processo?
3. Por que a água borbulha quando está fervendo?
4. Quando é que um líquido ferve?
5. Na geladeira, para evitar que alguns alimentos trans- 13. Explique o que acontece com uma folha de alface se
firam seu odor para outros, é comum a utilização de
desodorizadores (por exemplo, carvão ativado). Explique qual propriedade coligativa está relacionada com
esse fenômeno.
6. O que acontece ao adicionarmos açúcar à água em
a colocarmos em contato com um molho de salada
preparado com sal e vinagre, e com outra folha de
alface, colocada em água pura e fresca.
das de gelo nas ruas e sobre casas e carros, costuma-se
utilizar aditivos nos radiadores dos automóveis para
que a água não congele. Com base nos conhecimentos
adquiridos, o que ocorre com a temperatura de congelamento da água dos radiadores?
9. Ao se colocar no congelador duas formas com líquidos
diferentes, para fazer picolé de suco de fruta, explique
qual delas congelará primeiro: a que contém certa
quantidade de água e 100 mL de suco de fruta ou a
que contém iguais quantidades de água e suco de fruta,
acrescida de 34 g de açúcar?
ÍNDICE
Ferro
55,8
T. PERIÓDICA
a
6
7
8
meável quando colocada entre água pura e uma
solução de açúcar a 10%.
17. Explique por que uma pessoa poderá morrer de
desidratação celular se beber continuamente a água
do mar.
18. Explique o que é pressão osmótica.
19. As propriedades coligativas explicam uma série de fenô-
os filhos quando estes estão com diarreia ou vômito,
pois isso faz com que o organismo das crianças perca
muita água. Para fazer o soro caseiro, a mãe mistura,
em um litro de água fervida, uma colher de chá de
açúcar e meia colher de chá de sal. É importante seguir
essas medidas porque:
a) O processo de desidratação ocorre como absorção
de líquidos pelo organismo.
b) A criança irá aumentar a quantidade de açúcar no
organismo e ficará hidratada.
OD
5
16. Explique como funciona uma membrana semiper-
11. Os médicos aconselham as mães a dar soro caseiro para
2
8
14
2
4
das frutas?
alimento. Como explicar esse processo?
26
3
15. Por que o processo de cristalização diminui o volume
10. A salga da carne serve para conservá-la, desidratar o
Fe
2
cesso de osmose ocorre entre a fruta e a calda açucarada. Explique o que acontece quando se atinge
o equilíbrio osmótico.
7. Explique por que uma porção de arroz demora mais a
8. Nos países em que durante o inverno se formam cama-
1
14. No preparo de compotas (doces de frutas), o pro-
ebulição? Justifique.
cozinhar em locais de altitudes elevadas, mesmo que
a água esteja fervendo.
CAPÍTULO
Exercícios
menos que observamos em nosso dia a dia. A respeito
desse assunto, julgue os itens abaixo.
1) Quando colocamos gelo dentro de um copo e
o colocamos sobre a mesa, num dia quente de
verão, a água que aparece na superfície externa do copo deve-se a um fenômeno conhecido
como osmose.
2) Ao dissolvermos, em água do mar, um pouco de
açúcar, a pressão de vapor de água diminui.
3) A adição de aditivos na água de refrigeração
torna possível a diminuição da temperatura dos
sistemas.
4) Em certas regiões do interior é comum salgar pedaços de carne, pois, em presença do sal, por
osmose, a água atravessa a membrana celular,
desidratando o alimento.
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
129
líquidas A e B. Observando o gráfico, julgue os itens
correto (C) ou errado (E), sabendo que as temperaturas são iguais.
Pressão de vapor/mmHg
como certos (C) ou errados (E).
1) As propriedades coligativas de uma solução dependem do número de partículas do soluto dissolvido na solução.
2) Uma solução aquosa que congela abaixo de 0 °C
terá uma temperatura de ebulição normal superior
a 100 °C.
3) Uma solução isotônica salina tem pressão osmótica igual à do plasma sanguíneo.
4) A osmose atua em muitos processos biológicos
e em membranas semipermeáveis. Um exemplo
é a sua atuação no movimento de subida da
seiva nas árvores.
760
100 °C 120 °C
23. O gráfico abaixo representa o experimento realizado
G
Pressão de vapor/mmHg
anteriormente. Com as informações que você obteve no experimento e a análise do gráfico, julgue os
itens como corretos (C) ou errados (E).
1,0 atm
–56 °C
Temperatura
Com as informações acima, responda aos itens
seguintes.
a) Qual o ponto onde coexistem as três fases de equilíbrio do gás carbônico? Explique.
b) É impossível encontrar vapor de CO2 abaixo de
–56 °C?
c) Podemos encontrar o CO2 sólido em temperaturas
acima de –56 °C, desde que a pressão seja suficientemente baixa?
d) Em que estado estará o CO2 se a temperatura for
de –60 °C e a pressão, 7 atm?
OD
ÍNDICE
Ferro
26
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
600
760 mmHg
34,6
56,5
éter
acetona
70,4
álcool
100,0
água
400
200
40°C
60°C
80°C
100°C
Temperatura
1) A água é a substância que possui maior pressão
de vapor.
2) Entre as substâncias acima, o álcool é o que possui
maior pressão de vapor.
3) A acetona é mais volátil que o éter.
4) À medida que a temperatura diminui, a pressão de
vapor também se reduz.
5) As interações intermoleculares do éter são mais
fracas que as da água.
sões de vapor de água pura (AP) e duas amostras
Fe
800
20°C
22. No gráfico a seguir, encontramos variações de pres-
130
B
1) A amostra A é menos volátil que a amostra B.
2) A amostra A pode ser constituída de uma solução
de cloreto do sódio.
3) A amostra AP evapora mais rápido que a amostra B.
4) Se adicionarmos um soluto não volátil e molecular à água pura, a temperatura de ebulição da
solução diminui.
5) À pressão de 760 mmHg e a 100 °C, A é líquido,
e B é vapor.
L
S
AP
Temperatura
contribuem para o aquecimento global da Terra.
Apesar de recentemente o seu aumento na atmosfera estar provocando um desequilíbrio ambiental
no planeta, existe um equilíbrio entre as mudanças de fases dessa substância, como demonstra o
gráfico abaixo.
5,1 atm
A
80 °C
21. O gás carbônico é um dos principais gases que
Pressão
PROPRIEDADES DA ÁGUA E PROPRIEDADES COLIGATIVAS
20. Em relação às propriedades coligativas, julgue os itens
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Propriedades da água
CAPÍTULO
ER
Exercícios de revisão
1
b A água é a única substância encontrada naturalmente nos três estados de agregação: sólido, líquido
e gasoso. Isso pode ser justificado pelas propriedades de suas moléculas.
2
b As moléculas de água possuem geometria angular que acarreta distribuição de cargas.
b A interação entre as cargas das moléculas leva à formação das ligações de hidrogênio e são responsáveis pelas propriedades da água, como seu elevado calor específico (4,184 J/g ºC).
b A água presente em 2⁄3 da superfície do planeta contribui para o efeito estufa, responsável pela menor variação de temperatura entre o dia e a noite.
3
4
5
6
7
A água e a solubilidade dos materiais
8
b A água é conhecida como solvente universal por ser capaz de dissolver uma grande variedade de
substâncias e materiais, devido à geometria e à distribuição de cargas em suas moléculas.
b O cloreto de sódio (NaCl) é a substância extraída em maior abundância da água do mar: 27 g/L.
b A dissolução de um soluto em um líquido depende das interações entre os constituintes das duas substâncias. Quanto maior a intensidade dessas interações, maior será essa solubilidade.
b Solubilidade é a quantidade máxima de uma substância que pode ser dissolvida, sem formação de
precipitado, em 100 gramas do solvente.
b Uma solução pode ser: insaturada, quando contém soluto em quantidade menor que a quantidade
possível de se dissolver; saturada, quando contém soluto em sua quantidade máxima; ou supersaturada, quando é instável e possui soluto em quantidade maior do que a solubilidade permite.
b A solubilidade das substâncias em um mesmo solvente varia com a temperatura do sistema.
b A solubilidade dos gases está relacionada à pressão e à temperatura do sistema.
Propriedades coligativas
b Propriedades coligativas são propriedades das soluções que dependem da concentração molar do soluto.
b A pressão de vapor de uma substância depende das interações intermoleculares e é proporcional à
temperatura.
b A temperatura de ebulição de um líquido varia de acordo com a pressão.
b O estudo da variação da pressão de vapor de um solvente pela adição de um soluto não volátil é denominado tonometria ou tonoscopia.
b A adição de um soluto não volátil a um solvente diminui sua pressão de vapor e aumenta sua temperatura de ebulição. Esse estudo é denominado ebuliometria ou ebulioscopia.
b O aumento da temperatura de ebulição de um solvente pela adição de um soluto é proporcional à concentração do soluto em quantidade de matéria. Esse estudo é denominado criometria ou crioscopia.
b Osmose é o fluxo de solvente, através de uma membrana semipermeável, de um solvente ou de uma
solução diluída para uma solução mais concentrada.
b Pressão osmótica é a pressão necessária para interromper o fluxo de uma mesma espécie química
através de uma membrana semipermeável que separa duas soluções de diferentes concentrações.
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TABELAS
SEGURANÇA
131
C apít ulo 5
TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS
EQUILÍBRIO
QUÍMICO
O que é equilíbrio químico?
Será que no futuro ainda teremos água potável?
Tema em foco
&
QS
S
POLUIÇÃO DAS ÁGUAS
Química e
Sociedade
Sabesp
Euzivaldo Queiroz/A Crítica/AE
Basta abrir a torneira, ligar o chuveiro ou dar descarga e pronto, nos livramos de muita “sujeira”. Tudo tão fácil e
simples! Parece que sim, mas não é verdade! Essa simplicidade aparente configura vários problemas. O maior deles
está no fato de que a maioria das pessoas nem se interessa em saber o destino que a água usada terá.
A água limpa porque tem grande capacidade de dissolução, mas a “sujeira” não some, vai com a água! A água que
entra limpa na sua casa sai suja! O alto consumo e a baixa qualidade da água devolvida após o uso vem trazendo sérias
consequências aos recursos hídricos.
Considerando as cinco milhões de pessoas mortas anualmente, vítimas de problemas de saúde causados pela
poluição das águas, pode-se depreender que esse é o mais grave problema de poluição dos recursos naturais!
Das várias formas de poluição, a poluição das águas é uma das mais delicadas, devido principalmente a três
fatores: a água é imprescindível para qualquer forma de vida; há uma grande diversidade de poluentes oriundos
da atmosfera, dos solos e de diferentes atividades humanas; e o pequeno percentual de água potável à disposição para o consumo no planeta, que é em torno de 1%.
A contaminação dos recursos hídricos acontece por meio do despejo direto de dejetos em cursos de água ou por
meio de processos naturais oriundos de ciclos biogeoquímicos. Um exemplo desses ciclos são as chuvas que dissolvem
gases poluentes da atmosfera, precipitam, lavam solos e superfícies e escoam para rios, lagos e lençóis subterrâneos.
Manaus (AM), 2009.
Represa Paiva Castro, Mairiporã (SP).
Mais de cinco milhões de pessoas morrem por ano devido a
doenças provocadas pela poluição das águas. Isso corresponde a
10 vezes o número anual de vítimas de guerras e conflitos armados!
Toda essa água tem destino certo: em média 70% vão para a
irrigação, 20% para a indústria e 10% para consumo doméstico.
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TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
CAPÍTULO
Nesse trajeto, dissolvem e carregam diferentes
poluentes.
As fontes de poluição das águas decorrem, principalmente, de atividades humanas. Durante o desenvolvimento das cidades, toda dinâmica estabelecida interferiu nos recursos hídricos: a urbanização
alterou os sistemas de infiltração e de escoamento
das águas das chuvas, a agricultura e os desmatamentos causaram assoreamentos e modificaram leitos de rios e lagos, a construção de grandes obras,
como hidrelétricas e represas, acabaram ocasionando
modificações em bacias hidrográficas e em florestas,
inundando cidades etc.
No quadro abaixo estão identificadas diversas
outras interferências das atividades humanas nos recursos hídricos, muitas delas causando prejuízos irremediáveis aos ecossistemas e aos próprios cursos de
água. Esses efeitos decorrem principalmente da falta
de um desenvolvimento ambientalmente controlado.
1
2
3
4
5
6
7
As indústrias instaladas às margens das vias fluviais são as principais responsáveis pelo processo de deterioração da água e devastação da fauna.
Essa poluição de origem industrial provoca graves desequilíbrios ambientais
nos ecossistemas e constitui uma ameaça direta à saúde das populações.
8
Tipos de poluição das
águas
ALGUMAS
AÇÕES COM INTERFERÊNCIA NOS RECURSOS HÍDRICOS
Atividade podemos
Possível
açãoainadequada
Consequências
Consequências indiretas
Didaticamente,
classificar
poluição das águas
em térmica,diretas
sedimentar, biológica
e química.
Estas
Indústria
de materiais
de são:Retirada de areia de
Modificação da calha natural e
Assoreamento de rios e erosão.
construção, garimpo etc.
margens e leitos de rios.
do transporte de sedimentos.
Garimpo de ouro.
Utilização de mercúrio.
Contaminação da água.
Contaminação de peixes e
populações ribeirinhas.
Mineração e usina de
carvão.
Emissão de enxofre para a
atmosfera.
Chuva ácida.
Acidificação da água de rios, agressões
aos ambientes e patrimônios urbanos.
Extração madeireira,
pecuária e agricultura.
Desflorestamento.
Mudança na permeabilidade
e erosão do solo.
Mudanças no regime hidrológico da
bacia; assoreamento de rios e erosão.
Práticas agrícolas
inadequadas.
Perda de solo, carregado para
os rios.
Assoreamento e poluição de rios.
Aplicação inadequada de
agrotóxicos e fertilizantes.
Contaminação da água e/ou
eutrofização.
Rompimento de equilíbrios biológicos.
Captação excessiva de água
para irrigação.
Subida do lençol freático.
Salinização do solo e da água.
Criação de animais.
Matadouros inadequados.
Carregamento de matéria
orgânica e lançamento nos rios.
Poluição da água.
Disposição de resíduos
sólidos.
Aterros sanitários mal
executados.
Infiltração de poluentes no solo.
Contaminação do lençol freático.
Ocupação das zonas
marginais de rios.
Estrangulamento (constrição) das
Inundações.
seções de escoamento dos rios.
Ocupação de encostas.
Erosão de encostas e carregamento de lixo pelas chuvas.
Entupimento de sistemas de drenagem;
inundações.
Pavimentação com asfalto.
Impermeabilização do solo.
Acentuação de enchentes.
Agricultura.
Urbanização.
Aumento da concentração de Sobrecarga de sistemas de
dejetos nas águas.
tratamento de água.
Degradação do corpo-d’água receptor.
Fonte: Observatório das Águas, nº- 0. Água e Pacto Federativo, mar. de 2002. p. 15.
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TABELAS
SEGURANÇA
133
Tipos de poluição das águas
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Didaticamente, podemos classificar a poluição das águas em térmica, sedimentar, biológica e química. Estas são:
• poluição térmica: ocorre pelo descarte de grandes volumes de água aquecida, usada em sistemas de resfriamento de processos industriais, em sistemas ambientais;
• poluição sedimentar: proveniente do acúmulo de partículas em suspensão (por exemplo, partículas de solo ou de
produtos químicos insolúveis, orgânicos ou inorgânicos);
• poluição biológica: resulta da presença de microrganismos patogênicos (micro-organismos causadores de doenças),
especialmente na água potável;
• poluição química: causada por produtos químicos estranhos ao ambiente, tornando-se nocivos ou indesejáveis.
Embora todas essas poluições causem problemas ao ambiente, a poluição química é a mais complicada, uma
vez que seus efeitos podem, a princípio, ser mais sutis e só percebidos a longo prazo. No entanto, os resultados
podem ser catastróficos para o ambiente. Sobre essa poluição, os principais agentes poluidores são:
• os fertilizantes, empregados na agricultura, os quais são arrastados pelas chuvas para córregos, rios, lagos e
lençóis subterrâneos. Esses agentes poluidores contêm em sua composição nitratos (NO3–) e fosfatos (PO3–
4 ), que
favorecem processos de eutrofização;
• os materiais orgânicos sintéticos como plásticos, detergentes, solventes, tintas, produtos farmacêuticos etc.
Esses agentes são muito variados e geralmente alteram diferentes propriedades físicas (cor, sabor e toxidez) e químicas (pH, concentrações de substâncias, equilíbrios químicos diversos etc.) da água e causam acúmulos sólidos;
• o petróleo e seus derivados usados na forma de combustíveis em embarcações ou quando transportados por
oleodutos no fundo do mar ou por navios;
• os materiais inorgânicos, como minerais ou produtos industriais, que podem causar variações de pH, salinidade,
concentração de gases, além de tornarem a água tóxica, sem contar a possibilidade da perigosa contaminação por
diferentes metais pesados (Cu, Zn, Pb,Cd, Hg, Ni, Sn etc.).
&
QS
S
A triste sina dos rios
Química e
Sociedade
Uma triste realidade brasileira é que quase todos nossos grandes rios vêm sendo violentamente agredidos pelo
despejo de dejetos oriundos de esgotos domésticos e industriais.
Fotos: Hely Demutti
Tempo necessário para certos materiais se decomporem quando jogados na água
Papel – de 3 a 6 meses
Tecido de algodão – de 6 a 16 meses
Filtro de cigarro – cerca de 5 anos
Madeira tratada – cerca de 13 anos
Tecido sintético – cerca de 30 anos
Metal – cerca de 100 anos
Plástico – cerca de 100 anos
Pneus – indeterminado
Vidro – indeterminado
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SEGURANÇA
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AMj Studio
Zig Koch/Olhar Imagem
6
Hely Demutti
Hely Demutti
CAPÍTULO
Esses dejetos, com muita frequência, contêm substâncias nocivas à fauna
e à flora aquática. O desmatamento descontrolado já causou a extinção
de inúmeras fontes. Grandes cidades como Rio de Janeiro, São Paulo e
Belo Horizonte estão com seus rios e lagos agonizando.
O rio São Francisco, um dos maiores do mundo e carinhosamente chamado de Velho Chico, é um triste exemplo desse descaso! No ritmo em
que tem sido agredido, prevê-se que até o ano de 2060 poderá ser extinto
devido a diversos ataques, entre os quais: devastação de suas matas ciliares; contaminação de suas águas por dejetos; inviabilização da piracema
por causa das barragens; diminuição de seu volume para atender à irrigação; assoreamento de seu leito devido à agressão do solo ao seu redor.
Juruena (MT), 2007.
Pirapora do Bom Jesus é uma cidade de romaria desde que, em
Geralmente, o mercúrio
meados de 1725, um morador encontrou, às margens do rio Tietê, uma imagem de Jesus
é utilizado na mineração
confeccionada em madeira. Ultimamente, o rio vem depositando às suas margens grandes
para separar o ouro. Essa
quantidades de espuma, formadas a partir da agitação de corredeiras de água contendo
utilização é muito perigosa
resíduos de xampus, sabonetes, detergentes etc., oriundos de esgotos da cidade de São
porque o mercúrio é um
Paulo e de outras cidades vizinhas.
metal altamente tóxico
Essa espuma, além de exalar um cheiro ruim, lança na
e, ainda, pode entrar na caatmosfera diferentes poluentes que podem causar prodeia alimentar humana.
blemas respiratórios. A situação também causa problemas à economia do município, que depende do turismo
religioso. Esse exemplo demonstra bem o quanto a degradação de um rio, em certa região, pode afetar comunidades mais distantes banhadas por ele.
Além do incômodo aos moradores da cidade, essa
espuma também dificulta a dissolução de gás oxigênio na
Muitos rios e riachos que
água, diminui a tensão superficial e remove a camada oleosa que reveste algumas aves
eram utilizados por nossos
e insetos, impedindo que eles flutuem na água.
pais para tomar banho e
Como resolver esse problema? Após muitas pesquisas, químicos notaram que certos tipos
brincar hoje estão tão pode sabões e detergentes são degradados com mais facilidade. Eles têm em comum o fato de
luídos a ponto de não se
poder tocar na água, deserem formados por substâncias cujas moléculas são lineares (sem ramificações), saturadas
vido ao medo de doenças
(sem ligações duplas ou triplas) e que contêm números pares de átomos de carbono.
infectocontagiosas.
A partir dessa descoberta, os esforços voltaram-se para a produção de detergentes
com agentes biodegradáveis, diferentes das primeiras gerações de detergentes sintéticos.
Atualmente, encontramos nos supermercados variados tipos de detergentes que são biodegradáveis. Por isso, fique
atento aos rótulos e opte pelos que oferecem menor potencial poluidor. Isso é atitude sustentável.
Rio Tietê, em São Paulo (SP), 2007.
Rio Tietê, em Pirapora do Bom Jesus (SP), 2007.
Á água por si só consegue algumas vezes se tratar de situações de poluição. Nela
existem enzimas capazes de quebrar as moléculas de cadeias lineares,
porém estas não atuam sobre as moléculas de cadeias ramificadas que constituem os detergentes não biodegradáveis, o que os tornam agentes perigosos.
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Mesmo sendo biodegradáveis, os detergentes
demoram a desaparecer, causando problemas
estéticos e ambientais.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
135
Os detergentes e a poluição dos rios
Pense
Fotos: Hely Demutti
EQUILÍBRIO QUÍMICO
O que significa a palavra “biodegradável” em rótulos de detergentes?
Os sabões e detergentes não biodegradáveis também impedem a decantação e a deposição de sedimentos,
fazendo com que a espuma formada arraste detritos, inclusive de esgotos, que são levados pelo vento e espalhados pelo ar. A presença de ácidos em suas composições contribui para tornar a água de rios e lagos ácida,
causando desequilíbrios nos sistemas aquáticos.
O acúmulo de restos de materiais orgânicos facilita a proliferação de bactérias aeróbicas as quais consomem
parte do oxigênio dissolvido na água. Os nitratos (NO3–) e fosfatos (PO3–
4 ), oriundos de fertilizantes, favorecem a
proliferação exagerada de algas que ficam sobre a superfície da água levando à eutrofização, processo que limita e inibe o desenvolvimento de outros organismos. Como consequência, as colônias de algas que se encontram a maior profundidade deixam de receber luz, pelo que, impossibilitadas de realizar fotossíntese, morrem
e se decompõem. As algas das camadas superiores continuam a receber luz e a produzir oxigênio, mas a maior
parte desse gás se perde para a atmosfera, diminuindo a concentração de
oxigênio nos rios e lagos e ocasionando a morte de peixes.
Os detergentes sintéticos também contribuem para a eutrofização por conter íons fosfatos em sua composição. Embora esses detergentes sejam muito
mais baratos, para evitar os problemas ambientais descritos, vários países aprovaram leis ambientais restringindo seu uso. Essa decisão é justificada por ser
o processo de remoção do fosfato muito caro, aumentando o custo do tratamento do esgoto que, por sua vez, não está presente na maioria das cidades.
Diz-se que uma substância ou material é biodegradável quando se degrada, sob condições ambientais favoráveis, pela ação de microrganismos.
Esse processo de decomposição química é realizado por microrganismos, sobretudo bactérias, que quebram as moléculas orgânicas em pedaços cada
vez menores.
No final do processo, os materiais são transformados em substâncias,
como dióxido de carbono e água, menos nocivas ao ambiente. A biodegradação pode ocorrer sob condições aeróbicas (com gás oxigênio) ou anaeróbicas (sem gás oxigênio). No caso de detergentes, o oxigênio é indispensável,
já que as bactérias aeróbicas são as mais atuantes.
Fatores como acidez e temperatura também podem favorecer ou dificultar
o processo. Algumas substâncias se decompõem mais rapidamente e de forma mais completa que outras. Por isso, a biodegradabilidade é um parâmetro
importante para se avaliar o impacto ambiental dos produtos industrializados.
Desde o início da década de 1980, muitas pesquisas têm sido desenvolvidas para produzir materiais biodegradáveis. Os que recebem especial atenção
são os plásticos que têm ampla utilização e, normalmente, levam séculos para
se decompor. Entre os já produzidos, alguns se degradam lentamente em nosso
Xampus e os mais variados detergentes
organismo, o que permite serem usados na medicina para realização de suturas
vão todos parar nos rios. Uma solução é
internas e na confecção de cápsulas que, gradualmente, liberam medicamentos.
o uso de detergente biodegradável,
Vale destacar que os materiais biodegradáveis também causam problemas
que é aquele que se decompõe por ação
ambientais.
A diferença está no fato de que eles podem se decompor em um
bacteriana, ou seja, é oxidado por colônias de bactérias presentes na água dos
intervalo de tempo menor, permitindo assim uma recuperação mais rápida dos
rios, produzindo gás carbônico.
danos causados.
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TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
Ricardo Azoury/Tyba
CAPÍTULO
1
2
3
4
Rio de Janeiro (RJ), 2013.
Os detergentes também podem dissolver a camada de gordura
que impermeabiliza as penas das aves aquáticas, dificultando sua locomoção.
Funcionários da Comlurb retirando peixes mortos da Lagoa
Rodrigo de Freitas, Rio de Janeiro (RJ), 2013.
5
6
7
Marco Aurélio Martins/AE
8
Baía de Todos-os-Santos (BA), 2009.
Estima-se que mais de quatro milhões de toneladas de petróleo são lançados anualmente nos oceanos, devido principalmente a acidentes sofridos por navios-tanques. Tudo isso poderia ser evitado com medidas de segurança como a construção de navios com cascos duplos,
para evitar vazamentos caso ocorram colisões com recifes. Na foto, embarcações trabalham para conter a mancha de óleo formada na Baía de
Todos-os-Santos (BA) devido a vazamento de petróleo ocorrido em 2009.
Debata e entenda
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Escreva uma lista de todos os problemas relacionados à degradação dos recursos hídricos apresentados no texto.
2. Liste atividades domésticas que desperdiçam água e proponha medidas que permitam diminuir ou mesmo eliminar desperdícios nessas atividades.
3. Calcule a quantidade de água desperdiçada por mês em um vazamento cujo fluxo é de uma gota por segundo
– considere o volume de uma gota como sendo igual a 0,05 mL.
4. Cite uma maneira indireta de preservarmos os recursos hídricos, além de redução do consumo direto de água.
5. O que diferencia um detergente biodegradável de outro que não é biodegradável?
6. Em que os consumidores podem contribuir para diminuir os efeitos ambientais de detergentes em rios e lagos?
7. Debata com os seus colegas as vantagens e as desvantagens da substituição de sabões por detergentes.
8. Pesquise mais sobre o processo de eutrofização e dê exemplos de rios e lagos por ele vitimizados.
9. Qual o impacto na qualidade da água causada pelos poluentes?
10. Quais os mecanismos de poluição, tanto em nível de sistemas de exploração que a produzem como em meios naturais?
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TABELAS
SEGURANÇA
137
1 REAÇÕES QUÍMICAS E REVERSIBILIDADE
Pense
B
Alexandre Cappi Jr/LatinContent/Getty Images
oa parte da água da Terra está em um constante processo de
mudanças. Dos mares, rios e lagos a água passa para a atmosfera, umidificando o ar e formando as nuvens. Das nuvens originam-se
as chuvas que alimentam os lençóis freáticos e os rios, levando vida
às mais longínquas regiões. Os rios abastecem os lagos e mares, fechando o ciclo e mantendo o equilíbrio que sustenta a vida na Terra.
Diferentes etapas desse ciclo podem ser percebidas em nossas
casas. A água presente em um copo evapora-se, passando lentamente para a atmosfera. A umidade presente no ar pode condensar-se em uma superfície, como o lado externo de uma garrafa de
água retirada da geladeira, retornando ao estado líquido. As mudanças de estado da água são, portanto, processos reversíveis.
No entanto, nem todos os processos são reversíveis! Os processos
que não podem retornar aos estados iniciais são chamados irreversíveis. A queima de combustíveis é um exemplo típico de processo
irreversível. Ao ser queimado, por exemplo, o etanol (CH3CH2OH)
se transforma em gás carbônico (CO2) e água (H2O), como descreve a equação química:
Rafael Neddemermeyer/AE
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Reversível? O que significa isso? Dê exemplos de fenômenos reversíveis. As transformações químicas são reversíveis?
CH3CH2OH(l) + 3O2(g) ( 2CO2(g) + 3H2O(g)
Com o crescimento da população de Brasília acima
do previsto inicialmente,
em pouco tempo o lago
Paranoá ficou poluído e
a população local pouco
usava esse lago para atividades de lazer, e a pesca não era recomendada.
Com o programa de expansão dos sistemas de
tratamento de água
de esgoto, hoje o lago
voltou a ser utilizado pela
comunidade.
Após algum tempo, todo o álcool é consumido e a reação cessa por falta de um dos reagentes: o etanol. Depois, não há como
voltar ao estado inicial, já que gás carbônico e água não produzem etanol. Se fosse possível alcançar essa reversibilidade, boa parte dos problemas ambientais seria solucionada.
Imagine como seria bom transformar os gases poluentes em combustíveis.
Pense
Será que toda reação química é irreversível?
A partir do entendimento dos processos reversíveis e das possibilidade de alterá-los,
podemos lidar melhor com diferentes processos presentes em nosso ambiente.
A poluição dos rios envolve uma diversidade de transformações químicas, nas quais
poluentes alteram as propriedades da água tornando-a imprópria para o consumo humano e para a sobrevivência de várias espécies aquáticas. Por outro lado, a despoluição
de rios só é possível por meio do conhecimento e utilização de processos químicos que
permitem remover diferentes poluentes que são lançados na água. Devolver a vida a um
rio de águas poluídas que passa dentro de grandes cidades é um grande desafio para todos que estão ao seu redor. Isso já foi feito por várias cidades, o que dependeu de ações
governamentais e, sobretudo, da participação de toda a sociedade. O resultado é gratificante para todos que estão à sua volta.
No presente capítulo, vamos estudar sistemas em equilíbrio, muitos em meio aquoso, para,
no fim, podermos compreender como é possível diminuir e até eliminar a poluição das águas.
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TABELAS
SEGURANÇA
Peet Simard/Corbis
Luke MacGregor/Reuters
CAPÍTULO
1
2
3
4
5
6
Rio Sena.
Paris e Londres são exemplos de cidades que fizeram acontecer, despoluindo os seus
rios Tâmisa e Sena,, respectivamente; eles eram altamente poluídos. Hoje esses países são exemplos nas técnicas de tratamento e despoluição dos rios.
7
Rio Tâmisa.
8
Antes, vamos entender o que é uma reação química reversível, fazendo a atividade
a seguir.
Química na escola
Vídeo
V
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
Por que a cor vai e volta?
Esta atividade deve ser realizada de forma demonstrativa pelo professor, pois é de fácil visualização, utiliza material que
exige cuidado adequado para manipulação e gera resíduos que necessitam ser tratados antes de descartados.
Material
•
•
•
•
•
•
•
água destilada;
funil;
balança ou uma colher de café para medida;
4 g (uma colher de café cheia) de hidróxido de sódio;
6 g (duas colheres de café cheias) de dextrose (vendido em farmácias como açúcar de adoçar mamadeiras);
3 ml (60 gotas) de solução de azul de metileno a 1% (vendido em farmácias);
2 frascos transparentes de 500 mL, com tampa (garrafa de água mineral);
Procedimento
1. A uma das garrafas, com auxílio do funil, adicione água até um quarto de seu volume, acrescente o
hidróxido de sódio, tampe firmente a garrafa e agite até dissolução completa;
2. À outra garrafa, com auxílio do funil, adicione água até um quarto de seu volume, acrescente a dextrose
e o azul de metileno, tampe firmente a garrafa e agite até dissolução completa;
3. Cuidadosamente, com auxílio do funil, adicione o conteúdo da segunda garrafa na primeira garrafa e tampe firmemente.
4. Após verificar se a garrafa está bem fechada, agite-a vigorosamente. Observe e anote.
5. Deixe a garrafa em repouso. Observe e anote.
6. Repita os procedimentos 4 e 5 quantas vezes julgar necessário e proponha uma explicação para o que você observou.
Debata com seus colegas as explicações propostas.
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TABELAS
SEGURANÇA
139
Destino dos resíduos
EQUILÍBRIO QUÍMICO
A solução resultante deste experimento vai perdendo sua eficiência com o tempo e já não serve no dia seguinte
ao preparo. Devido a seu pH elevado, pode ser guardada como resíduo básico para neutralizar resíduo ácido, ou
neutralizada com ácido e descartada na pia.
Análise de dados
1. Quimicamente, como você justifica o surgimento da cor? E seu desaparecimento?
2. Podemos afirmar que essa reação é reversível? Por quê?
Este experimento é conhecido como a “garrafa azul” e é muito interessante para se
estudar como se constrói o conhecimento científico. Isso é feito por meio da proposição
de hipóteses que expliquem o surgimento e o desaparecimento da cor azul. O teste de
hipóteses leva ao desenvolvimento de novas hipóteses e, assim, sucessivamente. Nesse
momento, nosso interesse se deve à reversibilidade das reações. Por isso, vamos apresentar como os químicos explicam o fenômeno observado.
Como você deve ter observado, a agitação da garrafa faz com que o líquido transparente fique com coloração azul. Deixado em repouso, a coloração azul desaparece. Nova
agitação faz ressurgir a cor azul, que desaparece após pouco tempo de repouso.
O hidróxido de sódio torna o meio alcalino, favorecendo a oxidação da glicose pelo oxigênio do ar dissolvido em solução produzindo o ácido glicólico, conforme descreve a equação:
H(CHOH)5CHO(aq) + ½O2(aq) ( H(CHOH)5COOH(aq)
O ácido formado reage com o hidróxido de sódio, conforme descreve a equação:
H(CHOH)5COOH(aq) + NaOH(aq) ( Na+(aq) + H(CHOH)5COO – (aq) + H2O(l)
Segundo os mecanismos propostos para a reação, o azul de
metileno facilita a transferência de
oxigênio. Quando a glicose é oxidada, o azul de metileno é reduzido a leucometileno, que é incolor.
Rapidamente o leucometileno é oxidado pelo oxigênio dissolvido, formando azul de metileno e deixando a solução novamente azul.
2 SISTEMAS QUÍMICOS REVERSÍVEIS
A
reversibilidade característica de muitas reações químicas está associada a condições como: temperatura, pressão e concentração dos reagentes. Algumas reações
só são reversíveis sob condições específicas.
A decomposição da água por eletrólise produz os gases oxigênio e hidrogênio. Eles podem reagir, caso haja o fornecimento de energia para iniciar o processo, produzindo água.
Nas reações reversíveis, assim que os produtos são formados começam a reagir, originando
novamente os reagentes. Isso acontece principalmente em sistemas gasosos e aquosos. Para
indicar a reversibilidade das reações, suas equações são representadas com uma seta dupla
com meia ponta para cada lado (F), indicando que as reações se processam nos dois sentidos.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)
A natureza é repleta de sistemas reversíveis. É dessa forma, por exemplo, que
a hemoglobina leva o gás oxigênio do pulmão para as células e volta com gás carbônico. Veremos a seguir outro exemplo de sistema reversível natural.
CAPÍTULO
A equação a seguir, de produção da amônia, exemplifica reações de equilíbrio.
1
2
3
O equilíbrio das cavernas
No volume anterior, vimos que as cavernas são formadas a partir da dissolução de carbonatos pela água e pelo gás carbônico, representada pela equação:
CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) ( Ca2+(aq) + 2HCO–3(aq)
Os íons carbonato e cálcio arrastados pela água podem reagir, precipitando-se novamente como carbonato de cálcio, conforme a equação:
Ca2+(aq) + 2HCO–3(aq) ( CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
O que há de comum entre essa equação e a anterior, de formação da caverna?
Se percebeu que uma é o inverso da outra, acertou! Portanto, podemos dizer que o
surgimento e a evolução das cavernas calcárias podem ser descritos pela reação de equilíbrio representada pela equação:
4
O sulfato de cobre (azul),
ao ser aquecido, transforma-se em um sal desidratado (branco). É possível
observar, pela mudança
de cor do sistema, que
houve uma transformação
química. Esse processo é
reversível. Pode-se obter o
sal hidratado (azul) adicionando água ao sal desidratado (branco).
5
6
7
8
CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) F Ca2+(aq) + 2HCO–3(aq)
3 EQUILÍBRIO QUÍMICO
Pense
O que é equilíbrio?
palavra "equilíbrio", de origem latina, pode significar nível igual dos pratos de
uma balança. Ela dá uma ideia de que não há mudança, de que o objeto de estudo está parado. Fala-se até em equilíbrio químico! Mas o que é equilíbrio químico?
Será que ele é diferente?
Depois de iniciada e antes que termine qualquer reação química, seus reagentes e produtos coexistem. Do ponto de vista macroscópico não percebemos mudança. Não vemos
nenhuma alteração e poderíamos afirmar que não está ocorrendo mudança nenhuma.
Entretanto, microscopicamente não é assim. Em uma reação química reversível, à medida
que os produtos são formados, parte deles reage formando, novamente, os reagentes.
Na verdade, dizemos que existem duas reações acontecendo: uma direta e outra inversa,
como mostram as equações abaixo. Assim, os produtos da reação direta são os reagentes da reação inversa e vice-versa.
N2(g) + 3H2(g) ( 2NH3(g) (reação direta)
2NH3(g) ( N2(g) + 3H2(g) (reação indireta)
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
A estalactite é formada
a partir do teto da caverna
pela deposição lenta e
contínua de carbonato das
gotas mineralizadas que
escorrem por ela e sofrem
evaporação. A gota, ao
cair, ainda carrega consigo
o carbonato em solução, o
qual vai sendo depositado
no piso logo abaixo,
formando a estalagmite.
Sémhur/Wikimedia Commons
A
141
Para simplificar e poder representar o processo por meio de uma só equação, os químicos representam as duas reações da seguinte forma:
reação direta
N2(g) + 3H2(g)
F
reação inversa
2NH3(g)
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Diferentemente de outros sistemas em equilíbrio, nas reações químicas reversíveis o
processo não cessa. Na verdade, a reação química continua acontecendo. Todavia, observa-se que elas atingem um estado no qual as propriedades do sistema se estabilizam,
como se não houvesse mais reação.
O equilíbrio está no fato de a reação ocorrer nos dois sentidos com a mesma intensidade, coexistindo reagentes e produtos. Por exemplo, o gás dióxido de nitrogênio (NO2),
de cor castanho-avermelhada, transforma-se no gás tetróxido de dinitrogênio (N2O4), que
é praticamente incolor, em uma reação química reversível, descrita pela equação:
2NO2 (g) F N2O4(g)
J. Yuji
Em um balão de vidro contendo dióxido de nitrogênio, é possível observar uma forte
coloração castanho-avermelhada, característica dessa substância. Entretanto, com o passar
do tempo, observa-se que a cor do material contido no recipiente vai diminuindo de intensidade até chegar a um tom que não muda mais, como podemos ver na figura a seguir.
x
tempo
Assim que formado, a
partir de uma reação de
raspas de cobre com ácido nítrico concentrado, o
dióxido de nitrogênio
(NO2) confere uma cor castanho-avermelhada ao sistema. Com o tempo, a cor
diminui de intensidade até
ficar constante.
3x
2x
4x
5x
10x
Pense
Por que a intensidade da cor diminui até chegar a uma tonalidade constante?
A cor é uma propriedade característica das substâncias. Como foi dito, o dióxido de nitrogênio é um gás castanho-avermelhado. Será que a substância vai perdendo a cor com o tempo?
Claro que não! O fato é que o dióxido de nitrogênio (NO2) transforma-se em tetróxido de dinitrogênio (N2O4), um gás praticamente incolor. Se a reação fosse completa, no fim o material dentro do balão seria incolor. A sensação que temos, por meio da visão, é de que a reação parou.
Entretanto, utilizando equipamentos sofisticados é possível constatar que as reações
continuam acontecendo. Embora os químicos realizem essa reação nos laboratórios, não
é fácil realizá-la na escola.
Podemos, entretanto, imaginar o comportamento de átomos e moléculas. Vamos imaginar, então, uma reação química reversível, genérica, entre as substâncias A e B, formando a substância AB. Essa reação será representada pela equação:
A + B F AB
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Se representarmos os átomos de A por esferas azuis e os átomos de B por esferas vermelhas, cada molécula de AB será representada por uma esfera vermelha unida a uma
esfera azul. Imaginemos um recipiente dividido ao meio por uma divisória removível, contendo átomos de A de um lado e átomos de B do outro (I).
Vamos imaginar o que acontecerá após a remoção da divisória (II). Entrando em contato, os reagentes começarão a formar o produto (III). Depois de certo tempo, as quantidades das substâncias envolvidas serão constantes (IV e V).
Infográfico
1
I
2
3
J. Yuji
4
5
6
I
t=0
II
t=1
III
t=2
IV
t=3
7
V
t=4
8
Depois do estado IV, não observamos alterações
macroscópicas, embora elas continuem a ocorrer no
nível atômico molecular. Somente constataríamos a
reação se marcássemos os átomos. É exatamente isso
que os químicos fazem! Eles utilizam átomos diferentes de um mesmo elemento químico e, assim, podem estudar as alterações microscópicas no sistema.
Vamos imaginar que um dos átomos de A (o do
canto superior esquerdo da figura seguinte) tivesse
uma massa diferente dos demais (isótopo). Para facilitar, vamos representá-lo por uma coloração mais
escura – mas lembre-se de que cor é uma propriedade das substâncias e não de seus átomos – como mostrado na figura acima. Passado certo tempo, as quantidades de cada espécie química continuam as mesmas, mas onde está o átomo diferente?
O mesmo seria observado se utilizássemos átomos marcados de B.
Esses estudos demonstram, portanto, que no estado em que as propriedades macroscópicas do sistema permanecem constantes, microscopicamente a reação não cessa.
J. Yuji
Diferentes estados de um sistema, contendo substâncias que reagem entre si, em uma sequência cronológica de tempo (t).
I – estado inicial, antes de os reagentes entrarem em contato.
II – estado em que a barreira que separa os reagentes é removida.
III – estado em que os reagentes começam a interagir formando os produtos.
IV – estado em que houve a formação da maior quantidade possível de produtos que o sistema pode produzir nas condições estabelecidas.
V – estado em que os reagentes continuam formando produtos, ao mesmo tempo em que os produtos se decompõem, formando reagentes.
Nos estados IV e V, apesar de a reação prosseguir com a formação de novas moléculas, ao mesmo tempo outras são decompostas.
No equilíbrio químico,
um átomo (como o destacado em escuro) pode
estar em reagentes num
instante e em produtos
em outro momento.
Pense
Se a reação não cessa, então por que ela atinge um estado em que suas propriedades não mudam?
Quando uma reação entra em equilíbrio, produtos se transformam em reagentes, na mesma medida em que seus reagentes se transformam em produtos. Dessa forma, a diminuição
dos reagentes é compensada pela sua formação na reação inversa. Esse é um estado de constante compensação em dois sentidos, nos quais as taxas de transformações dos reagentes e
dos produtos se igualam. Os químicos denominam esse estado como equilíbrio químico.
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TABELAS
SEGURANÇA
143
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Por outro lado, as propriedades que percebemos dos sistemas são características do
conjunto de seus constituintes. Como moléculas das substâncias são consumidas e formadas na mesma proporção, macroscopicamente o conjunto permanece inalterado.
Consequentemente, as propriedades do sistema não se alteram.
Ou seja, embora as propriedades do sistema permaneçam constantes, microscopicamente o processo continua. Portanto, ocorre um equilíbrio químico dinâmico.
No estado de equilíbrio, há uma igualdade de compensação nas reações diretas e inversas, o que significa que a taxa da variação das quantidades dos reagentes por unidade de
tempo é igual à taxa de variação das quantidades dos produtos por unidade de tempo. Ou
seja, no estado de equilíbrio a rapidez da reação direta é igual à rapidez da reação inversa.
Outro aspecto do equilíbrio é que não pode haver perda de reagentes ou produtos
para outras vizinhanças, pois isso implicaria a não compensação no sentido de reverter a
reação. Baseado-se em estudos desses processos, é possível identificar características comuns a sistemas em equilíbrio.
Nos sistemas químicos em equilíbrio:
• reagentes, assim como produtos, são consumidos na mesma proporção nas quais
são formados;
• reagentes e produtos coexistem em concentrações que não se alteram;
• a rapidez da reação direta é igual à rapidez da reação inversa;
• as propriedades macroscópicas do sistema são constantes.
Reações químicas reversíveis não acontecem apenas em laboratórios. Como citamos anteriormente, a formação e a evolução das cavernas calcárias e o transporte de oxigênio pela
hemoglobina são exemplos de equilíbrio químico. Diversas condições de equilíbrio entre substâncias são fundamentais para a existência da vida e dos sistemas abióticos em nosso planeta.
J. Yuji
O transporte de oxigênio do pulmão para as
células é feito pela hemoglobina, uma proteína
complexa que possui um grupo denominado
heme. O grupo heme, formado por átomos
de diversos elementos químicos, como carbono (representado em preto), ferro (rosa), nitrogênio (amarelo) e hidrogênio (cinza), combina-se reversivelmente com a molécula de
oxigênio (vermelho), conferindo, nessa situação, coloração vermelha ao sangue.
O equilíbrio de fases
Não são somente as reações químicas reversíveis que constituem equilíbrios dinâmicos. Muitos processos físicos também são dinâmicos. Do ponto de vista da química, um
equilíbrio dinâmico importante é o equilíbrio entre diferentes fases de um sistema. Bons
exemplos de equilíbrio são: equilíbrio líquido/vapor em sistemas fechados; dissolução de
gases em líquidos; e dissolução e cristalização de sólidos em fase líquida.
Se colocarmos em um frasco uma substância líquida e o fecharmos, deixando um espaço com ar, logo parte do líquido irá passar para a fase gasosa até atingir uma concentração
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TABELAS
SEGURANÇA
J. Yuji
C2H6O
CAPÍTULO
definida. À medida que a concentração da substância na fase gasosa aumenta, parte de suas moléculas voltam à fase líquida. Após certo tempo,
se estabelece um estado de equilíbrio no qual a quantidade que passa
para a fase gasosa será igual à quantidade que passa para a fase líquida.
A pressão exercida pelo gás sobre o líquido, no equilíbrio, é denominada
pressão de vapor. Para a água, esse equilíbrio é descrito pela equação:
1
2
H2O(l) F H2O(g)
3
4
5
Em um frasco contendo
material volátil, há um
equilíbrio no processo de
vaporização e condensação. A olho nu, não percebemos que há mudanças
no sistema, mas em nível
molecular há uma constante movimentação de
moléculas.
6
7
8
J. Yuji
Se tivermos um gás dissolvido em um líquido, em sistema fechado, também teremos um equilíbrio dinâmico. Enquanto moléculas do gás dissolvido
escapam do líquido, outras moléculas retornam à solução, na mesma medida. Esse equilíbrio está presente em garrafas de refrigerantes e outras bebidas gaseificadas.
Vamos imaginar um experimento relativamente simples. Consideremos uma solução preparada pela dissolução de iodo em uma mistura de álcool e água. Imaginem que essa solução foi
preparada pela adição da quantidade máxima de iodo possível de se dissolver no volume utilizado.
A seguir, essa solução é colocada em um sistema que é formado por dois reservatórios ligados por um tubo. Em um dos reservatórios é adicionada uma quantidade de iodo
sólido que não se dissolve e fica depositada no fundo (precipitado). Deixado em repouso,
o que observaríamos após um determinado tempo?
A figura abaixo representa nosso experimento hipotético.
Solução saturada de iodo dissolvido em água e álcool, com excesso de iodo.
A primeira figura representa o instante inicial, quando o excesso de iodo é colocado em um dos recipientes.
A segunda figura representa o mesmo sistema, certo tempo depois.
Que diferença você observa entre os dois tempos?
Como você justifica a variação observada?
Será que em uma solução salina com excesso de sal depositado no fundo também
há equilíbrio?
Não há alterações macroscópicas no equilíbrio entre um sólido e sua solução, contidos
em um recipiente. Entretanto, microscopicamente continuam a ocorrer duas reações: a de
precipitação e a de solubilização do cloreto de sódio. No caso do cloreto de sódio, essas
reações podem ser representadas pela equação:
NaCl(s) F Na+(aq) + Cl– (aq)
No equilíbrio de solubilização do cloreto de sódio, íons são solubilizados e cristalizados o tempo todo. No caso do iodo, não há solubilização de íons, mas sim de moléculas de iodo (I2) que se precipitam e se solubilizam constantemente, conforme a equação:
I2(s) F I2 (dissolvido)
Será que a variação de condições físicas pode alterar o equilíbrio, como em outros processos químicos e físicos? É o que veremos a seguir.
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TABELAS
SEGURANÇA
145
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
c) A produção de amônia.
d) A corrosão do ferro.
1. Cite algumas reações químicas consideradas irreversíveis e reversíveis encontradas no seu dia a dia.
11. Que características você utilizou para identificar se
EQUILÍBRIO QUÍMICO
2. Como você descreveria uma reação reversível?
essas substâncias estão em equilíbrio?
3. Qual é a importância do equilíbrio químico no estudo
12. Existe um indicador de umidade do ar conhecido como
das reações químicas?
“galinho do tempo”. Dentro dele encontramos um sal
solúvel chamado cloreto de cobalto (CoCl2) e água. Sua
cor se altera de acordo com a umidade do ar. Explique
esse fenômeno por meio da reversibilidade.
4. Como você explica o equilíbrio existente na formação
das cavernas?
5. Qual a diferença entre equilíbiro estático e dinâmico?
Fotos: Hely Demutti
O equilíbrio químico é estático ou dinâmico? Justifique.
6. Qual o significado das setas para a reação:
N2O4(g) F 2NO2(g)?
7. Cite algumas características de um equilíbrio químico.
8. Um sistema químico fechado apresenta as seguintes
características.
I – No instante inicial, as moléculas dos reagentes
são colocadas em contato e a cor do sistema é
inteiramente vermelha.
II – Após certo tempo, a cor do sistema tende para
o amarelo.
III – O sistema estabiliza-se com a cor amarelo-alaranjada.
Julgue os itens, marcando C para os corretos e E para
os errados:
13. Uma gota de água colocada em um recipiente fechado pode estabelecer ou não um estado de equilíbrio
para a pressão de vapor? Explique.
14. Explique, utilizando o conceito de equilíbrio químico, o
que acontece ao abrirmos uma garrafa de refrigerante.
15. Dos seguintes sistemas, julgue os itens, marcando C
para os corretos e E para os errados.
1) Uma panela aberta sobre um fogão contém água
fervendo à temperatura constante. O equilíbrio
ocorrido é dinâmico.
2) Um balão contém ar e algumas gotas de água.
A pressão dentro do balão é constante, logo o equilíbrio é estático.
3) Um formigueiro vive sua faina diária. A população do formigueiro é constante; logo, o equilíbrio
é dinâmico.
4) O mercúrio líquido e o vapor de mercúrio num termômetro, permanecendo constante a temperatura,
constituem um equilíbrio dinâmico.
1) Com o passar do tempo, notamos a mudança de cor
no sistema à medida que as transformações evoluem.
2) Num determinado momento a cor não muda mais,
indicando que as transformações cessaram.
3) A transformação é irreversível devido à cor final do
sistema.
4) No início, como só há substâncias da cor vermelha, a velocidade de transformação é proporcional
à quantidade de reagentes.
5) À medida que vão se formando substâncias de cor
amarela, sua concentração vai aumentando e também a velocidade da reação direta.
16. A respeito de equilíbrio químico, julgue os itens, marcando C para os itens corretos e E para os errados:
1) As reações químicas consideradas reversíveis são
aquelas que ocorrem em recipiente fechado, ou
seja, não há troca de matéria com o ambiente.
2) O equilíbrio químico é atingido quando as reações
em ambos os sentidos cessam e o sistema permanece estável.
3) Nos sistemas em equilíbrio, os reagentes permanecem separados dos produtos, apesar da compensação existente.
9. Quando deixamos no sol uma garrafa de água tapada
e duas ou três horas depois a abrimos, o que se nota?
Essa reação é reversível?
10. Identifique se estas reações estão em equilíbrio químico
ou não:
a) Água sendo aquecida dentro de uma panela de
pressão tapada.
b) A combustão de uma vela.
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TABELAS
SEGURANÇA
17. (UFRGS-RS) Uma reação química atinge o equilíbrio
químico quando:
a) ocorre simultaneamente nos sentidos direto e
inverso.
b) a rapidez das reações direta e inversa são iguais.
c) os reagentes são totalmente consumidos.
d) a temperatura do sistema é igual à do ambiente.
e) a razão entre as concentrações de reagentes e produtos é unitária.
CAPÍTULO
4) Embora as propriedades macroscópicas, como cor
e estado físico do sistema, permaneçam constantes, num sistema em equilíbrio os constituintes microscópicos (átomos, íons ou moléculas) continuam
reagindo entre si.
É(são) correta(s) a(s) afirmação(ões):
a) Somente I e II.
d) Somente I.
b) Somente I e III.
e) I, II e III.
c) Somente II e III.
1
19. (Fatec-SP) Nas condições ambientais, é exemplo de sis-
2
tema em estado de equilíbrio uma:
a) xícara de café bem quente.
b) garrafa de água mineral gasosa fechada.
c) chama uniforme de bico de Bunsen.
d) porção de água fervendo em temperatura constante.
e) tigela contendo feijão cozido.
3
4
5
6
20. Com relação ao estudo sobre equilíbrio químico, mar-
18. (Cefet-PR) Com relação ao equilíbrio químico, afirma-se:
I–
O equilíbrio químico só pode ser atingido em sistema fechado (onde não há troca de matéria com
o meio ambiente).
II – Em um equilíbrio químico, as propriedades macroscópicas do sistema (concentração, densidade,
massa e cor) permanecem constantes.
III – Em um equilíbrio químico, as propriedades microscópicas do sistema (colisões entre as moléculas,
e transformações de umas substâncias em outras) permanecem em evolução, pois o equilíbrio
é dinâmico.
7
que a opção incorreta.
a) Em um sistema em equilíbrio químico, as propriedades macroscópicas e microscópicas permanecem
em evolução.
b) O equilíbrio químico só pode ser atingido em sistemas fechados, pois não ocorre troca de matéria com
o meio ambiente.
c) O equilíbrio químico é dinâmico.
d) Em sistemas em equilíbrio químico, a concentração
dos reagentes permanece constante, apesar de a
reação ocorrer continuamente.
e) O estado de equilíbrio químico é alcançado quando a
rapidez da reação direta é igual à da reação inversa.
8
4 ALTERAÇÕES DO ESTADO DE EQUILÍBRIO
o equilíbrio significa que a rapidez da reação direta é igual à rapidez da reação inversa. Por isso, as concentrações de reagentes e produtos permanecem constantes.
A seguir, descrevemos uma atividade que lhe permitirá entender melhor o equilíbrio químico.
Para iniciar, vamos falar de quantidades, ou seja, de estequiometria. Como exemplo,
vamos trabalhar com a reação de síntese da amônia. Segundo sua equação, a estequiometria da reação indica que ela ocorre na proporção de um mol de gás nitrogênio para
três mols de gás hidrogênio, produzindo dois mols de amônia.
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)
Todavia, como essa reação é reversível, nem todas as moléculas dos reagentes vão se
transformar em produto. Mas quanto haverá de cada substância quando o sistema estiver em equilíbrio? Em outras palavras, em que extensão ocorrerá a reação? Estabelecido
o equilíbrio, qual será a concentração de cada substância?
Para os químicos, respostas a essas questões são fundamentais. Uma das atividades
dos químicos é conhecer as reações e, com isso, descobrir como controlá-las, para otimizar os processos industriais.
A extensão de uma reação química é determinada experimentalmente e depende das
condições nas quais ela ocorre. Conforme as condições, uma reação poderá ocorrer em maior
ou menor extensão. Ou seja, poderá produzir maior ou menor quantidade de produtos.
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TABELAS
SEGURANÇA
A adição de poluentes
nas águas altera o equilíbrio do ecossistema, provocando terríveis desastres ambientais, como
no caso do óleo que atingiu as praias de Madre de
Deus (BA), em 2009.
Luciano da Matta/AE
N
147
OH
HO
O
OH–
C
C
+ 2H3O+
H3O+
O
C
COO–
O
incolor
vermelho
Fotos: Hely Demutti
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Os indicadores de ácidos e
bases são espécies químicas
que também apresentam
equilíbrio ácido-base. Ao lado temos a equação de equilíbrio da fenolftaleína, que
pode ser alterado ao variarmos a concentração do íon
hidrônio (H3O+). A cor das espécies químicas em equilíbrio
está associada ao número de
ligações duplas conjugadas
(sequência de ligações duplas intercaladas por uma ligação simples), que é maior
na estrutura da direita.
Isso significa que uma reação pode atingir diferentes estados de equilíbrio, dependendo
das condições às quais for submetida. Cada estado de equilíbrio corresponderá a diferentes valores constantes de concentração de reagentes e produtos. Esses estados somente
serão alterados se houver alteração das condições do sistema.
Como já vimos, quando há equilíbrio, a rapidez da reação direta é igual à rapidez da
reação inversa. De acordo com a teoria das colisões, variações de concentração ou de temperatura alteram a rapidez das reações e, consequentemente, interferem nos equilíbrios.
Também em reações envolvendo gases, a pressão pode alterar o equilíbrio. Vejamos
nos próximos tópicos como isso acontece.
A tonalidade e a cor da hortênsia dependem do tipo de
solo em que a flor é cultivada: quanto mais ácido for
o solo, mais azuis serão
as flores.
Hely Demutti
Viragens de alguns indicadores
J. Yuji
amarelo de alizarina (10,1 – 12,0)
fenolftaleína (8,2 – 10,0)
azul de bromotimol (6,0 – 7,6)
púrpura de metila (4,8 – 5,4)
azul de bromofenol (3,0 – 4,6)
azul de timol (1,2 – 2,8)
As flores apresentam cores variadas pela
presença de substâncias orgânicas que
possuem diversas ligações duplas
intercaladas. Como essas substâncias
normalmente são sensíveis à acidez, os
extratos dessas plantas podem ser utilizados como indicadores de pH.
0
1
4
5
6
7
8
9
14
13 12 11 10
9
8
7
6
5
3
10 11 12 13 14 pH
4
3
2
1
0 pOH
Os indicadores são formados por diferentes substâncias e, por isso, apresentam cores diferentes que alteram em diferentes faixas de pH.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Efeito da variação da temperatura
Fotos: Hely Demutti
Imagine a seguinte situação: na metade de um copo com
água são adicionadas 10 gotas de detergente de lavar louças.
Depois, são adicionadas 4 gotas de solução de fenolftaleína.
A solução toma uma coloração rósea. Depois, a mesma solução é aquecida e perde a coloração rósea, ficando incolor.
O que você acha que aconteceu?
A amônia do detergente produz o hidróxido de amônio,
conforme a reação:
4
5
6
O hidróxido de amônio é uma base e a sua solução ficará
rósea na presença de fenolftaleína.
Os resultados do experimento indicam um dos fatores que
Detergente dissolvido em
alteram o favorecimento do estado de equilíbrio: a tempeágua com gotas do inratura. O aquecimento da solução faz com que o equilíbrio
dicador fenolftaleína, à
favoreça a formação dos reagentes (amônia e água), levantemperatura ambiente.
do ao desaparecimento da coloração rosa, pois a concentração dos íons OH – e NH+4 diminui. Ao se colocar o tubo aquecido no banho de gelo,
aos poucos a coloração rosa reaparece, indicando o favorecimento da reação direta
(formação dos produtos).
Um aumento de temperatura, em geral, implica aumento na rapidez de uma reação.
Moléculas submetidas a temperaturas maiores são mais energéticas, ou seja, possuem
mais energia cinética.
Dessa forma, suas colisões têm maior probabilidade de resultar em reações. Assim,
tanto a rapidez da reação direta como a da reação indireta crescem com o aumento de
temperatura. Entretanto, a reação que ocorre com absorção de calor (endotérmica) aumenta de forma mais acentuada.
Pense
7
8
Detergente dissolvido
em água com gotas do
indicador fenolftaleína,
aquecido a 60 °C.
O gás NO2 fica em equilíbrio
com o gás N2O4. O gás NO2
apresenta cor castanho-escura, mas, ao colocarmos o
tubo em um recipiente com
gelo (o da direita), percebemos a sua descoloração, o
que significa que a temperatura favoreceu a formação
do gás N2O4, cuja reação é
exotérmica. Sendo assim,
houve um deslocamento
do equilíbrio.
Quando se aquece o sistema em equilíbrio, há favorecimento da reação na qual ocorre a absorção de calor. Nesse caso, o sentido inverso da reação é favorecido, e pode ser
percebido pela diminuição de cor da solução. Do ponto de vista energético, as equações
das reações podem ser descritas da seguinte maneira, em que H é uma grandeza de variação de calor que pode indicar se a reação é exotérmica ou endotérmica:
J. Yuji
A reação da amônia com a água é endotérmica ou exotérmica (liberação de calor)?
NH3(aq) + H2O(l)
2
3
NH3(aq) + H2O(l) F NH+4 (aq) + OH– (aq)
Reação direta:
1
água a 25 °C
( NH+4(aq) + OH–(aq) ΔH < 0 (reação exotérmica)
Reação indireta: NH+4(aq) + OH–(aq) ( NH3(aq) + H2O(l) ΔH > 0 (reação endotérmica)
O aquecimento favorece a reação indireta, que é endotérmica. Já o resfriamento implica favorecimento da reação em que há liberação de energia, ou seja, da reação exotérmica. Nesse sentido, ao resfriarmos o sistema ocorre o favorecimento do sentido direto
da reação, resultando no reaparecimento da coloração rosa.
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TABELAS
SEGURANÇA
água com gelo
149
Efeito da variação da concentração
Pense
Vamos agora imaginar uma solução que, às vezes, é preparada em casa. O bicarbonato de sódio (NaHCO3) é um sal que, quando dissolvido em água, forma os íons sódio
(Na+) e bicarbonato (HCO3–), segundo a equação:
Hely Demutti
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Soprar em uma solução altera algum equilíbrio? Por quê?
Na2CO3(aq) ( Na+(aq) + HCO3– (aq)
O íon bicarbonato reage com a água segundo a equação:
HCO3– (aq) + H2O(aq) F H2CO3(aq) + OH– (aq)
Após a adição de colher de
café de bicarbonato de
sódio (cerca de 0,2 g) em
meio copo de água, o que
acontecerá se forem adicionadas algumas gotas de fenolftaleína a essa solução?
A formação do íon hidroxila confere pH básico à solução, que ficará com coloração rósea
devido à fenolftaleína.
Você já tomou água mineral com gás? Se não tomou, experimente. Você vai perceber que ela apresenta um sabor diferente, picante. Isso acontece porque a água gasosa
é uma solução cujo principal soluto é o gás carbônico (CO2). Nela, temos o equilíbrio químico descrito pela equação:
CO2(g) + H2O(l) F H2CO3(aq)
Quando sopramos no fundo de um recipiente com água, aumentamos a concentração de gás carbônico nesse líquido. Para manter a situação de equilíbrio, mais produto
é formado, aumentando a concentração do ácido e diminuindo a concentração do gás.
Dizemos que o equilíbrio se desloca para a direita, isto é, a alteração do equilíbrio
está favorecendo a formação de produtos. Às vezes, aumentamos o tamanho de uma
das setas, indicando o sentido para o qual a reação é deslocada para compensar variações impostas ao sistema. Veja:
Fotos: Hely Demutti
O borbulhamento de gás carbônico, presente em nosso
sopro, na solução de bicarbonato de sódio leva à formação de
ácido carbônico na solução, aumentando a sua concentração.
Esse aumento de concentração favorece o sentido inverso da
reação, consumindo íons OH – e formando o íon bicarbonato;
consequentemente, a solução perderá sua cor.
Antes
CO2(g) + H2O(l) F H2CO3(aq)
O ácido carbônico, por sua vez, ioniza em água, segundo
a equação:
H2CO3(aq) + H2O(aq) F HCO3– (aq) + H3O +(aq)
Por isso, o borbulhamento de gás carbônico na solução
aumenta a concentração de ácido carbônico, deslocando o
equilíbrio para a direita e, consequentemente, aumentando
a acidez. Com esse aumento, a fenolftaleína deixa de apresentar sua coloração rósea, característica de meio básico.
Depois
Pense
O que acontecerá com esse sistema se ele for aquecido?
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TABELAS
SEGURANÇA
Hb(sangue) + O2(sangue) F HbO2(sangue)
O equilíbrio hemoglobina-oxigênio se altera com a diminuição na concentração de
oxigênio que favorecerá o equilíbrio no sentido da direita para a esquerda (reação inversa). Essa variação diminui a concentração de óxi-hemoglobina (HbO2 – hemoglobina ligada a oxigênio), causando a hipoxia. Aos poucos, o organismo pode se adaptar,
aumentando a concentração de hemoglobina (Hb), o que vai favorecer gradualmente a
reação no sentido direto, levando a uma produção de óxi-hemoglobina e à diminuição
da sensação de mal-estar.
Quando se aumenta a concentração de uma substância em um sistema em equilíbrio,
há favorecimento no sentido da reação em que essa substância é consumida.
CAPÍTULO
Para que você possa responder adequadamente a essa questão, vamos lembrá-lo de um detalhe importante: a solubilidade dos gases em água diminui
com o aumento da temperatura.
As reações resultam de colisões entre moléculas ou íons dos reagentes. A rapidez de tais reações pode ser alterada mudando-se a
concentração dos reagentes ou dos produtos.
Um aumento na concentração dos reagentes resulta em mais espécies reativas para colisões, provocando um aumento na rapidez da reação. Assim, o
equilíbrio é alterado quando se muda a concentração de um ou mais de seus
componentes. Como consequência, a concentração de todas as
espécies mudará e um novo estado de equilíbrio será estabelecido.
Um exemplo de equilíbrio que é afetado pela variação da
concentração é o transporte de oxigênio no sangue, pela hemoglobina. Em regiões de altitudes elevadas, as pessoas que
não são da localidade podem sentir hipoxia.
A hipoxia,, conhecida como “mal das alturas”, consiste na
deficiência da quantidade de oxigênio que chega aos tecidos do
corpo, e seus sintomas são dor de cabeça, náusea, fadiga e outros incômodos. Ela acontece devido à menor concentração de oxigênio no sangue como consequência da menor
concentração de oxigênio no ar.
No sangue, a reação do oxigênio com a molécula de hemoglobina (Hb) é uma reação
complexa (veja ilustração na página 144), que pode ser representada da seguinte forma:
1
2
3
4
David Mercado/Reuters
5
6
7
8
Pesquisas apontam que os
habitantes de cidades altas, como Cidade do México, Bogotá (2235 m acima
do nível do mar) e La Paz
(3630 m acima do nível do
mar), chegam a ter 50% a
mais de hemoglobina
no sangue do que aqueles que moram no nível
do mar. Atletas de regiões
de menor altitude sofrem
quando chegam a esses locais. Dá para imaginar que
o equilíbrio químico possa
influir no resultado de um
jogo de futebol?
Efeito da variação da pressão
Pense
O que acontecerá com a acidez de uma água gasosa deixada em um recipiente aberto?
A pressão também influencia equilíbrios nos quais pelo menos uma das substâncias
envolvidas é gasosa. Vejamos por quê.
O aumento de pressão de um sistema gasoso, à temperatura constante, implica o
aumento da pressão dos gases presentes. Se houver um maior número de moléculas gasosas de reagentes do que de produtos, a pressão dos reagentes será maior do que a dos
produtos. Com isso, haverá maior número de colisões entre os reagentes, favorecendo a
reação direta, ou seja, deslocando o equilíbrio no sentido em que há menor número de
moléculas. Por outro lado, se houver diminuição de pressão, a reação inversa será favorecida, deslocando o equilíbrio no sentido em que há maior número de moléculas.
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TABELAS
SEGURANÇA
151
Kursk, RU
EQUILÍBRIO QUÍMICO
O submarino russo
Kursk afundou, em 12 de
agosto de 2000, no mar de
Barents, vitimando 118 tripulantes. A morte desses
tripulantes pode ter sido
ocasionada por uma série
de fatores, entre os quais
a pressão, que no submarino era de 12 atmosferas
devido à profundidade na
qual se encontrava.
Com iguais condições de temperatura e
pressão, os gases ocupam volumes proporcionais à quantidade de matéria; podemos afirmar que um aumento de pressão desloca a
reação no sentido de menor volume, enquanto a diminuição de pressão desloca o equilíbrio
no sentido de maior volume.
Como em sistemas nos quais estão presentes apenas sólidos ou líquidos, as alterações
de pressão não provocam variações perceptíveis de volume, tais alterações não afetam
o equilíbrio, como ocorre em sistemas contendo gases.
Para avaliar o efeito da variação da pressão sobre as reações químicas, deve-se verificar, por meio de suas equações, os coeficientes das substâncias gasosas envolvidas,
pois eles indicam a quantidade de moléculas que estão sob o efeito da pressão.
Comparando o somatório dos coeficientes das substâncias gasosas envolvidas, podemos ter três situações:
• se a soma dos coeficientes dos reagentes gasosos for maior que a soma dos coeficientes dos produtos gasosos, o aumento da pressão deslocará o equilíbrio para
a formação dos produtos;
• se a soma dos coeficientes dos reagentes gasosos for menor que a soma dos coeficientes dos produtos gasosos, o aumento da pressão deslocará o equilíbrio para a formação dos reagentes (reação inversa);
• se a soma dos coeficientes dos reagentes gasosos for igual à soma dos coeficientes dos
produtos gasosos, variações de pressão não afetarão o equilíbrio químico.
A reação de equilíbrio entre os gases dióxido de nitrogênio (NO2), castanho-avermelhado e tetróxido de dinitrogênio (N2O4), praticamente incolor, é um bom exemplo para
estudar o efeito da pressão em reações de equilíbrio.
2NO2(g) F N2O4(g)
2 mol
Pela equação, observa-se que a reação ocorre na proporção de dois mols de reagentes gasosos para um mol de produto. Um aumento na pressão sobre o sistema favorece
a reação no sentido de menor quantidade de matéria gasosa, ou seja, a reação direta.
Dessa forma, o aumento de pressão imposto ao sistema é compensado pela diminuição
da quantidade de matéria de gás.
J. Yuji
Nas duas seringas, foram
colocadas as mesmas
quantidades de gás NO2 e
N2O4. Com o aumento da
pressão em uma das seringas, diminuindo seu
volume, favoreceu-se a
formação do tetróxido de
dinitrogênio, que ocupa
menor volume no sistema, fazendo com que essa mistura apresente uma
coloração mais tênue.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
5 PRINCÍPIO DE LE CHATELIER
A
s alterações dos estados de equilíbrio, em consequência de alterações de condições
físicas ou químicas, foram estudadas pelo químico francês Henry Louis Le Chatelier
(1850-1936). Ele lançou uma generalização simples, mas de grande alcance, a respeito
do comportamento de sistemas em equilíbrio: o chamado princípio de Le Chatelier.
Como você já sabe, no equilíbrio não é possível perceber mudanças macroscópicas,
ou seja, observáveis. No entanto, microscopicamente, em nível atômico-molecular, a
atividade é grande, pois a reação continua acontecendo nos dois sentidos. Entretanto,
o equilíbrio pode ser alterado por fatores como temperatura, concentração e, em certos casos, pressão.
1
2
3
Infográfico
I
Consideremos a reação química hipotética dada pela seguinte equação:
2A(g) F A2(g) ΔH > 0
4
5
6
7
8
J. Yuji
Para estudar os efeitos de variações externas, vamos representar A por uma esfera verde e A2 por duas esferas alaranjadas unidas.
estado inicial
redução da
temperatura
redução da
pressão
aumento da
pressão
aumento de
temperatura
retirada de metade
das moléculas de A
adição do dobro de
moléculas de A
H L L C
H
enry Louis Le Chatelier nasceu em Paris. Seu pai, o arquiteto e engenheiro Louis Le Chatelier, foi quem lhe ensinou química e matemática. Juntos, criaram a indústria de alumínio da França, permitindo que Henry
aprendesse muito sobre química e metalurgia. Sua mãe, uma católica muito
devota e dedicada, incentivou os filhos a apreciar a leitura e as artes.
Henry Louis Le Chatelier [1850-1936], engenheiro químico, metalúrgico e professor, foi grande divulgador
da importância da Química para a indústria. Inventou também o pirômetro óptico, um instrumento que mede
a temperatura de fornos em olarias e metalúrgicas.
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Edgar Fahs Smith Collection
A Ciência na História
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
153
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Le Chatelier graduou-se pelo College de France e, em seguida, foi trabalhar como engenheiro de
mineração em uma mina em Besanco. Dois anos depois, foi convidado a ocupar o cargo de professor de
Química em diferentes instituições de ensino.
A carreira de Le Chatelier foi marcada por uma grande busca de relações entre teoria e prática na Ciência, defendendo a racionalização da investigação científica e buscando solucionar problemas de aplicação industrial, em um momento em que a Química apresentava status de Ciência
“pura”. O reconhecimento acadêmico leva ao surgimento de cursos para formar químicos qualificados para atuarem na indústria. Há uma substituição gradual do “artista químico” pelo químico
com formação acadêmica.
Como exemplo de seu empenho como químico, podem-se destacar suas contribuições para o desenvolvimento da química dos cimentos, aplicando conhecimentos da termodinâmica e na busca de metodologia de produção de amônia, matéria-prima fundamental na época.
Com base em sua lei do deslocamento químico, de 1888, define as condições de temperatura
e pressão para a síntese da amônia, a partir do nitrogênio atmosférico. Registrou a patente, mas
não chegou à produção industrial, o que foi feito posteriormente por Fritz Haber [1868-1934]e
Carl Bosch [1874-1940].
Seu nome é sempre lembrado na Química quando se fala em equilíbrio químico. Em seu livro didático, Linus Pauling [1901-1994] dá o seguinte conselho aos estudantes: “anos depois de terminar sua
faculdade, você pode (a menos que você se torne um químico ou trabalhe em alguma área próxima) esquecer-se de todas as equações matemáticas que se relacionem ao equilíbrio químico. Eu espero, entretanto, que você não se esqueça do princípio de Le Chatelier.”
De acordo com Le Chatelier, quando alteramos qualquer condição de um sistema em
equilíbrio, o sistema tende a buscar um novo estado que minimize as alterações impostas,
até atingir uma nova condição de equilíbrio. O deslocamento das condições iniciais cessará quando a rapidez das duas reações se igualarem e as concentrações dos reagentes e
produtos permanecerem novamente constantes.
O princípio de Le Chatelier pode ser enunciado da seguinte forma:
Quando uma perturbação externa é imposta a um sistema químico em equilíbrio,
esse equilíbrio irá se deslocar de forma a minimizar tal perturbação.
A terminologia deslocamento de equilíbrio, utilizada pelos químicos, refere-se à situação
de busca de uma nova condição de equilíbrio, pelo favorecimento de um dos sentidos da reação.
Se a alteração imposta favorecer a formação de produtos, dizemos que o equilíbrio irá
se deslocar para a direita. Se, no entanto, a alteração favorecer a formação de reagentes,
dizemos que o equilíbrio irá se deslocar para a esquerda.
Resumindo e reforçando o que foi estudado, podemos dizer que uma reação química reversível irá sempre buscar atingir um estado de equilíbrio, em função das condições
impostas ao sistema.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
De acordo com o princípio de Le Chatelier, podemos afirmar que para um
sistema em equilíbrio:
Um exemplo da aplicação industrial do princípio de Le Chatelier foi o desenvolvimento do processo de síntese da amônia. Esse processo foi desenvolvido levando-se
em conta os diversos fatores que afetam o equilíbrio da reação de síntese de amônia,
descrita pela equação:
1
2
Hely Demutti
• um aumento de temperatura favorece o sentido da reação endotérmica;
• um abaixamento de temperatura favorece o sentido da reação exotérmica;
• um aumento de concentração de uma substância favorece o sentido da reação em
que tal substância é consumida;
• a retirada de alguma substância favorece o sentido da reação em que tal substância é produzida;
• um aumento de pressão favorece o sentido da reação no qual há menor quantidade
de matéria de substâncias gasosas;
• uma diminuição de pressão favorece o sentido da reação no qual há maior quantidade de matéria de substâncias gasosas.
3
4
5
O trabalho de Le Chatelier foi fundamental para
a produção industrial da
amônia, tão importante
na indústria química moderna, principalmente na
produção de fertilizantes.
6
7
8
Por essa ser uma reação exotérmica, o abaixamento da temperatura do sistema
favorece a formação da amônia. Além disso, de acordo com a estequiometria da
reação, quatro moléculas de gás formam uma molécula. Isso significa que o
aumento de pressão favorece a reação de síntese direta. Dessa forma,
para se obterem melhores rendimentos, a reação deve ser processada a baixas temperaturas e altas pressões! Fácil? Teoricamente
sim, mas para a indústria o estabelecimento dessas condições
não é tão elementar assim.
Hely Demutti
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)
Síntese da amônia: uma
revolução da indústria química
Entre os átomos de diferentes elementos químicos que
constituem os seres vivos, os de nitrogênio possuem um
papel relevante para a manutenção da vida, por fazer
parte da constituição das proteínas, grandes moléculas
imprescindíveis aos organismos vivos.
O nitrogênio é incorporado à cadeia alimentar por
meio das plantas.
Processos a temperaturas baixas são lentos. Processos
realizados sob alta pressão, caros! Fritz Haber e Carl
Bosch viabilizaram a produção industrial da amônia,
propondo valores intermediários de temperatura e pressão,
combinados com a utilização de catalisadores. A Petrobras é
uma das poucas empresas brasileiras produtoras de amônia.
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TABELAS
SEGURANÇA
155
Na agricultura, um grande desafio é fornecer nitrogênio em quantidades adequadas para as plantações. Desde meados do século XlX, os cientistas procuravam métodos baratos e compensadores para a produção de fertilizantes artificiais que suprissem
a carências dos solos.
Por volta de 1905, os químicos alemães Fritz Haber e Carl Bosch conseguiram resolver
problemas técnicos da fabricação industrial de amônia por meio da reação entre os gases
hidrogênio (H2) e nitrogênio (N2). O processo, que se mostrou economicamente viável, ficou conhecido como Haber-Bosch.
Pelos trabalhos nesse campo, Haber e Bosch foram agraciados com prêmio Nobel
de Química em 1918 e 1931, respectivamente. Atualmente, quase toda produção mundial de amônia é feita por tal método, que se baseia na utilização de
ferro metálico como catalisador, temperaturas próximas a 500 ºC e
pressões entre 200-600 atm.
AKG Images/Latinstock
SPL/Latinstock
Album/AKG-images
EQUILÍBRIO QUÍMICO
A amônia tornou-se uma
das substâncias mais importantes da indústria química, por causa da crescente necessidade de atender
à demanda dos fertilizantes nitrogenados. A síntese industrial da amônia
representa uma das grandes descobertas na história
da Química.
Fritz Haber
Carl Bosch
Haber e Bosh desenvolveram processo de síntese da amônia fundamental na preparação de adubos químicos.
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Indique o favorecimento do equilíbrio se:
a) o CO2 fosse removido do sistema.
b) o Na2CO3 fosse adicionado ao sistema.
c) o NaHCO3 fosse removido do sistema.
1. Por que um aumento de temperatura faz aumentar a
rapidez de uma reação?
2. Por que a rapidez de uma reação geralmente cresce
quando se aumenta a concentração de um dos constituintes dessa reação?
6. Em cada sistema em equilíbrio, abaixo, os reagentes
3. Explique a influência da pressão em um sistema gasoso
nos refrigerantes, conforme a equação
CO2(g) + H2O(l) F H2CO3(aq),
é um processo exotérmico. Explique o favorecimento
da reação ao aquecermos uma garrafa aberta de refrigerante e ao resfriá-la.
estão contidos em um cilindro com êmbolo móvel e
temperatura constante. Qual o efeito do aumento da
pressão em cada um dos sistemas?
a) X(s) F 2Y(s)
b) 2X(l) F Y(l)
c) X(s) F Y(g)
d) X(g) F Y(g)
e) X(g) F 2Y(g)
5. Em um sistema fechado aqueceu-se bicarbonato de sódio
7. Na reação CaCO3(s) F CaO(s) + CO2(g) em equilí-
em equilíbrio.
4. A dissolução de um gás em água, como por exemplo
sólido e se estabeleceu o seguinte sistema em equilíbrio:
2NaHCO3(s) F Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)
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T. PERIÓDICA
brio, provoca-se um aumento de pressão sobre o CO2.
Em que sentido a reação será favorecida?
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
sobre a reação a seguir:
PCl3(g) + Cl2(g) F PCl5(g)
a) Remoção de Cl2.
b) Adição de PCl3.
c) Diminuição do volume do recipiente.
9. Um dos mais importantes processos industriais é a fixação do nitrogênio através de sua transformação em
amônia, podendo ser representado pela equação abaixo:
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) ΔH = –92 kJ ⋅ mol–1
Em relação a esse processo, podemos dizer que irá
ocorrer maior concentração do produto quando:
a) ocorrer aumento da temperatura.
b) ocorrer diminuição da pressão parcial do hidrogênio.
c) ocorrer uma maior agitação das moléculas do produto.
d) ocorrer um aumento na pressão total pela adição
de um gás inerte.
e) ocorrer um aumento da pressão dos reagentes.
13. O ponto básico para os processos tecnológicos é o
controle das reações químicas. A produção comercial
em larga escala de substâncias de nitrogênio constitui um exemplo prático da aplicação do princípio
de Le Chatelier.
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) ΔH < 0.
De acordo com o texto acima, responda aos itens a
seguir.
a) Você poderia prever quais as melhores condições para
se obter um alto rendimento na produção de NH3?
b) Cite outros sistemas que possam ser descritos pelo
princípio de Le Chatelier.
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15. As cascas de ovos são compostas principalmente de
carbonato de cálcio (CaCO3), formado de acordo com
a reação
Ca2+(aq) + CO2–
3 (aq) F CaCO3(s)
2–
Os íons carbonatos (CO3 ) são fornecidos pelo dióxido de carbono, produzido no metabolismo. Explique por que as cascas de ovos são mais finas no
verão, quando há aumento no ritmo da respiração
(aumento da concentração de oxigênio no sangue)
das galinhas.
16. (PUC-SP) Considere o seguinte sistema em equilíbrio:
2HCl(g) F H2(g) + Cl2(g) ΔH = 22,1 kcal
do trióxido de nitrogênio conforme a equação abaixo:
N2O3(g) F NO2(g) + NO(g)
Com relação a esse processo, podemos afirmar que:
a) um aumento da pressão não altera o estado de
equilíbrio.
b) um aumento da pressão desloca o equilíbrio no
sentido do produto.
26
3
a) Caso o sistema em equilíbrio seja perturbado pela
adição de N2, em que direção deverá ocorrer o
favorecimento da reação?
b) Caso o sistema em equilíbrio seja aquecido, em que
sentido deverá ocorrer o favorecimento da reação?
12. O óxido de nitrogênio é formado pela decomposição
Fe
2
4NH3(g) + 3O2(g) F 2N2(g) + 6H2O(g) ΔH = +1531 kJ
11. Observe o equilíbrio:
N2(g) + 2O2(g) F NO2(g)
Para ocorrer formação de N2(g) e O2(g), devemos:
a) aumentar a pressão do N2.
b) diminuir as pressões parciais do N2 e O2.
c) diminuir a pressão do NO2.
d) aumentar a pressão total do sistema.
e) aumentar a agitação das moléculas do produto.
1
14. Considere o seguinte sistema em equilíbrio:
10. A reação abaixo representa a formação de estalactites, depósitos de carbonato de cálcio existentes
em cavernas que estão localizadas em regiões ricas
em calcário.
Ca2+ + 2HCO–3(aq) F CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)
Das seguintes condições, qual(is) favorece(m) a formação de estalactites?
a) Evaporação constante da água.
b) Elevação da temperatura no interior da caverna.
c) Abaixamento da temperatura no interior da caverna.
d) Aumento da corrente de ar frio e úmido.
CAPÍTULO
c) um aumento da pressão desloca o equilíbrio para
a esquerda.
d) um aumento da concentração de NO desloca o
equilíbrio para a esquerda.
e) uma diminuição na concentração de N2O3 desloca
o equilíbrio para a direita.
8. Para cada item abaixo, indique qual o efeito dos fatores
a) Em que sentido ocorre deslocamento da reação aumentando a temperatura do sistema?
b) O que ocorre com a concentração do HCl(g) se aumentarmos a pressão total sobre o sistema?
c) Em que sentido se desloca o equilíbrio se diminuirmos a concentração de H2(g)?
d) Supondo que, no equilíbrio, as concentrações molares de HCl(g), Cl2 são, respectivamente, iguais a
2 mol/L, 2 mol/L e 1 mol/L, calcule a constante de
equilíbrio (Kc) para a reação.
B
c D
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
157
17. Considere o seguinte sistema em equilíbrio:
21. Considere o equilíbrio abaixo e julgue cada item como
C (certo) ou E (errado):
EQUILÍBRIO QUÍMICO
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g) ΔH < 0
Em seu caderno, complete a tabela abaixo, indicando A
para aumento, D para diminuição e N para nenhuma
mudança em relação à quantidade de matéria, e qual
a direção da reação.
Perturbação
imposta sobre o
sistema
em equilíbrio
N2O4(g) F 2NO2(g)
Incolor
1) Ao reduzirmos o volume desse sistema, haverá menor produção de NO2(g).
2) Ao adicionarmos mais N2O4(g) ao sistema, e este
permanecendo com volume fixo, ocorrerá um favorecimento no sentido de formação do NO2(g).
3) Ao adicionarmos NO2(g) ao sistema, mantendo-se
o volume constante, ocorrerá menor produção de
N2O4(g).
4) Ao aumentarmos o volume total do sistema, não
haverá favorecimento do equilíbrio em nenhum sentido porque não há alteração na quantidade de mols
dos participantes da reação.
Mudança
Direção
da
da reação,
quantiesquerda ou
dade de
direita, para
matéria
restabelecer o
equilíbrio
N2 H2 NH3
a)
Adição de NH3
zzzzz
z
z
z
b)
Aumento do volume
disponível para a
reação
zzzzz
z
z
z
c)
Adição de H2 e N2
simultaneamente
zzzzz
z
z
z
d)
Diminuição da
temperatura
zzzzz
z
z
z
22. (Fuvest-SP) Em condições industrialmente apropriadas
para se obter amônia, juntaram-se quantidades estequiométricas dos gases N2 e H2.
18. Para cada uma das reações abaixo, indique em que
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)
Depois de alcançado o equilíbrio químico, uma amostra da fase gasosa poderia ser representada corretamente por:
b) 4NH3(g) + 3O2(g) F 2N2(g) + 6H2O(g) ΔH > 0
a)
Ilustrações: J. Yuji
sentido será favorecido o equilíbrio quando forem feitas as seguintes alterações: aumento de temperatura
e aumento de pressão.
a) 2SO3(g) F 2SO2(g) + O2(g) ΔH = 197 kJ
c) OF2(g) + H2O(g) F O2(g) + 2HF(g) ΔH > 0
19. Utilizando o princípio de Le Chatelier, indique em que
sentido haverá o favorecimento da reação:
b)
C2H6(g) F C2H4(g) + H2(g) ΔH > 0
a) Retirando-se C2H6 do sistema.
b) Aumentando-se o volume do recipiente.
c) Aumentando-se a temperatura.
c)
20. Com relação ao estudo sobre equilíbrio químico, julgue
cada item como C (certo) ou E (errado):
1) Em uma reação em equilíbrio, as concentrações dos
produtos e reagentes são iguais.
2) Um aumento de temperatura redunda em um aumento da concentração dos produtos presentes no
equilíbrio numa reação exotérmica.
3) De acordo com o princípio de Le Chatelier, em um
sistema gasoso em equilíbrio o aumento da pressão
total desloca o equilíbrio no sentido de menor volume.
4) Em um sistema de reação em equilíbrio, adicionando-se qualquer participante, o equilíbrio se desloca
no sentido de consumi-lo tendendo a minimizar o
efeito dessa adição.
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Vermelho
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55,8
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d)
e)
Legenda:
N=
H=
a
B
c D
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Tema em foco
Tema
&
QS
S
Química e
Sociedade
A QUÍMICA, O TRATAMENTO DE ÁGUA E O SANEAMENTO BÁSICO
&
QS
S
1
Química e
Sociedade
2
3
4
5
6
7
Tiago Queiroz/AE
8
Renato Spencer/JC Imagem
Celso Junior/AE
A água poluída pode causar diversos problemas à saúde humana, devido a organismos patogênicos que a contaminam, tais como bactérias, vírus, protozoários e vermes.
O problema se agrava ainda mais à medida que o processo de urbanização se intensifica, aumentando os riscos de
transmissão de diversas doenças veiculadas pela água. Fatores como pobreza, falta de habitação, higiene deficiente
e, principalmente, ausência de tratamento de água e esgoto conduzem à debilidade orgânica.
Estima-se que doenças causadas pela poluição das águas são as que matam mais em todo o mundo. A Organização
Mundial de Saúde (OMS) apresenta dados alarmantes de 2010: 783 milhões de pessoas no mundo não têm acesso
à água potável e 2,6 bilhões vivem em áreas sem tratamento de esgoto. Tal estimativa
favorece um quadro desesperador: mais de quatro milhões de crianças morrem todos os
No Brasil, 63% das inanos pelo uso de água contaminada. Nesses locais, a solução é o investimento público
ternações pediátricas e
30% dos óbitos de crianprioritário em saneamento básico.
ças com menos de um ano
Antigamente, quando muitas pessoas eram infectadas por tais doenças, dizia-se que isso
de vida são causados pela
era um castigo divino, que recebia o nome de epidemia (palavra que vem do grego e signifipoluição das águas.
ca: epi = "sobre" e demos = "povo").
Na Europa Ocidental, no final da Idade Média, as
pessoas atingidas por epidemias, como peste bubônica, peste negra, varíola, cólera e disenteria, eram obrigadas a se manter em isolamento por cerca de 40 dias
(quarentena). Ainda hoje, essa prática de isolamento
de pessoas ou animais com suspeita de infecção é
adotada como medida sanitária com passageiros de
navios e astronautas, sendo que o tempo de duração
da quarentena varia de caso a caso.
Hoje, epidemia significa a rápida propagação de
uma doença transmissível, que atinge um grande número de pessoas ao mesmo tempo, embora isso não
tenha nada a ver com castigos divinos, e sim com a
São Paulo (SP), 2006.
pouca atenção dispensada à saúde pública.
Recife (PE), 2009.
São Luís (MA), 2009.
Saneamento básico significa economia para um Estado. Segundo dados do BNDES, de 1998, 65% das internações de crianças menores de 10 anos de idade nos hospitais do Brasil estão associados à falta de saneamento básico.
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TABELAS
SEGURANÇA
159
Com o avanço do conhecimento científico e da tecnologia, as epidemias passaram a ser controladas principalmente com medidas de saneamento básico. Doenças como cólera e tifo, que mataram milhões de pessoas no passado, hoje são controladas nas regiões em que há tratamento de água, mas, infelizmente, ainda matam milhares de
pessoas em regiões onde há consumo de água contaminada.
J. Yuji
EQUILÍBRIO QUÍMICO
População atendida por rede de esgoto sanitário em 2008
Sudeste
80,6%
Brasil
52,5%
Centro-Oeste
37,6%
Nordeste
32,1%
Sul
33,4%
Norte
9,5%
Fonte: IBGE, Pesquisa Nacional de Saneamento Básico.
QUADRO DAS PRINCIPAIS DOENÇAS CAUSADAS POR ÁGUA CONTAMINADA
Transmissão
Doença
Agente patogênico
Medidas
Cólera
Febre tifoide
Leptospirose
Giardíase
Amebíase
Hepatite infecciosa
Diarreia aguda
Vibrio cholerae
Salmonella typhi
Leptospira interrogans
Giardia lamblia
Entamoeba histolytica
Hepatite vírus A
Balantidium coli, E. coli,
S. aureus, Rotavirus A e B
Escabiose (sarna)
Pediculose (piolho)
Tracoma
Conjuntivite
Salmonelose
Tricuríase
Enterobíase
Ancilostomíase
Ascaridíase
Sarcoptes scabiei
Pediculus humanus
Chlamydia trachomatis
Haemophilus aegyptius
Salmonella typhimurium
Trichuris trichiura
Enterobius vermiculares
Ancylostoma duodenale
Ascaris lumbricoides
Implantar sistema adquado de esgotamento
sanitário.
Instalar melhorias sanitárias domiciliares e
coletivas.
Instalar abastecimento de água
preferencialmente com encanamento no
domicílio.
Por meio de
vetores que se
relacionam
com água.
Malária
Dengue
Febre amarela
Filaríose
Plasmodium sp.
Arbovírus
Flavivírus
Wuchereria bancrofti
Eliminar o aparecimento de criadouros com
inspeção sistemática e medidas de controle.
Dar destinação final adequada aos resíduos
sólidos (lixo).
Associada à água.
Esquistossomose
Schistosoma mansoni
Controle de vetores e hospedeiros
intermediários.
Pela água.
Pela falta
de limpeza,
higienização
com água.
Implantar sistema de abastecimento e
tratamento da água, com fornecimento em
quantidade e qualidade para o consumo.
Proteção de contaminação dos mananciais e
fontes de água.
Fonte: Movimento de Amparo Ecológico – MAE Natureza.
Disponível em: <www.maenatureza.org.br/projetoeducando/folders/poster21_saneamento/index.html>. Acesso em: 18 abr. 2013.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
J. C. Fonseca
Centers for Disease Control and Prevention's, EUA
Doenças como a filariose e a
esquistossomose são decorrentes da contaminação das
águas por agentes patogênicos. A primeira provoca obstrução do sistema linfático, deformando o órgão afetado, a
segunda, causada por vermes,
deixa o doente muito fraco e
com uma enorme barriga.
esquistossomose
CAPÍTULO
filariose
1
2
3
4
Fundação Oswaldo Cruz
Mauricio Simonetti/ Pulsar Imagens
5
Manaus (AM), 2007.
6
Oswaldo Cruz [1872-1917],
médico e sanitarista, é considerado o fundador da saúde pública no Brasil. Doutorou-se em
1892, pela Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro, defendendo a tese da veiculação
microbiana pelas águas. Promoveu diversas campanhas de
saneamento para erradicar da
cidade do Rio de Janeiro epidemias como a febre amarela e a
varíola. Em dez anos a cidade
ficou livre dessas doenças.
8
Museu do Prado, Madri
A falta de saneamento básico e de vigilância sanitária favorece
o surgimento de epidemias. Dengue, hanseníase, leishimaniose, doença
de Chagas, esquistossomose, febre amarela e malária são doenças endêmicas no Brasil e requerem ações contínuas para não gerar epidemias.
7
Triunfo da Morte (1562, óleo
sobre tela, 117 × 162 cm), do
pintor belga Peter Bruegel,
reflete a epidemia da Peste Negra que ocorreu no século XV
na Europa. Cerca de 25 milhões
de pessoas morreram. Por que
ainda hoje, com todo o desenvolvimento científico e tecnológico, ocorrem epidemias?
Segundo a OMS, saneamento é o controle de todos os fatores do meio físico humano que exercem ou podem
exercer efeito deletério sobre o bem-estar físico, mental ou social. Nesse sentido, o saneamento básico envolve o planejamento e a construção de rede de abastecimento de água e esgoto e também o tratamento do lixo residencial e
industrial antes que sejam lançados em rios, represas, córregos e lagos.
No presente capítulo, vamos estudar princípios químicos ligados a processos de tratamento de água para consumo e de tratamento de esgotos.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
161
Estação de Tratamento de Água (ETA)
Pense
Hely Demutti
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Toda água límpida pode ser usada para o consumo humano? O que é água potável?
Hely Demutti
Essa água é potável?
VALORES MÁXIMOS DE ALGUNS CONTAMINANTES PERMITIDOS EM ÁGUA POTÁVEL
Afetam a qualidade
organoléptica
Afetam a saúde
Excesso de sais de ferro
e manganês causa manchas em porcelana, além
de corrosão.
A água é considerada potável quando pode ser usada para o
consumo humano. No entanto, mesmo com a aparência de límpida,
a água pode conter uma infinidade de substâncias tóxicas e de micro-organismos patogênicos. Além disso, muitas outras impurezas podem
ser encontradas na água, na forma de suspensão – como bactérias,
larvas de mosquitos, protozoários, areia e argila, resíduos industriais e
domésticos – ou na forma coloidal – como corantes vegetais e vírus.
Muitas dessas impurezas têm efeito nocivo à saúde, outras dificultam o uso da água. Sendo assim, para ser considerada potável, a água deve, também,
ter aspecto e sabor agradáveis.
A definição de potabilidade da água destinada ao abastecimento das populações humanas é feita a partir de parâmetros que são estabelecidos para limites máximos de diferentes substâncias e micro-organismos. Esses parâmetros referem-se às
propriedades físicas, químicas e biológicas.
As propriedades físicas da água analisadas são cor, turbidez (propriedade que
mede a intensidade do grau de opacidade da água), odor, sabor, temperatura e pH.
As propriedades químicas relativas à potabilidade são conferidas em função da concentração de substâncias que podem apresentar efeito tóxico sobre o organismo humano e/ou inconvenientes econômicos (veja a tabela a seguir).
Componentes
Arsênio
Bário
Benzeno
Bromatos
Cádmio
Chumbo
Cianetos
Crômio
DDT
Mercúrio
Nitratos
Selênio
Alumínio
Cloreto
Dureza
Ferro
Manganês
Sólidos dissolvidos totais
Sulfato
Surfactantes
Zinco
Concentração
0,01 mg/L
0,7 mg/L
5 µg/L
0,025 mg/L
0,005 mg/L
0,01 mg/L
0,07 mg/L
0,05 mg/L
2 µg/L
0,001 mg/L
10 mg/L
0,01 mg/L
0,2 mg/L
250 mg/L
500 mg/L
0,3 mg/L
0,1 mg/L
1000 mg/L
250 mg/L
0,5 mg/L
5 mg/L
Fonte: Ministério da Saúde, Portaria nº- 518, de 25 de março de 2004.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Um exemplo de característica química inconveniente que pode causar danos econômicos é a presença de sais de
cálcio e magnésio. Estes dificultam a utilização da água para fins de lavagem e danificam sistemas de muitos aparelhos que usam água aquecida, principalmente maquinários industriais. A medida da presença desses sais na água é
denominada dureza da água.
As propriedades ou características biológicas da água referem-se à presença de diferentes organismos vivos: protozoários, algas e bactérias. Uma série desses organismos pode causar doenças infecciosas a seus hospedeiros e, por
isso, são denominados organismos patogênicos.
A identificação de organismos patogênicos em água é difícil devido à sua reduzida concentração. Além disso, as técnicas de identificação são, na maioria das vezes, complexas e caras. As bactérias do grupo coliforme são utilizadas como
indicadores de contaminação da água por esgotos domésticos. A presença de coliformes fecais, como são chamados, indica a possível presença de outras bactérias mais perigosas, tornando a água e os alimentos impróprios para o consumo.
1
2
3
4
5
6
Pense
7
A água utilizada em sua casa é tratada previamente? Como?
8
O tipo de tratamento de
água de uma estação varia de acordo com a origem
da água e a sua qualidade.
Sabesp
Há vários milênios, japoneses e chineses já utilizavam processos de filtração em porcelanas para tratar as águas de consumo. Por conta do surgimento das cidades, houve um
avanço nas tecnologias para o tratamento da água, desenvolvidas com base no reconhecimento das infecções causadas por água contaminada, principalmente por resíduos humanos, em reservatórios para abastecimento público.
Contudo, ainda hoje, muitas cidades utilizam processos comuns no século passado, baseados na filtração da água através de um leito de areia, denominado atualmente de filtros lentos.
O processo de tratamento da água pode ir de uma simples filtração, para uma água
potável, até complexos processos de remoção de agentes patogênicos e contaminantes
químicos. As estações são preparadas em função da água que recebem. Alguns procedimentos comuns são: captação; leitura de vazão; precloração; adição de cal hidratada;
floculação; decantação; filtração; desinfecção; e distribuição.
ETA Guaraú, São Paulo (SP).
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
163
A seguir são descritos alguns desses procedimentos.
EQUILÍBRIO QUÍMICO
1. Sedimentação e floculação
Quando a água apresenta baixa turbidez, ela pode ser tratada simplesmente por decantação e filtração. No
entanto, uma das formas de tratamento mais comum é a sedimentação, feita em grandes tanques, com adição
de coagulantes como sulfato de alumínio ou sais de ferro, que fazem com que as finas partículas se aglutinem,
formando flocos que sedimentam em poucas horas.
Esses flocos com as impurezas são chamados de lodo químico. O processo químico ocorre quando o sulfato
de alumínio reage com os álcalis, produzindo hidróxido de alumínio gelatinoso (Al(OH)3), os quais absorvem as
impurezas. A reação pode ser representada da seguinte forma:
Fotos: Hely Demutti
Al2(SO4)3 ⋅ 18H2O(s) + 3Ca(HCO3)2(s) ( 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 18H2O(l) + 6CO2(g)
ETA Guaraú (SP), 2010.
A floculação é um procedimento utilizado para retirar da água partículas maiores de sujeira que estão em suspensão. É um dos primeiros procedimentos de tratamento da água. Finalizado o processo, a água turva fica com aspecto cristalino. Este também é um procedimento utilizado
para a limpeza da água em piscinas e o tratamento de esgoto.
Atitude sustentável
Como lavar a caixa-d'água de sua casa
Recomenda-se lavar a caixa-d’água de casa a cada seis meses.
Programe para esvaziar a caixa e não ter necessidade de jogar água fora, nem ficar sem ela em horários críticos.
Esvazie totalmente a caixa para a limpeza;
Limpe as paredes e o fundo do reservatório, usando um balde, uma pequena pá, uma escova de roupa e panos
limpos e desinfetados;
b Não utilize detergentes ou sabões;
b Dilua um litro de água sanitária em um balde com cinco litros de água (solução desinfetante) e passe no fundo e nas
paredes do reservatório com pano (recomenda-se o uso de luvas de borracha);
b Deixe em repouso por meia hora;
b Esgote completamente a solução desinfetante;
b Lave a caixa com jatos de água e retire toda água acumulada (esta pode ser recolhida em uma torneira e utilizada
para lavar o piso, por exemplo), duas vezes;
b Encha a caixa e não se esqueça de tampá-la bem.
b
b
b
b
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TABELAS
SEGURANÇA
Hely Demutti
CAPÍTULO
2. Filtração
Já decantada, a água passa pelos filtros de areia, denominados filtros rápidos,
constituídos de uma camada de cascalho, uma camada de areia grossa e, finalmente, uma camada de areia fina.
À medida que a água vai passando, os espaços entre os grãos de areia vão sendo entupidos pelas partículas em suspensão, sendo necessária a lavagem desse filtro
regularmente. Logo depois da filtração, é necessário corrigir o pH da água e passar
por uma fluoração, como forma preventiva de cárie. E a última etapa do tratamento é a desinfecção da água.
1
2
3
4
3. Desinfecção
Nessa etapa do tratamento, é aplicado cloro gasoso (Cl2) ou hipoclorito de cálcio (Ca(OCl)2) e hipoclorito de sódio (NaOCl) em quantidade suficiente para eliminar
micro-organismos patogênicos, evitando futuras contaminações. A adição do cloro,
ou de sais que reagem produzindo cloro, mantém a água potável para o consumo.
A cloração é um processo confiável, de baixo custo e fácil de ser aplicado. Existem
outros tipos de agentes desinfetantes, como cloraminas, dióxido de cloro, ozônio e
radiação ultravioleta.
O cloro é um gás altamente tóxico, sendo normalmente dissolvido na água que
será tratada. Ao se dissolver na água, o cloro reage formando o ácido hipocloroso
(HOCl) e o ácido clorídrico (HCl), de acordo com a reação:
5
6
7
8
Cl2(g) + H2O(l) F HCl(ag) + HOCl(g)
O ácido hipocloroso formado reage com a água, formando o íon hipoclorito:
HOCl(aq) F H+(aq) + OCl—(aq)
Na água, o cloro presente na forma de ácido hipocloroso e de íon hipoclorito é
definido como cloro residual livre, sendo o responsável por efeitos bactericida, algicida e fungicida. Por ser muito reativo, ao ser adicionado a substâncias orgânicas ou
inorgânicas o cloro pode oxidá-las. Com essa oxidação, nem todo cloro adicionado
produzirá cloro residual livre. Não é recomendável que haja excesso de cloro, pois
a água pode apresentar um sabor característico e indesejado, exigindo a realização
frequente de testes para avaliar a dosagem de cloro.
Além desses cuidados, existe um outro problema, que está relacionado com sua capacidade de reagir com substâncias orgânicas presentes na água, como o clorofórmio,
considerado cancerígeno. Esse tipo de substância não é tratado convencionalmente,
por isso é importante a ausência de matéria orgânica em tratamentos com cloro.
Estação de Tratamento de Água de Esgoto (ETE)
A filtração é um procedimento que retira as impurezas menores que não
puderam ser retiradas no
processo da floculação, livrando a água dos agentes sólidos.
Pense
Você já se perguntou para onde vai a água que escoa pelo esgoto de sua casa? E sabe se existe um tratamento de
esgoto no seu município?
Atualmente, a adoção de medidas de saneamento básico é fundamental para a preservação de nossos recursos
hídricos, revertendo a contaminação de águas utilizadas em centros urbanos. Uma medida fundamental nesse sentido é o tratamento de esgotos. Vejamos em que consiste esse tratamento.
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TABELAS
SEGURANÇA
165
LIMITES DE CONDIÇÕES DE QUALIDADE DOS
ESGOTOS LANÇADOS NOS RIOS DEPOIS DE SAÍDOS
DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO (ETE)
Parâmentro
Sabesp
EQUILÍBRIO QUÍMICO
O tratamento da água de esgoto consiste em diminuir aos menores índices possíveis a quantidade de substâncias e materiais que podem provocar problemas ambientais por interferir no ecossistema aquático, como substâncias que contenham fósforo e nitrogênio. Segundo resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama),
no 357, de 17 de março de 2005, as cidades devem devolver seus esgotos para os rios com condições mínimas de
qualidade, conforme apresenta a tabela a seguir.
Condição
pH
Entre 5 a 9
Temperatura
Inferior a 40 °C (variando a do
receptor em no máximo 3 °C)
Materiais
sedimentáveis
Até 1 mL/L em teste de 1 hora em
cone Imhoff
Vazão
Máxima de até 1,5 vez a vazão média
do período de atividade diária
Óleos minerais
Até 20 mg/L
Óleos vegetais e
gorduras animais
Até 50 mg/L
Materiais
flutuantes
Ausentes
A principal maneira de despoluir os rios é tratar a água de
esgoto. Se não jogarmos mais água contaminada no rio, e sendo a matéria orgânica dos esgotos (lançada antes da implantação
da estação de tratamento de esgoto) naturalmente decomposta,
o rio voltará a ter águas límpidas, despoluídas. Foi o que aconteceu
com o lago Paranoá, em Brasília, com o rio Tâmisa, em Londres,
e com o rio Sena, em Paris.
Fonte: Conama. Resolução no 357, de 17 de março de 2005.
Como a decomposição de matéria orgânica por microrganismos aeróbios depende da presença de oxigênio (O2) na
água, um importante parâmetro utilizado no tratamento de esgoto é seu teor de oxigênio, quantidade denominada
demanda bioquímica de oxigênio (DBO). Em rios não poluídos, a DBO apresenta valores entre 8 e 9 mg de oxigênio
por litro de água. Já rios que recebem esgotos não tratados podem apresentar DBO com valores superiores a 80 mg/L.
Veja como a água de esgoto é tratada.
O quadro a seguir apresenta algumas etapas presentes no tratamento de esgotos, que são divididos em
três estágios:
TIPOS DE TRATAMENTOS DE EFLUENTES
Tratamento
primário
Gradeamento
Decantação / Flotação
Separação de óleo / Equalização
Neutralização
Tratamento
secundário
Lagoas de estabilização / Lagoas aeradas
Lodos ativados e suas variantes
Filtros de percolação
RBCs (sistemas rotativos)
Reatores anaeróbicos etc.
Tratamento
terciário
Microfiltração / Filtração
Precipitação e coagulação
Adsorção (carvão ativado)
Troca iônica / Osmose reversa
Ultrafiltração / Eletrodiálise
Processos de remoção de nutrientes (N, P)
Cloração / Ozonização
Processos Avançados de Oxidação (PAOs) etc.
Fonte: Química Nova na Escola. Poluição e Tratamento de Água, n. 10, nov. 1999, p. 24.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Sabesp
Sabesp
1. Tratamento primário
Utiliza processos físicos para remover objetos de grandes dimensões e materiais insolúveis nos esgotos.
Pode fazer uso das seguintes etapas: gradeamento, decantação, flotação, separação de óleo, equalização e
neutralização.
1
2
3
4
5
6
7
8
No tratamento secundário aeróbico, a água do esgoto é
agitada para aumentar a sua aeração, propiciando condições mais
favoráveis às bactérias que degradam o material.
No processo de decantação, os sólidos depositam no fundo do
tanque e a água escoa pela parte superior.
2. Tratamento secundário
Nesse estágio, busca-se eliminar substâncias biodegradáveis utilizando tratamentos biológicos. Existem dois
processos biológicos básicos para esse tratamento: aeróbicos e anaeróbicos.
Os sistemas aeróbicos são aqueles que empregam microrganismos que utilizam o oxigênio (O2) para degradar
a matéria orgânica. Os sistemas aeróbicos mais utilizados para o tratamento são: lagoas facultativas, lagoas aeradas, filtros biológicos aeróbicos, valos de oxidação, disposição controlada no solo e lodo ativado.
Os sistemas anaeróbicos são aqueles que empregam microrganismos que não utilizam o oxigênio (O2) para
degradar a matéria orgânica. Os sistemas mais utilizados nesse tratamento são: digestores de lodo, tanques
sépticos e lagoas anaeróbicas.
Além desses sistemas, é comum a utilização de reatores biológicos nos quais bactérias transformam aminoácidos e polipeptídios em amônia (NH3), ortofosfato (PO3–
4 ) e ácidos voláteis. Ao final do processo, essas bactérias
serão removidas para um decantador secundário, onde se retira o lodo ativado. Parte desse lodo é devolvida ao
tanque de aeração para aumentar a rapidez da degradação.
Sabesp
3. Tratamento terciário
Fase final do tratamento, faz uso de produtos químicos para
retirar a sujeira que as bactérias não retiraram no tratamento secundário. São processos físicos e químicos, sendo a coagulação, a floculação, a decantação, a flotação, a separação
por membranas, a adsorção e a oxidação os mais utilizados.
Finalmente, a água tratada é lançada em seu curso e o
lodo restante do biodigestor é prensado por telas que formam adubos, utilizados em diversas culturas agrícolas. Esse
processo para a formação de adubos é chamado de desidratação mecânica.
Na flotação, os sedimentos vão para a superfície, devido ao borbulhamento de
ar, onde são separados.
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TABELAS
SEGURANÇA
167
Companhia de Saneamento Ambiental do DF
EQUILÍBRIO QUÍMICO
As estações de tratamento de esgoto ocupam grandes áreas, como esta existente no Gama (DF). Em uma das etapas, o esgoto recebe uma dosagem de sulfato de alumínio e polieletrólito aniônico (coagulantes) para flotar o material. Esta unidade é chamada de câmara de flotação
(ou de saturação). Por injeção de água pressurizada (água e ar) no fundo da câmara, o material flota mais rápido, sendo raspado por pás. Esse
material raspado, chamado de lodo químico, é levado também para o biodigestor. Tratamento terciário é o polimento final no qual são aplicados
produtos químicos para retirar a sujeira que as bactérias não conseguiram eliminar.
Outra água que precisa ter tratamento adequado é a água das piscinas. A falta de controle de qualidade dessas
águas é responsável pela transmissão de diversas doenças.
O controle de qualidade dessas águas deve fazer com que o pH fique na faixa de 7,2 e 7,6 e a concentração de
cloro (Cl2) entre 1 e 3 ppm. Além disso, deve ser feita a remoção de resíduos sólidos e o controle da quantidade
de algicidas à base de cobre, pois o seu excesso pode ser prejudicial à saúde.
PRINCIPAIS MECANISMOS DE REMOÇÃO
DE POLUENTES NO TRATAMENTO DE ESGOTOS
Sólidos
Dimensões
Principais
mecanismos de
remoção
maiores dimensões
(maiores que 1 cm)
gradeamento
dimensões intermediárias
(maiores que 0,001 mm)
sedimentação
dimensões diminutas
(menores que 0,001 mm)
adsorção
Hely Demutti
Poluente
sedimentação
Matéria orgânica
dimensões superiores
a 0,001 mm
adsorção
estabilização
Organismos
patogênicos
As águas das piscinas precisam ter tratamento adequado.
A falta de controle de qualidade dessas águas pode ser responsável pela transmissão de diversas doenças aos banhistas.
No medidor acima é possível medir o pH e o teor de cloro.
radiação
ultravioleta
Fonte: Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola, n. 1, maio de 2001, p. 27.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Atitude sustentável
&
QS
S
Química e
Sociedade
1
Tânia Rêgo/ABr
Como reduzir a poluição das águas
b Reduza o uso de detergentes não biodegradáveis.
b Evite o desperdício de sabões e detergentes.
b Verifique se a rede de esgotos de sua casa está corretamente ligada ao sistema de escoamento de sua cidade.
b Não jogue lixo nas ruas, já que ele pode ser levado
pelas águas das chuvas para o rio mais próximo, além
de entupir redes de águas pluviais e causar enchentes.
b Use sua capacidade de falar para orientar as pessoas à
sua volta e oriente-as sobre o uso mais correto da água.
b Lembre-se: as águas utilizadas devem ser devolvidas
ao ambiente em condições iguais ou melhores que as
iniciais, e na mesma quantidade. Se isso não for possível, a devolução deve ser feita pelo menos em quantidade e qualidade semelhantes às condições iniciais.
b Recolha todo e qualquer tipo de resíduo sólido na beira de lagos, rios e mar.
b Nunca jogue resíduos sólidos no vaso sanitário, como
absorventes e fraldas, pois eles não são tratados e
irão poluir os rios.
2
3
4
5
6
7
8
Sempre tenha sacos de coleta de lixo se estiver perto de algum manancial hídrico, e recolha todo e qualquer resíduo sólido.
Debata e entenda
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Em 2004, foram detectados em Brasília casos de morte provocada por hantavirose (doença infecciosa grave causada por vários vírus e transmitida por ratos silvestres). Que medidas de saneamento básico poderiam ser adotadas
para evitar a propagação dessa doença?
2.
3.
4.
5.
Em que consiste o saneamento?
Qual a finalidade do saneamento básico em uma cidade?
Com base no texto, aponte qual a relação entre o processo de urbanização e a transmissão de doenças.
Discuta com seus colegas sobre as condições atuais da sua cidade em relação ao saneamento básico oferecido.
Qual seria a porcentagem de pessoas, em sua cidade, que não tem acesso a saneamento básico? Quem seriam
essas pessoas?
6. Identifique os principais objetivos do tratamento de esgoto de uma cidade.
7. Faça um esquema identificando as principais características de cada etapa do tratamento de água comentado
no texto.
8. Que aspectos são considerados para a definição de potabilidade da água?
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TABELAS
SEGURANÇA
169
6 ASPECTOS QUANTITATIVOS DE
EQUILÍBRIOS QUÍMICOS
A
EQUILÍBRIO QUÍMICO
té o momento, estudamos um pouco sobre os equilíbrios químicos e suas implicações e os fatores que os alteram. Para se ter uma melhor compreensão destes é
fundamental seu estudo quantitativo. Ou seja, podemos estudar e compreender os processos de equilíbrio químico, considerando os valores das concentrações das espécies químicas envolvidas.
Concentração e rapidez de reações
no equilíbrio químico
Rapidez
Até aqui, estudamos aspectos qualitativos do equilíbrio químico. Ou seja, a observação da constância de propriedades macroscópicas, o fato de que as reações continuam
se processando e as condições que afetam o equilíbrio.
Para os químicos, a determinação de quantidades presentes nas condições de equilíbrio
é fundamental. Essa determinação permite o cálculo de rendimento e possibilita a busca
de condições mais favoráveis aos objetivos do processo no qual a reação está envolvida.
Para um estudo quantitativo, vamos considerar a reação genérica, descrita pela equação:
reação direta
reação inversa
Gráfico da variação da
rapidez das reações envolvidas no equilíbrio químico (A + B F AB) em
função do tempo. Inicialmente, a reação direta é
rápida e a inversa muito lenta. Com o passar
do tempo, a rapidez da
reação direta diminui enquanto a rapidez da reação inversa aumenta, até
que se igualem.
A + B F AB
Imaginemos o caso de um frasco no qual quantidades iguais de reagentes são colocadas em contato em um sistema fechado.
O gráfico indica que, no instante inicial, os reagentes começam a
interagir em uma rapidez que diminui à medida que o tempo passa.
Nesse instante inicial, a reação inversa não acontece porque a concentração dos produtos é nula. Iniciado o processo, a rapidez da reação
direta diminui, devido à redução das concentrações de reagentes, enquanto aumenta a rapidez da reação inversa por causa do aumento das
concentrações dos produtos, até um momento em que as duas reações
apresentam a mesma rapidez e, a partir daí, permanecem constantes.
A partir desse instante, o consumo de cada substância é igual à
Tempo
sua produção, estabelecendo o equilíbrio no qual as concentrações
das espécies envolvidas permanecerão constantes.
Quando o sistema atinge o equilíbrio, as duas curvas se encontram. É importante salientar que o estado de equilíbrio dependerá das condições do sistema e poderá ser perturbado por fatores externos. Isso levará à busca de um novo estado de equilíbrio.
Como já vimos, equilíbrio químico não significa que as concentrações das substâncias
envolvidas sejam iguais. Essas concentrações tendem a valores determinados que permanecem fixos no estado de equilíbrio.
Alterações no sistema podem provocar mudanças no estado de equilíbrio, acarretando
variações de concentrações de reagentes e produtos. Isso levará a reação a se processar
até atingir novo estado de equilíbrio.
Observe, portanto, que a concentração final dos reagentes e produtos no estado de equilíbrio depende das concentrações no início da reação e das condições em que se encontra o
sistema. Todavia, estudos sobre concentrações de reagentes e produtos, para diversas reações
químicas no estado de equilíbrio, demonstram que existe uma regularidade entre as concentrações e que essa pode ser expressa matematicamente por meio de uma constante física.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Equilíbrio químico e constante de equilíbrio
O trabalho de diversos químicos demonstrou que um equilíbrio químico pode ser descrito por relações matemáticas que permitem avaliar as condições do estado de equilíbrio
e como ele é afetado por alterações no sistema. Por meio de equações é possível prever
qualitativa e quantitativamente o estado de equilíbrio e seu comportamento. Para isso,
vamos considerar uma reação genérica entres as substâncias A e B, produzindo as substâncias C e D, pela equação descrita:
1
2
3
4
Hely Demutti
aA + bB F cC + dD
Nessa equação, a, b, c e d correspondem aos coeficientes
estequiométricos das substâncias A, B, C e D.
Para qualquer sistema em equilíbrio, os químicos constataram que existe uma relação simples entre as concentrações dos reagentes e as concentrações dos produtos, dada
pela seguinte expressão matemática:
c
5
6
7
8
d
C  ⋅ D
K c =   a  b
 A  ⋅ B 
Essa expressão indica que, no estado de equilíbrio, há uma constância entre a razão
do produto das concentrações das substâncias formadas, tendo como expoente seus coeficientes estequiométricos, e o produto das concentrações das substâncias reagentes, tendo como expoente seus coeficientes estequiométricos.
Essa relação matemática nos fornece a constante matemática K, denominada constante de equilíbrio. Para cada sistema, determina-se uma constante de equilíbrio com
base na equação da reação e na temperatura, fator determinante de seu valor. Quando a
constante K é calculada em função das concentrações, ela é identificada por KC . No caso
de reações entre gases, a constante pode ser definida em função da pressão parcial de
cada substância envolvida e será representada por Kp.
O valor da constante de equilíbrio pode ser determinado por meio de dados experimentais ou utilizando valores de outras propriedades físico-químicas. Vamos calcular o
valor da contante de equilíbrio da reação de decomposição do ácido iodídrico (HI), representada pela equação:
2HI(g) F H2(g) + I2(g)
Dá para imaginar que em
um aquário existam tantos sistemas químicos que
possam ser descritos por
equações matemáticas?
Há o equilíbrio de ionização da água, o equilíbrio
de solubilidade do gás oxigênio, o equilíbrio de solubilidade do gás carbônico,
o equilíbrio de acidez do
ácido carbônico etc.
Para essa equação em equilíbrio, temos que:
H  ⋅ I 
K c =  2  2 2 
HI
CONCENTRAÇÕES DE EQUILÍBRIO DA REAÇÃO DE
DECOMPOSIÇÃO DO ÁCIDO IODÍDRICO A 425,6 ºC
A tabela ao lado apresenta os valores de concentração depois de atingido o equilíbrio da reação conduzida a diferentes condições, mas todas
à temperatura de 425,6 ºC.
Os sistemas 1, 2 e 3 foram obtidos pela mistura
de gás hidrogênio e gás iodo, em diferentes concentrações, enquanto os sistemas 4 e 5 foram obtidos a
partir de diferentes quantidades de ácido iodídrico.
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T. PERIÓDICA
[H2]/mol ⋅ L–1
[I2]/mol ⋅ L–1
[HI]/mol ⋅ L–1
1
1,8313 ⋅ 10 –3
3,1292 ⋅ 10 –3
17,671 ⋅ 10 –3
2
2,9070 ⋅ 10 –3
1,7069 ⋅ 10 –3
16,482 ⋅ 10 –3
3
4,5647 ⋅ 10 –3
0,7378 ⋅ 10 –3
13,544 ⋅ 10 –3
4
0,4789 ⋅ 10 –3
0,4789 ⋅ 10 –3
3,531 ⋅ 10 –3
5
1,1409 ⋅ 10 –3
1,1409 ⋅ 10 –3
8,410 ⋅ 10 –3
Sistema
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
171
Pense
Há diferença em um sistema se este for obtido a partir de reagentes ou a partir de produtos? Por que as concentrações de
HI são diferentes para cada teste?
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Como os equilíbrios foram obtidos a partir de diferentes condições iniciais, obtêm-se
diferentes condições de equilíbrio, com diferentes concentrações das substâncias envolvidas. Para essa reação, a constante de equilíbrio é definida por:
H  ⋅ I 
K c =  2  2 2 
HI
VALORES CALCULADOS PARA A
CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DA
DECOMPOSIÇÃO DO ÁCIDO IODÍDRICO,
A PARTIR DE DADOS EXPERIMENTAIS
Teste
KC
1
1,8351 ⋅ 10 –2
2
1,8265 ⋅ 10 –2
3
1,8359 ⋅ 10 –2
4
1,8390 ⋅ 10 –2
5
1,8403 ⋅ 10 –2
média
1,8350 ⋅ 10 –2
Utilizando os dados obtidos experimentalmente, podemos calcular o valor de KC para cada sistema, os quais são apresentados
na tabela ao lado.
Veja um outro exemplo, o cálculo do valor de KC para a reação
de formação da amônia:
N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)
Sabendo-se que as concentrações dos reagentes e produtos são:
[N2] = 0,28 mol/L
[H2] = 0,55 mol/L
[NH3] = 0,65 mol/L
2
2
NH3 
0 , 65
Kc =
→ Kc =
= 8 , 8 mol / L
3
3
0 , 28  ⋅ 0 , 55
N2  ⋅ H2 
Pense
Hely Demutti
O equilíbrio cromato/
dicromato é afetado pela
variação do pH da solução, segundo a equação
química:
Cr2O2–
7 + H2O F
+
F 2CrO2–
4 + 2H
Por que os valores da constante de equilíbrio não são todos iguais? O que significa o valor
da constante de equilíbrio ser maior do que um? E ser menor do que um?
Apesar da regularidade obtida nos valores da constante de equilíbrio calculada, é
possível observar que, a partir da segunda decimal, existem divergências de valores. Isso
acontece porque, apesar de toda a precisão que a Ciência almeja, qualquer medida experimental está sujeita a erros. Ou seja, os valores de concentração obtidos em laboratórios
diferem um pouco dos valores reais.
Entretanto, é possível observar que todos os valores apresentam os dois primeiros algarismos e igual ordem de grandeza. Para obter valores experimentais mais próximos dos
reais, os cientistas trabalham com valores médios de várias medidas experimentais.
Tendo o valor da constante, podemos calcular a concentração de equilíbrio de cada
espécie, considerando os valores iniciais utilizados para gerar o sistema. Além disso, podemos saber em que extensão a reação ocorre.
O valor da constante de equilíbrio fornece algumas informações sobre o sistema. Valores
acima de um (1,00) indicam que, no estado de equilíbrio, o produto das concentrações
dos produtos é maior do que o produto das concentrações dos reagentes. Se o valor da
constante de equilíbrio for menor do que um (1,00), no estado de equilíbrio, o produto das
concentrações dos reagentes é maior do que o produto das concentrações dos reagentes.
Para cada caso, a ordem de grandeza do valor da constante indicará a extensão da
reação química, no equilíbrio.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Constante de equilíbrio em reações
envolvendo gases
1
Normalmente, os valores de constantes de equilíbrio são calculados considerando-se as concentrações em quantidade de matéria das substâncias envolvidas. Em
sistemas formados por gases, a constante pode ser calculada a partir das pressões
parciais destes.
Para uma mistura de gases, a pressão total é a soma das pressões parciais de todos os
gases. De acordo com a equação geral dos gases (PV = nRT), a concentração em quantidade de matéria (n/V) de um gás é diretamente proporcional à sua pressão (n/V = p/RT).
Por isso, podemos calcular a constante de equilíbrio de uma reação entre gases, considerando suas pressões parciais. Consideremos a reação hipotética:
2
3
4
5
6
7
aA + bB F cC + dD
8
a constante de equilíbrio (Kc) será:
Kc =
pCc ⋅ pDd
paA ⋅ pBb
⋅ RT(
)
a+b−c −d
Se:
Kc =
pCc ⋅ pDd
teremos : K c = K p ⋅ RT(
p ⋅p
a
A
b
B
)
a+b −c −d
Nessas equações, p representa a pressão parcial de cada substância envolvida.
Por exemplo, pA representa a pressão parcial da substância A. O valor de Kp poderá ou não ser igual a Kc, dependendo dos coeficientes estequiométricos da equação em questão.
Veja, como exemplo, o cálculo do valor de Kp para a reação de decomposição da
água, considerando o sistema no qual a pressão parcial da água é de 0,976 atm, do
gás oxigênio, 0,008 atm, e do gás hidrogênio, 0,016 atm. A equação que descreve essa
reação é:
2H2O(g) F 2H2(g) + O2(g)
A equação para a constante de equilíbrio, Kp, é:
pH2 ⋅ pO
2
Hely Demutti
Kp =
Para que uma planta
aquática como esta viva,
é necessário que diversos
equilíbrios químicos sejam
mantidos no sistema onde
ela está.
2
pH2 O
2
Substituindo os valores fornecidos na equação, teremos:
(0, 008 atm) ⋅ (0, 016 atm)
=
(0, 976 atm)
2
Nesse caso, portanto,
→ K p = 2,15 ⋅ 10 −6 atm
2
K c = K p (RT
)
−1
ou K c =
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Kp
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T. PERIÓDICA
Kp
.
RT
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TABELAS
SEGURANÇA
173
A quantidade de sistemas que apresentam reações de equilíbrio é enorme. Para a
Química, é muito importante estudarmos os equilíbrios que acontecem em meio aquoso, por ser a água fundamental para a vida e muitos equilíbrios acontecerem nesse meio.
A seguir, estudaremos um tipo de equilíbrio em que as moléculas se ionizam.
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Equilíbrio iônico da água
Em qualquer quantidade de água, parte de suas moléculas se ionizam, conforme
a equação:
H2O(l) ( H+(aq) + OH– (aq)
Como essa ionização é reversível, temos também a reação de união dos íons formando moléculas de água, descrita pela equação:
H +(aq) + OH– (aq) ( H2O(l)
Essas duas reações constituem o equilíbrio que envolve as espécies químicas H2O, H+
(H3O+) e OH – e é representada pela equação:
H2O(l) F H+(aq) + OH– (aq)
Para esse sistema, a constante de equilíbrio Kc será:
H+  ⋅  A − 
Kc =    
HA 
Como a densidade da água é igual a 1 kg/L, em um litro de água temos 1000 gramas
de água. Já que sua massa molar é de 18 g/mol, em um litro temos 55,5 mols. Portanto, a
concentração da água é de 55,5 mol/L.
Em condições de equilíbrio, em um litro de água 1 ⋅ 10 –7 moléculas se ionizam produzindo íons H+ e OH–. A quantidade de moléculas não ionizadas será de (55,5 – 0,0000001) mols.
Como a quantidade de moléculas que se ionizam é muito pequena, podemos considerar esse
valor como sendo constante e igual a 55,5 mol.
Como a concentração da água é constante, a constante (Kc ) pode ser multiplicada por
55,5 mol/L, fornecendo outra constante. Essa nova constante de equilíbrio será denominada constante de equilíbrio iônico da água e será representada por (Kw) (water, que
significa “água” em inglês).
A equação matemática que define tal constante é:
Hely Demutti
Kw = Kc ⋅ [H2O] = [H +] ⋅ [OH– ] ( Kw = [H +] ⋅ [OH– ]
Determinações experimentais indicam que, à temperatura de 25 °C, as concentrações
dos íons H+ e OH – na água pura são iguais a 1,00 ⋅ 10 –7 mol/L. Sendo assim, qual o valor
de Kw? Veja, abaixo, como é simples esse cálculo:
Kw = [H +] ⋅ [OH– ] = 1,00 ⋅ 10 –7 mol/L ⋅ 1,00 ⋅ 10 –7mol/L = 10 –14 mol2/L–2
Como o valor de Kw varia com a temperatura, temos de dizer que a 25 °C o valor da
constante de ionização da água é de 10 –14 mol2/L–2.
Embora não possamos ver, moléculas de água estão constantemente se ionizando e
produzindo íons, enquanto outros íons se unem para formar novas moléculas de água.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Equilíbrio iônico da água em soluções
aquosas de ácido, base e sais
E+
Estude mais
Vejamos o que acontece quando adicionamos à água pura substâncias que liberam
íons hidrogênio (H+) ou hidroxila (OH –). Uma solução é ácida quando a concentração do
íon H+ é maior que a concentração do íon OH –. Por outro lado, se a concentração do íon
OH – for maior que a concentração do íon H+, a solução será básica.
Ao adicionarmos ácido, base ou certos sais à água, há alteração das concentrações
dos íons H+ e OH –, provocando alteração no estado de equilíbrio.
Determinações experimentais permitem
CONCENTRAÇÕES DE H+ E OH – NO EQUILÍBRIO
que saibamos as concentrações desses íons
Soluções aquosas a 25 ºC
no novo estado de equilíbrio.
[OH –]
[H+]
Substância
Concentração
A tabela ao lado apresenta os valores de
concentração para esses íons em diferentes
NaOH
10 –2 mol/L
10 –12 mol/L
10 –2 mol/L
soluções.
10 –3 mol/L
10 –11 mol/L
10 –3 mol/L
KOH
Pense
Analisando a tabela ao lado, observe o que
há em comum nas concentrações de H+ e de
OH – para cada substância.
HCl
10 –1 mol/L
10 –1 mol/L
10 –13 mol/L
HNO3
10 –2 mol/L
10 –2 mol/L
10 –12 mol/L
NaCl
10 –1 mol/L
10 –7 mol/L
10 –7 mol/L
KNO3
10 –3 mol/L
10 –7 mol/L
10 –7 mol/L
1
2
3
4
5
6
7
8
Como as concentrações do hidrogênio e da hidroxila variam muito nas soluções, os
químicos buscaram formas diferentes de expressá-las. Vamos saber mais sobre isso?
Potencial hidrogeniônico (pH)
Como a concentração dos íons produzidos na ionização da água é extremamente baixa, variando normalmente entre 1 e 10 –14 mol/L, é comum expressar as quantidades dos
íons H+ e OH – por meio da função logarítmica de suas concentrações. Essa forma simplificada de expressar a concentração é chamada de pH – potencial hidrogeniônico – e
de pOH – potencial hidroxiliônico. Matematicamente, pH e pOH são definidos da seguinte maneira:
pH = –log [H +]
pOH = –log [OH– ]
Se aplicarmos a mesma função à constante de ionização da água (Kw = [H+] ⋅ [OH –]),
teremos:
–log Kw = –log [H +] –log [OH– ]
pKw = pH + pOH
Logo, como a 25 °C Kw é igual a 10 –14 mol2/L2, no equilíbrio iônico da água:
14 = pH + pOH
De acordo com essa expressão matemática, se conhecermos o pH de uma solução,
teremos o pOH subtraindo esse primeiro valor de 14.
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TABELAS
SEGURANÇA
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Hely Demutti
Hely Demutti
EQUILÍBRIO QUÍMICO
O peagâmetro, medidor
de pH, mede a acidez das
soluções com maior precisão do que os indicadores.
Uma das principais características das águas minerais é o valor do pH.
Solução-tampão: o controle do pH
Ricardo Azoury/Pulsar Imagens
O pH dos oceanos é
mantido próximo a 8,4,
como consequência da
presença de bicarbonatos
(HCO3–) e silicatos (SiO42–).
O controle do pH é importante em diversos aspectos. Na indústria de alimentos, tal
controle significa maior tempo de conservação de alimentos. Na agricultura, seu controle
no solo pode significar maior ou menor produtividade.
No corpo humano, o pH é rigidamente controlado. No sangue humano, por exemplo,
ele só pode variar na estreita faixa entre 7,37 e 7,44. Em caso de doenças graves, podem
ampliar essa faixa para valores entre 6,9 a 7,6. Agora, como controlar o pH em nosso corpo?
Algumas substâncias têm a propriedade de impedir que o pH do meio aumente pela
adição de base ou diminua pela adição de ácido. Além da hemoglobina, o principal mecanismo de controle de pH utilizado no sangue é o íon bicarbonato. Esse íon, formado a partir
de moléculas de água e do gás carbônico produzido pela respiração das células, pode reagir
com ácidos, aumentando o pH, ou com bases, abaixando o pH, de acordo com as equações:
HCO3– (aq) + H +(aq) ( H2CO3(aq)
HCO3– (aq) + OH– (aq) ( H2O(aq) + CO32– (aq)
Os sistemas que possuem a capacidade de evitar variações bruscas de pH são denominados tampões e são muito importantes para controlar a acidez de diferentes meios. As
soluções-tampões mais comuns são soluções aquosas de ácidos fracos, contendo seus sais
como, por exemplo, solução de ácido acético e acetato de sódio (H3CCOOH e H3CCOONa).
Outro exemplo comum é a solução de amônia com cloreto de amônio (NH3 e NH4Cl).
Em função de sua constituição, cada tampão mantém o pH em faixas determinadas.
O tampão ácido acético/acetato apresenta valores próximos a 4,75, enquanto o tampão
amônia/amônio apresenta valores próximos a 9,25.
Força de ácidos e bases
Soluções de ácido e bases apresentam diferentes valores de pH. Esses valores dependem da concentração e da natureza do ácido ou da base presente.
Os ácidos são substâncias moleculares que se ionizam quando dissolvidos em água.
A intensidade dessa ionização depende do valor da constante de equilíbrio do ácido (Ka).
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Bases podem ionizar-se ou dissociar-se, dependendo de sua natureza. Bases formadas
por átomos de elementos metálicos dissociam-se, dependendo de suas solubilidades. Bases
formadas por átomos de elementos não metálicos ionizam-se parcialmente, de acordo com
valores das constantes de equilíbrio da base (Kb).. Uma maneira de avaliar a intensidade
de ionização de ácidos e bases é por meio dos valores de suas constantes de ionização.
Consideremos um ácido genérico, representado por HA, cuja reação de ionização é:
1
2
HA(aq) F H+(aq) + A– (aq)
3
A constante de ionização desse ácido será definida por:
4
H+  ⋅  A − 
Ka =    
HA 
5
No caso das bases, podemos ter duas situações. Para uma base de elemento não metálico, que é formada por íons, temos:
7
6
8
BOH(aq) F B (aq) + OH (aq)
+
–
A constante de dissociação dessa base será definida por:
B+  ⋅ OH− 

Kb =   
BOH
Já no caso de uma base MOH, formada por átomos de elementos metálicos, teremos
uma reação de dissociação, relacionada à constante do produto de solubilidade da base
(Kps será estudada mais adiante), que pode ser representada da seguinte maneira:
MOH(s) F M +(aq) + OH– (aq)
Quanto maiores forem os valores de Ka e de Kb, mais fortes serão os ácidos e as bases.
Que solução é mais ácida ou mais básica?
S
Simulador
Pense
Por que bebemos soluções de alguns ácidos (ácido acético e ácido cítrico) e outros são tão corrosivos (ácido sulfúrico e
ácido clorídrico) que não podem ser ingeridos?
Soluções de ácidos ou bases podem ser mais ou menos corrosivas. O que vai
diferenciá-las?
Vamos resolver dois exercícios para entender como responder a essas questões.
Hely Demutti
Como explicar que alguns
ácidos e bases são ingeridos naturalmente e outros nem se pode cheirar?
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
177
1. Quais são os valores de pH das seguintes soluções: ácido acético 0,1 mol/L e ácido clorídrico 0,1 mol/L?
O valor da constante de equilíbrio de ionização do ácido acético (Ka) é de 1,8 ⋅ 10 –5 mol/L. A equação que representa
sua ionização é:
EQUILÍBRIO QUÍMICO
CH3COOH(aq) F H+(aq) + CH3COO – (aq)
Depois de estabelecido o equilíbrio, parte das moléculas do ácido formam íons. A equação matemática que representa esse equilíbrio é:
CH3COO−  ⋅ H+ 
  
K a (C
CH
H3COOH = 
CH3COOH
)
Como não conhecemos a concentração dos íons, vamos representá-la pela letra x. A concentração do ácido acético será
dada pela concentração inicial (0,1 mol/L) menos o que ionizou (x), ou seja, 0,1 mol/L – x.
Como o valor de x é normalmente muito pequeno, ele é desprezado e considera-se o valor da concentração, mesmo
depois de estabelecido o equilíbrio, como 0,1 mol/L. Substituindo os valores na equação anterior, temos:
[CH3COOH]
[H+]
[CH3COO –]
Concentração antes do equilíbrio
0,1 mol
0
0
Concentração em equilíbrio
0,1 – x
x
x
Aplicando os dados da tabela na fórmula matemática de Ka, temos:
Logo:
x = CH3COOH = H+  = 1, 8 ⋅ 10 −6 mol2 / L2
ou
x = 0 , 001342 mol / L
Conhecendo a concentração do íon hidrônio, podemos calcular o pH pela equação:
pH = –log [H +] = –log(0,001342 mol/L) = –(–2,87)
pH = 2,87
Portanto, a solução 0,1 mol/L de ácido acético apresentará pH igual a 2,87.
O ácido clorídrico possui constante de ionização muito grande. Isso quer dizer que, quando dissolvido em água, suas
moléculas não estabelecem um equilíbrio, mas se ionizam totalmente. Por isso, sua equação de ionização é:
HCl(aq) ( H+(aq) + Cl– (aq)
A partir de uma solução 0,1 mol/L de ácido clorídrico, obtém-se uma solução cuja concentração do íon hidrogênio é
igual a 0,1 mol/L. O pH dessa solução será dado por:
pH = –log [H +] = –log(0,1 mol/L) = –(–1) = 1
Pelos valores de pH, podemos perceber que uma solução de ácido clorídrico é mais ácida que uma solução de ácido
acético de mesma concentração. É isso que torna o ácido clorídrico mais corrosivo do que o ácido acético. Isso pode ser
percebido pelo maior valor de sua constante de equilíbrio.
Dizemos que o ácido clorídrico é um ácido forte porque praticamente todas as suas moléculas se ionizam. Já o ácido
acético é considerado um ácido fraco, porque só uma pequena fração de suas moléculas se ioniza.
178
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
A amônia, um gás em condições ambientes, é muito solúvel em água por ter um par de elétrons não ligantes que interage fortemente com as moléculas desse solvente. Dissolvida em água, a amônia forma o hidróxido de amônio, de
acordo com a equação:
CAPÍTULO
2. Quais são os valores de pH das soluções 0,1 mol/L de hidróxido de amônio e 0,1 mol/L de hidróxido de sódio?
1
2
NH3(g) + H2O(aq) F NH4OH(aq)
3
O hidróxido de amônio é uma base que se ioniza, conforme a equação:
NH4OH(aq) F NH4+(aq) + OH– (aq)
4
A constante de equilíbrio (Kb) dessa ionização, cujo valor é igual a 1,8 ⋅ 10 –5 mol/L, é representada pela equação:
5
6
NH+4  ⋅ OH− 
 

K c (NH4 OH = 
NH 4 OH
)
7
8
Como não conhecemos a concentração dos íons, vamos representá-la pela letra x e substituir os valores na equação
acima. Teremos:
[NH4OH]
[NH4+]
[OH –]
Concentração antes do equilíbrio
0,1 mol
0
0
Concentração em equilíbrio
0,1 – x
x
x
Aplicando os dados da tabela na fórmula matemática de Kb, temos:
Kc(NH4OH) = 1,8 ⋅ 10 –5 mol/L
1, 8 ⋅ 10 −5 mol / L =
x⋅x
→ x 2 = 1, 8 ⋅ 10 −6 mol2 / L2
0 ,1 mol / L
Logo:
x = NH+4  = OH−  = 1, 8 ⋅ 10 −6 mol2 / L2
x = 0 , 001342 mol / L
Conhecendo a concentração do íon hidroxila, podemos calcular o pOH pela equação:
pOH = –log [OH– ] = –log(0,001342 mol/L)
pOH = –(–2,87) = 2,87
como pH mais pOH é igual a 14, teremos: pH = 14 – pOH = 14 – 2,87 = 11,13.
Como demonstrado, o pH da solução de hidróxido de amônio será de 11,13.
Vamos agora calcular o pH da solução de hidróxido de sódio a 0,1 mol/L. Assim como os sais, as bases formadas
pelos metais ionizam-se totalmente quando dissolvidas em água. Por isso, a equação de dissolução do hidróxido de
sódio será:
NaOH(s) ( Na+(aq) + OH– (aq)
Concentração antes da dissociação
Concentração após a dissociação
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
[NaOH]
[Na+]
[OH – ]
0,1 mol
0
0
0
0,1 mol
0,1 mol
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
179
Como a concentração inicial da base é igual a 0,1 mol/L, o pOH e o pH serão dados por:
pOH = –log [OH– ] = –log(0,1 mol/L) = –(–1) = 1
pH = 14 – pOH = 14 – 1 = 13
EQUILÍBRIO QUÍMICO
Pelos valores obtidos para as duas soluções, podemos constatar que o hidróxido de sódio é uma base mais
forte que o hidróxido de amônio. O pH da referida solução de hidróxido de sódio é 13 e o da solução de
hidróxido de amônio é 11,13.
Constante de equilíbrio de solubilidade
Hely Demutti
Outro tipo de equilíbrio em solução é o de dissolução e precipitação de substâncias
pouco solúveis. Se a um recipiente contendo água adicionarmos mais cloreto de sódio
(NaCl) do que o líquido é capaz de dissolver, teremos a formação de um sistema heterogêneo, constituído pela solução e pelo precipitado.
A adição do cloreto de prata, sal pouco solúvel, a um recipiente com água fará com
que parte do sal se dissocie e dissolva, conforme a equação:
AgCl(s) ( Ag+(aq) + Cl– (aq)
Imediatamente, os íons irão regir precipitanto o sal, de acordo com a equação:
Ag+(aq) + Cl– (aq) ( AgCl(s)
Nesse sistema, o sal depositado no fundo do recipiente está em equilíbrio com
o sal dissolvido na solução.
Com o passar do tempo, o sistema atinge um ponto de equilíbrio e a rapidez da dissolução se iguala à rapidez da precipitação. Nesse caso, na solução teremos um equilíbrio,
representado pela equação:
AgCl(s) ( Ag+(aq) + Cl– (aq)
Esse equilíbrio de um sal precipitado e sua solução saturada, pode ser expresso matematicamente pela constante de produto de solubilidade, representada por Kps.
O valor de Kps é dado por:
 Ag +  ⋅ Cl− 
  
Kc = 
 AgCl
O que poderia ser expresso ainda da seguinte forma por Kps ⋅ [AgCl] = [Ag+] ⋅ [Cl–].
Como a concentração do sólido é constante, o produto Kc ⋅ [AgCl] será uma outra
constante: constante de produto de solubilidade, o Kps. Portanto, temos: Kps = [Ag+] ⋅ [Cl–].
Assim, para o equilíbrio de um sólido genérico AB, teremos:
AbBa(s) F aAm+(aq) + bBn– (aq)
Kps = [Am+]a ⋅ [Bn– ] b
VALORES DE Kps A 25 °C DE ALGUNS SAIS
Sal
Kps
Sal
Kps
CaCO3
5,0 ⋅ 10 –9
Fe(OH)2
4,9 ⋅ 10 –18
PbCl2
1,2 ⋅ 10 –5
Ca(OH)2
4,7 ⋅ 10 –6
AgCl
1,8 ⋅ 10 –10
Ag2S
6,0 ⋅ 10 –30
Hg2Cl2
1,5 ⋅ 10 –18
Hg2SO4
8,0 ⋅ 10 –7
A partir do valor da constante do produto de solubilidade (Kps), é possível avaliar a quantidade de um determinado sal que se dissolverá em
certa quantidade de água, solvente mais comumente utilizado. A tabela
ao lado apresenta a constante do produto de solubilidade de alguns sais.
Analisando a tabela ao lado, escreva os sais numa sequência de solubilidade do maior para o menor.
180
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Analise o gráfico e responda às questões de 8 a 10.
1. Qual a importância de se prever, em termos quantitativos,
rapidez da reação direta
Rapidez
a concentração dos reagentes e produtos em uma reação
química e que aspectos devem ser analisados?
2. Explique a relação existente entre as constantes de equi-
3
rapidez rd = rapidez ri
3. (UEMG) O gráfico mostra a variação das velocidades
rapidez da reação inversa
das reações direta e inversa em função do tempo para
o processo representado pela equação:
Tempo
2SO2(g) + O2(g) F 2SO3(g)
8. Explique por que a rapidez da reação direta decresce.
Velocidade
1
2
condição de equilíbrio
líbrio em função da concentração e da pressão.
CAPÍTULO
Exercícios
4
5
6
9. Explique por que a rapidez da reação inversa aumenta.
7
10. Explique o que acontece quando as duas velocidades
8
se igualam.
a
b
c
11. Em um determinado sistema em equilíbrio químico, a
Tempo
Sobre esse processo, todas as afirmativas são corretas, exceto:
a) A velocidade da reação direta é maior que a da
inversa no tempo “a”.
b) No tempo “c”, o sistema é constituído apenas por SO3.
c) As duas velocidades são iguais no tempo “c”.
d) O equilíbrio é atingido no tempo “b”.
concentração molar de reagentes é diferente da dos
produtos; então podemos afirmar que a rapidez da
reação direta é diferente da indireta?
12. (UFPR) Os gases hidrazina (N2H4) e dióxido de nitrogê-
nio reagem produzindo vapor-d’água e gás dinitrogênio
(nitrogênio molecular). O processo da reação de um mol
de hidrazina e um mol de dióxido de nitrogênio em um
recipiente fechado, à temperatura ambiente, pode ser
representado pelo gráfico abaixo.
4. Escreva a expressão para a constante de equilíbrio de
Concentração (mol/L)
cada reação abaixo:
a) PCl5(g) F PCl3(g) + Cl2(g)
b) N2(g) + 3H2(g) F 2NH3(g)
c) 4NH3(g) + 5O2(g) F 4NO(g) + 6H2O(g)
5. Escreva a expressão para a constante de equilíbrio, em
termos de pressão, de cada reação abaixo:
a) N2O4(g) F 2NO2(g).
b) 2CO(g) + O2(g) F 2CO2(g).
c) CH4(g) + 2O2(g) F CO2(g) + 2H2O(g).
230 °C: 2NO(g) + O2(g) F 2NO2(g). As concentrações de equilíbrio das espécies reagentes foram determinadas experimentalmente e podem ser representadas pelas equações: [NO] = 0,0542 mol/L,
[O2] = 0,127 mol/L e [NO2] = 15,6 mol/L.
Calcule a constante de equilíbrio da reação a essa
temperatura.
ÍNDICE
Ferro
OD
55,8
T. PERIÓDICA
produto x
0,2
reagentes
0,1
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7 t8
13. (UFBA) Com relação às reações reversíveis, ao concei-
CO(g) + Cl2 (g) ( COCl2(g) são: [CO] = 1,2 ⋅ 10 –2
mol/L, [Cl2] = 0,054 mol/L, [COCl2] = 0,14 mol/L. Calcule a constante de equilíbrio.
2
8
14
2
0,3
a) Escreva a equação química balanceada para a
reação entre a hidrazina e o dióxido de nitrogênio.
b) Qual das curvas do gráfico representa as variações da concentração de vapor-d’água no tempo?
Justifique.
c) Qual a coordenada de tempo em que o sistema
gasoso atinge o estado de equilíbrio? Justifique.
7. As concentrações no equilíbrio para a reação
26
produto y
Tempo de reação
6. Considere o sistema em equilíbrio à temperatura de
Fe
0,4
a
to de equilíbrio químico e aos fatores que o afetam, é
correto afirmar:
a) Uma reação química cessa após o estabelecimento
do equilíbrio, pois as concentrações molares de reagentes e produtos permanecem constantes.
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
181
EQUILÍBRIO QUÍMICO
b) Para o equilíbrio H2(g) + CO2(g) ( H2O(g) + CO(g)
ΔH = +41 kJ, um aumento da temperatura
provocará um aumento da concentração de H2(g)
e CO2(g).
c) Uma reação atinge o equilíbrio quando a velocidade de formação dos produtos é maior do que a
velocidade da reação inversa.
d) Os reagentes se transformam totalmente em produtos quando uma reação atinge o equilíbrio.
e) Para o equilíbrio
Ácido
1
2
Uma redução no volume do recipiente desloca o equilíbrio no sentido indicado por 1.
15. A constante de equilíbrio Kp da reação
2NO2(g) F 2NO(g) + O2(g) é 158 a 1000 K.
16. A pressão total sobre o sistema abaixo, a 2 000 °C, é
1 atm. Sabendo-se que a pressão parcial do vapor-d’água é de 0,976 atm, calcule o Kp da reação:
2H2O(g) F 2H2(g) + O2(g).
Kps, de cada reação abaixo:
a) Fe(OH)3(s) F Fe3+(aq) + 3OH – (aq).
b) CaF2(s) F Ca2+(aq) + 2F– (aq).
c) Ba3(PO4)2 F 3Ba2+(aq) + 2PO43– (aq).
18. (Fuvest-SP) Considere o equilíbrio de dissolução do fos-
c) Kps = [Ca2+] ⋅ [PO43–]
d) Kps = [3Ca2+] ⋅ [2PO43–]2
e) Kps = [Ca2+]3 ⋅ [PO43–]2
19. (Fatec-SP) Considere volumes iguais de soluções
0,1 mol ⋅ L–1 dos ácidos listados a seguir, designados
por I, II, III e IV e seus respectivos Ka.
Ferro
Ácido dicloroacético
CHCI2COOH
5,0 ⋅ 10 –2
Ácido tricloroacético
CCI3COOH
2,3 ⋅ 10 –1
[H+]
[OH –]
Leite
1,0 ⋅ 10 –7
1,0 ⋅ 10 –7
Água do mar
1,0 ⋅ 10
–8
1,0 ⋅ 10 –6
Refrigerante de cola
1,0 ⋅ 10 –3
1,0 ⋅ 10 –11
Café preparado
1,0 ⋅ 10
–5
1,0 ⋅ 10 –9
Lágrima
1,0 ⋅ 10 –7
1,0 ⋅ 10 –7
Água sanitária
1,0 ⋅ 10 –12
1,0 ⋅ 10 –2
no sul do nosso país, depende da acidez do solo, podendo ser azuis em solo ácido e rosadas em solo básico.
Assim, se adicionarmos calcário (CaCO3) ao solo onde
as flores forem plantadas, de modo que uma análise
deste revele uma concentração hidrogeniônica de 10 –8
mol/L, as hortênsias nascerão:
a) azuis, já que o pH do solo será 1,8.
b) rosadas, já que o pH do solo será 10,8.
c) brancas, já que o pH do solo será neutro.
d) rosadas, já que o pH do solo será 8.
e) azuis, já que o pH será 4.
b) Kps = [Ca2+]2 ⋅ [PO43–]
T. PERIÓDICA
1,3 ⋅ 10 –3
22. (Univali-SC) A coloração das hortênsias, muito comum
fato de cálcio em água. A expressão do produto de
solubilidade correspondente é:
a) Kps = [3Ca2+] ⋅ [2PO43–]
ÍNDICE
CH2CICOOH
tração de íons H+ é igual a 2,0 ⋅ 10 –4 mol/litro?
(Dado: log10 2 = 0,30)
a) 2,4
b) 3,0
c) 3,7
d) 4,0
e) 4,3
17. Escreva a expressão para o produto de solubilidade,
55,8
Ácido monocloroacético
21. (Fatec-SP) Qual o pH de uma solução em que a concen-
(Dado: Pressão total = Págua + Phidrogênio + Poxigênio)
OD
1,7 ⋅ 10 –5
tem caráter ácido apenas:
a) o leite e a lágrima.
b) a água sanitária.
c) o café preparado e o refrigerante de cola.
d) a água do mar e a água sanitária.
e) o refrigerante de cola.
Calcule PO2 se PNO2 = 0,400 atm e PNO = 0,270 atm.
182
CH3COOH
Líquido
SO2(g) + O2(g) F SO3(g)
quando as concentrações em equilíbrio dos gases a
530 °C são:
[SO3] = 11,0 M, [SO2] = 4,20 M, [O2] = 0,60 ⋅ 10 –3 M.
2
8
14
2
Ácido etanoico
20. (Fuvest-SP) Entre os líquidos da tabela a seguir:
14. Calcule a constante de equilíbrio para a reação:
26
Ka
A concentração de H+ será:
a) maior na solução do ácido IV.
b) maior na solução do ácido I.
c) a mesma nas soluções dos ácidos II e III.
d) a mesma nas soluções dos ácidos I, II, III e IV.
e) menor na solução do ácido IV.
1PCl3(g) + 1Cl2(g) F 1PCl5(g)
Fe
Fórmula
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
do acético (HAc) em água pode ser representada pela
equação: HAc F H+ + Ac–.
Considere uma solução aquosa de ácido acético
0,100 mol/L, sendo que [H+] = 0,001, e julgue os itens
abaixo, marcando C ou E.
1) As espécies presentes na solução são: H3O+, Ac–,
HAc, OH – e H2O.
2) A concentração de H+ no equilíbrio, [H+], é
0,100 mol/L.
3) [Ac–] > [HAc].
4) O pH da solução é 1.
5) A constante de equilíbrio da reação acima é igual
à constante de dissociação do ácido acético.
6) Na água pura, o pH é diferente do pOH.
7) O pH não varia com a temperatura.
CAPÍTULO
23. (UnB-DF-adaptado) A reação de “dissociação” do áci-
1
2
3
4
5
ER
Reações químicas e reversibilidade
6
Exercícios de revisão
7
b Processos reversíveis são aqueles que podem retornar ao estado inicial. Processos irreversíveis são aqueles que
8
não podem retornar ao estado inicial. Algumas reações são irreversíveis, como a combustão do álcool, e outras
são reversíveis, como a hidratação e desidratação de um sal.
Sistemas químicos reversíveis
b Determinadas reações químicas são reversíveis. Outras, não. A reversibilidade está associada a condições como
temperatura, pressão e concentração dos reagentes. Algumas reações só são reversíveis sob condições específicas.
Equilíbrio químico
b Em uma reação química em equilíbrio, a taxa de consumo de reagentes é igual à sua taxa de consumo, de forma que nesse estado não ocorre alterações macroscópicas.
b Muitos processos físicos também apresentam-se em equilíbrio dinâmico. São exemplos de equilíbrios físicos:
equilíbrio líquido/vapor em sistemas fechados; dissolução de gases em líquidos; e dissolução e cristalização de
sólidos fase líquida.
Alterações no estado de equilíbrio
b O estado de equilíbrio de uma reação química pode ser caracterizado pela temperatura, pressão, concentração
dos reagentes e produtos. Uma reação pode atingir diferentes estados de equilíbrio, dependendo das condições às quais foi submetida.
Princípio de Le Chatelier
b De acordo com o princípio de Le Chatelier, quando um sistema em equilíbrio sofre uma perturbação externa,
esse equilíbrio irá se deslocar no sentido de atenuar a perturbação externa.
Aspectos quantitativos de equilíbrio químico
b Há uma regularidade entre as concentrações de reagentes e produtos quando as reações estão no estado de
b
b
26
OD
ÍNDICE
Ferro
b
b
equilíbrio, que pode ser expressa matematicamente por meio de constante: K.
Na água coexistem moléculas de H2O e íons H+ e OH –, sendo que esse equilíbrio é definido por Kw.
A 25 °C, em soluções ácidas [H+] > [OH –], o pH é menor que 7. Em soluções básicas [H+] < [OH –], o pH é maior
que 7. Em soluções neutras o pH é 7.
Quanto maiores forem os valores de Ka e de Kb, mais fortes serão os ácidos e as bases.
Em um sistema de equilíbrio de um precipitado e sua solução saturada, a constante de equilíbrio é expressa
matematicamente pela constante de produto de solubilidade, representada por Kps.
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
183
UNIDADE
3
AFP PHOTO/VANDERLEI ALMEIDA
Recursos energéticos
e energia nuclear
Vista geral de Angra 1 e Angra 2, centrais nucleares de
Angra dos Reis, a 250 km, sul do Rio de Janeiro, 2011.
184
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Como conciliar produção
de energia e ambiente?
Capítulo 6 Termoquímica
1. Termoquímica e calor
2. Calorimetria
3. Transformações de energia
4. Calor de reação: entalpia
5. Lei de Hess
6. Espontaneidade das transformações: entropia
Capítulo 7 Cinética química
1. Cinética química
2. Teoria das colisões
3. Fatores que influenciam a rapidez das reações
4. Mecanismos de reação
5. Catálise
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Radiação e radioatividade
A descoberta da radioatividade
Emissões nucleares
Leis das desintegrações radioativas
Cinética da desintegração radioativa
Radioatividade: seus efeitos e aplicações
Transformações nucleares
Usinas nucleares
Rejeitos nucleares
Acidentes de usinas nucleares e acidentes radioativos
Bombas atômicas
Hely Demutti
Capítulo 8 Energia nuclear
Temas em foco:
• Energia, sociedade e ambiente • Ciência para a paz
• Fontes de energia
• Política energética
• Energia nuclear como fonte de
produção de energia elétrica
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
185
TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS
C apít ulo 6
TERMOQUÍMICA
Como medimos a variação de energia em reações químicas?
Como reduzir o impacto energético no ambiente?
Tema em foco
&
QS
S
ENERGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE
Química e
Sociedade
O deslocamento de pessoas, o transporte de materiais, a construção de moradias e de ambientes de trabalho, a produção de ferramentas são exemplos corriqueiros de processos típicos que são realizados fazendo uso
de energia. Podemos dizer que o conceito de energia está associado à capacidade de fazer algo acontecer. Nesse
sentido, pode-se dizer que o Universo é constituído por matéria e energia.
Sabe-se que nenhuma matéria no Universo é totalmente estática. Os gases da atmosfera estão em constante
movimento. Até mesmo nas rochas há movimento: seus átomos estão vibrando continuamente. Todos esses
movimentos, dos planetas aos átomos, ocorrem associados a variações de energia.
A vida, processo muito mais complexo, é, na verdade, uma manifestação de energia associada a uma grande
organização de matéria. Quanto mais complexa a forma de vida, maior a necessidade de energia. As estruturas
mais simples de vida, como as dos seres unicelulares, consomem menos energia. Já os mamíferos, por exemplo,
possuem metabolismos que envolvem a transformação de maiores quantidades de energia.
Quanto mais o ser humano se afastou do modo de vida animal, mais energia ele passou a requerer. A organização das sociedades também envolve o consumo de energia. Sociedades primitivas necessitam de menores quantidades de energia, enquanto sociedades mais avançadas tecnologicamente necessitam de maiores quantidades de
energia. Esse é um desafio para as sociedades modernas: como garantir a energia necessária para sua manutenção.
O consumo de energia na sociedade
Consumo de energia ao
longo da humanidade
A demanda por maior quantidade de energia impulsionou o desenvolvimento mais eficiente de transformação de energia. Assim, sucessivamente, passamos do domínio da combustão à máquina humana, à tração animal, ao moinho hidráulico ou de vento, à máquina a vapor, até chegarmos aos atuais processos de produção de
energia elétrica. Esses processos mais eficientes de produção de energia trouxeram um aumento de qualidade de
vida para a população.
A expansão dessa qualidade de vida implicou o auConsumo evolutivo de energia
mento significativo do consumo de energia nos últimos
séculos. Anteriormente, o aumento de consumo energético crescia muito lentamente. No século XIX, o crescimento
aumentou cinco vezes e no século XX acelerou para um
fator de dezesseis vezes, atingindo uma escala exponencial, sobretudo, depois da Segunda Guerra Mundial, mais
precisamente na década de 1940 (veja o gráfico ao lado).
I
X
XX
Até o século XX não havia formas de se medir o consumo, mas este
pode ser estimado indicando um crescimento exponencial até o
início deste século.
Século
Fonte: ACIOLI, José de Lima. Fontes de energia. Brasília: Ed. UnB, 1994.
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
1
2
3
4
6,5% energia nuclear
80% combustíveis
fósseis
(34,4% petróleo,
24,4% carvão
e 21,2% gás
natural)
CAPÍTULO
Essa revolução ocorreu justamente com o avanço tecnológico que substituiu a energia da biomassa advinda
da queima da lenha pela queima de combustíveis fósseis potencialmente mais energéticos como o carvão e o
petróleo. Como resultado, passamos a depender massivamente desses combustíveis fósseis. Ocorre que uma
pequena parcela da população do planeta pode usufruir do bem-estar gerado pelo consumo de energia. Para
o conforto dessa minoria há um gasto elevado de combustíveis que causam problemas ambientais profundos e
hoje comprometem o desenvolvimento daqueles que não puderam ainda usufruir do conforto proporcionado
pelo consumo energético.
5
2,2% energia
hidroelétrica
6
10,8% biomassa
7
0,5% outras energias
renováveis
(geotérmica, solar,
eólica, marés e ondas)
8
Apesar de toda a problemática ambiental da
queima de combustíveis fósseis como o petróleo, ele ainda é a maior fonte de obtenção de
energia em uma escala global.
Fonte: SANTOS, F. D. Que futuro? Ciência, tecnologia, desenvolvimento e ambiente.
Lisboa: Gradiva, 2007, p. 239.
O gráfico anterior mostra que, no início do século XXI, as fontes primárias de energia do planeta concentravam-se em 80% advindas de combustíveis fósseis.
O problema da concentração da obtenção de energia de combustíveis fósseis está no fato de que a queima
desses combustíveis é a principal fonte de emissão de gases do efeito estufa que têm provocado um crescente aumento do aquecimento global.
Aliado ao problema ambiental do aquecimento global, temos o da desigualdade na utilização da energia consumida. Dados revelam que 90% da energia mundial têm sido consumidos somente por aqueles que vivem nos
países desenvolvidos – 30% da população mundial.
Apesar de o processo de eletrificação ter sido intensificado no fim do século XIX, hoje, em pleno século XXI,
cerca de 600 milhões de pessoas vivem sem acesso à eletricidade.
Consumo mundial de energia – 1980-2030
800
Quadrilhões de BTU (1 BTU = 1 055 Joules)
histórico
600
projeção
472
400
283
308
348
366
508
552
596
637
678
398
200
0
O uso intenso e a comercialização da
energia levaram ao desenvolvimento de sistemas
de medidas de seu consumo que nos permitem
acompanhá-lo e fazer estimativas para o futuro.
1980 1985 1990 1995 2000 2006 2010 2015 2020 2025 2030
Fonte: Histórico: Energy Information Administration (EIA). International Energy Annual 2006
(jun./dez. 2008). Projeção: EIA. World Energy Projection Plus (2009).
OD
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
187
bHistória
z
da energia na civilização
Máquina humana – Os primeiros agrupamentos humanos a fixar-se em espaços com características de cidade necessitavam de
energia para o levantamento de suas casas e demais construções.
Solução: converter força muscular escrava em energia mecânica.
Bibliotheque Nationale. Paris, França
SPL/Latinstock
500 000 a.C.
18000 a 5000 a.C.
SPL/Latinstock
Agricultura – Na Idade da
Pedra (18 000 a 5 000 a.C.),
grupos nômades fixam-se
à terra e iniciam atividades
de agricultura. Por meio da
conversão de energia solar
em energia química armazenada nos carboidratos de
cereais, o ser humano começou a desenvolver meios
para transformar e utilizar
energia.
4000 a.C.
2000 a.C.
RMN/R-G. Ojéda
TERMOQUÍMICA
Fogo – Na Pré-História, nossos antepassados aprenderam a utilizar
o fogo. Os indícios mais antigos encontrados indicam que o fogo já
era utilizado pela humanidade há mais de 500 mil anos. O domínio
do fogo propiciou o desenvolvimento de algumas tecnologias e
contribuiu para que o ser humano pudesse se fixar à terra.
Animais (burros, bois etc.) – A partir do IV milênio a.C.,
com o uso dos metais e a invenção da roda, parte da
força motriz humana pôde ser substituída pelos animais.
O uso da força animal possibilitou um maior desenvolvimento da agricultura e dos meios de transportes, por
meio das carroças e carruagens.
Na presente unidade, vamos estudar as fontes de energia disponíveis em nossa sociedade, discutindo os problemas
relacionados a cada uma e as suas perspectivas. No presente capítulo, vamos nos concentrar no estudo do petróleo
e do álcool combustível, que consiste numa importante fonte energética que teve o incentivo do governo brasileiro.
Antes, porém, vejamos um quadro-sinopse das fontes de energia.
Existem várias maneiras de classificar as fontes de energia. No quadro abaixo é apresentada uma classificação que
leva em consideração as propriedades de transformação, pois no estudo de reservas de energia interessa a capacidade
de transformação em energia útil: calor, luz e trabalho mecânico.
FONTES DE ENERGIA E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA
Energia potencial química – rompimento e formação de ligações químicas.
Processos de transformação:
Biomassa: álcool, óleos vegetais, lenha, carvão vegetal, resíduos agrícolas e florestais, lixo urbano.
Fósseis: petróleo, gás natural, carvão mineral, xisto.
Outras: hidrogênio, metanol etc.
(energia química ( calor ( mecânica e eletricidade)
Nuclear – energia de transformações de núcleos atômicos.
Processos de transformação:
Fissão e fusão nucleares (potencial nuclear ( calor ( eletricidade)
Hidrelétrica – energia potencial da água.
Processos de transformação:
Hidrelétrica (potencial ( mecânica ( eletricidade)
Ferro
188
Energia solar direta – energia da radiação solar.
26
Processos de transformação:
Fe
OD
55,8
Células fotovoltaicas (luz ( eletricidade)
ÍNDICE
T. PERIÓDICA
Aquecedor solar (luz ( calor)
2
8
14
2
Eólica – energia do movimento das massas de ar (ventos).
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Ricardo Azoury/Olhar Imagem
Biblioteca Municipal de
São Paulo
100 a.C.
Radioatividade – A descoberta da radioatividade e de formas de controlá-la possibilitou
o desenvolvimento de grandes usinas termonucleares, principal fonte de energia atualmente. O risco de acidentes em grandes proporções e as dificuldades de se lidar com os
rejeitos radioativos não permitiram que essa
fonte de energia substituísse as anteriores.
Luciana Whitaker/Olhar
Imagem
Máquina a vapor – No século XVIII,
o engenheiro e mecânico James Watt
[1736-1819] construiu a primeira máquina a vapor, grande alavanca para a
Revolução Industrial. A busca do aumento da eficiência das máquinas a vapor levou ao surgimento da Termodinâmica e
da Termoquímica.
séc. XIV
séc. XVII
CAPÍTULO
Moinho hidráulico e de vento – As forças
da água e do vento, já utilizadas para a navegação marítima, passam a ser aproveitadas
também para mover moinhos, economizando tempo e energia na trituração de grãos.
Desde o final do século passado, a energia
dos ventos vem reconquistando espaço na
matriz energética mundial.
1
2
3
4
5
6
séc. XVIII
séc. XX
7
Hely Demutti
Hely Demutti
8
Alto-forno – Apesar dessa
tecnologia já ser usada desde
1200 a.C., no século XIV aumenta a utilização do carvão
vegetal como fonte de energia, por causa de sua maior
eficiência na combustão. Isso
ampliou em muito a sua utilização na fundição de metais
e na construção de diferentes
utensílios, pela possibilidade
de se alcançar temperaturas
mais altas.
Eletricidade – A invenção de meios para gerar
eletricidade é um marco na história da produção de energia. O advento dos motores elétricos
modificou e continua
modificando o modo e
a qualidade de vida das
pessoas. A Química foi
de fundamental importância para que a eletricidade se tornasse cada vez mais presente
em nossas vidas. A Eletroquímica é a área dedicada ao estudo dos
aspectos elétricos das reações químicas.
FONTES DE ENERGIA E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA
Energia solar direta – energia da radiação solar.
Processos de transformação:
Células fotovoltaicas (luz ( eletricidade)
Aquecedor solar (luz ( calor)
Eólica – energia do movimento das massas de ar (ventos).
Processos de transformação:
Aerogerador (mecânica ( eletricidade e mecânica)
Marítima – energia do movimento de massas de água (ondas).
Processos de transformação:
Wavebob (energia cinética das ondas do mar ( eletricidade)
Maremotriz (energia cinética das ondas da praia ( eletricidade)
Maremotriz (energia potencial da diferença de mares ( eletricidade)
Geotérmica – energia do calor interno da Terra.
Processos de transformação:
Gêiseres (calor ( eletricidade)
Erupções vulcânicas (calor ( eletricidade)
Fonte: ACIOLI, José de Lima. Fontes de energia. Brasília: Ed. UnB, 1994 (adaptado).
OD
ÍNDICE
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
189
Hely Demutti
Cris Berger/Olhar Imagem
Rogério Reis/Olhar Imagem
Mauricio Simonetti/Pulsar Imagens
TERMOQUÍMICA
Angra dos Reis (RJ), 2006.
Usina hidrelétrica de Itaipu (PR), 2007.
Sem energia, qualquer sociedade para! Por isso, é necessário aperfeiçoar processos de
transformação de energia
energia. Esses processos dependem da disponibilidade de fontes primárias de energia, de condições tecnológicas para a produção e, sobretudo, atualmente, dos efeitos
ambientais decorrentes de sua utilização.
Osório (RS), 2008.
O petróleo
Painéis solares
E+
Bettmann/Corbis
Estude mais
O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos e a sua utilização do petróleo como fonte energética mudou drasticamente a história da sociedade nos últimos 100 anos e assumiu o lugar de principal fonte de energia para diversos
setores da economia. Conhecer um pouco dessa história permite compreender melhor nossa sociedade.
O petróleo já era conhecido desde a Idade Antiga. No Egito, era utilizado para iluminação, impermeabilização
de casas, construção de pirâmides, embalsamamento de corpos e como medicamento para o tratamento de cálculos renais, escorbuto, cãibras, gota e reumatismo. Como as formas de extraí-lo não eram muito eficientes, era
pouco utilizado como combustível.
Somente na década de 1860, com a perfuração dos primeiros poços na Califórnia, Estados Unidos, o petróleo
passou a ser explorado comercialmente. Inicialmente, somente querosene e lubrificantes eram aproveitados; a gasolina obtida era jogada nos rios, misturada ao querosene ou simplesmente queimada.
Posteriormente, a iluminação pública começou a ser feita com lampiões a petróleo, em substituição a óleos animais. No entanto, a grande revolução do petróleo ocorreu
com a invenção dos motores de combustão interna e a produção de automóveis em grande escala. Esse fato causou
uma reviravolta e a gasolina passou a ser uma das frações
mais importantes do petróleo.
Hoje, estamos mergulhados na civilização do petróleo,
que, além de ser uma fonte básica de combustível para
os principais meios de transporte, é matéria-prima estratégica para boa parte dos materiais usados diariamente,
como, por exemplo, roupas, calçados, tintas, detergentes
e computadores.
O norte-americano Coronel Drake encontrou petróleo no oeste da
Pensilvânia. Ele utilizou uma máquina perfuratriz para a construção do
poço, produzindo 19 barris por dia.
190
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
1
2
3
4
5
6
7
8
Ricardo Azoury/Tyba
A utilização de petróleo como combustível e matéria-prima se expandiu muito. Como consequência, países
consumidores – aqueles que consomem mais do que produzem – tornaram-se dependentes dos países produtores
– aqueles que produzem mais do que consomem. Até o início da década de 1970, a exploração do petróleo nos
países produtores era controlada por alguns países consumidores. Quando os países produtores do Oriente Médio
resolveram tomar o controle da exploração e estabelecer o preço do barril de petróleo, surgiu a crise do petróleo
(1973-1974). Essa crise impulsionou a sociedade consumidora a mudar seus hábitos e a buscar outras fontes de
energia. Nos dias atuais, o desequilíbrio entre a produção e o consumo de petróleo ainda é grande e está associado a conflitos internacionais e má distribuição de rendas.
Dado o elevado consumo do petróleo, o domínio de sua exploração tem sido fator de desenvolvimento
das nações. Nesse processo, o Brasil tem enfrentado o desafio tecnológico na identificação de reservas petrolíferas e no processo de sua extração desenvolvendo técnicas sofisticadas de prospecção em grandes profundidades marítimas.
Em 2008, a Petrobras anunciou a descoberta de um gigantesco reservatório de petróleo e gás natural no litoral dos
estados de Santa Catarina ao Espírito Santo. Essa jazida foi denominada pré-sal por estar localizada abaixo da camada de
sal, no fundo do mar, a uma profundidade de cinco a sete quilômetros abaixo do nível do mar. Estima-se que essas
reservas foram formadas pela decomposição de matéria orgânica, 100 milhões de anos atrás. Essa descoberta muda
totalmente a posição do Brasil no atual quadro dos países detentores de reservas de petróleo. Atualmente, o Brasil é
o quinto produtor entre os países americanos.
Para a prospecção de
petróleo em grandes
profundidades no mar
é necessária uma tecnologia específica, a qual a
Petrobras já domina há muito tempo, graças a investimentos tecnológicos.
Macaé (RJ), 2002.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
191
J. Yuji
TERMOQUÍMICA
Nem sempre há equilíbrio entre consumo e produção de petróleo. Essa discrepância fez com que, no século
passado, o petróleo se tornasse umas das principais moedas de troca entre as sociedades desenvolvidas tecnologicamente. As disputas pelo domínio e controle do petróleo fizeram surgir guerras, derrubaram governos, levaram à invasão de países, entre outros conflitos. Analise os gráficos da próxima página e procure justificar alguns
desses conflitos.
Ocorre que todo esse desenvolvimento tecnológico tem data marcada para terminar, pois, apesar de estudos
controversos, há um consenso de que as reservas globais de petróleo devem se esgotar nos próximos cem anos.
Isso representa outro desafio tecnológico, o de substituir essa fonte de energia por outras que não esgotem em
prazo tão curto.
plataforma
oceano
riser
camada pós-sal
a maior parte das reservas de petróleo e gás
brasileiras se encontram nesta área
2 000 m
3 000 m
camada de sal
na formação geológica dos oceanos, em muitas regiões houve
a deposição de rochas sedimentares constituídas por diversos
tipos de sais (carbonatos, sulfetos, boratos, cloratos) que ocorreu
pela evaporação de águas oceânicas, depois foram cobertas por
outras camadas de rochas (camada pós-sal).
4 000 m
5 000 m
6 000 m
camada pré-sal
área profunda onde o petróleo se encontra
armazenado nos poros das rochas
O petróleo do pré-sal está localizado nos oceanos, numa profundidade de cerca de 6 000 m, depois de uma camada de deposição de rochas
sedimentares geologicamente formada ao longo do tempo, como descreve a figura. Para retirá-lo é necessário alta tecnologia e grandes investimentos. O debate atual sobre a exploração desse petróleo não envolve somente questões técnicas, mas também econômicas, políticas e ambientais. Afinal, frente ao aquecimento global, não deveríamos investir em outras fontes de energia menos poluentes?
192
OD
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Ferro
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
J. Yuji
6 879
milhões
CAPÍTULO
Produção diária de barris de petróleo no ano de 2007
1
2
3 477
3 309
milhões milhões
698
mil
Estados
Unidos
Canadá
561
mil
Argentina
México
2 613
milhões
1 833
milhão
Brasil
520
mil
154
mil
114
mil
Colômbia Equador
Peru
3
4
141
mil
Trinidad Venezuela Outros países
das Américas
e Tobago
Central e do Sul
13 665
milhões
Produção de petróleo de alguns países em
2007, com destaque para os maiores produtores americanos.. O Brasil é o quinto produtor americano, mas se aproximará do primeiro
com a descoberta do pré-sal.
20 680
5
25 176
milhões
6
17 835
milhões
10 318
milhões
6 633
milhões
Total da
Total da
Total da
América América Central Europa e
e do Sul
Eurásia
do Norte
Total do
Oriente
Médio
Total da
África
7
7 907
milhões
8
Total da
Ásia
J. Yuji
mil barris por dia
Fonte: <www.bp.com>. Acesso em: 07 fev. 2010.
7 565
5 007
Estados
Unidos
China
Japão
2 820
2 800
Rússia
Índia
2 456
2 400
2 365
2 214
2 210
2119
1950
1740
1708
1702
Alemanha Brasil
Canadá
Coreia
do Sul
Arábia
Saudita
México
França
Reino
Unido
Irã
Itália
Principais consumidores de petróleo do mundo em 2007
mil barris por dia
8 038
7 054
O grande comércio de petróleo se dá devido às diferenças entre consumo e produção. Analise os gráficos e veja
como se colocam os países nessas relações. Qual precisa
vender, qual precisa comprar etc.
2 507
mil barris por dia
12 224
2 340
2 326
Arábia Rússia Emirados Noruega
Saudita
Árabes
4 874
Irã
2 291
2 082
1960
1907
1711
Kuwait Nigéria Venezuela Argélia Angola
1584
1501
Líbia
Iraque México Cazaquistão Canadá
1381
1213
1057
Principais exportadores de petróleo do mundo em 2007
3 653
2 310
Estados Japão
Unidos
2 184
China Alemanha Coreia
do Sul
1 919
Índia
1 879
1 583
1 533
França Espanha
Itália
967
907
901
Taiwan Cingapura Países
Baixos
645
617
Turquia
607
Bélgica Tailândia
Principais importadores de petróleo do mundo em 2007
Fonte: Energy Information Administration. Official Energy Statistics from the US Government.
OD
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
193
E+
Álcool, o combustível brasileiro
Estude mais
Delfim Martins/Pulsar Imagens
Delfim Martins/Pulsar Imagens
TERMOQUÍMICA
Como resultado de pesquisas que buscavam a substituição do petróleo como combustível surgiu o álcool etílico
(etanol), substância presente em bebidas alcoólicas e com ampla aplicação na indústria, na área de saúde e no cotidiano das pessoas.
Um das grandes vantagens da substância do petróleo pelo álcool como combustível está no ponto de vista ambiental. Há uma diferença entre a combustão do álcool e da gasolina. Como a gasolina é uma mistura de substâncias extraídas do petróleo, a sua queima produz, além de dióxido de carbono, monóxido de carbono e vapor-d’água, uma série
de outros gases nocivos ao ambiente. Já o álcool combustível é menos complexo, constituído basicamente pelas substâncias etanol e água. Assim a combustão do álcool produz basicamente dióxido de carbono, monóxido de carbono e
vapor-d’água. A combustão do álcool produz uma quantidade menor de monóxido de carbono.
As primeiras tentativas de utilização do etanol como combustível datam do início do século passado. Entretanto, o
Programa Nacional do Álcool (Proálcool) foi instituído em 1975. Colaborou para a implantação desse programa, além
da escassez do petróleo, a crise internacional do açúcar, motivando o direcionamento da produção de cana-de-açúcar
para a produção de álcool para fins combustíveis.
Entre erros e acertos, pode-se considerar que o Programa Nacional do Álcool obteve algum saldo positivo, pois
várias metas foram alcançadas, demonstrando o potencial da biomassa no Brasil, apesar de severas críticas que o
programa sofreu.
No Brasil, o álcool utilizado como combustível apresenta 96% de etanol e 4% de água. A diminuição da poluição
do ar e a redução da dependência internacional são os principais benefícios do uso do álcool como combustível. Um
carro a álcool polui 70% menos que um carro a gasolina.
Lins (SP), 2009.
Sabino (SP), 2009.
Um ponto negativo do Programa Nacional do Álcool foi a exagerada invasão da fronteira agrícola alimentar pelos superextensivos canaviais, com mão de obra desprotegida de seus benefícios sociais: os boias-frias. Além disso, verificaram-se vários problemas de poluição ambiental
provocados pela monocultura, com o uso intensivo de agrotóxicos e o lançamento do vinhoto nos rios.
O Brasil é o maior produtor mundial de açúcar e álcool, sendo que a cana-de-açúcar ocupa cerca de 9% da área
cultivada no país, perdendo somente para o cultivo da soja e do milho.
O emprego do álcool como combustível para veículos automotores colocou o Brasil em primeiro lugar na substituição de derivados de petróleo para esse fim. Atualmente, cerca da metade dos veículos em circulação é ou pode
ser movida pelos 17 bilhões e meio de litros produzidos anualmente.
O vinhoto, inicialmente um grande problema do Proálcool, atualmente pode ser utilizado para produzir metano e
fertilizantes. O bagaço pode ser utilizado em biodigestores para gerar energia elétrica ou como matéria-prima para produção de diferentes bens de consumo.
Outros aspectos positivos do Proálcool foram: grande potencial de produção devido a fatores climáticos; diminuição
da dependência do petróleo; diminuição dos gastos com importações; e, na época, grandes investimentos em pesquisas.
Entre os aspectos negativos, destacamos: o esgotamento do solo de muitas regiões; prejuízo aos cofres públicos
devido a subsídios para incentivar o programa; exploração da mão de obra dos boias-frias (homens, mulheres e crianças) que são remunerados por tarefas, obrigando-os a jornadas extenuantes de trabalho.
194
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Apesar dos pontos positivos, a queda nos preços do petróleo e o crescimento da dívida dos produtores acabaram com o Proálcool.
Com novas possibilidades de aumento nos preços do petróleo e seus derivados, a indústria automobilística tem
investido em diferentes alternativas. Desde 2003, com o advento do carro flex fuel ou bicombustíveis, veículos que
podem utilizar como combustível gasolina, álcool ou uma mistura destes, o mercado de etanol cresceu muito. Em
2009, mais de 80% dos veículos de passeio produzidos no Brasil foram do tipo flex.
1
Alexandre Tokitaka/Pulsar Imagens
Hely Demutti
2
3
4
5
6
7
8
Segundo a Folha Online, em 2007, a cana-de-açúcar respondeu por
16% da matriz energética brasileira, perdendo apenas para o
petróleo e seus derivados, com 36,7%. A energia hidráulica caiu
para o terceiro lugar, com 14% de importância.
O programa brasileiro de uso de álcool como combustível
obteve reconhecimento internacional como política de substituição
do petróleo, recurso não renovável com reservas limitadas. Atualmente, com a elevação de seu preço, seu uso está comprometido.
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Debata e entenda
1. Cite as principais mudanças sociais ocorridas para cada período apresentado no texto “História da energia na
civilização”, referente a novos processos tecnológicos de obtenção de energia.
2. Em sua opinião, analisando o gráfico sobre o consumo mundial de energia de 1980 a 2030, como deverá ser o
consumo de energia em 2030?
3. Desde quando o petróleo é conhecido e como ele era utilizado no passado?
4. Cite duas importantes aplicações do petróleo para a nossa sociedade.
5. Por que há necessidade de buscar fontes de energia que substituam o petróleo?
6. Em sua opinião, quais os benefícios do Proálcool para o Brasil de hoje?
7. Que outras fontes, além da cana-de-açúcar, podem ser utilizadas na produção de etanol?
8. Do ponto de vista ambiental, quais as vantagens da utilização do álcool como combustível?
Combustão
A maior parte da energia utilizada pelas sociedades modernas é obtida por meio da queima de combustíveis fósseis. No entanto, isso tem provocado graves problemas ambientais, entre os quais o aquecimento global. Neste capítulo, vamos estudar as variações de energia em reações químicas, sobretudo, em reações de combustão. O estudo
dessas reações nos permitirá propor alternativas tecnológicas para obtermos melhor aproveitamento do potencial
energético de diferentes combustíveis, gerando mais energia e menos poluição.
OD
ÍNDICE
Ferro
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TABELAS
SEGURANÇA
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Hely Demutti
Hely Demutti
Hely Demutti
TERMOQUÍMICA
A combustão é um tipo de reação química comum em
diversas situações de nosso cotidiano. Parte dos alimentos
que ingerimos, por exemplo, é preparada graças à combustão do gás de cozinha. Os veículos que nos levam à escola,
ao trabalho etc. são movidos pela energia gerada pela queima de combustíveis.
A combustão está presente em um grande número de atividades realizadas pelas pessoas.
Nas reações de combustão, as ligações químicas existentes nas moléculas do combustível são rompidas e os átomos se ligam a átomos de oxigênio, oriundos de moléculas de oxigênio. Isso é o que acontece também no nosso organismo, mas de forma mais complexa, com os alimentos que ingerimos. Por isso, embora o processo de digestão
seja tão diferente, falamos em queima de alimento e calculamos as calorias de cada um deles. No entanto, não são
essas as reações que abordaremos neste momento.
Para discutirmos os problemas ambientais, estamos interessados em alguns produtos importantes resultantes da combustão: os gases e as cinzas. Os gases resultam de combinações de átomos do combustível com átomo de oxigênio. As cinzas são os resíduos sólidos resultantes do processo. Elas são constituídas de substâncias
cujos átomos não produziram gases, como é o caso de metais presentes na composição da madeira, mas sim
substâncias sólidas.
Para entender esse processo, vamos analisar dois tipos de combustão.
Combustão completa, combustão incompleta e o ambiente
Podemos dizer que combustão é uma reação rápida de uma substância ou material com oxigênio (O2), na qual
há emissão de luz e calor. Esse tipo de reação ocorre sob condições que possibilitam uma maior interação do combustível com moléculas de oxigênio. Nesse caso, teremos uma reação de combustão completa. Todavia, há casos
nos quais há menor interação da substância com moléculas de oxigênio não possibilitando a combustão completa,
mas sim uma combustão incompleta.
Para entender a diferença dessas reações, vamos analisar duas reações comuns em nossas casas: a queima do gás de
cozinha e a queima de uma vela.
O gás de cozinha, também denominado gás liquefeito de petróleo (GLP), é uma mistura de hidrocarbonetos que
tem como principal componente o butano (C4H10).
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
Ocorre combustão completa de hidrocarbonetos (substâncias que só possuem átomos de carbono e hidrogênio)
quando há oxigênio suficiente para que todo combustível se transforme em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O).
Nesse caso, a reação de queima completa do butano do gás de cozinha pode ser descrita pela equação:
13
O (g) → 4CO2(g) + 5H2O(g)
2 2
1
∆H < 0
Nessa equação ,o símbolo ∆H
H representa a variação de entalpia. A entalpia é uma grandeza de extrema importância para a Química. Como veremos neste capítulo, quando a variação de entalpia de uma reação é menor do que
zero, há liberação de energia; quando essa variação é maior do que zero, há absorção de energia.
Ao observarmos a combustão no fogão de nossas casas, notamos um tom azul bem
claro na chama. A queima de uma vela, entretanto, produz uma chama amarelada com
formação de uma fumaça escura, denominada fuligem. Essas diferenças ocorrem apesar
de tanto a parafina (usada na fabricação da vela) quanto o gás GLP (consumido no fogão) serem constituídos por misturas de alcanos (tipo de hidrocarboneto que só possui
ligação simples).
Enquanto o gás de cozinha é constituído por moléculas de alcanos que possuem três
ou quatro átomos de carbono, a parafina é uma mistura de alcanos cujas moléculas possuem de 20 a 36 átomos de carbono.
Na combustão complePara entender o porquê da diferença de cores entre as chamas, vamos considerar a
ta do butano (gás de
combustão da vela como sendo a combustão de um alcano cujas moléculas possuem
cozinha), a cor da chama
23 átomos de carbono.
possui tom azul.
Para uma reação em que ocorra a combustão completa desse alcano, teríamos a seguinte equação:
2
3
4
Hely Demutti
C4H10 (g) +
5
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7
8
C23H48 (s) + 35O2(g) → 23CO2(g) + 24H2O(g) ∆H < 0
Hely Demutti
Pela equação acima, percebe-se que a combustão completa de uma molécula
do alcano C23H48 vai requerer quase cinco vezes mais moléculas de oxigênio do que
a quantidade necessária para a combustão completa de uma molécula de butano.
Como o ar é uma mistura gasosa que possui cerca de 20% de oxigênio, a disponibilidade imediata de moléculas é insuficiente para realizar a combustão completa dos
alcanos da parafina da vela, o que leva a uma combustão incompleta da parafina.
Na combustão incompleta se produz água (H2O) e parte dos átomos de carbono dá origem a monóxido de carbono (CO) ou simplesmente carbono (C), também
chamado de fuligem.
Veja as equações de algumas reações que representam combustões incompletas:
C23H48 (s) + 47 O2(g) → 23CO(g) + 24H2O(g) ∆H < 0
2
C23H48 (s) + 12O2(g) → 23C(s) + 24H2O(g)
∆H < 0
Embora ambas as reações de combustão completa e incompleta sejam exotérmicas
(liberam energia), a segunda produz menor quantidade de energia (chama mais amarelada) do que a primeira, além de gerar resíduos mais tóxicos.
A combustão completa também pode ocorrer com outros combustíveis além de hidrocarbonetos, como no caso da combustão do etanol ilustrada a seguir:
CH3CH2OH(l) + 2O2(g) → 2CO2(g) + H2O
∆H < 0
O dióxido de carbono produzido na combustão completa é um gás incolor, inodoro e
50% mais denso que o ar. Ele é razoavelmente solúvel em água, com a qual reage formando ácido carbônico (H2CO3).
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SEGURANÇA
Durante a queima da
vela, a reação não é completa, como representa a
equação ao lado. Por isso,
há formação de fuligem,
constituída apenas por átomos de carbono.
197
Jim Sugar/Corbis
TERMOQUÍMICA
A concentração média de CO2 na atmosfera é 0,035% (0,035 g em 100 g de ar). Em elevadas concentrações
tem efeito asfixiante, sendo a concentração máxima permitida para a permanência de pessoas no ambiente igual
a 0,5% e para ambientes em que as pessoas têm presença temporária igual a 1,5%. Concentrações acima de 5%
são consideradas perigosas e acima de 10% levam à inconsciência, podendo até provocar a morte por asfixia.
Assim, ambientes onde pode haver a formação
de dióxido de carbono proveniente da decomposição de matéria orgânica, fermentação, combustão, respiração de seres vivos etc. devem ser bem
ventilados. Locais perigosos que podem oferecer
risco por conta da elevada concentração de dióxido de carbono são cavernas, cisternas e outros
ambientes subterrâneos. Tenha sempre muito cuidado ao entrar nesses locais.
A combustão incompleta ocorre sempre que não
há gás oxigênio em quantidade suficiente para a reação. Assim, pode ocorrer também combustão incompleta com o butano, representada pela equação:
Hely Demutti
Em cavernas profundas
há necessidade de tubos
de oxigênio, pois a elevada
concentração de CO2 torna
a atmosfera fatal. Tenha
muito cuidado ao entrar em
ambientes subterrâneos.
C4H10 (g) + 5 O2(g) → 4C(s) + 5H2O(g)
2
butano
fuligem
água
Você já deve ter visto uma combustão incompleta em casa, quando o fogão a gás
está produzindo uma chama amarela. Isso pode acontecer por dois motivos: ou a entrada de ar não está sendo suficiente para fornecer a quantidade de oxigênio necessária para queimar o butano ou este já acabou e os
gases que estão sendo queimados são os de moléculas maiores que ficam no fundo do botijão. Essa
mistura final, rica em substâncias mais densas, demora mais a escapar e requer maior quantidade de
oxigênio para queimar completamente.
Nessas duas hipóteses, a chama fica amarelada e
o fundo das panelas, preto, devido à fuligem resultante da combustão incompleta.
A chama amarelada no foOutro exemplo de combustão incompleta é o carro mal regulado. A fumaça preta
gão, exemplo de combusque sai de um automóvel desregulado nada mais é do que a fuligem resultante de comtão incompleta, é sinal
bustão incompleta. Fuja dela! A emissão de fuligem na atmosfera é uma das grandes
de alerta: o gás pode estar
responsáveis pelos danos ambientais e problemas respiratórios enfrentados nos granacabando.
des centros urbanos.
Os caminhões e os ônibus são movidos, em geral, pela combustão do óleo diesel. Os motores desses veículos,
quando bem regulados e funcionando a altas temperaturas, fazem com que o combustível seja praticamente todo
queimado, produzindo quase exclusivamente dióxido de carbono e vapor-d’água.
Veículos menores, cujos motores queimam gasolina e álcool, quase não produzem fuligem, mas geram o monóxido de carbono, o que praticamente não ocorre com caminhões e ônibus.
O monóxido de carbono, produzido da combustão incompleta, é um gás incolor, inodoro e possui a propriedade
química de combinar-se com a hemoglobina presente nos glóbulos vermelhos do sangue, prejudicando o transporte
de oxigênio para as células do corpo. Isso acontece porque a hemoglobina, que deveria se combinar com o oxigênio para transportá-lo para as células do corpo, fica comprometida com o monóxido de carbono. Além de provocar
doenças como rinite, bronquite, pneumonia e asma, em altas concentrações essa contaminação pode até matar.
Além do controle da regulagem de motores para que os motores fiquem em condição de fazer a combustão completa, os químicos buscam controlar a eficiência dos combustíveis. Uma das formas é a adoção do índice de octanagem.
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oxigênio
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
Octanagem: um índice para medir a eficiência da gasolina
1
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4
Hely Demutti
5
A fumaça preta que sai
do ônibus, resultado da
combustão incompleta do óleo diesel, é muito
prejudicial à saúde. O que
poderia ser feito para
que veículos mal regulados
não circulassem?
6
7
8
J. Yuji
O melhor aproveitamento da energia liberada em motores a combustão requer o uso
de aditivos, o controle da qualidade de combustíveis e regulagens que proporcionem
misturas em quantidades adequadas. Um bom exemplo está no controle da eficiência da
explosão da gasolina, por meio de um índice que os químicos chamam de octanagem.
Os motores a combustão são desenvolvidos para utilizar quantidades específicas de
mistura de ar-gasolina (gasolina vaporizada e ar) nos cilindros. Explosões sincronizadas
nos pistões produzem movimentos sincronizados que são transferidos para eixos e polias
e, depois, às rodas do automóvel, fazendo o veículo se movimentar.
A gasolina é volátil e, vaporizada na presença de oxigênio, pode explodir. Entretanto,
no motor, essa explosão tem de acontecer no momento adequado, para que ocorra uma
sequência certa nos cilindros e permita produzir o movimento do eixo do motor.
O processo é dinâmico, muito rápido e sincronizado. Desses fatores depende a potência de um motor. Se a mistura de gasolina com ar explodir no momento errado, o motor
não funcionará direito e a potência cairá.
O segredo para o melhor funcionamento está em obter uma mistura de combustível que não seja muito explosiva nem muito resistente à explosão. Para isso, os químicos desenvolveram um índice denominado octanagem. A determinação da octanagem é feita comparando-se a resistência à explosão do combustível em análise com
dois combustíveis puros de referência: o isoctano (daí o nome octanagem), resistente
à explosão e cujo valor é 100; e o heptano, pouco resistente à explosão e que recebe o valor zero.
O octano é um dos constituintes da gasolina que resiste a uma maior compressão,
antes de explodir.
Para a determinação da resistência à explosão, utilizam-se motores de referência que
possuem um só pistão e são resistentes a explosões.
A gasolina é boa quando suporta grande compressão e somente queima quando a
faísca provoca a ignição da mistura ar-combustível.
A octanagem de combustíveis pode ser alterada pela utilização de aditivos. Por muito
tempo foram utilizados como aditivos da gasolina o chumbo tetrametila Pb(C2H5)4 e o chumbo tetraetila Pb(CH3)4. Entretanto, essas substâncias caíram em desuso por causar problemas
ambientais quando lançadas na atmosfera. Os primeiros países a abandoná-las, em 1989,
foram Brasil e Japão.
Como a resistência à detonação do álcool é 1,3 vez maior do que a do octano, a adição dessa substância à gasolina aumenta sua octanagem, melhorando as propriedades
do combustível e evitando o uso de substâncias que contêm chumbo em sua composição.
Esse é mais um dos motivos pelos quais nossa gasolina contém mais de 20% em volume de álcool.
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SEGURANÇA
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Os gases poluentes da combustão
QSS
SO2(g) + 1 O2(g) → SO3(g)
2
SO3(g) + H2O(g) → H2SO4(aq)
O crescente aumento do uso de combustíveis fósseis tem levado a um aumento da concentração de gases de dióxido de enxofre na atmosfera, agravando o problema de chuva ácida.
Hely Demutti
Hely Demutti
Hely Demutti
Ca da c h u m a ç o d e
algodão foi colocado, por
5 minutos, na saída do cano
de escapamento de três
carros, movidos a diferentes
combustíveis: álcool,
gasolina e óleo diesel. Será
que dá para dizer a qual dos
carros corresponde cada
chumaço de algodão?
J. Yuji
TERMOQUÍMICA
Como vimos, a combustão é uma das principais fontes geradoras de energia. Cerca de 90% dos
&
gases liberados na atmosfera, resíduos de atividades humanas, originam-se de reações de combustão
Química e
produzidas, em sua grande maioria, por veículos automotivos e atividades industriais.
Sociedade
A nossa sociedade consome muita energia e, consequentemente, produz enorme quantidade de poluição. A
quantidade de fumaça despejada na atmosfera é tão grande que preocupa a comunidade científica que estuda
o ambiente.
Além de causar danos à saúde humana, esses gases provocam a deterioração de diversos materiais, como couro,
borracha, materiais sintéticos, tecidos, pigmentos, papel, metais, entre outros. Essa deterioração exige manutenção
frequente dos equipamentos, levando muitas vezes à necessidade de conserto e substituição de peças.
Além do dióxido e do monóxido de carbono, outros gases são produzidos na queima de combustíveis fósseis.
O carvão, a gasolina e o óleo diesel, entre outros, são combustíveis fósseis originados da decomposição de organismos vivos. Por isso, possuem em sua constituição pequenas quantidades de substâncias que contêm átomos
de enxofre.
A queima dessas substâncias libera gases que, em contato com o oxigênio do ar e o vapor de água, dão origem
ao ácido sulfúrico, uma das substâncias responsáveis pelas chuvas ácidas.
A reação de formação do ácido sulfúrico pode ser descrita pelas equações:
Qual desses combustíveis é mais poluente?
Outro fator que contribui muito para a poluição do ar é a falta de regulagem dos
motores automotivos. Um motor mal regulado não fornece misturas adequadas de
ar-combustível, favorecendo a combustão incompleta que gera o gás tóxico monóxido
de carbono (CO) e a fuligem (C). Os motores devem ser bem regulados para que produzam menor quantidade de poluentes e consumam menos combustível.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Com relação à quantidade de combustível consumida, vejamos o exemplo da combustão do álcool combustível, cujo
principal constituinte é o etanol. As equações a seguir representam duas possíveis reações de combustão do etanol.
1) C2H5OH(l) + 2O2(g) → 2CO(g) + 3H2O(l)
1
2) C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)
2
Observando as equações, é possível constatar que
a combustão completa (2a equação) consome maior
quantidade de oxigênio do que a combustão incompleta
(1a equação), para uma mesma quantidade de etanol. O gráfico ao lado representa a variação energética de combustão completa e incompleta. A análise dele nos fornece um
bom motivo para que os motores estejam bem regulados.
combustão incompleta
combustão completa
Embora muitos possam imaginar que carvão só serve para fazer churrasco, seu consumo no Brasil é elevado.
Um dos maiores consumidores dessa fonte energética é
Tempo
a siderurgia, que consome, anualmente, cerca de 3,5 miA combustão incompleta
lhões de toneladas de carvão vegetal. O carvão é matéria-prima essencial por ter função
produz gases mais tóxicos e
dupla: como combustível que aquece os altos-fornos e como reagente que consome o
gera menos energia, sendo,
oxigênio do minério (Fe2O3) na produção do metal (Fe).
portanto, desaconselhável em
Além da análise do teor calorífico do carvão, devemos levar em conta seu custo
todos os sentidos.
ambiental e social. Apesar da grande vantagem de ser uma fonte renovável, a existência de carvoarias ilegais estão associadas a diversos problemas: o desmatamento ilegal; o despejo na atmosfera de
grandes quantidades de gases e resíduos tóxicos; as péssimas condições às quais são submetidos os trabalhadores,
chegando ao trabalho escravo; e a prática de trabalho infantil.
Energia
3
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5
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Hely Demutti
DM9DDB/Unicef
8
O carvão vegetal é um combustível barato, abundante e renovável. O processo de obtenção em carvoarias artesanais leva a vários
problemas, como as condições dos trabalhadores que ficam em grande situação de risco.
Infelizmente, o trabalho infantil ainda é uma prática comum
em diversas regiões do Brasil. Trabalhando nas carvoarias, as
crianças deixam de frequentar a escola, se expõem a um enorme risco físico que lhes causa diversos ferimentos, frequentam
ambientes altamente insalubres e não têm tempo para brincar.
Ou seja, são furtadas de seu direito de ser criança.
O controle da combustão incompleta é tão importante que chega a ser política de governo. No Brasil, desde 1993,
há legislação sobre a redução de emissão de poluentes por veículos automotores. Essa lei obriga os fabricantes de automóveis a produzirem veículos que emitam menores quantidades de gases (CO, NOx, hidrocarbonetos e aldeídos) e
material particulado (fuligem). Cabe destacar que essas metas são possíveis somente via investimento em pesquisa e
desenvolvimento de tecnologias. É por isso que os veículos atuais, apesar de utilizarem motores mais potentes, consomem menor quantidade de combustível e poluem menos. Essa diferença tecnológica pode ser comparada por meio de
algumas características de duas gerações de um mesmo veículo, como mostram os dados a seguir.
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SEGURANÇA
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TERMOQUÍMICA
1984
Hely Demutti
Ano
Ano
2012
Combustível
Gasolina
Combustível
Álcool
Peso
801 kg
Peso
1 364 kg
Cilindrada
1 584 cc
Cilindrada
1 984 cc
Aceleração 0-100 km/h
17,16 s
Aceleração 0-100 km/h
Velocidade máxima
Potência
Consumo urbano
7,5 s
Velocidade máxima
135,8 km/h
223 km/h
Potência
57 cv a 4 200 rpm
200 cv a 5 200 rpm
Consumo urbano
6,88 km/L
13,17 km/L
Hely Demutti
Apesar de ser mais pesado, o Novo Fusca é mais potente, veloz e econômico
econômico, além de emitir menos gases poluentes do que o Fusca 1.5 que
o originou, que é 28 anos mais antigo do que ele.
Ocorre que não basta ter legislação para que o desenvolvimento
tecnológico propicie melhores condições ambientais. Por exemplo,
no Brasil foi desenvolvido um programa e uma legislação para melhorar a qualidade do óleo diesel. Apesar disso tudo, os fabricantes
e a Petrobras não investiram o suficiente para alcançar as metas
estabelecidas em 2002, segundo as quais, até 2009, o diesel deveria ter, no máximo, 50 partes de enxofre por milhão (ppm) – o
chamado diesel S-50. As metas não foram cumpridas e, em vez de
penalizar os responsáveis, adiou-se o prazo para atingi-las. Dessa
Não adianta regular os motores a diesel se o combustível
forma, o país continuou a queimar um tipo de óleo diesel que libeusado não for de boa qualidade, pois este lançará na atmosfera
ra na atmosfera muito mais partículas de enxofre do que deveria.
uma grande quantidade de gases de enxofre e de material parResultado, o óleo diesel brasileiro permaneceu por um longo
ticulado. Melhorar a qualidade do diesel brasileiro é uma meta
tempo como um dos piores do mundo, tanto em rendimento
que há muito tempo deveria estar sendo cumprida.
energético quanto em emissão de enxofre. Em termos de produção de monóxido de carbono e de óxido nitroso, o óleo diesel não polui mais do que a gasolina ou o álcool em veículos
bem regulados, todavia, o seu problema está na elevada emissão de material particulado, como a fuligem que se deposita nos pulmões e provoca câncer. Além disso, o óleo diesel gera uma grande quantidade de enxofre que provoca
diversas doenças respiratórias, causando a morte de milhares de pessoas que residem em grandes centros urbanos.
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Debata e entenda
1. Que critérios devemos adotar na seleção de um
6. Do ponto de vista ambiental, qual a vantagem de
combustível?
utilizar o álcool como combustível?
2. De que modo os carros com motores desregulados
7. Cite atitudes que os proprietários de automóveis de-
afetam o ambiente?
vem adotar para diminuir a poluição atmosférica.
3. Como os químicos podem contribuir para a redução
8. Cite duas importantes aplicações do petróleo para a
dos efeitos ambientais da queima de combustíveis?
nossa sociedade.
4. Relacione medidas que poderiam ser adotadas pela po-
9. Quais são os produtos da combustão de
pulação em geral, pelo governo, pelos empresários e
pelos institutos de pesquisa de ciência e tecnologia para
diminuir a poluição atmosférica oriunda dos automóveis.
hidrocarbonetos?
10. Enumere as vantagens e desvantagens do uso dos
seguintes combustíveis: lenha, carvão vegetal, carvão
mineral, gasolina e álcool.
5. Explique como o monóxido de carbono impede o
transporte de oxigênio para as células do corpo.
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Radoslaw Lecyk/Shutterstock
NOVO FUSCA 2.0
FUSCA 1.5
CAPÍTULO
1 TERMOQUÍMICA E CALOR
O
ramo da Física que estuda as relações das transformações com a transferência
de calor é a Termodinâmica,, palavra criada a partir de "termo", que se relaciona a calor, e "dinâmica", que se relaciona a movimento ou mudanças. A área de estudo
da Termodinâmica ampliou-se, englobando os processos físicos relacionados à energia.
Nessa área, foram desenvolvidas leis que permitem prever se determinados sistemas
materiais, como, por exemplo, um novo combustível na presença de faísca em um motor,
poderão ou não reagir. O estudo termodinâmico das transformações químicas é desenvolvido por uma área da Termodinâmica conhecida como Termoquímica.
O estudo da Termoquímica está relacionado aos processos de queima dos combustíveis fósseis que são a principal fonte de energia da sociedade atual. Assim, o estudo deste capítulo vai nos ajudar a compreender o processo de obtenção de energia de reações
químicas. Neste estudo, vamos iniciar discutindo o conceito de calor.
1
2
3
4
5
6
7
Ricardo Azoury/Olhar Imagem
Hely Demutti
8
Salto das Orquídeas, em Sapopema (PR), 2007.
Tiradentes (MG).
A vegetação das florestas constitui um sistema onde solo, energia
solar, água e diversos fatores interagem, mantendo um equilíbrio.
Falta de chuva e altas temperaturas podem provocar desequilíbrios,
secando folhas e partes das árvores e facilitando o aparecimento de
queimadas. Ao serem queimadas, as árvores passam por combustão e transformam-se, gerando o carvão, as cinzas e os gases que
fogem para a atmosfera. Essas transformações são estudadas
pela Termoquímica.
O que é energia? Esse é um conceito complexo. Na busca de máquinas a vapor mais eficientes, no século XVIII, os físicos definiram energia como a capacidade de realizar trabalho. Mais recentemente, considera-se energia aquilo que
deve ser fornecido ou retirado de um sistema – parte do universo
em estudo – para movimentá-lo ou transformá-lo.
Equilíbrio térmico e o princípio zero
da Termodinâmica
Pense
De onde surge a energia da combustão?
Há milênios o fogo é usado tanto para iluminar como para aquecer residências e abrigos. Ele é o resultado da reação química entre diferentes combustíveis e o gás oxigênio.
Muitas pessoas acreditam que a combustão é o fogo observado, por exemplo, na queima da madeira em uma fogueira. No entanto, cientificamente, a combustão é a reação
entre o combustível e o comburente, o oxigênio. O fogo observado é, na verdade, o calor
liberado pela reação. Esse calor liberado pode também ser convertido em outros tipos de
energia, como ocorre, por exemplo, nas usinas termelétricas.
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TABELAS
SEGURANÇA
203
Ronaldo Bernardi/Agência RBS/AE
SPL/Latinstock
TERMOQUÍMICA
Gerson Gerloff/Pulsar Imagem
Há muito tempo o homem
aprendeu a utilizar o fogo
para aquecer-se. Ainda
hoje é comum essa prática
em épocas frias.
A energia liberada durante a combustão está associada à diferença de energia entre
produtos e reagentes e é conhecida como energia química. Dessa forma, podemos
dizer que as transformações químicas estão associadas a processos de transformação de energia. Ou seja, às reações químicas estão associadas duas transformações: a
transformação dos constituintes das substâncias em outras substâncias e a liberação
ou a absorção de energia.
Quando ocorre uma combustão, a temperatura na vizinhança aumenta. Esse aumento significa que houve uma transferência de energia do sistema químico em combustão
para o ambiente. Quando há troca de energia entre sistemas, acompanhada de variação
de temperatura, chamamos essa energia de calor ou energia térmica. Assim, podemos
dizer que na combustão há variação de energia térmica, pois há liberação de calor.
Pense
O que é calor?
Ao receber calor do fogo,
o ferro pode ser moldado com maior facilidade. Após ceder o calor
para o ambiente, volta a
ficar rígido.
O conceito de calor está associado a processos de nosso cotidiano, levando-nos a
diferentes ideias sobre ele. Para chegarmos ao conceito científico de calor, vamos relembrar algumas experiências cotidianas relacionadas a esse conceito.
Quando tocamos um objeto frio de metal, temos sensação térmica maior do que se
tocássemos um objeto de madeira, apesar de os dois estarem à mesma temperatura.
Como isso é possível? Um ferreiro aquece o metal para poder moldá-lo com mais facilidade. Depois, para esfriá-lo, coloca-o dentro da água, que chega a ferver. Em seguida, pode tocá-lo porque estará mais frio, embora a água tenha aquecido um pouco.
Em festas, é comum colocar refrigerantes em caixas de isopor com gelo. O refrigerante
gela e o gelo derrete.
A explicação para esses processos está vinculada a uma constatação básica da
Termodinâmica que ficou conhecida como princípio zero. Esse princípio está baseado no fato de que, quando dois corpos estão em contato, há transferência de calor
de um para o outro, até os dois atingirem um estado de mesma temperatura, chamado equilíbrio térmico.
Assim, podemos dizer que:
O princípio zero da Termodinâmica estabelece que quando dois sistemas são
colocados em contato térmico eles atingem um estado de equilíbrio no qual apresentam
a mesma temperatura.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
O que esse princípio prevê é a transferência térmica entre vizinhanças de um sistema.
Aqui empregamos um termo importante usado no estudo da termodinâmica: sistema,
conceito esse associado a outros termos importantes, como vizinhança e fronteira, os
quais são definidos em Termodinâmica como:
Vizinhança é a região que envolve o sistema.
Fronteira é a região que separa o sistema da vizinhança. Pode ser isolante ou não.
O tipo da fronteira é que determina a relação de troca do sistema com a vizinhança. Se a fronteira permitir a troca de energia e matéria, temos um sistema aberto. Como
exemplo, podemos considerar uma xícara de café. Ela é um sistema aberto que permite
a troca com a vizinhança de calor (esquenta a mão que tocar no fundo da xícara) e matéria (libera vapores-d’água e substâncias voláteis que dão o cheiro agradável de café). Se
a fronteira não permite a troca com a vizinhança nem de energia nem de matéria, temos
um sistema isolado,, como, por exemplo, uma garrafa térmica fechada. Finalmente, se a
fronteira não permite a troca de matéria, mas permite a troca de calor, temos um sistema fechado,, como, por exemplo, uma lata de refrigerante lacrada (conserva o líquido e
os gases no recipiente, mas esfria e esquenta conforme a temperatura de sua vizinhança).
No decorrer de nosso estudo, veremos aplicações desses conceitos.
Para avaliarmos a eficiência dos combustíveis, precisamos medir a variação de calor
associada à queima destes. Para saber como essas medições são feitas, vamos estudar o
conceito de calor.
2
Para que o café não esfrie,
é necessário que seja isolado termicamente. A garrafa térmica possibilita
esse isolamento por causa do dispositivo de vidro
existente em seu interior,
que dificulta a transferência de calor. Já com a temperatura do café na xícara,
sabemos o que acontece...
3
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Hely Demutti
Sistema é a porção do Universo cujas propriedades estão em estudo.
1
O conceito de calor
O corpo humano é dotado de um metabolismo que mantém o organismo em uma
temperatura praticamente constante. Isso ocorre devido a uma série de reações químicas
que ocorrem com as substâncias presentes nos alimentos. Quando esse metabolismo é
alterado, por exemplo, por uma infecção, a temperatura do corpo aumenta.
Quando estamos em uma região fria, a circulação sanguínea na superfície da nossa
pele aumenta para compensar a transferência de calor do nosso corpo para o ambiente,
evitando que a temperatura corporal abaixe. Nessa situação, moléculas de carboidratos
são queimadas, liberando energia em nosso organismo para compensar a energia transferida ao ambiente. Por isso é comum sentirmos mais fome no frio do que no calor.
Já quando estamos em uma região quente, nosso corpo precisa perder energia para
compensar a energia recebida do ambiente. Quando transpiramos, nosso corpo cede calor
para o líquido evaporar e resfria-se. Assim, nossa temperatura corporal diminui.
Por causa das reações internas que liberam energia, nosso organismo geralmente tem
uma temperatura mais elevada que a do ambiente, salvo em ambientes muito quentes.
Conhecendo esse princípio de troca de calor no corpo humano, podemos colaborar
para abaixar a temperatura de uma pessoa que está com febre alta, enquanto um antitérmico ainda não produziu efeito, encaminhando-a para um banho frio ou colocando
uma toalha molhada sobre seu corpo.
Os materiais metálicos e a madeira não possuem metabolismo interno. Por isso, tendem a
ficar em equilíbrio térmico com o ambiente, isto é, apresentam temperatura igual à do ambiente.
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SEGURANÇA
205
Quando seguramos objetos feitos com esses materiais, há troca de energia térmica
entre os corpos até que se estabeleça um equilíbrio térmico. Como os metais são bons
condutores térmicos, a taxa de transferência dessa energia com nosso corpo é muito mais
rápida do que a taxa de transferência com a madeira.
A energia que flui de um corpo mais quente para um corpo mais frio é chamada calor.
Hely Demutti
TERMOQUÍMICA
Pense
Se você colocar uma mão dentro de um
recipiente com água fria e a outra mão em
um recipiente com água quente, e após uns
três minutos colocar as duas mãos ao mesmo tempo dentro de um recipiente com água
na temperatura ambiente, qual será a sensação térmica que você vai sentir em cada
mão? Justifique.
Hely Demutti
Água gelada
gelada.
Muitas pessoas acham
que tomar bebidas frias
em recipientes de alumínio é bom porque ficam
mais frias. Estão enganadas. Embora pareçam mais
frios quando segurados,
esses recipientes têm uma
desvantagem: a bebida
“esquenta” mais depressa.
Água quente.
A sua mão que estava mergulhada na água quente vai transferir calor para a água
que está a uma temperatura menor que ela. Essa saída de calor de sua mão vai provocar
uma sensação de frio. Já a mão que estava mergulhada na água gelada vai receber calor
da água que está a uma temperatura maior do que a sua mão. Essa transferência de calor da água para a sua mão vai lhe provocar a sensação de que ela está ficando quente.
Os termos “quente“, “frio“ e “calor“ têm diferentes significados na ciência e em nosso
dia a dia. “Quente“ pode significar “em temperatura mais elevada” ("o ferro está quente"),
“que transmite calor” ("sol quente") ou “que tem propriedade de conservar calor” (tecido
quente). “Frio“, da mesma forma, pode significar “em temperatura mais baixa” ou “que tem a
propriedade de não conservar calor”. Já “calor“ pode significar “qualidade do que é quente”
("o calor do sol", "o calor da lareira") ou “sensação que se experimenta em ambiente aquecido”.
Por isso, enquanto se diz corriqueiramente que um material de madeira é mais quente do
que o de metal, na linguagem científica se diz que a madeira conserva durante um tempo
maior mais calor do que o metal. Assim, quando você diz que sente mais calor ao tocar um
objeto de madeira do que ao tocar um objeto metálico, na realidade o que você está querendo dizer é que a transferência de energia é mais rápida quando se toca o objeto metálico.
Em Ciência, a linguagem deve ser precisa e os termos devem ter significados claros.
Por isso, no estudo da Termodinâmica, os significados de “frio“ e “quente“ decorrem da
comparação da temperatura de dois ou mais sistemas. A temperatura mais baixa corresponde ao frio e a mais alta, ao quente.
“Calor“ é definido como a transferência de energia térmica entre corpos de temperaturas diferentes. Assim, podemos dizer que em uma noite fria a nossa mão está mais quente
do que o metal e a madeira, e que esses objetos estão à mesma temperatura.
Na linguagem científica, dizemos que, ao segurarmos em uma noite fria um metal e
um pedaço de madeira, o sistema atinge um equilíbrio térmico em que há transferência
de calor da mão para o metal e para a madeira. Dizemos ainda que a madeira é um isolante térmico melhor do que o metal, pois ela não permite transferência de calor muito
rápida com as suas vizinhanças.
Calor (Q) é uma forma de energia que se transfere de um sistema a outro
como resultado da diferença de temperatura entre eles.
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Água na temperatura ambiente.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Se você colocar um objeto dentro de uma geladeira, ele ficará mais frio porque perderá calor para a geladeira.
O calor irá sempre se transferir para o objeto mais frio, ou seja, de menor temperatura, até ser atingido o estado de equilíbrio térmico, no qual ambos têm a mesma temperatura. Em outras palavras, o material mais quente sempre perde calor e esfria, enquanto
o material mais frio sempre recebe calor e esquenta.
De acordo com o Sistema Internacional de Medidas – SI –, a unidade-padrão para medir
energia é o joule, cujo símbolo é J.. Essa unidade é uma homenagem ao engenheiro inglês James Prescott Joule [1818-1889] por ter determinado a relação entre energia e calor.
1
2
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4
Por definição, o joule é 1 J = 1 kg m2/s2
5
Ec =
1
m v2
2
, temos: Ec =
1
⋅ 2 kg (1 m / s
2
)
2
= 1 kg
kg m2 / s 2 = 1 J
A geladeira possui um
motor que retira calor
de seu interior e o libera
para o ambiente. Já viu como
atrás dela o ar fica quente?
Outra unidade comumente empregada para quantificar energia é a caloria, que tem cal
como símbolo. Originalmente, essa unidade foi definida como a quantidade de energia necessária para elevar em 1 °C a temperatura de 1 g de água. Com a adoção do SI, a caloria
passou a ser definida como sendo exatamente:
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Hely Demutti
que corresponde à quantidade de energia cinética presente em um objeto de 2 kg que
se move a 1 m/s. Utilizando a equação que relaciona energia com massa em movimento:
1 cal = 4,184 J
A unidade caloria e seus múltiplos são muito utilizados para expressar o valor energético de alimentos. Entretanto, cuidado para não confundir: a caloria nutricional dos alimentos é grafada Caloria (C maiúsculo), com símbolo Cal, e equivale a 1000 cal, ou 1 kcal.
A Ciência na História
C
omo tudo muda na Ciência, em busca de ideias mais precisas, o significado científico de calor mudou com o tempo. No passado, diversas teorias sobre o calor foram propostas. Em 1770, o cientista francês Joseph Black
[1728-1799] propôs a teoria do calórico, baseada nos seguintes postulados:
1. O calórico é formado por partículas que se repelem mutuamente, mas que
penetram qualquer material.
2. Qualquer material atrai partículas de calórico.
3. O calórico sempre se conserva.
Joseph Black, cientista
4. Embora sempre presente, o calórico pode ou não ser percebido.
francês que propôs a teoria
5. O calórico tem peso.
do calórico.
Essa teoria foi muito aceita na época porque explicava diversos fenômenos
ligados à transferência de calor. Entretanto, no século XIX, começou a ser contestada, sendo definitivamente derrubada pela determinação do equivalente mecânico de calor.
Embora não aceita cientificamente, a ideia de calórico está muito presente em nosso cotidiano. São muito comuns expressões como: “essa blusa é muito quente!” Essa afirmação dá a ideia de que a blusa possui
muito calor. Na verdade, a blusa não é quente, mas impede que o corpo ceda calor para o ambiente frio.
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SPL/Latinstock
C:   
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TABELAS
SEGURANÇA
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2 CALORIMETRIA
J
á vimos que diferentes combustíveis liberam diferentes quantidades de calor.
TERMOQUÍMICA
Pense
Como podemos medir a quantidade de calor liberada por um combustível?
O termômetro clínico apresenta um tubo que possui um estreitamento logo acima do bulbo. Quando você coloca o bulbo na axila ou na boca, o líquido aquecido se expande e passa
além do estreitamento. Você pode ler o termômetro mesmo depois de afastá-lo de seu corpo,
porque o estreitamento dificulta a volta do líquido ao bulbo. Se você agitar o termômetro, o
mercúrio voltará ao bulbo e ele estará pronto para ser usado novamente.
Os termômetros de mercúrio têm sido substituídos por termômetros digitais que facilitam a
leitura da temperatura e evitam a contaminação ambiental pelo mercúrio, que é um metal tóxico.
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TABELAS
Hely Demutti
Hely Demutti
Alguns termômetros
utilizam álcool com
corante vermelho
no lugar do mercúrio.
São os termômetros de álcool.
Hely Demutti
O físico alemão Daniel
Gabriel Fahrenheit
[1686-1736] inventou,
em 1709, o termômetro
de álcool e, em 1714, o
termômetro de mercúrio.
Além disso, propôs, em
1724, uma escala de temperatura que hoje leva o
seu nome.
Termômetro a gás: usado para medir temperaturas
muito baixas. As variações de
pressão indicam as correspondentes variações de temperatura, uma vez que o volume é
mantido constante.
Hely Demutti
Enciclopédia Britânica
A quantidade de calor liberada na combustão pode ser medida por meio da variação
de temperatura determinada em um equipamento chamado de calorímetro, apresentado
no experimento a seguir.
Para essa medida deve-se usar um termômetro adequado. O termômetro é um instrumento dotado de algum dispositivo que mede a variação de temperatura a partir do
comportamento de seu material que varia proporcionalmente com a temperatura. Em
geral, a propriedade adotada é a dilatação de líquidos como o mercúrio e o álcool, mas
existem termômetros que se baseiam na resistência elétrica de metais, que variam com a
temperatura (veja as fotos a seguir).
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Química na escola
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
1
Todos os materiais se aquecem do mesmo modo?
Para estudarmos o comportamento dos materiais em relação à transmissão de calor, usamos um equipamento chamado calorímetro.
Neste experimento, que pode ser demonstrado pelo professor ou realizado por grupos de alunos, será construído um
calorímetro simples, com o qual estudaremos o aquecimento de alguns materiais.
2
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5
Material
• 1 lata de refrigerante vazia
• 2 porta-latas de isopor
(usados para latas de refrigerante)
• 1 termômetro
• 1 abridor de latas
• 1 proveta de 100 mL
(ou vasilha medidora de volume)
6
• 1 estilete
• 1 panela para ferver água
• pedaços de metais
(chumbo, cobre, alumínio etc.) com mesmo
valor de massa (próximo a 50 g)
Materiais encontrados em lojas de ferragens
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8
Procedimento
1. Com um abridor, retire a parte superior da lata
(cuidado para não se machucar).
3. Corte o outro porta-latas 3 cm acima do fundo. Ele servirá de tampa para colocar sobre o
primeiro porta-latas, e nele deverá ser fixado o
termômetro de forma que a boca da lata fique
dois centímetros abaixo da boca do isopor, conforme mostra a foto.
Atenção no momento
de cortar os objetos,
para não haver erros.
Fotos: Hely Demutti
2. Coloque a lata sem tampa dentro de um
porta-latas.
Hely Demutti
Parte A – Construção do calorímetro
4. Importante: antes da leitura de cada medida
de temperatura, espere por 3 minutos para que
o termômetro entre em equilíbrio com o sistema.
Parte B – Usando o calorímetro
1. Com o termômetro, meça a temperatura ambiente (tamb) e anote.
2. Deixe o calorímetro aberto para que fique em equilíbrio com a temperatura ambiente.
3. Ferva meio litro de água em uma panela.
4. Meça cuidadosamente 100 mL da água fervente e determine sua temperatura (t1 água).
5. Meça a temperatura do calorímetro (t1 calorímento) e anote-a, coloque a água quente e feche-o com a tampa contendo o
termômetro.
6. Espere 5 minutos, meça novamente a temperatura (t2 sistema) e anote-a.
7. Repita os procedimentos de 2 a 4, colocando um dos metais dentro do calorímetro antes de colocar a água e fechar.
8. Meça a temperatura do calorímetro contendo o metal (t1 calorímento) e anote-a. Coloque a água, aguarde 5 minutos, meça
a temperatura novamente (t2 sistema) e anote-a.
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TABELAS
SEGURANÇA
209
9. Repita o procedimento anterior com diferentes metais e anote os dados em uma tabela, conforme exemplificado abaixo,
em seu caderno.
TERMOQUÍMICA
CONTEÚDO
DO CALORÍMETRO
TEMPERATURA FINAL TEMPERATURA FINAL
(t1 calorímento)
(t2 sistema)
TEMPERATURA INICIAL (t1 água)
100 g de água
°C
°C
°C
100 g de água + X g de Al
°C
°C
°C
100 g de água + Y g de Cu
°C
°C
°C
100 g de água + Z g de Pb
°C
°C
°C
Destino dos resíduos
Os materiais deste experimento deverão ser guardados para utilização em outras atividades.
Análise de dados
1. Foi observada a mesma variação de temperatura para os diferentes metais?
2. A massa do metal vai alterar o resultado do experimento? Justifique.
Pense
Por que o nosso calorímetro foi revestido com isopor?
Relembrando os conceitos aplicados à Termodinâmica, observe que nesse calorímetro as transformações (química ou física) que
ocorrem no seu interior correspondem ao que chamamos de sistema; a vizinhança, no caso, é a região da sala de aula em que se
encontra o calorímetro; a capa de isopor é a fronteira que separa
o sistema da vizinhança. O calorímetro é um sistema isolado porque a sua fronteira não permite troca de matéria nem de energia.
O princípio do calorímetro para determinação da quantidade de calor liberada pelo sistema baseia-se na Primeira Lei da
Termodinâmica, segundo a qual a energia pode ser convertida
de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída.
Se um sistema não troca energia com o meio, sua quantidade de
energia é constante. Considerando o Universo como um sistema,
pode-se afirmar que sua energia é constante. Por isso, a Primeira
Lei da Termodinâmica é também chamada de Princípio da
Conservação de Energia. Uma forma resumida de enunciá-la é:
J. Yuji
O calorímetro é o equipamento utilizado pelos
químicos para determinar
o calor específico dos materiais e a capacidade calorífica dos corpos, e ainda a energia liberada nas
transformações químicas.
O objetivo do experimento foi construir um calorímetro, aparelho que mede a quantidade de calor absorvida ou liberada em um processo químico ou físico, e comparar a
quantidade de calor, representada pela letra Q, necessária para o aquecimento de objetos dos diferentes metais testados. Quanto maior a quantidade de calor que o material
precisar, menor será a temperatura final do sistema.
termômetro
motor do
agitador
agitador
isolamento
bomba
A energia interna de um sistema isolado é constante.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Capacidade calorífica
SSPL/Getty Images
Enquanto os metais são condutores térmicos melhores do que a madeira, esta absorve mais calor do que os metais. Por outro lado, já vimos
que o potencial calorífico da madeira (lenha) é muito menor do que o
de outros combustíveis. Veja, então, que a capacidade calorífica dos materiais de absorver calor é uma propriedade fundamental no estudo da
Termodinâmica. Por exemplo, já discutimos no capítulo 2 deste volume
que é graças ao calor específico da água que temos vida em nosso planeta, pois o grande volume de água presente na Terra faz com que ocorra
uma menor variação de temperatura em sua superfície. Vejamos o significado desses conceitos.
A capacidade calorífica (C) de um material ou substância é definida como a quantidade de calor que o material ou substância absorve
para aumentar a sua temperatura em um grau Celsius.
1
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Capacidade calorífica (C) é a quantidade de calor
necessária para aumentar a temperatura de um corpo em
um grau Celsius (°C).
A capacidade calorífica (C)) para um corpo de massa fixa é uma grandeza física cuja determinação é dada em função da variação de temperatura a que ele
está submetido. Então, para um corpo, a quantidade de calor (Q) necessária para variar
sua temperatura pode ser dada pela equação:
Q = C · ∆t
A variação da temperatura (∆t) é calculada subtraindo o valor da temperatura inicial
(ti ) do valor da temperatura final (tf ), ou seja:
O postulado da Primeira Lei da Termodinâmica, que se aplica a todos
os processos térmicos,
foi apresentado por
Nicolas Léonard Sadi
Carnot [1796-1832] que,
por isso, é considerado
um de seus fundadores.
∆t = tf – ti
A capacidade calorífica pode ser medida por unidade de massa da substância. Nesse
caso, temos o calor específico do material ou da substância, o qual é uma propriedade
física das substâncias. Calor específico é então assim definido:
O calor específico (c) de um material ou substância é a quantidade
de calor necessária para variar a sua temperatura de 1 g em 1 °C.
Por essa definição, percebe-se que quanto maior for o calor específico do material,
maior será a quantidade de calor necessária para aquecê-lo. Dessa forma, a capacidade
calorífica de um corpo é o produto de sua massa e seu calor específico:
C=m·c
A tabela a seguir apresenta valores de calor específico de algumas substâncias e alguns materiais. Observe que o calor específico dos metais são relativamente baixos, o
que implica que eles aquecem mais rapidamente do que a madeira que tem maior calor específico. Observe, no entanto, que a transferência de calor depende também de
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TABELAS
SEGURANÇA
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outra propriedade: a condutividade térmica dos materiais. Os metais são bons condutores de calor. Outros materiais como, por exemplo, a madeira e o isopor, não são
bons condutores de calor. Comparada à madeira, a condutividade térmica do ferro é
cerca de 500 vezes maior.
TERMOQUÍMICA
CALORES ESPECÍFICOS DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS E MATERIAIS
Substância/material
Calor específico
Alumínio(s)
0,903 J g–1 °C–1
Ferro(s)
0,449 J g–1 °C–1
Cobre(s)
0,385 J g–1 °C–1
Água(l)
4,178 J g–1 °C–1
Etanol(l)
2,419 J g–1 °C–1
Madeira*
1,66 J g–1 °C–1
Chumbo(s)
0,128 J g–1 °C–1
* O calor específico varia para os diferentes tipos de madeira.
Delfim Martins/Pulsar Imagem
Hely Demutti
Seria conveniente substituir
a madeira por metal na
construção de casas em
locais quentes ou frios?
É graças a essa propriedade que podemos entender por que, numa noite fria, é
melhor se sentar em um banco de madeira do que em um de concreto ou ferro. Nas
noites frias, os bancos apresentam baixas temperaturas, em equilíbrio com o ambiente. Quando nos sentamos sobre eles, sendo 36 °C nossa temperatura aproximada,
cederemos calor para o banco. Como o ferro possui maior condutividade térmica, irá
trocar calor mais rapidamente, retirando-o de nosso corpo. Isso nos causará a sensação térmica de frio.
De acordo com dados experimentais, quanto maior o calor específico do material,
maior será a temperatura necessária para aquecê-lo. Consequentemente, mais lentamente ele se resfriará.
Casas de madeira, em Curitiba, Paraná.
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Casas de madeira, em Laranjal do Jari, Amapá.
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TABELAS
SEGURANÇA
Q = m · c · ∆t
CAPÍTULO
A definição de calor específico se originou de estudos termodinâmicos que demons∆t) de um corpo
∆
tram que a quantidade de calor (Q) necessária para variar a temperatura (∆t)
é proporcional ao seu calor especifico (c) e à sua massa (m), sendo representada, matematicamente, pela equação:
1
2
Para que possamos saber quantas calorias um material necessita para variar sua temperatura, medimos a variação de temperatura de outro material colocado em contato com
o primeiro. É o que foi feito no calorímetro. Vamos agora exemplificar alguns cálculos da
quantidade de calor efetuados em processos físicos e químicos.
3
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Cálculo da quantidade de calor de alguns materiais
8
1. Uma amostra de 500 g de água que está na temperatura inicial de 27 °C é aquecida e sua temperatura é elevada para
48,8 °C. Qual a quantidade de calor produzida nesse processo?
Dados: (cágua = 1 cal/g °C).
Considera-se que:
massa da água: m = 500 g;
temperatura inicial do sistema: ti = 27 °C;
temperatura final: t f = 48,8 °C.
Logo, calcula-se a variação de temperatura: ∆t = t f – ti.
∆t = 48,8 °C – 27 °C ( ∆t = 21,8 °C
Considerando que a quantidade de calor necessária para variar a temperatura (∆t) de um corpo é Q = C ( ∆t, calcula-se:
Q = 500 g ⋅ 1 cal/g °C ⋅ 21,8 °C ( Q = 10 900 cal ou 10,9 kcal
2. Um litro de água está a uma temperatura de 25 °C. Ao receber todo calor de uma reação química que libera aproximadamente 30 kcal, qual será a temperatura final da água?
Dados: cágua = 1 cal/g °C;
temperatura inicial do sistema: ti = 25 °C;
temperatura final: tf = ?;
densidade da água: 1 g/cm3;
massa da água: 1 L ( 1000 g;
Q = 30 kcal = 30 000 cal.
Considerando que a quantidade de calor necessária para variar a temperatura (∆t) de um corpo é: Q = m ⋅ c ⋅
∆t, calcula-se
30000 cal = 1000 g ⋅ 1 cal/(g °C) ⋅ (t f – 25 °C) ( 30000 cal = 1000 cal/ °C (t f – 25 °C) (
( 30 000 cal = 1000 cal/ °C tf – 25000 cal ( 1000 tf cal/ °C = 30 000 cal + 25000 cal (
( t f = 55000 °C/1000 ( t f = 55 °C
3. Calcule a variação de calor no processo desenvolvido no calorímetro do experimento anterior. No experimento que realizamos, a água cede calor ao metal estudado. Como conhecemos a massa, o calor específico da água, sua temperatura inicial
(t1 água) e sua temperatura final (t2 sistema), podemos saber quanto ela forneceu de calor ao metal. Entretanto, para que
possamos realizar os cálculos corretamente, é necessário que o sistema não perca calor para o ambiente. Isso pode ser
conseguido isolando-se o sistema termicamente. Nesse caso, a quantidade de calor cedida por um material será igual
à quantidade recebida pelo outro. Por convenção, quando o material cede calor o valor é negativo, fazendo com que a
soma do calor recebido com o calor cedido seja igual a zero.
Qrec + Qced = 0
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TABELAS
SEGURANÇA
213
TERMOQUÍMICA
Na primeira parte do experimento (procedimentos 1 a 4, p. 209), avaliamos a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro. Ela
pode ser calculada por meio da equação anterior:
(mágua ⋅ cágua ⋅ ∆t
∆ água) + (Ccalorímetro ⋅ ∆tcalorímetro) = 0
Lembre-se de que as temperaturas iniciais não são as mesmas (t1água ou t1calorímetro), mas a final, sim (t2 sistema). Para o calorímetro, utilizamos
a capacidade calorífica porque ele é formado por diferentes materiais em diferentes proporções de massa. Quando repetimos o procedimento colocando pedaços de metais, o calor cedido pela água será absorvido pelo calorímetro e pelo metal, segundo a equação:
Qágua + Qcalorímetro + Qmetal = 0
Com essa equação, podemos calcular a quantidade de calor recebida por cada pedaço de metal (t1metal = t1calorímetro), substituindo
a equação de definição de calor por variação de temperatura.
Qmetal = –Qágua – Qcalorímetro
(mmetal ⋅ cmetal ⋅ ∆t
∆ metal) = –(mágua ⋅ cágua ⋅ ∆tágua) – (Ccalorímetro ⋅ ∆tcalorímetro)
Logo, considerando a densidade da água igual a 1 g/mL e seu calor específico 1 cal/g ºC, conhecendo as massas e os valores
iniciais e finais de temperatura, podemos calcular o calor específico de cada metal, da seguinte forma:
cmetal = –(mágua ⋅ cágua ⋅ ∆t
∆ água) – (Ccalorímetro ⋅ ∆tcalorímetro)
(mmetal ⋅ ∆t
∆ metal)
O experimento desenvolvido é uma simplificação do que os químicos fazem em laboratório. Assim, vamos desprezar a
variação do calor do calorímetro. Dessa forma, conclua os cálculos da capacidade calorífica de cada metal com a equação abaixo e depois compare com os valores fornecidos na tabela da página 212. Certamente, seus valores diferem dos
da tabela, pois a Ciência exige um rigor muito maior, somente obtido com equipamentos e técnicas sofisticadas de que
você não dispõe em sua escola.
cmetal = –(mágua ⋅ cágua ⋅ ∆tágua)
(mmetal ⋅ ∆tmetal)
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Em que consiste o processo de combustão?
2. Existe erro na frase: “A combustão é a mesma coisa de
9. Por que sentimos mais fome em dias mais frios do que
em dias de muito calor?
pegar fogo”. Comente.
10. Explique a diferença entre sistema, vizinhança e
3. Cite exemplos de outros tipos de energia envolvidos
fronteira.
nas transformações químicas, além da energia térmica.
11. Qual é a diferença entre sistema isolado, sistema fechado
4. Qual é a diferença entre calor e temperatura?
e sistema aberto? Dê exemplo de cada caso.
5. Explique por que a temperatura é considerada uma pro- 12. Identifique os sistemas em abertos, fechados ou isolados:
priedade intensiva e o calor uma propriedade extensiva.
a) Líquido refrigerante na serpentina da geladeira.
b) Café em uma garrafa térmica.
c) Gasolina queimando em um motor de carro.
6. Quais são os fatores que exercem influência na quantidade de calor de um corpo?
7. Se uma bebida está muito gelada e você deseja tomá-la
13. Explique o que acontece com dois sistemas em tempe-
o mais fria possível, qual seria o copo mais adequado
para servi-la: de vidro ou de alumínio?
raturas diferentes quando são colocados em contato.
8. Existe erro na frase: “Esse casaco de lã é muito quen- 14. Explique por que a Primeira Lei da Termodinâmica é
te?” Explique.
chamada de Princípio da Conservação de Energia.
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TABELAS
SEGURANÇA
comum passar no corpo dela um algodão umedecido
em álcool. Esse procedimento funciona porque:
a) o álcool atua como antisséptico.
b) ao evaporar, o álcool diminui a temperatura.
c) para evaporar, o álcool precisa de energia.
d) ao evaporar, o álcool aumenta a temperatura.
e) a reação do álcool com a pele é exotérmica.
libera 212,8 kcal. A massa de um mol de moléculas de CH4
é igual a 16 g. Qual a capacidade calorífica do metano?
21. Julgue cada item como certo (C) ou errado (E).
16. (UFJF-MG) Alguns alimentos, como por exemplo o chocolate, que tem 5,18 kcal/g, são proibidos em caso de dietas
alimentares para emagrecimento. A corrida, como atividade física, consome cerca de 2600 kJ/h. Assim sendo,
quanto tempo uma pessoa que comeu uma barra de 200 g
de chocolate deve correr para gastar a energia adquirida?
Dado: 1 cal = 4,18 J
a) 45 minutos c) 100 minutos
e) 160 minutos
b) 60 minutos d) 120 minutos
17. Calcule a energia, em joules, necessária para elevar
1 °C da temperatura de 180 g de água.
18. Qual é a quantidade de calor liberada em uma reação
química capaz de aquecer 3 kg de água de 30 °C a 38 °C?
Dado: calor específico da água = 1 cal/g ⋅ °C.
19. Qual é a quantidade de calor envolvida quando 500 g de
água sofrem uma variação de temperatura de 20 °C
até 21,3 °C?
1) Os combustíveis são constituídos, principalmente,
pelos elementos carbono e hidrogênio. Portanto,
a quantidade de calor liberada durante a queima do combustível depende da proporção desses
elementos.
2) Nas reações de combustão, não é possível medir
o calor liberado, o que medimos é o efeito que o
calor liberado causa no ambiente.
3) O poder calorífico de um combustível pode ser expresso como a quantidade de calor liberada por
quilograma de material queimado.
4) A água libera calor ao ser eliminada do organismo
através do suor.
5) O calor indica a forma em que a energia está sendo
retida de um corpo para outro.
6) As geladeiras são máquinas que transferem o calor
de uma temperatura mais alta para o meio externo
utilizando um compressor (motor).
7) Experimentalmente, verifica-se que cada substância necessita de uma quantidade de calor diferente para aumentar em 1 °C a temperatura de uma
unidade de massa.
CAPÍTULO
15. (FURG-RS) Quando uma criança está febril, é prática 20. A 25 °C e 1 atm, a combustão de um mol de metano (CH4)
1
2
3
4
5
6
7
8
3 TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA
N
ossa sociedade necessita de energia em suas diferentes formas; por isso, muitas
vezes precisa converter energia de uma forma em outra. A conversão da energia
é uma das principais buscas da atual sociedade tecnológica, embora essa questão acompanhe a humanidade há milhares de anos.
A conversão de calor em trabalho é de fundamental importância para nossa sociedade. Essa conversão teve grande impulso com a invenção das máquinas a vapor. Elas utilizam a energia química, como a combustão de madeira ou carvão, para produzir calor,
e este é convertido em energia mecânica.
Pense
O que você entende por energia?
Esse é um conceito complexo e abstrato porque é muito abrangente. Um conceito mais
elaborado e completo para energia deveria abranger várias áreas (eletricidade, calor, luz).
Nesse nível de abrangência, avolumam-se as definições e com elas as dificuldades para
encontrar uma definição clara e generalizada.
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SEGURANÇA
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Hans Kwaspen/Shutterstock
ly
De
mu
t ti
TERMOQUÍMICA
He
O termo energia vem do grego enérgeia, que significa “força em ação”. Como
não há apenas uma definição para o conceito físico, podemos considerar, em nosso
estudo, o conceito clássico de que energia é a propriedade de um corpo, substância
ou sistema de realizar trabalho, conforme ela foi definida pelos físicos no século XVIII.
Na definição clássica, considera-se trabalho como sendo uma grandeza física referente ao deslocamento de um corpo. Uma possível simplificação desse conceito para
abranger a variedade de aspectos a ela relacionada talvez possa ser a de considerar
energia como aquilo que deve ser fornecido ou retirado de um sistema – parte do
universo em estudo – para movimentá-lo ou transformá-lo. Assim, de forma simplificada, pode-se dizer que:
Energia é o que permite a um sistema transformar-se ou movimentar-se.
Andrey Rakhmatulli
n/PhotoX press
Diferentes equipamentos
podem transformar energia elétrica em energia
sonora, térmica, luminosa,
cinética e potencial.
E+
Estude mais
Como energia só pode ser convertida em massa, e vice-versa, em situações muito
especiais, pode-se afirmar, de maneira geral, que o Universo é constituído por matéria
e energia. Assim, podemos considerar que nas transformações químicas temos sempre
dois processos associados: a transformação de materiais e a transformação de energia.
Da mesma forma que matéria e energia se conservam no Universo, nas transformações
químicas há conservação de massa.
A partir da Primeira Lei da Termodinâmica, sabe-se que a energia pode ser convertida de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída. A conversão de energia ocorre de várias formas. Quando soltamos uma bola de certa altura,
por exemplo, à medida que ela cai sua energia potencial gravitacional é transformada
em energia cinética.
Outros exemplos: em uma resistência elétrica, parte da energia cinética dos elétrons
em movimento é transformada em energia térmica. Essa, por sua vez, pode ser utilizada para esquentar a água do chuveiro. A energia luminosa absorvida pela clorofila
das plantas é transformada em energia química, que é armazenada nos carboidratos
sintetizados em processos de fotossíntese. A energia das ligações químicas pode ser
transformada em energia elétrica nas reações químicas que ocorrem em pilhas e baterias, processo estudado na eletroquímica. A energia das ligações químicas pode ser
transformada em energia elétrica nas reações químicas que ocorrem em pilhas e baterias, processo estudado na eletroquímica.
O desenvolvimento de equipamentos que convertem a energia associada a movimentos, calor ou luz em outra forma de energia foi uma das grandes revoluções tecnológicas dos últimos séculos. Diversos sistemas foram desenvolvidos para converter a energia potencial das águas ou a energia química dos combustíveis em energia
elétrica. Outros equipamentos foram projetados para converter a energia elétrica em
outras formas de energia.
O princípio geral desses processos de conversão de energia é a produção de trabalho.
A palavra “trabalho“ tem vários significados. Em Física, trabalho é uma grandeza cuja
variação é igual ao produto escalar de uma força pelo vetor deslocamento de seu ponto
de aplicação. Em outras palavras, trabalho é a capacidade de um corpo ser deslocado.
A eletricidade pode ser transformada em trabalho por meio de motores que fazem
girar polias. Estas, por sua vez, transferem movimento para sistemas mecânicos que
põem outros corpos em movimento, como ventiladores, correias, automóveis, aviões,
embarcações etc., produzindo trabalho.
Calor também pode ser transformado em trabalho. Esse é o princípio da máquina
a vapor, que veremos no próximo item.
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SEGURANÇA
CAPÍTULO
A Termodinâmica e os motores
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TABELAS
SEGURANÇA
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3
4
5
6
7
8
A invenção da máquina a
vapor impulsionou o desenvolvimento industrial.
Nesta ilustração, modelo
de carro movido a vapor do século XVIII.
AKG/Latinstock
Antes da invenção da máquina a vapor, a humanidade dispunha apenas da energia fornecida pela natureza, ou seja, energia dos ventos, das águas e de músculos de animais e operários. Com isso, era muito vulnerável aos caprichos da natureza. Afinal, o vento pode cessar,
a energia da água tem de ser utilizada próxima a seu curso, homens e animais adoecem etc.
Após a invenção da máquina a vapor, essa dependência diminuiu. Uma única máquina podia
realizar o trabalho de centenas de cavalos. Com um detalhe: sem precisar parar para descansar.
Essa invenção contribuiu para a expansão da indústria, a partir do século XVIII.
Uma máquina a vapor é formada por cilindros, pistões, bielas, eixos e outras peças que
transformam a expansão do vapor-d’água, aquecida em caldeiras pelo calor da queima do combustível, em energia mecânica. Essa energia mecânica faz girar um eixo que movimenta rodas,
manivelas, polias, hélices ou outros mecanismos necessários para realizar a tarefa desejada.
No século XIX, as máquinas a vapor já eram empregadas industrialmente em larga
escala. Por isso, diversos cientistas, entre os quais o engenheiro francês Nicolas Léonard
Sadi Carnot (1796-1832), buscavam compreender melhor os processos de conversão de
calor em trabalho. Carnot, estudando o funcionamento de máquinas térmicas, demonstrou que, para funcionar, toda máquina necessita de uma fonte quente e de uma fonte
fria, para que haja transporte de uma quantidade de calor da primeira para a segunda.
Por analogia, considerando as diferenças entre os sistemas, pode-se comparar esse tipo
de máquina com um moinho de água, no qual a queda-d’água de um nível para outro
mais baixo gera trabalho. Ou seja, enquanto para uma roda-d’água funcionar é necessário uma queda-d’água, para o funcionamento de um motor a vapor é necessário transferência de calor de uma fonte quente para um reservatório frio.
O trabalho de Carnot e de outros cientistas levou à formulação de princípios e teorias
que regem a Termodinâmica, cujos conhecimentos são amplamente utilizados na produção de motores de combustão interna, usinas hidrelétricas, usinas nucleares, sistemas
de refrigeração, sistemas de aquecimento, sistemas de propulsão para foguetes, mísseis,
aviões, navios, veículos terrestres etc.
O princípio geral do funcionamento de um motor foi derivado do mesmo mecanismo da
máquina a vapor, que é o mesmo princípio de funcionamento do motor dos automóveis. Ele
baseia-se em duas importantes propriedades dos gases: a compressibilidade e a expansibilidade.
O motor mais comum é conhecido como motor de quatro tempos (veja ilustração ao lado). No
primeiro estágio (1), ou tempo, o pistão move-se para baixo e puxa a mistura de combustível e
ar para dentro do cilindro. No segundo (2), a válvula de entrada do ar e combustível é fechada, o
pistão sobe e comprime a mistura. No terceiro (3), uma faísca é emitida por um dispositivo elétrico
e a mistura combustível-ar explode, provocando uma grande expansão dos
gases e empurrando o pistão para baixo. A energia cinética dos gases
em expansão é transmitida para o pistão, que movimenta o eixo do
virabrequim, fazendo o carro movimentar-se. Ou seja, a energia
química proveniente da reação de combustão é transformada
em energia mecânica. No quarto estágio (4), o pistão sobe e
a válvula de exaustão é aberta, permitindo que os gases
provenientes da queima sejam liberados. A partir daí,
recomeçam os estágios.
A revolução das máquinas mudou a vida de
nossa sociedade nos últimos séculos, trazendo
conforto e qualidade de vida. No entanto, com ela
também veio a crise ambiental, sobretudo, em função
da queima de combustíveis fósseis que contribuiu
217
de maneira significativa para o aquecimento global. Isso tudo está relacionado às reações
químicas que liberam calor, como as reações de combustão. Nesse sentido, veremos agora
o estudo da termoquímica, que se concentra na variação de energia nas reações químicas.
TERMOQUÍMICA
1
válvula de
entrada
2
3
4
válvula de
exaustão
cilindro
eixo do
virabrequim
pistão
J. Yuji
Estágios de funcionamento de um motor de combustão
4 CALOR DE REAÇÃO: ENTALPIA
O
s constituintes da matéria são sistemas complexos que envolvem interações entre
átomos decorrentes de forças de repulsão e atração entre núcleos e eletrosferas,
de saltos e decaimentos energéticos de elétrons em diferentes níveis, de rearranjo eletrônico com mudança de comportamento do elétron que passa a ter influência de mais
de um núcleo atômico etc. Esse sistema não permanece imóvel como nos parece quando olhamos os materiais em repouso com o nosso limitado sistema óptico, mas sim em
constante movimento por meio de vibrações contínuas. Em uma transformação química
esse dinâmico sistema é alterado, com formação de novas interações que vão constituir
as estruturas de novas substâncias. Mudando-se o estado de movimento do átomo, consequentemente se altera o seu estado energético. Pode-se dizer, assim, que toda transformação química envolve mudança de energia.
Nesse sentido, os químicos estão interessados não só na composição das substâncias e
de suas alterações nas reações químicas, mas, sobretudo, em sua organização e seu estado
energético. Assim, procuram identificar nas reações químicas a variação de energia que a
elas estão associadas, as quais podem ser medidas no laboratório por meio da variação de
calor. Vejamos então os estudos básicos que os químicos fazem do calor de reação.
Processos exotérmicos e endotérmicos
Pense
Todas as reações químicas liberam energia?
No Universo, os corpos tendem a alcançar estados de menor energia potencial, convertendo a diferença de energia potencial em outras formas de energia. Por isso, objetos caem
quando soltos no espaço (buscam posições de menor energia potencial, transformando-a
em energia cinética), gases se expandem quando liberados (estouro de um balão cheio) etc.
Nas reações químicas, isso também é válido, porém a redução de energia potencial nem
sempre implica liberação de energia térmica. Assim, apesar de muitas reações químicas ocorrerem com liberação de energia térmica, existem várias que ocorrem absorvendo energia térmica.
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
As reações de combustão são exemplos de reações em que há liberação de energia.
Já a eletrólise – decomposição da água, produzindo os gases oxigênio e hidrogênio, substâncias com mais energia potencial do que a água – é um exemplo de reação química em
que há absorção de energia.
Processo exotérmico
(ex(o)-, do grego êxo, "fora, fora de, fora para")
1
Processo endotérmico
(end(o)-, do grefo êndon, "dentro de")
Libera calor para o ambiente.
Transmite sensação de aquecimento.
Absorve calor do ambiente.
Transmite sensação de frio.
Processo exotérmico
2
3
4
Processo endotérmico
5
6
CALOR
sistema
CALOR
vizinhança
sistema
Lembre-se, portanto, de que as reações químicas podem ser acompanhadas de liberação ou
absorção de energia, normalmente ocorrida na forma de calor. Quando há liberação de calor, a
reação é denominada reação exotérmica;; quando a reação absorve calor, recebe o nome de
endotérmica. Observe que o prefixo exo significa “para fora” e o prefixo endo, “para dentro”.
Podemos representar a variação de energia de reações químicas a partir de diagramas
que indicam os níveis de energia de seus reagentes e de seus produtos.
Veja, por exemplo, a reação endotérmica:
vizinhança
7
8
Não só as reações químicas ocorrem com liberação
ou absorção de calor, como
também processos físicos,
como a mudança de estado físico; são classificados
em processos endotérmicos ou exotérmicos.
Energia
J. Yuji
N2(g) + O2(g) ( 2NO(g)
Nesse caso, podemos representar a variação de energia dessa reação da seguinte maneira:
2NO(g)
EP
final
Diagrama de representação
da variação de energia de
uma reação endotérmica.
Observe que a energia dos
reagentes é menor do que a
energia dos produtos.
absorção de energia
ER
N2(g) + O2(g)
início
ER
C(grafite) + O2(g)
início
Diagrama de representação
da variação de energia de
uma reação exotérmica.
Observe que a energia dos
reagentes é maior do que a
energia dos produtos.
liberação de energia
CO2(g)
EP
final
26
OD
ÍNDICE
Ferro
Energia
J. Yuji
Já a reação exotérmica abaixo pode ser representada pelo diagrama logo a seguir:
C(grafite) + O2(g) ( CO2(g)
Fe
2
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TABELAS
SEGURANÇA
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Em síntese:
Nos processos endotérmicos
endotérmicos, o sistema recebe energia da vizinhança.
Nos processos exotérmicos
exotérmicos, o sistema cede energia para a vizinhança.
TERMOQUÍMICA
Por convenção, diz-se que a variação de energia é positiva nos processos endotérmicos e que nos processos exotérmicos a variação de energia é negativa.
Entalpia
A variação de energia em sistemas químicos pode ser medida em calorímetros pela
determinação da quantidade de calor Q liberada ou absorvida durante a realização de
uma reação em sistema fechado, sem variação de pressão. Essa quantidade de calor é
chamada calor de reação.
O calor de reação depende das substâncias envolvidas e é uma importante propriedade
de sistemas químicos. Seu conhecimento nos permite fazer previsões sobre variações de
energia térmica, por exemplo, em reações de combustão.
Em processos químicos a pressão constante, em particular, essa propriedade pode ser
determinada a partir apenas do estado inicial e do estado final. Nesse sentido, o calor de
reação a pressão constante tem um papel fundamental no estudo das variações de energia térmica e foi, assim, definido como uma propriedade do sistema denominada entalpia, representada pela letra H.
Resumidamente, podemos dizer que a variação de entalpia corresponde ao calor liberado ou absorvido por reações químicas realizadas a pressão constante.
Representação gráfica da
diferença dos níveis de
entalpia na reação
de obtenção da água.
A diferença de entalpia
entre reagentes e produtos corresponde ao calor
liberado a pressão constante, que, no caso é
negativa (veja sentido da
seta, para baixo).
H
Hr
Variação de entalpia (∆H) é o calor envolvido nas
reações químicas a pressão constante.
A variação da entalpia de reações químicas é definida como a diferença de entalpia
entre as substâncias formadas (produtos) e as substâncias iniciais (reagentes), sendo representada pela equação:
∆Hreação = Hprodutos – Hreagentes
Com essa equação, podemos calcular os valores
de energia sob a forma de calor, que são absorvidos ou liberados em reações químicas. Em primeira
análise, é possível determinar se a reação absorve
ou libera calor.
Vejamos: quando a entalpia dos produtos for
menor do que a entalpia dos reagentes, o valor
de ∆H será menor que zero. Nesse caso, o sistema cedeu calor à vizinhança, caracterizando uma
reação exotérmica. Isso é o que acontece em reações de obtenção da água, representada no diagrama ao lado.
1
1H2 (g) + O 2 (g)
2
início
Reação exotérmica
Hp < Hr
∆H < 0
Calor liberado para
a vizinhança
Calor liberado = ∆H = –285,8 kJ
1H2O(l)
Hp
OD
ÍNDICE
Ferro
26
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H2 ( g ) +
final
Fe
2
8
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a
1
O ( g ) → H2O(l) ∆H = −285, 8 kJ / mol
2 2
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Quando a entalpia dos produtos for maior do que a entalpia dos reagentes, o valor
H será maior que zero e o sistema receberá calor da vizinhança, caracterizando uma
de ∆H
reação endotérmica. Um exemplo desse caso é a reação de decomposição do óxido de
mercúrio II, representada no diagrama abaixo.
2
H
1
1H2 (l) + O 2 (g)
2
Hp
3
Representação gráfica da
diferença dos níveis de entalpia na reação de decomposição do óxido de
mercúrio II. A diferença
de entalpia entre reagentes
e produtos corresponde ao
calor absorvido na reação
a pressão constante, que no
caso é positivo (veja sentido
da seta, para cima).
final
Calor absorvido = ∆H
H = +90,7 kJ
Hr
1
Reação endotérmica
Hp > Hr
∆H > 0
Calor absorvido
da vizinhança
1H2O(s)
início
4
5
6
7
8
Resumindo:
∆H < 0 # reação exotérmica
∆H > 0 # reação endotérmica
A informação da quantidade de energia que é liberada ou absorvida em reações químicas é de fundamental importância. Por isso, é recomendável que a representação da
equação venha seguida do valor da diferença de entalpia.
Lembre-se de que o valor de variação de entalpia (∆H) depende da reação química e
das condições nas quais ocorre. Por isso, essa grandeza sempre deve estar acompanhada
da equação a que se refere.
Como a variação de entalpia é dada em quilo joule (kJ) por quantidade de matéria (mol), especificada pelos coeficientes estequiométricos da equação química à
qual está vinculada, se houver variação nos coeficientes da equação, o valor de ∆H
varia proporcionalmente.
Lembre-se ainda de que a variação de entalpia depende das condições nas quais a
reação ocorre, como temperatura, pressão e estado de agregação das substâncias. Cada
estado de agregação de uma substância corresponde a um valor maior e/ou menor de
entalpia (o estado sólido é menos energético e o gasoso é mais energético).
Por isso, na equação que representa a reação deve-se especificar essas condições de
cada substância. Normalmente, trabalha-se com valores de pressão igual a 100000 Pa
e temperatura de 25 °C. Como essas são condições-padrão, geralmente elas são omitidas. A equação química com tais valores é chamada equação termoquímica.
Na equação termoquímica é preciso descrever todos os fatores que possam influir no
valor da entalpia. Vejamos o caso da formação da água:
1
O ( g ) → H2O(l)
2 2
H = −285, 5 kJ / mol ( 25 °C
C; 1 atm)
26
OD
ÍNDICE
Ferro
H2 ( g ) +
Fe
2
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2
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TABELAS
SEGURANÇA
221
TERMOQUÍMICA
Veja então que no estudo termoquímico é fundamental descrever com precisão as condições do sistema, ou seja, suas propriedades. Além disso, observar que a quantidade de
calor, expressa pelo ∆H, sempre se refere às quantidades dos reagentes e dos produtos.
O conjunto das propriedades é denominado estado de sistema.
A caracterização do estado de sistema é importante porque, a partir das propriedades
desse sistema, é possível determinar outras propriedades termodinâmicas. As propriedades
que definem o estado do sistema são chamadas variáveis de estado. São exemplos de
variáveis de estado a temperatura e a pressão.
A partir das equações podem ser efetuados cálculos de variação de entalpia de outras
reações químicas. Para esses cálculos, precisamos, todavia, saber qual o valor da entalpia
de formação de cada substância. É o que veremos a seguir.
Entalpia de formação
A quantidade de energia envolvida em uma reação química pode ser determinada ao
se reproduzir essa reação em um calorímetro. Como a quantidade de reações químicas é
infinita, não poderemos realizar todas elas para saber a quantidade de energia envolvida
em cada uma. Para diminuir esse trabalho, os químicos desenvolveram uma metodologia
que permite calcular a variação de entalpia para as reações.
Como a entalpia não pode ser medida para as substâncias, foram definidos e determinados os valores relacionados às quantidades de energia das substâncias quando elas
estiverem envolvidas em transformações químicas e físicas.
Isso levou à definição da entalpia-padrão de formação, representada por ∆H°f (° indica o valor-padrão e o índice f, formação). A entalpia-padrão de formação das substâncias corresponde à entalpia para produzir um mol da substância a partir das substâncias
simples à pressão de 105 Pa (1 atm) em suas formas mais estáveis.
Entalpia-padrão de formação é a entalpia de reação
para a formação de 1 mol de substância, a partir das
substâncias simples mais estáveis, a 105 Pa e a 25 °C.
Vejamos o exemplo do etanol:
Andrei Nekrassov/Shutterstock
2C( s ) + 3H2 ( g ) +
1
O ( g ) → C 2H5OH(l)
2 2
Como se espera, na formação de um mol da substância em questão é comum a utilização
 1
Uma importante aplicação dos calorímetros
está na determinação do
calor de reação de uma
reação química, mas uma
forma usual de determinar
o calor de reação é a partir
de dados experimentais da
entalpia de formação.
de coeficientes fracionários, como no caso do oxigênio   . O carbono considerado é a
 2
grafite, sua forma mais comum.
A segunda definição importante para a realização desses cálculos é considerar a entalpia-padrão das substâncias simples (H°), em suas formas mais comuns, à 298 K, como sendo
igual a zero. Assim, para as substâncias grafite, oxigênio, hidrogênio, cálcio metálico, gás,
cloro etc., considera-se que a entalpia-padrão de formação é igual a zero.
A tabela a seguir apresenta os valores de entalpia-padrão de formação para algumas
substâncias. Esse tipo de dado é importante porque permite calcular valores de entalpia
de diferentes reações, conforme veremos mais adiante.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
222
∆Hof = −277 , 69 kJ / mol ( 298 K , 105 Pa)
Fe
2
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
ENTALPIA-PADRÃO DE FORMAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS A 25 °C
Substância
∆H°f /kJ/mol
Substância
∆H°
H°f /kJ/mol
AgCl(s)
–127,07
Br2(g)
30,91
1
Al2O3(s)
–1 675,7
C(diamante)
1,895
2
Ca(OH)2(s)
–986,09
CCl4(l)
–135,44
CaO(s)
–635,09
CO(g)
–110,53
CaSO4(s)
–1 434,11
CO2(g)
–393,51
CuO(s)
–157,03
H2O(g)
–241,82
Fe2O3(s)
–824,2
H2O(l)
–285,83
Hg(g)
61,32
H2O2(l)
–187,78
KCl(s)
–436,75
H2S(g)
–20,63
NaBr(s)
–361,06
H2SO4(l)
–813,99
NaCl(s)
–411,15
H2SO4(aq)
–887,34
NaOH(s)
–425,61
HBr(g)
–36,40
PbO2(s)
–277,4
HCl(g)
–92,31
PbSO4(s)
–919,94
HF(g)
–271,1
SiO2(s)
–910,94
NH3(g)
–46,11
ZnO(s)
–348,28
NH4Cl(g)
–314,43
O3(g)
142,7
NO(g)
90,25
SO2(g)
–296,83
NO2(g)
33,18
SO3(g)
–395,72
N2O(g)
82,05
3
4
5
6
7
8
Fonte: ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química. Porto Alegre: Bookman, 2001.
Decorou os valores? É claro que não. Não precisa! Essa tabela apresenta dados que
devem ser consultados para a resolução de problemas de interesse químico.
Você deve ter observado que nela não aparecem diversas substâncias simples conhecidas, como o carbono grafite, o oxigênio, o hidrogênio, os metais etc. Essas e outras substâncias simples não estão tabuladas porque têm, por definição, entalpia-padrão de formação igual a zero. Como essa definição só se aplica à forma mais estável, outras formas
de substâncias simples de um mesmo elemento químico apresentam valores diferentes de
zero, como o valor apresentado para o carbono diamante na tabela.
Entalpia de ligação
Pense
Por que o álcool derramado sobre uma mesa não pega fogo?
Na formação de substâncias a partir de outras substâncias simples ou não, há uma ruptura de ligações e formação de outras. Se soubermos a quantidade de energia envolvida em
cada tipo de ligação, podemos facilmente calcular a entalpia de formação das substâncias.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
223
TERMOQUÍMICA
A energia de ligação é definida como a entalpia média, ∆H, necessária para romper
1 mol de ligações covalentes (simples, dupla ou tripla) entre dois átomos, de modo a
obter esses átomos isolados na fase gasosa.
A formação de ligações químicas libera energia (processo exotérmico, portanto
o valor de ∆H é negativo). Consequentemente, no rompimento de ligações químicas há absorção de energia (processo endotérmico, portanto o valor de ∆H é positivo). A tabela abaixo apresenta valores típicos de energia de ligações covalentes
entre dois átomos.
ENERGIA DE LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS
Energia de ligação média
Ligação
Energia/(kJ/mol)
Ligação
Energia/(kJ/mol)
436
281
563
241
431
327
366
345
299
614
413
745
353
804
434
463
139
495
Variação de energia
Fonte: BROWN, T. L.; LeMAY Jr., H. E.; BURSTEN, B. E.; BURDGE, J. R. Química: a ciência central, 9. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.
As ligações covalentes entre dois átomos são fontes energéticas. Elas “retêm” uma
energia potencial química que pode ser liberada na forma de calor. Por isso, os hidrocarbonetos encontrados no petróleo são fontes de energia porque são constituídos por cadeias com ligações covalentes que armazenam energia e a liberam no processo de quebra
das ligações, durante a combustão.
Lembre-se, no entanto, de que numa reação química há formação de novas ligações
nos produtos. Assim, o processo irá liberar energia se as ligações rompidas forem mais
energéticas que as ligações formadas, de modo que a energia liberada no rompimento
das ligações dos reagentes seja maior que a energia consumida na formação dos produtos.
Desse modo, podemos calcular a entalpia de reação desde
Energia das ligações nas moléculas
que todas as substâncias envolvidas estejam no estado gasode CH3I e H2O
so. Considera-se esse estado de agregação porque, nos demais – sólido, líquido – ou em solução aquosa, há que se levar
em conta a energia evolvida nas interações intermoleculares.
∆Hf da reação
Vejamos alguns exemplos:
Energia das ligações nas moléculas
de CH3OH e Hl
224
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
A variação de energia nas reações químicas depende da diferença
entre as ligações químicas rompidas nos reagentes e as ligações químicas
formadas nos produtos.
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
CH3I(g) + H2O(g) ( CH3OH(g) + HI(g)
∆H = ?
Para esse cálculo, utilize a tabela de ENERGIA DE LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS da página anterior.
Nesse caso, teremos a quebra de uma ligação C K I (241 kJ/mol) e de uma ligação H K O (463 kJ/mol), proporcionando a seguinte variação de entalpia dos reagentes (∆H°r ):
∆H°r = H C K I + H H K O
∆H°r = 241 kJ/mol H C K I + 463 kJ/mol H H K O
∆H°r = 704 kJ/mol ligações
Simultaneamente, ocorre a formação de uma ligação C K O (353 kJ/mol) e de uma ligação H K I (299 kJ/mol), proporcionando a seguinte variação de entalpia dos produtos (∆H°p):
∆H°p = H C K O + H H K I
∆H°p = (–353 kJ/mol H C K O) + (–299 kJ/mol H H K I )
∆H°p = –652 kJ/mol ligações
No processo global, a variação de entalpia será dada por:
∆H° = ∆H°r + ∆H°p .
∆H° = 704 kJ/mol ligações + (–652 kJ/mol ligações)
∆H° = 52 kJ/mol ligações
CAPÍTULO
1. Calcule a variação de entalpia da reação abaixo a partir da energia de ligação.
1
2
3
4
5
6
7
8
2. Calcule a variação de entalpia da reação de combustão do butano abaixo a partir da energia de ligação. Utilize os valores da tabela da página 224.
CH3CH2CH2CH3 ( g ) +
13
O ( g ) → 4CO2 ( g ) + 5H2O( g )
2 2
Para calcular a variação de energia para essa reação, calcule o valor das ligações rompidas nos reagentes, em kJ. Temos dez
ligações entre C K H ; logo, romperam-se dez mols dessa ligação. Temos três ligações entre C K C ; logo, romperam-se três
mols dessa ligação. Temos uma ligação entre O
O , mas na reação encontramos 6,5 mol de O2; assim, romperam-se 6,5 mol
dessa ligação. O saldo energético das ligações rompidas (Hr) será igual à soma de todos esses valores.
Agora, iremos calcular o saldo energético nas ligações formadas. Temos duas ligações entre átomos de carbono e oxigênio
C
O, mas na reação encontramos quatro mols de CO2; logo, formaram-se oito mols desta ligação.
Temos duas H K O , mas na reação encontramos cinco mols de H2O; logo, formaram-se dez mols dessa ligação. O saldo
energético das ligações formadas (Hp) será igual à soma desses valores. Basta somar as entalpias do reagente e do produto
para encontrarmos a variação total de entalpia.
Todos esses cálculos podem ser esquematizados da seguinte maneira:
13
∆Hro = 1 mol ⋅ (10HC–H + 3HC–C ) +
mol HO=O
2
13
∆H°r = 10 mol ⋅ 413 kJ/mol + 3 mol ⋅ 345 kJ/mol +
mol ⋅ 495 kJ/mol
2
∆H°r = 4 130 kJ + 1035 kJ + 3 217,5 kJ
∆H°r = 8 382,5 kJ
∆H°p = 4 mol ⋅ 2HC L O + 5 mol ⋅ 2HC K O
∆H°p = 8 mol ⋅ (–745 kJ/mol) + 10 mol ⋅ (–463 kJ/mol)
∆H°p = –5 960 kJ + (–4630 kJ) # ∆H°p = –10 590 kJ
∆H° = ∆H°r + ∆H°p # ∆H° = 8 382,5 kJ + (–10 590 kJ)
∆H° = –2 207,5 kJ/mol
Como o sinal do saldo energético é negativo, a reação analisada é exotérmica, liberando a quantidade de energia indicada acima.
Esses cálculos desenvolvidos são aproximados, porque a energia de ligação entre dois átomos depende também das outras ligações
presentes na molécula. Entretanto, como a variação é muito pequena, os cálculos realizados desse modo fornecem bons resultados.
OD
ÍNDICE
Ferro
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T. PERIÓDICA
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
225
5 LEI DE HESS
TERMOQUÍMICA
C
onhecido o valor da entalpia de formação das substâncias, é possível calcular o valor
da entalpia das reações nas quais essas substâncias estão envolvidas. Quem percebeu e postulou essa possibilidade foi o químico e médico alemão Henri Hess [1802-1850],
que afirmou que a entalpia de uma reação é a diferença entre o somatório das entalpias
de formação de seus produtos e o somatório das entalpias de formação de seus reagentes, nas mesmas condições de temperatura e pressão.
Matematicamente, esse enunciado é representado pela equação:
∆Hreação = ΣHprodutos – ΣHreagentes
Representação gráfica da
entalpia de formação.
H
HP
HR
Isso significa que podemos determinar a variação
de entalpia de uma reação a partir de valores de ensubstância composta
talpia de formação dos reagentes e dos produtos.
Esses são dispostos em tabelas que apresentam valofinal
res obtidos em laboratórios.
O diagrama ao lado representa a entalpia-padrão
∆H de formação
de formação de uma substância.
Outra importante conclusão dos estudos de Hess,
substância simples
derivada da compreensão de que a variação de eninício
talpia corresponde à diferença entre as entalpias de
formação dos produtos e reagentes, é que a variação da entalpia em uma reação independe do caminho percorrido para chegar até
os produtos finais. Nesse sentido, a variação de entalpia é função de estado, ou seja,
que não depende de como a amostra foi preparada. Essa proposição ficou conhecida como Lei de Hess.
A variação de entalpia de uma reação depende
apenas dos estados inicial e final.
O que a Lei de Hess demonstra é que, tanto partindo de uma reação direta como de
uma sequência de reações, a variação de energia é sempre a mesma.
Veja como isso ocorre, analisando esquematicamente o diagrama a seguir.
Observe que a variação de entalpia da reação
é determinada a partir do estado inicial e do estaReagentes:
do final e que esse valor corresponde à diferença
substância composta
entre a variação de entalpia da reação 1 e a variação de entalpia da reação 2. Em outros termos
isso significa que a variação de entalpia final cor∆H
responde ao somatório das entalpias das reações
Produtos:
intermediárias até se chegar ao produto desejasubstância composta
do. Nesse sentido, pode se considerar que a variação de entalpia de uma reação corresponde ao
∆H reação 2
somatório das equações termoquímicas das reações intermediárias, podendo elas ser invertidas,
multiplicadas ou divididas como se fossem equações matemáticas.
A variação de entalpia
da reação é igual à diferença de ∆H1 e ∆H2.
H
HR
∆H reação 1
HP
substância
simples
226
OD
ÍNDICE
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CH4 ( g ) +
1
O (l) → CH3OH
H(l)
2 2
A variação de entalpia dessa reação pode ser obtida a partir de valores de variação de
entalpia de uma série de outras reações que somadas correspondem à equação acima.
Veja como isso pode ocorrer a partir das reações abaixo:
CAPÍTULO
Para melhor entender isso, vamos analisar a variação de entalpia da reação de produção
do metanol, a partir da reação do gás metano, descrita pela equação:
1
2
3
1. CH4 ( g ) + H2O(l)
→ CO( g ) + 3H2 ( g )
∆H° = 206 ,1 kJ / m
mo
oll
o
4
2. 2H2 ( g ) + CO( g )
→ CH3OH(l)
∆H° = − 128 , 3 kkJJ / m
mo
oll
o
3. 2H2 ( g ) + O2 ( g )
→ 2H2O(l)
∆H°
H° = − 428 , 6 kJ / mo
oll
5
A partir dessas equações devemos montar uma série de equações que, somadas, forneçam
 1
a equação desejada. Para isso, como a reação final envolve apenas mol de O2, então, tem-se
 2
6
7
8
que dividir a equação 3 por dois, o que resulta em dividir também o ∆H°
H°2. Assim, teremos:
H°.
1.
CH4 ( g ) + H2O(l)
→
CO( g ) + 3H2 ( g )
∆H1o = 206
206 ,1 kJ / mo
oll
2.
2H2 ( g ) + CO( g )
→
CH3OH(l)
∆H2o = − 12
128
8 , 3 kkJJ / mo
oll
→
H2O(l)
∆H3o = − 214 , 3 kJ / moll
→
CH3OH(l)
o
∆HRF
= − 136 , 5 kJ / mol
1
O (g )
2 2
1
Reação final : CH4 ( g ) + O2 (l)
2
3.
H2 ( g ) +
Observe que ao somar as equações somam-se os coeficientes de substâncias que estão em
mais de uma reação de um mesmo lado da equação (reagentes ou produtos) e subtraem-se os
mesmos que aparecem de um lado e de outro. Assim, o 2H2, reagente da equação 2, soma-se
ao H2, reagente da equação 3, e esse total é cancelado com os 3 mols de H2 que estão do
lado dos produtos na equação 1. Da mesma forma o H2O da equação 1 é cancelado com o
H2O da equação 3 e o CO da equação 1 é cancelado com o CO da equação 2. Veja ainda que:
∆H°RF = ∆H°1 + ∆H°2 + ∆H°3
Existem casos nos quais precisamos inverter uma equação química e fazer com que
produtos tornem-se reagentes, e vice-versa. Se a reação absorve energia em um sentido,
ela liberará se ocorrer no outro sentido. Para manter a coerência, temos de inverter o sinal do valor da entalpia.
Vamos considerar a equação de síntese da água:
H2 ( g ) +
1
O ( g ) → H2O(l)
2 2
∆Hof = − 214 , 3 kJ / mol
Se em um sistema precisarmos produzir 2 mol de oxigênio, podemos obter o valor de
∆H°, invertendo a equação, com inversão do sinal de ∆H°, e multiplicando-se toda a equação por 4 para se ter os 2 mol de O2 desejado. O resultado de ∆H° será:
4H2O(l) ( 4H2(g) + 2O2(g)
∆H° = 857,2 kJ/mol
Utilizando a Lei de Hess, podemos calcular a energia que será liberada em qualquer
reação para a qual tenhamos os valores de entalpia-padrão de formação das substâncias
envolvidas ou de outras reações que, somadas, formem a equação da reação desejada.
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
227
Universidade Química de Tartu, Estônia
TERMOQUÍMICA
A Ciência na História
G H I H
G
ermain Henri Ivanovitch Hess nasceu em Genebra, Suíça, em 1802. Aos três anos,
mudou com seu pai para Moscou, onde viveu toda sua vida. Obteve seu título de
doutor em Medicina e começou a exercer essa profissão. O grande interesse pela Química
e pela Geologia, que sempre o acompanhou, levou-o a visitar o famoso químico sueco Jöns
Jacob Berzelius [1779-1848] em Estocolmo. Essa visita de mais de um mês foi decisiva na
vida de Hess que resolveu, então, dedicar-se completamente à ciência.
Germain Henri Ivanovitch
Em 1830, tornou-se professor de Química da Universidade de São Petersburgo, e em
Hess sempre teve grande
interesse pela Química e
1834 publicou o livro Fundamentos de Química,
Química que foi, por muito tempo, amplamente
pela Geologia. Pioneiro da
utilizado em escolas e universidades russas.
Físico-Química, estudou o
Um dos pioneiros da Físico-Química, estudou o calor produzido em reações químicalor produzido em reações
químicas e seus aspectos
cas e seus aspectos energéticos. Esses estudos o levaram a formular, em 1840, uma lei que
energéticos, formulando a
estabelece que o calor envolvido em uma reação só depende de seus estados inicial e final
lei que estabelece que o cae que ficou conhecida como Lei de Hess.
lor envolvido em uma reação só depende de seus esDevido a seu interesse pela Geologia, realizou importantes estudos sobre jazidas de
tados inicial e final.
diferentes minerais e de gás natural na região do mar Cáspio.
Ainda como professor da Universidade de São Petersburgo, faleceu em 1850, aos 48 anos, tendo contribuído
bastante para o desenvolvimento de diversas áreas da ciência e, em especial, da Química.
6 ESPONTANEIDADE DAS
TRANSFORMAÇÕES: ENTROPIA
Pense
Uma xícara de café deixada sobre a mesa pode absorver calor do ambiente e esquentar-se?
D
e acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a quantidade total de energia do
Universo é constante. Transformações podem fazer com que a energia do sistema
seja absorvida ou liberada para o sistema. Assim, uma xícara de café pode liberar energia
na forma de calor para o ambiente. Embora a energia total continue a mesma, a xícara
estará mais fria e o ambiente mais quente.
Vamos agora imaginar um experimento hipotético. Temos uma caixa de isopor (mal condutor de
O que acontecerá após escalor) com as seguintes dimensões internas: 5 cm de
ses dois recipientes serem co90 °C
largura, 10 cm de comprimento e 8 cm de altura.
locados na caixa de isopor?
Temos também dois recipientes de alumínio (bom
condutor de calor), com as seguintes dimensões externas: 5 cm de largura, 5 cm de comprimento e
10 °C
Se uma caixa de alumínio con8 cm de altura. Assim, cabem exatamente dois retém água a 90 °C e a outra, a mescipientes de alumínio na caixa de isopor.
ma quantidade de água, mas em
Um dos recipientes de alumínio contém água à
temperatura a 10 °C, o que acontetemperatura de 90 °C e o outro contém quantidade
cerá com o passar do tempo?
igual de água à temperatura de 10 °C.
J. Yuji
Pense
228
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
CAPÍTULO
Fácil, não? Haverá troca de calor entre os dois recipientes e, depois de estabelecido o
equilíbrio, os dois atingirão uma temperatura comum igual a 50 °C.
Agora, imagine a situação inversa.
Pense
1
2
J. Yuji
Será que se colocarmos nesses dois recipientes
de alumínio igual quantidade de água à mesma
temperatura, depois de determinado tempo um
poderá estar mais quente do que o outro?
3
50 °C 50 °C
4
5
Se as duas caixas de alumínio contêm a mesma quantidade de água a 50 °C, o que acontecerá
com o passar do tempo?
6
7
8
Diversos fenômenos acontecem naturalmente em um sentido, mas não acontecem no
sentido contrário, em alguns casos mesmo que seja fornecida a energia necessária.
Cacos de um copo jogados para cima não formam o copo novamente. Iluminar uma
lanterna não recarrega suas pilhas. A água não recristaliza formando cubos de gelo em um
copo de suco deixado sobre a mesa. Esses processos que não retornam ao estado inicial
sem que haja uma ação externa são chamados de irreversíveis. Entretanto, tais processos poderiam ocorrer no sentido inverso sem contrariar a Primeira Lei da Termodinâmica.
Se os dois recipientes de alumínio apresentando a mesma temperatura fossem colocados em contato e um aumentasse sua temperatura, enquanto o outro diminuísse na mesma
proporção, ainda assim haveria conservação de energia.
É a Segunda Lei da Termodinâmica que irá justificar o sentido único de transferência
de calor, ou seja, a espontaneidade dos fenômenos. Chamamos de processo espontâneo
àquele que ocorre sem a necessidade de uma ação externa. Uma das formas de se enunciar essa lei foi apresentada pelo físico alemão Rudolf Julius Emanuel Clausius [1822-1888]:
É impossível haver transferência espontânea de
calor de um objeto frio para outro mais quente.
A condição de ser espontânea é fundamental nessa definição, pois fenômenos a princípio irreversíveis ocorrem devido à realização de trabalho externo. É o que acontece, por
exemplo, com as geladeiras. Nelas, o calor é retirado do interior frio e transferido para o
exterior mais quente, só que consumindo energia.
Ricardo Azoury/Olhar Imagem
Pense
Como podemos saber se uma reação química ou outro fenômeno
ocorre espontaneamente ou não?
A chuva, a queda-d’água numa cachoeira, a queda de uma pedra morro
abaixo e outros eventos naturais comuns possuem uma característica comum:
são irreversíveis e estão de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica.
A queda-d’água em uma barragem é um processo espontâneo que transforma a energia
cinética de sua queda em energia elétrica, ao girar os geradores elétricos da usina. O que
não é espontâneo é a água retornar sozinha para o alto da barragem. Para isso, seria necessária uma ação externa, de uma bomba-d’água, por exemplo.
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TABELAS
SEGURANÇA
229
Hely Demutti
Para esses sistemas conhecidos é fácil saber em que sentido irão ocorrer.
Todos sabemos que um copo de vidro pode quebrar ao cair, espalhando cacos por todos os lados. Sabemos também que o copo não será recuperado se
os cacos forem jogados para cima.
TERMOQUÍMICA
Pense
O que é necessário para diminuir a desordem de um ambiente?
A queda de um copo
de vidro, espatifando-se
em cacos, é um exemplo
de processo irreversível.
Seria bom se não fosse,
pois assim teríamos o copo de volta.
A variação da desordem de um sistema tem a ver com a espontaneidade de processos
físicos. Para prever a espontaneidade de diferentes transformações, químicos e físicos definiram uma grandeza denominada entropia (do grego, en = “em”, e tropee = “mudança”),
que é representada por S.
Uma definição possível seria:
Entropia é a medida da desordem do sistema.
O conceito de entropia foi usado pela primeira vez em 1850, pelo físico alemão Rudolf Julius
Clausius [1822-1888], para referir-se à dissipação da energia. De acordo com seu enunciado,
espontaneamente o calor só pode passar de um corpo para outro de menor temperatura.
O matemático e físico britânico lorde Kelvin William Thomson [1824-1907], estudando máquinas térmicas, postulou que seria impossível construir uma máquina térmica que
extraísse calor de uma fonte e o transformasse integralmente em trabalho. Desse postulado, surgiu a Segunda Lei da Termodinâmica. Ela fixa os limites naturais da possibilidade
de se converter calor em trabalho e define que:
Uma mudança espontânea é acompanhada por um
aumento da entropia total do sistema e de sua vizinhança.
Em outras palavras, isso significa que em qualquer processo natural a entropia do Universo
ou de um sistema em estudo sempre aumenta. A entropia, assim como a entalpia, é uma
propriedade que depende dos estados inicial e final.
Como em todos os processos há aumento de entropia, devemos ter claro que esse
aumento pode nos custar caro. Análises imediatas podem não demonstrar um aumento
de entropia que só será percebido se analisarmos melhor o processo.
As crises de energia pelas quais passam as sociedades estão relacionadas ao aumento de demanda e à degradação das condições ambientais da Terra, causando um aumento na entropia do planeta. Com a crescente necessidade de energia, podemos levar
o planeta – nosso sistema – a uma entropia tão grande que inviabilize a vida.
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. As reações químicas podem ocorrer com absorção ou
a) apenas um erro, porque a água não funde.
b) apenas um erro, porque a reação química é endotérmica.
c) apenas um erro, porque não se trata de reação química, mas de processo físico.
d) dois erros, porque não se trata de reação química
nem o processo físico é exotérmico.
e) três erros, porque a água não sofre fusão, não ocorre
reação química e o processo físico é endotérmico.
liberação de energia. Qual é o sinal algébrico da variação
de entalpia nessas reações?
2. Por que é importante indicar o estado físico de todas as
substâncias ao escrevermos as equações termoquímicas?
3. (FMU-SP) Em um texto encontramos a seguinte frase:
"Quando a água funde, ocorre uma reação exotérmica".
Na frase há:
230
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GLOSSÁRIO
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TABELAS
SEGURANÇA
Entalpia
em dias quentes, sente-se uma sensação de frio. Esse
fenômeno está relacionado com a evaporação da água
que, no caso, está em contato com o corpo humano.
Essa sensação de frio explica-se corretamente pelo fato
de que a evaporação da água:
a) é um processo endotérmico e cede calor ao corpo.
b) é um processo endotérmico e retira calor do corpo.
c) é um processo exotérmico e cede calor ao corpo.
d) é um processo exotérmico e retira calor do corpo.
3
4
do ClF(g) e determine a entalpia de formação do ClF(g).
5
Entalpia
Cl(g) + F(g)
6
∆H1 = +47,3 kcal/mol
1
1
Cl (g) + F2(g)
2 2
2
7
8
∆H2 = 13,3 kcal/mol
CIF(g)
14. Compare o resultado da atividade acima com o exercício
resolvido da página 224 sobre a variação energética
da combustão do butano, principal componente do
gás de cozinha. Qual combustível cozinha mais rápido
o alimento: o álcool ou o gás de cozinha? Por quê?
15. A partir dos dados de entalpia de formação e energia
de ligação fornecidos no texto, escreva as equações
termoquímicas que definem as entalpias de:
a) combustão do acetileno (C2H2(g))
∆H = –1 298,3 kJ.
∆H = –45,9 kJ.
b) formação do NH3(g)
c) energia de ligação do O2(g) ∆H = 497,8 kJ.
8. Represente graficamente a entalpia da seguinte reação:
A + B ( C + D ∆H = –10,2 kJ
9. Considere as reações abaixo e indique qual(is) representa(m) entalpias de formação.
a) S(rômbico) + O2(g) ( SO2(g).
b) C(diamante) + O2(g) ( CO2(g).
16. Utilizando os dados fornecidos na tabela abaixo, calcule a energia envolvida na reação representada e
expresse o resultado em kcal/mol de HI.
2HI(g) + Cl2(g) ( I2(g) + 2HCl(g)
c) 2S(rômbico) + 2O2(g) ( 2SO2(g).
10. Considere as entalpias-padrão de formação de
cada substância C2H5OH(l) ∆H = –277,5 kJ/mol;
CO2(g) ∆H = –393,3 kJ/mol e H2O(l) ∆H = –285,5 kJ/mol
e determine a variação de entalpia para a seguinte reação:
C2H5OH(l) + 3O2(g) ( 2CO2(g) + 3H2O(l)
Tipo de ligação
Energia de ligação (em kcal/mol)
S(rômbico) + O2(g) ( SO2(g)
S(monoclínico) + O2(g) ( SO2(g)
combustão do carbono diamante como mostra a equação: C(diamante) + O2(g) ( CO2(g).
Ferro
26
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
58
36
∆H° = –296,06 kJ
∆H° = –296,36 kJ
18. (UFSC) Dadas as equações:
12. De acordo com o gráfico a seguir, calcule o calor de
Fe
71
Calcule a variação de entalpia para a reação:
S(rômbico) ( S(monoclínico)
mol, NO(g) = +21,6 kcal/mol e H2O(g) = –57,8 kcal/mol,
determine a entalpia da reação:
5
O (g) → 2NO(g) + 3H2 O( g)
2 2
103
17. A partir dos dados fornecidos
11. A partir das entalpias de formação de NH3(g) = –11,0 kcal/
ÍNDICE
2
13. Analise o gráfico a seguir, escreva a equação de formação
reação é endotérmica ou exotérmica?
OD
1
CO2(g)
7. O calor envolvido em uma reação foi de –20 kJ. Essa
2NH3 (g) +
∆H1 = +0,45 kcal/mol
∆H2 = –94,1 kcal/mol
6. Considere o processo:
C(grafite) ( C(diamante) ∆H = +1,8 kJ,
calcule a entalpia padrão de formação do diamante.
C(diamante) + O2(g)
C(grafite) + O2(g)
5. (UFBA) Em relação aos aspectos energéticos envolvidos
nas transformações químicas, pode-se afirmar:
a) a queima da parafina de uma vela exemplifica um
processo endotérmico.
b) a vaporização da água de uma piscina pela ação
da luz solar exemplifica um processo endotérmico.
c) a combustão do álcool hidratado em motores de
automóveis exemplifica um processo endotérmico.
d) a formação de um iceberg a partir da água do mar
exemplifica um processo endotérmico.
e) o valor de ∆H
H de uma transformação depende exclusivamente do estado físico dos reagentes.
CAPÍTULO
4. (UFMG) Ao se sair molhado em local aberto, mesmo
a
1
I — H2 ( g) + O2 ( g) → H2O(l) ∆H = − 68, 3 kcal / mol
2
1
II — H2 (g) + O2 (g) → H2O( v ) ∆H = − 57, 8 kcal / mol
2
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
231
TERMOQUÍMICA
A variação de entalpia para o processo
H2O(v) ( H2O(l) é:
a) –126,1 kcal/mol e o processo é exotérmico.
b) +10,5 kcal/mol e o processo é endotérmico.
c) +126,1 kcal/mol e o processo é endotérmico.
d) –10,5 kcal/mol e o processo é exotérmico.
e) –10,5 kcal/mol e o processo é endotérmico.
22. (FEI-SP) São dadas as seguintes variações de entalpia
de combustão.
C( s ) + O2 ( g) → CO2 (g) ∆H = − 94, 0 kcal
1
H2 ( g) + O2 ( g) → H2O(l) ∆H = − 68, 0 kcal
2
CH4 ( g) + 2O2 ( g) → CO2 ( g) + 2H2O(l) ∆H = − 212,0 kcal
19. (Fatec-SP) Considere as afirmações a seguir, segundo
Considerando a formação do metano, segundo a equação
C(s) + 2H2(g) → CH4(g)
A quantidade de quilocalorias, em valor absoluto, envolvida na formação de 1 mol de metano, é:
a) 442. b) 50. c) 18. d) 254. e) 348.
a Lei de Hess.
I – O calor de reação (∆H) depende apenas dos estados inicial e final do processo.
II – As equações termoquímicas podem ser somadas
como se fossem equações matemáticas.
III – Podemos inverter uma equação termoquímica desde que se inverta o sinal de ∆H.
IV – Se o estado final do processo for alcançado por vários
caminhos, o valor de ∆H dependerá dos estados intermediários através dos quais o sistema pode passar.
Conclui-se que:
a) as afirmações I e II são verdadeiras.
b) as afirmações II e III são verdadeiras.
c) as afirmações I, II e III são verdadeiras.
d) todas são verdadeiras.
e) todas são falsas.
23. (Puccamp-SP) O acetileno (C2H2) usado nos maçaricos
de “solda a oxigênio” queima conforme a equação:
C2H2(g) + 2,5O2(g) → 2CO2(g) + H2O(l)
Dados:
2C(s) + H2(g) → C2H2(g) ∆H = +54,2 kcal/mol
H2(g) + 0,5O2(g) → H2O(l) ∆H = – 68,3 kcal/mol
C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆H = – 94,1 kcal/mol
A diferença de entalpia para a combustão completa do
acetileno será:
a) –188,2 kcal/mol
b) – 330 kcal/mol
c) –310,7 kcal/mol
d) – 376,4 kcal/mol
e) –115 kcal/mol
20. A síntese do metano (CH4 ) pode ser representada
pela equação: C(grafite) + 2H2(g) → CH4 (g). As reações
envolvidas nesse processo estão representadas da
seguinte forma:
a) C(grafite) + O2(g) → CO2(g) ∆H° = –393,5 kJ
b) 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ∆H° = –571,6 kJ
c) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ∆H° = –890,4 kJ
24. O que é entropia?
Calcule o ∆H°f (CH4).
26. Analise cada sistema abaixo e responda se a entropia
25. Qual é o melhor critério para verificar a espontaneidade
ou não de um processo químico?
aumenta ou diminui durante cada um dos processos.
Explique o seu raciocínio.
21. (UFMS) Calcule a entalpia, ∆H, em kcal/mol, da reação
a)
N2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g)
CO2(g) → C(grafite sólido) + O2(g)
b) CO2(s) → CO2(g)
nas condições ambientais (25 °C e 1 atm), sabendo-se
c) Resfriamento da água de 50 °C a 4 °C.
que:
27. Julgue cada item como certo (C) ou errado (E).
a) A formação de gotas de água em uma nuvem ocorre
7
I — C2H6 ( g) + O2 ( g) → 2CO2 ( g) + 3H2O(l)
com aumento de entropia.
2
b) A dissolução de açúcar em água ocorre com au∆H° = − 372,7 kcal / mol
mento de entropia.
c)
A vaporização do álcool no carburador do carro se
II — 2C( grafite sólido ) + 3H2 ( g) → C2H6 (g)
dá com diminuição de entropia.
∆H° = − 20, 2 kcal / mol
d) Ao bombearmos ar para encher um pneu, ocorre
diminuição na entropia.
1
III — H2 (g) + O2 (g) → H2O(l) ∆H° = − 68, 3 kcal / mol
e) Na transformação de Br2(l) + Cl2(g) → 2BrCl(g)
2
ocorre aumento de entropia.
232
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
E
GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
Termoquímica e calor
Exercícios de revisão
b Pode-se observar diariamente que as reações químicas provocam variação de energia, como a combustão do carvão, o funcionamento de uma pilha etc. A Termoquímica é a área da Química que estuda as quantidades de calor liberadas ou absorvidas durante as reações químicas.
Equilíbrio térmico e o princípio zero da Termodinâmica
b Calor é uma forma de energia que se transfere de um sistema a outro como resultado de uma diferença de temperatura entre os dois sistemas. A unidade-padrão para medir energia é o joule (j). Outra
unidade utilizada é a caloria (cal), que equivale a 4,184 J.
b O princípio zero da Termodinâmica estabelece que quando dois sistemas são colocados em contato
térmico eles atingem um estado de equilíbrio, no qual terão a mesma temperatura.
CAPÍTULO
ER
1
2
3
4
5
6
7
8
Calorimetria
b A quantidade de calor de uma reação pode ser medida em um calorímetro, por meio da variação de
temperatura. O princípio do calorímetro baseia-se na Primeira Lei da Termodinâmica, segundo a qual
a energia pode ser convertida de uma forma em outra, mas não pode ser criada nem destruída.
Capacidade calorífera
b A capacidade calorífera de um corpo é quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura de
um grau Celsius (°C). O calor específico de um material ou substância e sua capacidade calorífica por grama.
b Quanto maior o calor específico de um material, maior será a quantidade de calor necessária para aquecê-lo.
Calor de reação: entalpia
b As reações químicas podem ser classificadas quanto à variação de energia em endotérmicas e exotérmicas. As reações endotérmicas são aquelas que absorvem energia. As reações exotérmicas são as
que liberam energia.
b A variação de entalpia de uma reação (∆H) é a medida da quantidade de calor liberado ou absorvido
quando esta ocorre a pressão constante.
b A variação de entalpia de uma reação pode ser obtida pela diferença entre a entalpia padrão de formação dos produtos e reagentes (∆Hreação = Hprodutos – Hreagentes).
Lei de Hess
b No cálculo do calor da reação aplica-se a Lei de Hess: o calor liberado ou absorvido em uma reação
química é o mesmo, caso a reação se processe diretamente ou em etapas.
Espontaneidade das transformações: entropia
b Um processo espontâneo é aquele que ocorre sem a necessidade de uma ação externa.
b A desordem de um sistema tem a ver com a espontaneidade de processos físicos. A entropia é a medida da desordem do sistema.
b Uma mudança espontânea é acompanhada por um aumento da entropia total do sistema e de
sua vizinhança.
OD
ÍNDICE
Ferro
26
Fe
2
8
14
2
55,8
T. PERIÓDICA
a
B
c D
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GLOSSÁRIO
!
TABELAS
SEGURANÇA
233
C apít ulo 7
TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS
CINÉTICA
QUÍMICA
Como controlamos as reações químicas?
Quais são as fontes de energia disponíveis?
Tema em foco
FONTES DE ENERGIA
Quando a humanidade descobriu como produzir o fogo para se aquecer e preparar seus alimentos, estava dando
um grande salto para o desenvolvimento da sociedade que hoje conhecemos. No entanto, iniciava com isso uma trilha sem volta. Parece-nos impossível retroceder e voltar a viver sem a tecnologia que tanto gera e consome energia.
Imaginar uma grande cidade sem energia elétrica e sem combustíveis nos evoca a ideia de caos.
Nesse contexto, o grande problema que enfrentamos é o fato de a principal fonte de energia em todo o mundo
ser o petróleo, recurso que vem se esgotando.
As necessidades energéticas de um país são diretamente proporcionais ao seu grau de industrialização. Assim,
sociedades altamente industrializadas são grandes consumidoras de energia. Esse alto consumo exige também a utilização de variadas fontes, renováveis ou não.
A necessidade de buscar novas fontes de energia justifica-se não só pelo risco de colapsos, causados pela falta de energia, aos quais estamos sujeitos, mas, principalmente, pelos problemas ambientais advindos de diversas fontes de energia.
Diante do quadro de esgotamento dos combustíveis fósseis e, sobretudo, dos problemas ambientais enfrentados em decorrência de sua combustão, na atualidade, surge a necessidade do desenvolvimento de tecnologias que
possam explorar com mais eficiência fontes de energias renováveis. Assim, certamente, no fim do século XXI não
teremos uma única fonte de energia predominante, como ocorreu no século XIX com o carvão e no século XX com
o petróleo. Espera-se, para essa época, a coexistência de variadas fontes de energia, renováveis e pouco poluidoras.
O modo como a sociedade organizou sua produção industrial e agrícola interferiu no modelo de organização e
produção de energia. A utilização de energia baseia-se na organização da economia, mas isso nem sempre é coerente. Vejamos o caso do uso do petróleo como fonte de energia e a atual crise.
O petróleo não é somente uma fonte (esgotável) de energia, mas principalmente uma importante fonte de matéria-prima. Entretanto, seu consumo como combustível, embora cause muita poluição, é
bem maior que sua utilização como matéria-prima para milhares de produtos industrializados.
H el
yD
em
ut t
i
Um parque de diversões não funciona sem
energia: tudo fica parado. Faça um exercício de
imaginação e proponha mundos com energia em
diferentes intensidades, do zero até uma situação
na qual a energia esteja disponível como o ar.
234
CAPÍTULO
Desse ponto de vista, nossa sociedade vem cometendo um grande erro ao queimar, de forma compulsiva, um
material tão versátil e esgotável. Como seremos avaliados pelas futuras gerações quando essa matéria-prima faltar?
Dessas observações nasce um novo paradigma: a economia de energia em cada residência não é algo desprezível,
como uma gota de água em um oceano. A soma de todas essas gotas é que faz a diferença. Para isso, é necessário
que todos colaborem.
Por outro lado, mesmo reduzindo drasticamente nosso consumo de energia elétrica, não temos como abrir mão
de seu uso. Isso leva a outra necessidade: desenvolver e aprimorar fontes de energia que possam fazer funcionar nossas máquinas, prejudicando o menos possível o ambiente. Para isso, neste capítulo vamos analisar fontes de energia
de potencial químico, que possui fonte na agregação das moléculas. Já estudamos no capítulo 3 duas dessas fontes:
o petróleo, fonte fóssil, e o álcool, biomassa. Veja, agora, outras dessas fontes, começando com o carvão que pode
ter origem da biomassa ou de minerais fósseis.
1
2
3
4
5
6
Carvão: vegetal e mineral
7
COMPOSIÇÃO DAS FRAÇÕES DA DESTILAÇÃO SECA DA MADEIRA
Fração
Produtos
Utilização
Metano, eteno, monóxido de carbono,
dióxido de carbono, vapor de água,
óleo essencial (baixa densidade).
Fabricação de aguardente.
2 Fração
(líquida)
Água, ácido acético (6 a 10%),
acetona (0,5 a 1%), metanol (2 a
3%), óleo (alta densidade), alcatrão
de madeira.
Obtenção de metanol (álcool de
madeira). O alcatrão é constituído por
uma mistura de substâncias aromáticas,
sendo utilizado na preparação de
antissépticos e desinfetantes.
3a Fração
(sólida)
Carvão vegetal.
Preparação de certos tipos de aço.
1a Fração
(gasosa)
a
8
kino.com
A madeira é formada por uma grande variedade de substâncias orgânicas constituídas por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, entre outros. Em 100 gramas de madeira temos, aproximadamente, 52 gramas
de carbono, 41 gramas de oxigênio, 6 gramas de hidrogênio, além de uma pequena quantidade de átomos de outros
elementos químicos. A umidade pode ser de 20% a 50% da massa da madeira. As principais substâncias constituintes
da madeira são a celulose – (C6H10O5)n – e as ligninas – (C9H12)n. Estão também presentes, em menores quantidades,
óleos, resinas, taninos, gorduras, corantes, glicídios, substâncias minerais etc.
Quando uma madeira é queimada, as substâncias mais
voláteis são as primeiras a reagir com o oxigênio, produzindo
Município de Turmalina, Vale do Jequitinhonha (MG), 2007.
chamas altas e coloridas. Nos fornos para produção de carvão,
propositalmente, a quantidade de oxigênio não é suficiente
para queimar toda a madeira ali colocada. Dessa forma, ocorre
uma combustão incompleta, produzindo como resíduo o carvão vegetal, constituído basicamente por átomos de carbono.
Além do carvão, outras substâncias são obtidas na queima
da madeira. Por meio da destilação seca, processo que consiste na condensação de gases provenientes dessa queima,
obtêm-se as três frações apresentadas na tabela a seguir.
No processo industrial de
produção de carvão
vegetal, utilizam-se fornos, nos quais são colocados pedaços relativamente pequenos de madeira
seca à temperatura de
300 °C. Quando sua obtenção é destinada à siderurgia
do ferro-gusa e à de subprodutos (metanol, ácido
acético, piche, óleo e gás),
a escala de produção é bem
maior. A madeira utilizada
com mais frequência é o
eucalipto.
Além do carvão vegetal, temos o carvão mineral, conhecido como carvão fóssil ou de pedra. Esse carvão é muito utilizado para gerar energia em usinas termelétricas. Sua origem é parecida com a do petróleo: a partir do soterramento de enormes florestas com vegetação densa, processo que ocorreu há cerca de 250 milhões de anos.
Sua composição varia de acordo com seu tipo, como mostra a tabela a seguir e, em geral, a presença de carbono
em sua composição é maior do que no carvão vegetal.
235
Tipo
Oxigênio
Hidrogênio
Carbono
40,0%
6,0%
54 a 60%
25,0%
5,0%
65 a 75%
AleRuaro/Pulsar Imagens
COMPOSIÇÃO PERCENTUAL APROXIMADA
DOS DIFERENTES TIPOS DE CARVÃO MINERAL
CINÉTICA QUÍMICA
Wikimedia Commons
Turfa
Hely Demutti
Linhito
Luis Miguel Bugallo Sánchez/
Wikimedia Commons
Hulha
15,0%
4,5%
75 a 85%
3,0%
2,0%
95%
Cleiton Lages
Hely Demutti
Antracito
Quanto maior o teor do carbono do carvão, maior é sua capacidade de gerar calor e energia. Por isso, a turfa nem sempre
é aproveitada como combustível, e sim como adubo. Por outro
lado, o linhito é largamente empregado na siderurgia ou como
matéria-prima na indústria química. O antracito é considerado
um carbono quase puro.
Diferentemente da madeira, que inicialmente produz chamas
altas, a queima do carvão produz pouca chama no início de sua
combustão e, depois, as brasas queimam lentamente. Dessa forma, pode-se dizer que o carvão é um combustível mais eficiente
que a madeira. Entretanto, é preciso aproveitar adequadamente
Mina de Carvão de Candiota (RS).
as substâncias geradas em sua produção, que não são combustíveis tão eficientes, mas possuem outras aplicações importantes.
Outra diferença do carvão vegetal é que ele é oriundo de uma fonte renovável de
As minas subterrâneas são recursos utilizados para a obbiomassa que globalmente gera menos gás carbônico para a atmosfera do que os comtenção do carvão mineral.
bustíveis fósseis como o carvão mineral, conforme veremos no próximo item.
Entretanto, as minas podem levar a terremotos, resultantes de
acomodações de terras superficiais, e podem envolver problemas de drenagem. Além disso,
impõem graves ameaças à saúde e à segurança dos mineiros,
que enfrentam a morte lenta
pela doença negra (ocasionada pela vida em minas, onde
se respira um ar muito poluído).
236
Do carvão podem ser extraídas diversas substâncias. Na destilação seca da hulha, a 1 100 °C e na ausência
de ar, originam-se três frações de grande valor comercial.
A fração gasosa (representa 20%) produz os gases de hidrogênio, metano, monóxido de carbono e é utilizada como
combustível e gás de iluminação. Da fração líquida (10%)
retiram-se aminas, hidróxido e sais de amônio. Com esses
produtos fabricam-se fertilizantes agrícolas, plásticos, tintas,
produtos de limpeza, medicamentos etc. A fração líquida
também produz o piche, usado em pavimentação e proteção de metais. A fração sólida (70%) produz o carvão coque usado na indústria siderúrgica para a obtenção de aço.
Biocombustíveis
Por definição podemos dizer que biomassa é toda matéria orgânica, de origem animal ou vegetal, que pode ser usada para produção de energia. Pode-se considerar que
se trata de uma forma indireta de energia solar, já que essa é transformada em energia
química, por meio do processo metabólico da planta, a fotossíntese.
As plantas podem ser consideradas verdadeiras usinas transformadoras de energia
solar em energia química. Elas absorvem dióxido de carbono e água que são metabolizados, produzindo substâncias que constituem os vegetais, utilizando a energia dos
fóton
6CO2(g) + 6H2O(g) ( C6H12O6 (s) + 6O2(g)
Do ponto de vista energético, a biomassa se transforma em energia quando pode ser
aproveitada em atividades humanas e na natureza, em processos de manutenção da vida.
Essa garantia de potencial energético tem de se manter num ciclo, ser renovável e eficaz.
Uma das principais vantagens da biomassa é o balanço de carbono, já que nesses processos menor quantidade de CO2 é lançada na atmosfera em termos globais. Isso se deve
ao fato de que, enquanto os combustíveis fósseis jogam na
atmosfera gás carbônico que estava fossilizado há milhares
de anos, os biocombustíveis lançam na atmosfera gás carbônico que já estava na atmosfera e que foi absorvido pelos
vegetais. Além disso, parte do gás carbônico lançado será
reabsorvido em novas plantações.
A biomassa apresenta uma infinidade de matérias-primas que podem ser aproveitadas para produção de energia.
Analise o quadro abaixo.
Vejamos agora alguns tipos de combustível da biomassa
Morro Agudo (SP), 2001.
que têm ganhado notoriedade no Brasil, nos últimos anos.
1
2
3
4
Joel Silva/Folhapress
Os biodigestores, além
de produzirem energia,
ajudam a diminuir um sério problema das sociedades modernas: o lixo.
Alguns projetos governamentais vêm aproveitando
recursos da biomassa para
a produção de eletricidade
a partir da cana-de-açúcar,
de resíduos agrícolas, de
resíduos da madeira e de
óleos vegetais.
CAPÍTULO
fótons da radiação solar. O oxigênio é liberado para a atmosfera e, depois, parcialmente
consumido no processo de respiração. Nesse processo há formação de moléculas de glicose que são a base de formação de moléculas orgânicas produtoras de carboidratos e
outras substâncias da estrutura dos vegetais.
Esse processo de fotossíntese pode ser representado pela seguinte equação abaixo:
5
6
7
8
PRINCIPAIS EXEMPLOS DE BIOCOMBUSTÍVEIS
Biocombustível
Matéria-prima
Processos de obtenção
Composição química
Carvão vegetal
Madeira
Pirólise
Carbono
Álcool
Açúcares (glicose, amido, celulose etc.)
Fermentação aeróbica
Etanol (CH3CH2OH)
Biogás
Todo o tipo de biomassa
Fermentação anaeróbica
Hidrocarbonetos leves
Biogás de
síntese
Biomassa em geral
Gaseificação
Mistura de vários gases,
essencialmente CO e H2
Biodiesel
Óleos e gorduras
Esterificação ou
transesterificação
Monoésteres de ácidos graxos
Bio-óleo
Óleos e gorduras
Craqueamento ou
hidrocraqueamento
Mistura de hidrocarbonetos e
compostos oxigenados
Fonte: OLIVEIRA, Flavia C. da C.; SUAREZ, P. A. Z.; W. L. P. S. Biodiesel: possibilidades e desafios. In: Química Nova na Escola, v. 28, p.3-8, 2008.
Biodiesel
O biodiesel é um combustível derivado de biomassa, é renovável e biodegradável. Pode ser produzido a partir de gordura animal e de óleos vegetais, como mamona, dendê, girassol, amendoim, pinhão manso, soja, entre outros. O biodiesel é assim uma mistura de ésteres de ácidos graxos com monoálcoois de cadeia curta, como o metanol ou o etanol.
Apesar de o biodiesel possibilitar a substituição do diesel, a sua composição química é bem diferente da do diesel. O óleo diesel é constituído por hidrocarbonetos com cadeias que podem chegar a vinte e oito átomos de carbono, contendo baixas concentrações de átomos de enxofre, oxigênio e nitrogênio. Ele é obtido a partir do refino do
petróleo por destilação fracionada em temperaturas na faixa de 150 a 400 °C.
237
Os dois veículos lançam CO2
na atmosfera, mas enquanto
o primeiro lança na atmosfera
carbono que estava armazenado no subsolo há milhares de
anos, o segundo lança átomos
de carbono que já estavam na
atmosfera.
Acervo do autor
Agilberto Lima/AE
CINÉTICA QUÍMICA
Os processos químicos de obtenção do biodiesel são: craqueamento, esterificação e transesterificação. Este último, o mais utilizado deles, consiste de reações químicas de óleos vegetais ou gorduras de origem animal com etanol
ou metanol, em presença de catalisador. Desse processo também se extrai a glicerina, empregada para fabricação
de sabonetes e diversos outros cosméticos.
No quadro abaixo são ilustradas reações de transesterificação usadas na obtenção de um biodiesel.
Segundo a lei no 11.097, de 13 de janeiro de 2005, o biodiesel “tem seu uso em motores a combustão interna com
ignição por compressão ou, conforme regulamento para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial
ou totalmente combustíveis de origem fóssil”.
1
O
O
O
O
R2
R4
O
OH
catalisador
R1
O
O
O
R2
O
O
O
+
OR4
R3
R1
OH
R3
2
O
O
O
R2
O
OH
OH
O
catalisador
R1
OH
3
O
R4
+
O
OR2
R1
OH
H2O
catalisador
O
OH
R1
+ R2
OR4
R2
OH
HO
OH
O
+
OH
OH
catalisador
R1
O
R1
OH
O
4
R4
O
OR4
R1
OH
Fonte: OLIVEIRA, Flavia C. da C.; SUAREZ, P. A. Z.; SANTOS, W. L. P. Biodiesel: possibilidades e desafios. In: Química Nova na Escola, v. 28, p.3-8, 2008.
As pesquisas na área já promoveram vários avanços para o favorecimento da utilização comercial do biodiesel.
Entre esses, busca-se a utilização de misturas formadas pela adição de óleo vegetal ao óleo diesel, visando a minimizar os problemas nos motores; a modificação e adaptação de motores; ou, ainda, a modificação de óleos vegetais
para que se assemelhem ao óleo diesel.
Em 2011, o Brasil manteve-se entre os maiores consumidores de biodiesel do mundo. Porém, a produção das 60
usinas espalhadas por nosso território equivale a somente 40% do total de sua capacidade produtiva. A adição de
biodiesel no diesel, que hoje é de 4%, deverá subir para 10% em 2014 e chegar a 20% em 2020.
238
CAPÍTULO
Do ponto de vista ambiental, o biodiesel é muito menos agressivo do que o diesel pelo fato de reduzir o processo
de emissão de gás carbônico que contribui para o aumento do aquecimento global; de não possuir átomos de enxofre, como o diesel, que durante a sua queima gera gases tóxicos que provocam a formação de chuva ácida, além
de, globalmente, emitir menos outros poluentes do que o diesel.
Por outro lado, o uso de biodiesel também gera problemas ambientais derivados do cultivo em larga escala de vegetais, com uso de agrotóxicos e técnicas agressivas ao solo. Surge aí outro problema: a substituição de lavouras de
alimentos por lavouras de matéria-prima para combustíveis, o que pode reduzir a disponibilidade de alimentos para
a população. No caso, o que precisa ser feito é uma discussão sobre a redução desses problemas para que o uso do
biodiesel seja ambientalmente mais favorável do que o uso de combustíveis fósseis.
1
2
3
4
5
Hidrogênio
6
National Hydrogen Association, EUA
Car Culture/Corbis
Michael Maloney/Corbis
7
8
Car Culture/Corbis
Photoresearchers/Latinstock
Por muitos aspectos, o hidrogênio é considerado, por muitos cientistas, o
“combustível do futuro”. O primeiro aspecto se deve ao fato de seus átomos serem os mais abundantes no universo e o terceiro mais abundante em
nosso planeta. Sua substância simples, o gás hidrogênio (H2), é um excelente combustível. A combustão de um quilograma dessa substância libera
energia equivalente a energia liberada pela queima de 2,8 quilogramas de
gasolina. Pode ser produzido a partir da eletrólise da água, e sua combustão
gera água novamente. Ou seja, é produzido a partir de uma matéria-prima barata, e seu produto não agride o ambiente. Assim, é uma fonte não
poluente, inesgotável e renovável. Na verdade, o hidrogênio é uma forma
limpa para armazenagem de energia, por meio do uso de células combustíveis, já que sua produção consome energia.
Uma das principais dificuldades de utilização do hidrogênio está em
seu armazenamento, já que em condições ambientes é um gás e pode ser
combustível. No entanto, vários países e indústrias têm investido no desenvolvimento de tecnologias que possibilitam o uso seguro e crescente dessa
fonte de energia.
A tecnologia de células
combustíveis de hidrogênio está evoluindo
rapidamente. Em 2009, já
estava disponível nos EUA
para carros mais modernos e com uma autonomia
para rodar cerca de 400 km.
A tecnologia de carro hidrogênio vem se aprimorando,
de forma que o abastecimento e controle de consumo não é muito diferente do
abastecimento de carros movidos a combustíveis fósseis.
A diferença é que, nesse caso, a descarga libera vapores
de água e não gases do efeito estufa como nos motores
a combustão.
239
Debata
D
ebata e entenda
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Aponte vantagens e desvantagens de cada fonte alternativa de energia.
2. Pesquise sobre outras fontes alternativas de energia e apresente-as em forma de cartaz.
3. Indique medidas que precisam ser adotadas visando à economia de energia e à substituição dos atuais combusCINÉTICA QUÍMICA
tíveis fósseis pelos seguintes setores: indústria, governo e população.
4. Debata sobre as possíveis razões pelas quais outras fontes de energia ainda não foram muito exploradas, apesar
da crise do petróleo do início da década de 1970.
5. Debata sobre as possíveis medidas que sua comunidade pode tomar para diminuir o consumo de energia.
6. Seria a biomassa uma fonte de energia limpa? Por quê?
7. Quais seriam os possíveis impactos ambientais e econômicos da produção de biodiesel no setor agrário?
1 CINÉTICA QUÍMICA
R
eações químicas podem ser rápidas ou lentas, e as reações de combustão constituem bons exemplos desses fatos. Enquanto as transformações de carboidratos que
liberam energia em nosso organismo ocorrem lentamente, a combustão do TNT – trinitrotolueno – ocorre em fração de segundos.
Os químicos buscam mecanismos que permitam o controle das reações químicas, diminuindo seus efeitos prejudiciais às pessoas e ao ambiente. Esses conhecimentos permitem aumentar o rendimento de certas reações ou retardar outras que são indesejáveis,
possibilitando o melhor emprego da Química em diferentes situações de cotidiano como,
por exemplo, na conservação de alimentos.
O estudo do controle das reações químicas é feito na área de estudo chamada Cinética
Química, que estudaremos no presente capítulo. Para isso, vamos inicialmente exemplificar o controle de reações essenciais no processo de obtenção de energia que estamos
estudando nesta unidade: as reações de combustão.
Combustão
Pense
Que atitudes podem ser tomadas para apagar um incêndio?
Será que podemos retardar ou aumentar a rapidez de uma reação de combustão?
Para responder a essas perguntas, precisamos responder a outra:
Pense
O que é necessário para que ocorra uma combustão?
240
Flávio Florido/Folhapress
CAPÍTULO
1
2
3
4
5
Com conhecimento químico sobre como se processa o fogo, os bombeiros
usam técnicas diferenciadas para apagá-lo.
6
7
8
J. Yuji
Para ocorrer uma reação de combustão, são necessários: um combustível, um comburente, uma fonte de
ignição e uma reação em cadeia.
Combustível é todo material oxidável (sólido, líquido
ou gasoso) capaz de reagir com o gás oxigênio, denominado comburente. As reações de combustão liberam
energia na forma de calor e luz e produzem, geralmente, o gás dióxido de carbono (CO2) e água. Além desses
gases, dependendo da composição do combustível e das
condições da reação, outros podem ser produzidos, tais
como dióxido de enxofre e monóxido de carbono.
Para que uma reação de combustão ocorra, é necessário um agente responsável pelo
início do processo de queima: a ignição.. Esse agente fornece a energia necessária para
que a reação inicie e se mantenha, constituindo uma reação em cadeia. Nesse processo,
enquanto existir combustível e comburente a reação continua espontaneamente.
A combustão pode ser representada pelo esquema abaixo:
O triângulo do fogo representa as condições
necessárias para que ocorra fogo. São necessários três componentes: combustível, oxigênio e energia. O combustível propaga o fogo
na presença de oxigênio (comburente) e de
um acontecimento que forneça o calor inicial
(ignição). Após o início da queima, a reação
continua até que um dos três fatores seja eliminado. Sabendo disso, os bombeiros utilizam
essa técnica para controlar o fogo: eliminam um
desses componentes.
rg i
bu
st
ív e
ne
co m
a
ên
oxig io
l
e
Outra representação comum das condições para que ocorra fogo é o quadrado do
fogo, quem considera também a necessidade de uma reação em cadeia.
combustível
fogo
J. Yuji
calor
comburente
reação em cadeia
A combustão é a reação do oxigênio do ar com moléculas ou átomos do combustível.
Quando isso ocorre só na superfície do material, o processo é relativamente lento. Porém,
é possível interferir nesse processo para controlá-lo ou para tirar o maior proveito energético. Como, por exemplo, a pulverização do combustível para acelerar e homogeneizar o
processo de combustão, como ocorre nos motores dos veículos automotivos.
Conhecendo o processo de combustão, é possível controlar o fogo de incêndios, reduzindo
sua ocorrência e diminuindo seus danos. Veja alguns cuidados que devemos ter nesse caso.
241
CINÉTICA QUÍMICA
Presença de materiais combustíveis, como madeira e tecido, uso de velas e botijões de
gás, sobrecargas em redes elétricas, faíscas, uso simultâneo de vários equipamentos em
uma mesma tomada, uso de extensões elétricas inadequadas, entre outros fatores, aumentam os riscos de incêndios, pela associação imediata dos agentes do fogo: combustíveis, faísca e comburente presente no ar.
Locais sujeitos a esses e outros riscos devem, obrigatoriamente, possuir sistemas adequados de combate a incêndios. Nesses casos, a principal preocupação consiste em eliminar um dos três fatores do triângulo do fogo, esquematizado anteriormente.
Os materiais combustíveis são, normalmente, constituídos de matéria orgânica, e a
rapidez de queima é maior em combustíveis líquidos e gasosos, em relação aos sólidos.
Um dos equipamentos básicos usado no combate ao fogo é o extintor de incêndio.
Você já deve ter notado que, embora todos extintores de incêndio sejam recipientes de
metal pintados de vermelho, existem diferentes tipos. Conhecê-los é fundamental para
sua utilização correta em situações de emergência.
De acordo com o material consumido (combustível), os incêndios são classificados em
diferentes classes. Veja, nos quadros a seguir, as classes de incêndio e os tipos de extintores que devem ser usados em cada uma delas.
CLASSIFICAÇÃO DE INCÊNDIOS
Classe
Tipos de incêndios
Tipos de extintores
A
Incêndio em materiais sólidos (madeira, papel, tecido etc.). Esses materiais queimam em superfícies e em profundidade, deixando resíduos
(brasas, cinzas, carvão etc.).
Extintor com água pressurizada, extintor com pó químico seco – NaHCO3,
extintor com gás carbônico.
B
Incêndio em líquidos inflamáveis (óleo, gasolina, querosene, álcool
etc.). Esses materiais queimam somente em superfície e não deixam
resíduos quando queimados.
Extintor com pó químico seco –
NaHCO3, extintor com gás carbônico.
C
Incêndio em equipamentos ou rede elétrica energizados. Desligada a
corrente elétrica, o incêndio passa a ser de classe A.
Extintor com pó químico seco –
NaHCO3, extintor com gás carbônico.
D
Incêndio em metais que inflamam facilmente (sódio, potássio, magnésio, titânio, alumínio em pó etc.).
Abafamento com areia.
Só por curiosidade, procure um extintor em sua escola ou em sua casa e observe de
que tipo ele é e qual a sua composição.
TIPOS DE EXTINTORES DE INCÊNDIO
Extintor
com água
pressurizada
Extintor
com
gás
carbônico
242
Princípio de funcionamento
A água, impulsionada por um gás
(nitrogênio ou dióxido de carbono),
resfria e abafa o fogo. Usado para
controle de fogo em material sólido, como madeira.
O gás, além de abafar e resfriar,
não conduz eletricidade. Usado
para controle de fogo em material
sólido ou líquido, além de equipamentos elétricos.
Tipo
Princípio de funcionamento
Extintor
com pó
químico
seco –
NaHCO3
O pó abafa e sua decomposição, que
produz H2O, CO2 e Na2CO3, resfria
o sistema. Usado para controle de
fogo em material sólido ou líquido,
além de equipamentos elétricos.
Extintor
de
espuma
mecânica
Contém água, espumante e ar pressurizado. A espuma resfria e abafa.
Usado em locais onde há risco de
vazamento de grandes quantidades
de combustível como, por exemplo,
em aeroportos.
Fotos: Hely Demutti
Tipo
CAPÍTULO
Rapidez de reação
1
2
3
4
5
6
7
8
O que torna os explosivos tão violentos é a grande rapidez com que as reações ocorrem.
Paulo Liebert/AE
Em algumas situações é necessário aumentar ou retardar a rapidez de reações químicas, e para isso os químicos controlam a taxa em que essas reações se processam, a qual
se refere à variação da quantidade de reagente consumido ou de produto formado por
uma unidade de tempo, e é denominada rapidez de reação.
Em muitos livros, essa taxa é denominada velocidade da reação. Todavia, considerando que o conceito de velocidade é definido como a variação de espaço por unidade de
tempo, preferimos adotar aqui a denominação rapidez, como também já vem sendo utilizado em outros livros.
Para a determinação da rapidez de reações químicas, as quantidades consumidas e
produzidas são expressas em unidades de concentração (se as substâncias estiverem em
solução) ou em termos de pressão parcial (se as substâncias forem gases).
A unidade de tempo a ser usada deve levar em conta a reação em estudo. Assim, pode-se usar microssegundos para a explosão do gás de cozinha, minutos para a combustão
de uma vela, dias para o enferrujamento de uma lâmina de ferro ou para a degradação
do princípio ativo de um medicamento, meses para o apodrecimento da madeira, anos
para a oxidação espontânea da celulose de um papel – que se torna amarelado e, depois
de mais tempo, assume a tonalidade café.
É bom observar que a rapidez se aplica a cada instante, ou seja, é um valor instantâneo. Isso acontece porque, à medida que a reação avança, a concentração dos reagentes diminui e a concentração dos produtos aumenta, afetando a rapidez da reação, como
veremos mais adiante.
O estudo da rapidez de reações químicas e dos fatores que a afetam está relacionado
com o movimento das moléculas.
Vamos agora analisar alguns processos químicos comuns e os fatores que neles
interferem.
A combustão é uma transformação espontânea que pode trazer grandes benefícios ou malefícios. A maioria dos combustíveis pode ficar na presença de oxigênio
por muito tempo sem que haja reação.
Entretanto, iniciada uma reação de combustão, pode ser difícil controlá-la.
Diferentes materiais queimam com diferente rapidez, produzindo diferentes quantidades de calor. A rapidez de combustão
de alguns materiais é tão grande que eles
são considerados explosivos, ou seja, podem provocar reações extremamente rápidas, com grande expansão de gases.
Imagine a chama de uma fogueira em
uma festa junina, aquecendo uma noite
fria. Se não forem tomados alguns cuidados por quem preparou a fogueira, o fogo
poderá se espalhar e provocar um incêndio
com terríveis consequências.
São Paulo, 2008.
Veja a seguir como os químicos controlam essa reação.
243
Química
Q
uímica na escola
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
CINÉTICA QUÍMICA
Por que a vela apaga?
As atividades a seguir poderão ser realizadas facilmente em sala de aula, com materiais que podem ser trazidos de casa.
No caso de alguma dúvida, consulte seu professor.
Material
• 1 copo de 300 mL
• água fria
• seringa descartável de 5 mL ou 10 mL
• 1 comprimido efervescente
• bicarbonato de sódio
• uma caixa de fósforos
• espátula metálica (ou faca de mesa)
• 50 cm de mangueira de aquário
• 2 velas
1. Após terminada cada parte do procedimento, limpe rigorosamente o sistema e deixe-o em condições para o próximo procedimento.
2. Fixe a vela no fundo do copo de forma que a ponta do pavio não ultrapasse a altura da borda do
copo, como indica a figura ao lado.
Parte A
1. Acenda a vela.
2. Encha a seringa de água.
3. Esguiche cuidadosamente a água da seringa na parte
superior da chama.
4. Repita o procedimento, direcionando o jato para a base
da chama da vela.
5. Observe e anote.
Parte B
1. Coloque água até um terço da altura do copo. Cuidado
para não molhar o pavio.
2. Acenda a vela.
3. Adicione metade de um comprimido efervescente à água
e observe.
4. Observe e anote.
J. Yuji
Procedimento
Parte C
1. Acenda a vela.
2. Com uma espátula de metal, adicione uma boa quantidade de bicarbonato de sódio ao pé da chama.
3. Observe e anote.
Parte D
1. Cuidadosamente, coloque água até um terço da altura
do copo.
2. Adicione 10 mL de detergente à água.
3. Acenda a vela.
4. Coloque uma ponta da mangueira no fundo da água com
detergente e sopre pela outra extremidade (cuidado para
não aproximar o rosto da chama da vela).
5. Observe e anote.
Destino dos resíduos
Os resíduos sólidos desta atividade podem ser descartados no lixo comum e os resíduos líquidos, na pia.
Análise de dados
1. Onde o jato de água deve ser direcionado para apagar a chama mais rápido?
2. Descreva quimicamente para cada parte por que o fogo apagou, utilizando o triângulo do fogo para justificar.
Na vela, o combustível é a parafina, mistura de hidrocarbonetos (CnH2n + 2) que contém de
20 a 36 átomos de carbono. Ao acendermos uma vela, a temperatura da chama funde a parafina que sobe pelo pavio por um processo denominado capilaridade. Essa parafina líquida
queima e gera calor para fundir mais parafina que irá subir pelo pavio, alimentando a chama.
244
CAPÍTULO
A queima da vela pode ser descrita, de forma simplificada, pela equação:
2C20H42(l) + 61O2(g) ( 40CO2(g) + 42H2O(g)
Esse sistema mantém a reação em cadeia pelo fornecimento constante de combustível:
vapores de parafina. Com o mesmo princípio, apagamos o fogo: retirando o comburente
com o abafamento e o gás carbônico. Este é um fator importante no controle da rapidez
da reação: o aumento ou diminuição da concentração de um dos reagentes.
Outra forma de controle do fogo está no controle da temperatura. A presença de água
não só retira o comburente, como também reduz a temperatura, diminuindo a energia do
sistema necessária para a continuidade da reação em cadeia. Esse fator justifica a dificuldade do controle de incêndios florestais em período de seca e muito calor.
A volatilização da parafina aumenta a rapidez da combustão da vela, pelo fato de os
vapores se misturarem mais facilmente com o gás oxigênio, aumentando o contato das
moléculas reagentes, que no caso de sólidos e líquidos o contato se restringe à superfície
do material. O entendimento do efeito desses fatores (concentração, temperatura e superfície de contato) pode ser explicado por uma teoria que apresenta um modelo sobre
como ocorrem as reações, apresentada a seguir.
1
2
3
4
5
6
7
8
2 TEORIA DAS COLISÕES
C
Hely Demutti
Um queijo minas frescal
armazenado em atmosfera
modificada com uma mistura de 70% de gás carbônico e 30% de nitrogênio
tem sua durabilidade aumentada em mais de cinco vezes.
Hely Demutti
ompreender passo a passo como ocorre uma reação química, embora não seja tarefa simples, é de extrema importância para o controle, por exemplo, da combustão. A partir dessa compreensão, é possível controlar o fogo e outras reações indesejáveis,
além de otimizar procedimentos de produção e viabilizar modificações que alterem os rumos das reações. Afinal, as rupturas de ligações entre átomos de substâncias reagentes e
a formação de novas ligações, originando os produtos da reação, acontecem em etapas.
Nessas etapas, ocorre formação de espécies químicas intermediárias diferentes dos reagentes e produtos da reação.
Como não é possível visualizar átomos e suas formas de interação, os químicos desenvolveram teorias, ou modelos, que explicam como as reações químicas se desenvolvem.
No estudo de uma reação química, o primeiro fator a ser levado em conta é se os reagentes, quando colocados em contato, causam ou não uma reação. Um alimento colocado num recipiente contendo gás oxigênio irá se deteriorar muito mais rapidamente do
que se for guardado em um recipiente contendo exclusivamente nitrogênio.
Muitas substâncias podem ficar em contato por longo tempo sem que nada ocorra com
elas, ou seja, sem que haja reação química. Outras, quando em contato, podem reagir ou não,
dependendo das condições a que estiverem expostas.
Enquanto o gás butano está
confinado no interior do botijão lacrado e o gás oxigênio
está do lado de fora, não há
perigo de que a reação química aconteça. Entretanto,
se houver vazamento...
245
J. Yuji
J. Yuji
A
B
A substância H2 (
) só irá reagir com a substância
Cl2 (
) se ambas estiverem em contato. Para isso,
é importante retirar a parede que as separa, permitindo
esse contato.
J. Yuji
J. Yuji
CINÉTICA QUÍMICA
Vamos estudar a cinética de reações químicas, considerando o modelo atômico de
Dalton. Consideremos a reação entre o hidrogênio (H2) e o cloro (Cl2) para a formação do
ácido clorídrico (HCl). Se trabalharmos com 1 mL de um desses gases nas CNTP, teremos
uma quantidade de moléculas em torno de 3 ⋅ 1019. É muito!
Certamente, se tivermos essa quantidade de gases confinada em um espaço de 1 mL, fica fácil
imaginar que, como estão em movimento constante, as moléculas irão se chocar constantemente.
Podemos, então, imaginar o que acontece com algumas moléculas apenas e generalizar nossas observações.
Para as substâncias reagirem, não basta estarem misturadas; há necessidade de haver colisões entre as moléculas dos reagentes. Na
situação A, as moléculas se movimentam em uma direção na qual
podem colidir e reagir. Já na situação B, não há colisão e, consequentemente, não há reação.
É quando colidem que as moléculas entram em contato e reagem. Nesse sentido, podemos dizer que uma condição necessária para que ocorra a reação entre moléculas é
haver colisão entre elas. Porém, estar em contato, apesar de ser condição necessária, não
é suficiente para que duas substâncias reajam.
Vejamos um exemplo: imagine que entre as moléculas ocorram colisões como representado nos esquemas abaixo (as setas representam as direções dos movimentos).
Qual dos tipos de colisão
você imagina ser mais eficiente para que ocorra reação química?
A
J. Yuji
Pense
B
Possíveis orientações em
choques entre moléculas
de hidrogênio e cloro.
Para que se processe a reação química, é necessário que a colisão entre as moléculas
ocorra com uma orientação favorável. Se a orientação não for favorável, dizemos que a
colisão não foi efetiva, e a reação não ocorrerá.
246
CAPÍTULO
Veja qual seria o resultado das colisões para as duas direções citadas. O esquema a
seguir mostra cinco instantes de cada colisão.
J. Yuji
Pense
Qual resultado dos dois esquemas abaixo representa a formação de novas substâncias? Por quê?
T1
T1
T2
T2
T3
T3
T4
T5
T4
T5
1
2
Sequência de instantes
de choques entre duas
moléculas, com setas indicando a direção do movimento de cada uma delas.
Nos dois primeiros instantes, elas estão se aproximando até que colidem
(T3) e depois afastam-se
(T4 e T5 imagens).
3
4
5
6
7
8
Colisões como as representadas no primeiro esquema não formam novas substâncias
como acontece nas colisões representadas no segundo esquema.
Nesse caso, dizemos que a colisões de moléculas como as representadas no segundo esquema
são efetivas, enquanto as colisões como as representadas no primeiro esquema não são efetivas.
Percebemos, assim, que para ocorrer uma reação é necessário haver colisão entre as
moléculas conforme uma orientação adequada, que favoreça a união entre os átomos que
formarão as novas substâncias.
No entanto, colisões como as representadas no segundo esquema não levam necessariamente à formação de produtos. Após a colisão entre as moléculas, de acordo com a orientação desse esquema, duas situações diferentes são possíveis. Veja a representação a seguir.
Pense
Ilustrações: J. Yuji
J. Yuji
O que é necessário para que ocorra a segunda situação ilustrada abaixo?
1
2
Possíveis resultados,
após colisões com
orientações corretas, entre moléculas
de dois reagentes.
A orientação correta do choque entre duas moléculas não é garantia de que a reação
aconteça. Quando ocorre uma colisão, como a representada nos esquemas da figura anterior, há formação de uma nova espécie química (A2B2), muito instável, na qual há interações entre os quatro átomos.
Essa espécie, chamada espécie intermediária, tem vida curta e desintegra-se rapidamente. Isso poderá ocorrer, como no esquema superior, com o rompimento das ligações entre os
247
∆H da
reação
Energia de ativação
Reagentes
Produtos
Reagentes
Curso da reação
Curso da reação
O modelo que imaginamos para explicar as reações químicas é conhecido como teoria
das colisões. Segundo essa teoria, para que ocorra uma reação química entre duas substâncias é necessário que:
• as substâncias sejam reativas;
• ocorra choque entre as moléculas que as constituem;
• o choque entre as moléculas ocorra com orientação favorável;
• o choque orientado favoravelmente possua energia suficiente para formar os produtos.
A teoria das colisões baseia-se na reação entre gases, mas também se aplica aos líquidos
e sólidos, embora existam grandes diferenças de organização em cada estado de agregação.
Com base na teoria das colisões, podemos entender os três principais fatores que afetam a rapidez de uma reação. Vejamos quais são e como atuam cada um desses fatores.
248
Alexandre Bueno
Entalpia
Representação gráfica da
energia de ativação para uma reação endotérmica
(I) e para uma reação exotérmica (II).
Produtos
Energia de
ativação
II)
Entalpia
I)
∆H da
reação
CINÉTICA QUÍMICA
átomos de hidrogênio e entre os átomos de cloro, mas com a formação de novas ligações
entre átomos de hidrogênio e de cloro. Nesse caso, há formação de uma nova substância.
Já no segundo esquema de desintegração da espécie intermediária A2B2, as ligações
iniciais (H K H e Cl K Cl) são mantidas e as ligações novas são H K Cl. Portanto, não há
formação de novas substâncias, mas sim a regeneração das substâncias anteriores. No primeiro caso, a energia da colisão entre as moléculas dos reagentes foi suficiente para romper as ligações existentes e produzir novas ligações. No segundo caso, a energia da colisão não foi suficiente e, consequentemente, não levou à formação de novas substâncias.
Os choques efetivos entre moléculas levam à formação de espécies intermediárias que
irão formar os produtos, denominadas complexos ativados.
Sendo assim, podemos dizer que o segundo esquema da figura anterior é resultante
de uma colisão de baixa energia, enquanto o primeiro é resultante de colisão com energia suficiente para promover a reação.
A energia necessária para que as colisões sejam efetivas é denominada energia de ativação. Sem essa energia os reagentes, mesmo entrando em contato, não reagem. É por isso
que a mistura de gás de cozinha com o oxigênio do ar não provoca de imediato uma reação
de combustão. Para iniciar a reação, é necessário o fornecimento de energia de ativação, a
qual pode ser oriunda de uma faísca ou da energia liberada pela combustão de um palito de
fósforo, por exemplo.
Nas reações exotérmicas, depois de iniciada a reação, a energia liberada pelas moléculas que já reagiram é suficiente para ativar novas reações, sem ser necessário fornecer
mais energia. Já nas reações endotérmicas para manter a continuidade da reação é necessário fornecer mais energia do que a diferença efetiva de energia entre os produtos
e reagentes. Os gráficos a seguir representam a energia de ativação necessária para que
uma reação exotérmica e outra, endotérmica, aconteçam.
C
DAS REAÇÕES
CAPÍTULO
3 FATORES QUE INFLUENCIAM A RAPIDEZ
1
omo vimos, os químicos podem controlar as reações, aumentando ou diminuindo
sua rapidez.
2
3
Pense
4
O que pode tornar uma reação química mais ou menos rápida?
5
6
Você vai descobrir isso ao realizar os experimentos a seguir.
7
8
Química na escola
Consulte as normas de segurança no
laboratório, na última página deste livro.
Você pode controlar reações? Como?
Os experimentos a seguir poderão ser realizados facilmente em sala de aula, com materiais que podem ser trazidos de
casa. Os béqueres e o almofariz com pistilo, por exemplo, podem ser substituídos por copos de vidro e por um socador de
alho. No caso de alguma dúvida, consulte o professor.
Parte A
Materiais
• 3 béqueres de 100 mL
• 1 comprimido efervescente
• água fria
• água quente
• água em temperatura ambiente
Procedimento
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Divida o comprimido efervescente em quatro partes iguais.
Coloque água fria em um béquer, mais ou menos até a metade de seu volume.
Coloque a mesma quantidade de água em temperatura ambiente em outro béquer.
No terceiro béquer, coloque a mesma quantidade de água quente (não fervendo).
Adicione, simultaneamente, um pedaço do comprimido efervescente em cada béquer.
Observe e anote o que acontece.
Destino dos resíduos
Os resíduos dessa atividade podem ser descartados no sistema de esgoto.
Análise de dados
1.
2.
3.
4.
5.
Descreva o que você observou.
Como você explica o que observou?
Que fator influenciou a rapidez da reação?
Cite exemplos do seu cotidiano em que o calor é utilizado para acelerar processos químicos.
De acordo com os resultados obtidos nesse experimento, o que é necessário para aumentar ou para diminuir
a rapidez de uma reação?
249
Parte B
Materiais
CINÉTICA QUÍMICA
• 1 comprimido efervescente
• 2 béqueres de 100 mL
• água em temperatura ambiente
• almofariz e pistilo
Procedimento
1.
2.
3.
4.
5.
Divida o comprimido efervescente em duas partes iguais.
Triture uma das partes no almofariz, transformando-a em um pó bem fino.
Coloque a mesma quantidade de água nos dois béqueres.
Simultaneamente, adicione em um béquer a parte do comprimido que foi triturada e, em outro béquer, a parte sem triturar.
Observe e anote.
Destino dos resíduos
Os resíduos dessa atividade podem ser descartados no sistema de esgoto.
Análise de dados
1. Descreva o que você observou.
2. No preparo de alimentos, cite exemplos em que o tamanho do material é utilizado como forma de alterar a rapidez de
um processo químico. Como você explica o que observou?
3. Como você chamaria o fator que influenciou a rapidez da reação?
4. De que forma esse fator aumenta ou diminui a rapidez de uma reação?
Parte C
Materiais
• 2 tubos de ensaio 2
• conta-gotas
• lã de aço
• solução de sulfato de cobre penta-hidratado (CuSO4 ⋅ 5H2O), de concentração igual a 0,1 mol/L
(aproximadamente uma medida de colher de café bem cheia, dissolvida em 100 mL de água)
Procedimento
1. Com dois pedaços da lã de aço, faça duas bolinhas de mesmo tamanho.
2. Coloque 5 mL da solução de sulfato de cobre em um tubo de ensaio (tubo 1).
3. Coloque 1 mL da solução de sulfato de cobre em outro tubo de ensaio e acrescente 4 mL de água (tubo 2).
Agite a solução.
4. Coloque, ao mesmo tempo, uma bolinha de lã de aço em cada tubo.
5. Observe por cinco minutos e anote.
Destino dos resíduos
O resíduo sólido dessa atividade pode ser descartado no lixo seco e o resíduo líquido no sistema de esgoto.
Análise de dados
1. Descreva o que você observou.
2. Qual a diferença entre as duas soluções utilizadas no experimento?
250
O que aconteceu à lã de aço? Por quê?
Represente, por meio de desenhos, as reações ocorridas nos tubos 1 e 2, destacando a diferença entre elas.
Cite exemplos do seu cotidiano em que o fator estudado aqui pode alterar a rapidez de um processo químico.
Como você chamaria a esse fator?
Com base nos resultados desse experimento, tente explicar como esse fator aumenta ou diminui a rapidez de uma reação.
• água oxigenada a 10 volumes
• 2 placas de Petri (ou pires)
• conta-gotas
Procedimento
1.
2.
3.
4.
2
4
Materiais
uma batata crua
uma batata cozida
um pequeno pedaço de fígado cru
um pequeno pedaço de fígado cozido
1
3
Parte D
•
•
•
•
CAPÍTULO
3.
4.
5.
6.
7.
5
6
7
8
Em uma placa de Petri, coloque um pedaço da batata crua e um pedaço da cozida.
Coloque três gotas de água oxigenada em cada pedaço e observe.
Em outra placa, coloque um pequeno pedaço de fígado cru e um outro pedaço cozido.
Goteje três gotas de água oxigenada em cada pedaço, observe e anote.
Destino dos resíduos
O resíduo sólido dessa atividade pode ser descartado no lixo orgânico e o resíduo líquido no sistema de esgoto.
Análise de dados
1. A água oxigenada se decompõe naturalmente produzindo água e gás oxigênio. Essa reação pode ter sua rapidez
aumentada, produzindo maior quantidade de oxigênio.
2. Compare a rapidez da reação ocorrida em cada placa de Petri. O que diferenciou a rapidez das reações?
3. Como você chamaria esse fator que alterou a rapidez da reação?
Temperatura
Pense
Por que os alimentos se conservam por muito mais tempo quando guardados na geladeira do que em temperatura ambiente?
De forma geral, um aumento de temperatura gera aumento na rapidez das reações
químicas, enquanto o abaixamento da temperatura reduz a rapidez destas.
A energia das moléculas, no momento da colisão, constitui um fator determinante
para a ocorrência de reações químicas. Muitas vezes, há necessidade de fornecer energia
às substâncias ou materiais para que a energia cinética aumente e as reações comecem.
Assim, variações de quantidade de energia das moléculas fazem com que as reações ocorram com maior ou menor rapidez.
O efeito da temperatura é de fácil compreensão se lembrarmos que as partículas, em líquidos e gases, estão em constante movimento, devido à energia cinética.
251
Hely Demutti
Hely Demutti
CINÉTICA QUÍMICA
Como já vimos, a energia cinética está relacionada diretamente à temperatura do material. A rapidez de uma reação é proporcional à temperatura. Isso
ocorre porque quando a temperatura é mais alta a movimentação das moléculas também é maior, o que eleva a quantidade de colisões entre as partículas,
aumentando também a quantidade de colisões efetivas do sistema.
Esse princípio é, geralmente, válido para reações que se processam em uma
única etapa, pois, como veremos mais adiante, existem reações que ocorrem em
Bananas são transportadas verdes por semais de uma etapa. Nesses casos, é possível que a temperatura afete a formação
rem, assim, mais resistentes. Depois, para
de complexos intermediários, influenciando a rapidez da reação como um todo.
amadurecerem e irem para as prateleiras,
Um exemplo desse tipo de reação é a que ocorre entre os gases monóxido
são colocadas em estufas abafadas,
de nitrogênio (NO) e oxigênio (O2), formando dióxido de nitrogênio (NO2), que
onde amadurecem mais.
diminui sua rapidez com o aumento da temperatura por causa da diminuição
da estabilidade do complexo intermediário.
O controle da temperatura é muito importante em diversos ramos da indústria.
Normalmente, há necessidade de aumentar a rapidez das reações envolvidas nos processos de produção para diminuir custos, pois as indústrias consomem muita energia nesses processos. Em outros casos, como nos alimentos, há necessidade de que as reações
de degradação sejam retardadas para que eles se conservem por mais tempo.
A luz também pode influenciar na rapidez de certas reações químicas. Nesse caso, a
energia de ativação é fornecida pela energia da radiação luminosa.
Reações que ocorrem devido à presença de luz são chamadas reações fotoquímicas.
Como exemplos, podemos citar o processo de fotossíntese e a impressão de
A baixa temperatura pode
diminuir a rapidez das
chapas fotográficas.
Ricardo Azoury/Olhar Imagem
reações que contribuem
para a degradação de
certos alimentos. Por isso,
muitos alimentos devem
ser conservados sob
refrigeração.
Navios naufragados no
litoral brasileiro, como a
Corveta Ipiranga, em
Fernando de Noronha,
enferrujam mais rapidamente do que navios naufragados em regiões próximas aos polos Norte ou Sul,
devido à temperatura mais
elevada de nosso litoral, o
que acelera as reações.
252
Superfície de contato
Talvez você já tenha visto um combustível líquido, como gasolina ou álcool, pegar
fogo. O fogo fica na superfície do líquido (classe B) porque é aí que existe o contato
com o outro reagente: o oxigênio do ar.
Quando um combustível é vaporizado ou pulverizado no ar, a reação com o oxigênio é muito rápida, praticamente instantânea. Justamente por essa rapidez é que não
se deve acender lâmpadas em locais com suspeita de vazamento de gás de cozinha. Por
essa mesma razão, para se acender uma fogueira utilizam-se gravetos para só depois colocar a lenha formada por pedaços maiores de madeira. A justificativa é simples: quanto
maior a superfície de contato entre os reagentes de uma reação, maior é sua rapidez.
Já sabemos que, quanto maior o número de moléculas em contato, maior será o número de colisões. Concluímos, então, que aumentando a superfície de contato entre as
partículas dos reagentes, estaremos aumentando a frequência de choques entre elas, o que
provoca um aumento na quantidade de choques efetivos e influencia na rapidez da reação.
Nos sólidos, a combustão começa pelas partículas da superfície, e só depois atinge as
partículas de seu interior. No caso dos líquidos, a reação ocorre na superfície, a não ser
que eles sejam pulverizados, o que aumenta a área de contato com o oxigênio. Por isso,
em um motor a combustão, o combustível é pulverizado nos pistões, causando explosões.
Quando partimos um sólido ao meio, além de toda a superfície externa, a região interna
que ficou exposta depois da divisão também entrará em contato com os reagentes. Nesse caso,
dizemos que houve um aumento da superfície de contato do material, ou seja, houve um aumento da região em que os reagentes vão entrar em contato. Consequentemente, mais rápida
será a reação com os demais reagentes. Para você ter uma ideia da diferença, compare a superfície de um cubo de 10 cm de aresta com a superfície total de mil cubos de 1 cm de aresta.
J. Yuji
10 cm
1 cm
CAPÍTULO
Um exemplo dessa possibilidade
de aumentar a rapidez de uma reação é o costume de picar alimentos
para aumentar a rapidez do seu cozimento. Essa prática pode significar
uma economia de gás de cozinha; no
entanto, do ponto de vista nutricional não é um bom negócio: quanto
mais os legumes são partidos, maior
é a perda de substâncias nutritivas,
extraídas por dissolução na água ou
decompostas pela ação do ar.
1
2
3
4
Caio Guatelli/Folhapress
Renata Mello/Olhar Imagem
5
Quantas vezes a superfície
de um cubo de 10 cm de
aresta é maior do que a soma das superfícies de 1000
cubos de 1 cm de aresta?
6
7
8
Um escoteiro sabe que para acender uma
fogueira é necessário juntar gravetos bem finos, que têm uma superfície de contato muito
maior do que a lenha e, por isso, pegam fogo
com mais facilidade.
Hely Demutti
Explosões em silos podem acontecer devido ao fino pó que fica suspenso e pode ter sua combustão
iniciada, por exemplo, por uma faísca ao acender um interruptor.
Qual das duas batatas
irá cozinhar mais rapidamente? Qual delas perderá mais nutrientes?
Concentração
Pense
Outro fator que pode alterar a rapidez de uma reação é a concentração das espécies
químicas envolvidas – os reagentes. A explicação desse fato, considerando a teoria das
colisões, é fácil: quanto maior o número de partículas dos reagentes, maior será a probabilidade de choques entre elas e, consequentemente, mais rápida será a reação.
Para substâncias no estado gasoso, a medida do efeito da concentração está relacionada à pressão parcial do gás. Quanto maior for essa pressão, maior será o número de
moléculas presentes e maior será a quantidade de colisões por unidade de volume.
Um bom exemplo da importância da concentração numa reação química pode ser
dado pela queima do álcool. Comumente, o álcool comercial contém água. Quanto mais
água, menor a concentração do álcool e, consequentemente, menor a rapidez da reação.
A concentração do reagente pode diminuir a valores tão baixos que a combustão nem
ocorre. Antigamente, o álcool comercializado era muito concentrado, com menos de 10%
Hely Demutti
Por que assoprar uma brasa aumenta a combustão e assoprar uma vela a interrompe?
Por medida de segurança,
tem-se recomendado a
venda de álcool em gel,
com baixo teor alcoólico,
para evitar acidentes.
253
CINÉTICA QUÍMICA
Caio Guatelli/Folhapress
Quando bebês prematuros
nascem, necessitam de
cuidados especiais, assim
são colocados em estufas,
como mostra a foto. Nelas,
é possível aumentar
a concentração de
oxigênio fornecida para
as crianças. Assim, as
reações de oxigenação do
seu corpo são aceleradas
e, com isso, gastam menos
energia.
de água. Atualmente, o álcool mais comumente comercializado possui metade de seu volume em água. Consequentemente, enquanto o primeiro era utilizado para fazer fogo, o
segundo não adianta em nada nesse caso.
Por que, em certos casos, assoprar aumenta a intensidade da reação e, em outros casos,
a interrompe? Vamos responder a essa questão considerando o caso da vela e o da brasa,
apresentado na seção "Pense" da página anterior.
Vamos, inicialmente, analisar o processo de combustão de uma vela.
Como você sabe, a vela é formada por um pavio de barbante envolvido por parafina,
material derivado do petróleo. Depois de aceso o pavio, o calor da chama derrete a parafina que, líquida, sobe, por capilaridade, no pavio e queima na chama.
A queima da parafina é uma reação de combustão. Quando a reação é completa, os
produtos são o dióxido de carbono (CO2) e a água (H2O). Quando a reação não é completa, parte da parafina é transformada em moléculas menores de outros hidrocarbonetos
que também podem ser queimados.
Entretanto, em condições normais, não existe oxigênio em quantidade suficiente para
reagir com todo o combustível. Isso faz com que a combustão seja incompleta, formando outros produtos além dos já citados, como o monóxido de carbono (CO) e a fuligem
(aquela parte escura que são pequenas partículas em suspensão).
Agora você tem segurança para responder à pergunta anterior?
Se você assopra a vela, diminui muito a temperatura do pavio,
interrompendo a combustão. Retirando a fonte de ignição, a reação cessa porque não há mais energia de ativação para alimentá-la.
Por outro lado, ao abanarmos uma churrasqueira, a chama
aumenta, pois a corrente de ar retira a cinza, facilitando o contato do oxigênio com a brasa. Pode-se dizer que a brasa é o combustível já aquecido pela energia de ativação; aumentando o
contato entre os reagentes, aceleramos a reação de combustão.
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Diferencie a combustão completa da incompleta.
10. Explique, de acordo com a teoria das colisões e a do
estado ativado, por que existem reações que são rápi2. Em um incêndio, causado por vazamento de gás, qual
seria o procedimento mais fácil para apagar a chama
do gás: despejar água na chama ou jogar uma toalha
molhada em cima do local onde está escapando o gás?
Justifique sua resposta.
3. Qual a importância do estudo da Cinética Química? O
que é Cinética Química?
das e outras lentas.
11. Por que o aumento de temperatura aumenta a rapidez
de uma reação química?
12. Justifique a seguinte afirmação: o aumento da temperatura diminui a energia de ativação.
13. Qual é a influência da superfície de contato na rapidez
4. Em que consiste a rapidez de uma reação química?
de uma reação química?
5. Como podemos expressar a taxa de rapidez de uma 14. Explique como a concentração pode alterar a rapidez
reação química?
de uma reação química.
6. O que é a energia de ativação?
15. Justifique a seguinte afirmação: analisando uma equa7. Explique, utilizando a teoria das colisões, em que conção química é possível prever como a rapidez varia com
siste uma colisão eficaz.
a concentração dos reagentes dessa reação.
8. Quais são as condições necessárias para que uma rea- 16. Alguns medicamentos são apresentados na forma
ção química possa ocorrer?
9. Explique o que é o complexo ativado.
254
de comprimidos que, quando ingeridos, se dissolvem
lentamente no líquido presente no tubo digestório,
c) A rapidez da produção de bolhas aumenta com a
elevação da temperatura da água.
d) As bolhas são constituídas de gás carbônico.
e) O fenômeno corresponde a uma reação química.
17. (UFRGS-adaptado) O carvão é um combustível consti-
19. (UFMG-adaptado) A tabela abaixo mostra o resultado
tuído de uma mistura de substâncias ricas em carbono.
A situação em que a forma de apresentação do combustível e do comburente e a temperatura utilizada favorecerão a combustão do carbono com maior rapidez é:
COMBUSTÍVEL
COMBURENTE
TEMPERATURA
A
carvão em pedaços
ar atmosférico
0 °C
B
carvão pulverizado
ar atmosférico
30 °C
C
carvão em pedaços
oxigênio puro
20 °C
D
carvão pulverizado
oxigênio puro
100 °C
E
carvão em pedaços
oxigênio liquefeito
50 °C
18. (UFMG-adaptado) Quando se coloca um comprimido
efervescente em um copo com água, o qual constitui
um sistema aberto, observam-se o aparecimento de
bolhas e a dissolução do comprimido. Sobre esse fenômeno, todas as afirmações estão corretas, exceto:
a) A dissolução será mais rápida se o comprimido for
pulverizado.
b) A massa do sistema se mantém inalterada durante
a dissolução.
de experiências em que comprimidos efervescentes foram dissolvidos em água.
Estado do
comprimido
CAPÍTULO
garantindo um efeito prolongado no organismo. Contudo, algumas pessoas, por conta própria, amassam o
comprimido antes de tomá-lo. Que inconveniente existe
nesse procedimento?
1
2
3
Temperatura da
água (°C)
Tempo para dissolução
total, em minutos
4
Inteiro
20 °C
1,0
5
Inteiro
30 °C
0,5
6
Pulverizado
20 °C
0,7
7
Pulverizado
40 °C
0,2
8
Considerando-se os resultados da tabela e os fatores
que, em geral, influenciam a rapidez de reação, marque
a alternativa errada.
a) A pulverização aumenta a energia cinética das
partículas.
b) A pulverização aumenta a frequência de colisões das
partículas do comprimido com as moléculas de água.
c) A rapidez de dissolução depende de mais de um fator.
d) O aquecimento aumenta a energia média das colisões.
e) O aumento da superfície de contato favorece a
dissolução.
4 MECANISMOS DE REAÇÃO
S
egundo a teoria das colisões, para ocorrer reação química as partículas de espécies
químicas reativas precisam colidir.
Essas partículas podem ser átomos, moléculas ou íons que, ao colidirem, provocam
rearranjos de átomos, com rompimento e formação de novas ligações químicas.
Nesse sentido, reações que envolvem rearranjo de muitos átomos tendem a ser lentas e,
consequentemente, reações que envolvem rearranjo de poucos átomos tendem a ser rápidas.
Para explicar como as reações acontecem, são propostos modelos de mecanismos que
justificam os fenômenos observados.
De acordo com um desses mecanismos, as reações não ocorrem em uma única etapa.
Antes da formação dos produtos, as colisões levam à formação de espécies intermediárias.
Obviamente, quanto maior for o número de espécies químicas envolvidas, maior a necessidade
de rearranjos e a quantidade de etapas envolvidas até a formação dos produtos da reação.
Como exemplo, vamos considerar a reação de combustão de vapores de octano, um
dos componentes da gasolina.
2C8H18 (g) + 25O2(g) ( 16CO2(g) + 18H2O(g)
Se a reação ocorresse em uma única etapa, de acordo com a equação, haveria necessidade de que duas moléculas de octano colidissem com 25 moléculas de oxigênio. Isso
255
J. Yuji
CINÉTICA QUÍMICA
Para que a reação ocorresse em uma só etapa, seria
necessário que cada duas
moléculas de octano
colidissem, simultaneamente, com 25 moléculas de oxigênio.
significaria a colisão simultânea de 27 moléculas, formando
um complexo ativado que se desintegraria, produzindo as
34 moléculas dos produtos.
Parece óbvio que essa reação não ocorre em uma única
etapa, pois produz muitos rearranjos de ligações químicas. A
probabilidade da colisão simultânea entre tantas moléculas é
tão pequena que a rapidez dessa reação seria imensurável.
Ou seja, se dependesse dessas colisões, em vez de explosões na combustão de vapores de gasolina em um motor,
teríamos uma reação lenta cuja liberação de energia seria
imperceptível, incapaz de produzir qualquer movimento.
Para que o modelo explicativo da ocorrência de reação química possa se ajustar à realidade observável da rapidez da combustão de vapores de gasolina, teremos de concluir que essa reação complexa provavelmente se
dá em uma série de etapas mais elementares, envolvendo menor número de colisões
simultâneas. A essa série de etapas é que denominamos mecanismo de reação.
Vejamos um exemplo.
Estudar os mecanismos de uma reação que envolve tantas espécies químicas não é
fácil. Por isso, vamos estudar uma reação mais simples: a reação de decomposição do
monóxido de nitrogênio, formando os gases nitrogênio e oxigênio. Essa reação pode ser
descrita pela equação a seguir.
2NO(g) ( N2(g) + O2(g)
Essa reação não acontece em uma única etapa. Nela há a formação de uma espécie
intermediária que, posteriormente, irá se decompor, formando os produtos. Assim, o mais
preciso seria escrever a reação segundo a equação a seguir.
2NO(g) ( N2O2(g) ( N2(g) + O2(g)
Uma outra forma de representar a reação seria apresentando as etapas:
1a etapa: 2NO(g) ( N2O2(g)
2a etapa: N2O2(g) ( N2(g) + O2(g)
Somando-se as etapas, podemos cancelar substâncias que se repetem nos produtos
e nos reagentes. Veja como ficaria esta equação:
NO(g) ( (NO)2(g)
1a etapa:
a
N2O2(g) ( N2(g) + O2(g)
2 etapa:
Reação global: 2NO(g) ( N2(g) + O2(g)
A figura abaixo representa, microscopicamente, a reação.
1
2
1a etapa
3
2a etapa
O complexo ativado, espécie intermediária, é instável e rapidamente se decompõe
dando origem aos produtos da reação. Por isso, a segunda etapa da reação (passagem
da figura 2 para a 3) ocorre rapidamente.
256
Ilustrações: J. Yuji
Nessa sequência de figuras, as bolinhas vermelhas representam átomos
de oxigênio e as amarelas representam átomos
de nitrogênio. Do grande
número de moléculas presentes no sistema, estamos
representando apenas cinco,
mas vamos dar destaque a
duas que estão no canto direito das imagens. Na figura 1, duas moléculas estão
em rota de colisão. Na figura 2, como a energia, a direção e orientação do choque
são favoráveis, há formação
do complexo ativado. Na figura 3, o complexo ativado
se decompõe dando origem
a moléculas dos produtos.
J. Yuji
Energia potencial
CAPÍTULO
Entretanto, a ocorrência da primeira etapa (passagem da figura 1 para a 2) exige quantidade de
energia, por formar uma substância que é energeticamente desfavorável. Isso faz com que essa etapa seja lenta.
A figura ao lado representa graficamente a variação de energia dessa reação.
A rapidez total da reação depende da soma
da rapidez de cada etapa que constitui a reação
global. Se pelo menos uma das etapas da reação
for lenta, a rapidez do processo global também
será lenta.
Assim, a etapa mais lenta da reação é que
determina a rapidez de todo o processo; por isso,
ela é denominada etapa determinante da rapidez da reação.
intermediários
1
2
3
reagente
4
produtos
5
6
Evolução da reação
7
Representação da variação de energia durante a reação de decomposição do monóxido de nitrogênio em nitrogênio e oxigênio.
8
Q
uando colidem reagentes com suficiente energia cinética, parte dessa energia se
transforma em energia potencial que fica armazenada nas ligações da espécie intermediária, denominada complexo ativado. Esse complexo tem uma energia superior à
dos reagentes, e a diferença entre essas energias é denominada energia de ativação (Ea).
Ela é a menor quantidade de energia, nas condições do sistema, necessária à formação do
complexo ativado e, consequentemente, para a ocorrência da reação. Mesmo as reações
exotérmicas precisam de energia de ativação. Depois de iniciadas, essas reações produzem
energia suficiente para se autossustentarem enquanto houver reagentes.
No caso da queima de um combustível, essa energia pode ser fornecida por uma simples
faísca. Depois de iniciada, a reação libera energia suficiente para outras espécies reagirem.
Assim como o palito de fósforo, o isqueiro precisa de um “empurrãozinho” (energia
de ativação) para que a reação ocorra. O contato dos reagentes é condição necessária,
mas não suficiente, para as reações ocorrerem.
A energia de ativação está diretamente relacionada com a rapidez da reação química.
Os palitos de fósforos
usados diariamente só entram em combustão quando
riscados, pois a energia de
ativação é obtida pelo atrito.
Hely Demutti
5 CATÁLISE
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
J. Yuji
Analise o gráfico abaixo e responda:
Qual das etapas (I, II e III) é a mais lenta? E qual é a mais rápida?
Energia armazenada
Pense
EaI
reagente
I
produtos
EaII
EaIII
II
III
Caminho da reação
257
Air bags de automóveis protegem motoristas e passageiros durante choque e/ou colisões. O dispositivo
é inflado pelo gás nitrogênio (N2), produzido em uma
reação rápida, praticamente instantânea, que ocorre
entre nitreto de sódio e óxido de ferro III. Uma faísca é a energia de ativação da reação, cuja equação é:
CINÉTICA QUÍMICA
faísca
6NaN3(l) + Fe2O3(s) ( 3Na2O(s) + 2Fe(s) + 9N2(g)
Divulgação
Divulgação
A etapa mais lenta é a que apresenta maior valor para a energia de ativação, e a mais rápida, a que apresenta menor valor
para a energia de ativação.
Uma forma de aumentar a rapidez de reações químicas é a
utilização de catalisadores: substâncias ou materiais que alteram
a rapidez de reações químicas, não sendo consumidos de forma
considerável na reação. Esse processo que ocorre com a presença de catalisadores é chamado de catálise. O estudo da catálise
é um importante campo de pesquisa na química que tem tido
várias aplicações tecnológicas.
São vários os tipos de catálise e os processos envolvidos com
os catalisadores para aumentar a rapidez da reação. De modo
geral, os catalisadores são recuperados no fim do processo, tendo sido pouco consumidos.
Pelo fato de serem relativamente muito pouco consumidos
nas reações, os catalisadores não são considerados reagentes.
Eles têm grande importância econômica em processos químicos, pois, além de reduzir significativamente o tempo de duração das reações, podem ser recuperados e utilizados diversas
vezes e por muito tempo.
Os catalisadores são substâncias ou materiais que alteram a rapidez de reações
químicas, sem serem consumidos de forma considerável.
Pense
Por que não é necessário utilizar grandes quantidades de catalisador nas reações químicas?
Cada catalisador atua de forma diferente em uma reação química. Vejamos um pouco do seu mecanismo de ação.
Ação dos catalisadores
A função dos catalisadores foi descoberta pelo químico sueco Jöns Jacob Berzelius
[1779-1848]. Em 1835, ele publicou um trabalho comunicando que poderia aumentar a
rapidez de uma transformação química acrescentando aos reagentes determinadas substâncias que, no entanto, não eram consumidas.
A ação de um catalisador sobre uma reação química é chamada catálise. O estudo
da catálise é tão importante para a ciência e a indústria que constitui um ramo específico
de pesquisas. No Brasil, as atividades nessa área começaram em 1970, por iniciativa do
químico Remolo Ciola [1923-2010].
O número de pesquisadores interessados em desenvolver conhecimento e tecnologia
na área cresceu e esses passaram a organizar simpósios e congressos sobre o assunto.
As descobertas geraram tecnologias que foram incorporadas por indústrias, levando ao
surgimento de fábricas especializadas na produção de catalisadores.
Os mecanismos de ação dos catalisadores são complexos e ainda não estão completamente esclarecidos. O que se sabe, contudo, é que eles alteram o caminho da reação,
tornando algumas de suas etapas mais rápidas.
258
CAPÍTULO
A linha contínua representa a variação de
energia durante a reação
de decomposição do monóxido de nitrogênio em
nitrogênio e oxigênio, na
presença de catalisador.
A linha pontilhada representa a mesma reação na
ausência de catalisador.
1
2
3
4
5
J. Yuji
Embora não sofram alterações na composição química, certos catalisadores alteramse fisicamente, podendo ser recuperados, mesmo assim, no fim do processo. Essa propriedade justifica o alto investimento no seu desenvolvimento, pois, por ser muito pouco
consumida nas reações químicas, a quantidade de catalisadores necessária para produção
de grande quantidade de substâncias é muito pequena.
Apesar da complexidade da atuação dos catalisadores, já se sabe que muitos deles
agem sobre a etapa mais lenta da reação, facilitando a formação do complexo ativado
por exigir menor quantidade de energia para sua formação. Com a diminuição dessa
barreira energética, uma maior quantidade de reagentes forma o complexo ativado que,
posteriormente, dá origem aos produtos da reação. Com isso, a reação global se processa mais rapidamente.
A variação de energia da reação de decomposição do monóxido de nitrogênio, com e sem a presença de catalisador, pode ser representada pelo
diagrama ao lado.
Em certos casos, pode ser necessário diminuir o
ritmo de reações que se processam muito rapidamente. Para isso, pode ser usada uma substância ou
material que dificulte a formação do complexo ativado, aumentando a barreira energética da reação
e tornando-a mais lenta. Essas substâncias ou materiais são conhecidos como inibidores. Um bom
exemplo desse tipo de processo é a adição de determinadas substâncias a alimentos com intuito de
retardar reações naturais de decomposição.
6
7
8
Aplicações dos catalisadores
Fotos: Hely Demutti
Os catalisadores têm ampla aplicação industrial, sendo muito utilizados na síntese
de substâncias empregadas por indústrias alimentícias, farmacêuticas, de plásticos etc.
Um exemplo de catalisador encontrado em nosso cotidiano são os conversores catalíticos utilizados em descargas de automóveis, conhecidos simplesmente como catalisadores.
Semelhantes a uma colmeia de abelha, conversores catalíticos são recipientes metálicos
com revestimento interno à base de cerâmica, com finos orifícios, instalados nas descargas dos automóveis, ou seja, nos escapamentos. Essa estrutura cerâmica serve de suporte
para uma mistura de metais na forma de um pó fino. Na realidade, são esses metais que
funcionam como catalisadores. Esses catalisadores aumentam a rapidez de uma série de
reações que converterão gases poluentes em outros gases menos nocivos.
O catalisador automotivo contém uma colmeia impregnada com
metais específicos. Para veículos a gasolina, utiliza-se uma mistura
de paládio e ródio, enquanto para veículos a álcool se utiliza uma
mistura de paládio e molibdênio.
Para decompor os gases poluentes com eficiência, é necessário aumentar a superfície de contato dos catalisadores, o que é obtido por estruturas semelhantes a colmeias.
259
CINÉTICA QUÍMICA
Os gases poluentes são gerados na queima dos combustíveis. Como exemplos de gases
tóxicos, temos o monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), dióxido de enxofre
(SO2) e fragmentos de hidrocarbonetos que não queimaram completamente. Na combustão dos combustíveis, há ainda a produção de outros gases menos tóxicos ou não tóxicos –
dióxido de carbono (CO2), água (H2O), ácido sulfídrico (H2S), oxigênio (O2) e nitrogênio (N2).
Os conversores catalíticos aceleram as reações de transformação desses gases em outros menos poluentes, como ilustram as equações abaixo:
2CO(g) + O2(g) ( 2CO2(g)
2NO(g) + 2CO(g) ( N2(g) + 2CO2(g)
C7H16 (g) + 11O2(g) ( 7CO2(g) + 8H2O(g)
Essas reações são aceleradas nos conversores pela ação dos metais que as catalisam.
A estrutura dos catalisadores em forma de colmeia aumenta a superfície de contato, produzindo uma área de aproximadamente dois a três campos de futebol.
Um exemplo de utilização industrial de catalisadores está na produção do oxigênio (O2) a
partir do clorato de potássio (KClO3), utilizando como catalisador o dióxido de manganês (MnO2).
MnO2
2KClO3(s) **( 2KCl(s) + 3O2(g)
Em condições normais de temperatura e pressão, essa reação é muito lenta. Quando
realizada a altas temperaturas e na presença de dióxido de manganês, ocorre rapidamente, tornando-se mais adequada a processos industriais.
Entre os catalisadores naturais estão os zeólitos, catalisadores à base de aluminosilicato, usados em processos de tratamento de água, separação de gases, craqueamento de
petróleo etc. Esses materiais também têm sido usados para produzir gasolina a partir de
álcool, por possibilitar que moléculas de álcoois formem hidrocarbonetos com um número de átomos de carbono desejado.
Uma vantagem desse tipo de catalisador é que suas estruturas tridimensionais contêm
canais de tamanhos seletivos que permitem interromper as reações quando a cadeia carbônica da substância em produção atinge o número de átomos desejado.
Um exemplo dessa propriedade é a utilização do catalisador ZSM-5 na conversão de
metanol em hidrocarbonetos de aproximadamente oito átomos de carbono, ou seja, gasolina. A vantagem da conversão de álcool em gasolina está no fato de que o poder energético (entalpia de combustão) da gasolina é maior que o do álcool. Isso ocorre porque o
álcool é um hidrocarboneto parcialmente oxidado.
Outra aplicação dos catalisadores está no processo de transesterificação para obtenção de biodiesel, como foi ilustrado nas reações da página 238. Vários investimentos têm
sido feitos para desenvolvimento de novos catalisadores para essas reações.
Enzimas: catalisadores da vida
Enzimas são proteínas (sequência de aminoácidos) sintetizadas pelas células que catalisam reações fundamentais para o funcionamento adequado dos processos bioquímicos.
O funcionamento preciso de todas as funções de nosso corpo se deve à ação das enzimas.
A digestão, por exemplo, começa na mastigação com a amilase, enzima presente em nossa
saliva que quebra moléculas dos constituintes do amido, amilopectina e amilose, e do glicogênio,
presentes em alimentos. Um dos produtos dessa reação é a glicose. Por isso, é possível sentir um
sabor adocicado após mastigar um pedaço de pão por tempo suficiente para que haja a reação.
Milhares de enzimas são produzidas por organismos vivos, sendo cada uma delas responsável por atuar em reações específicas que ocorrem no organismo.
Por exemplo, a anidrase carbônica liga-se ao gás carbônico para transportá-lo até as
moléculas de água e transformá-lo em ácido carbônico, que será eliminado do organismo.
260
Hely Demutti
1
2
3
4
5
6
7
J. Yuji
Química Verde: catalisando processos em
favor do ambiente
Princípios da Química Verde
1. Prevenção.
2. Economia de átomos.
3. Síntese de produtos menos perigosos.
4. Desenvolvimento de produtos seguros.
5. Solventes e auxiliares mais seguros.
6. Busca pela eficiência de energia.
7. Uso de fontes renováveis de matéria-prima.
8. Evitar a formação de derivados.
8
A Química Verde tem
como objetivo desenvolver produtos e processos
que permitam uma relação mais saudável com o
meio ambiente.
Hely Demutti
Um grande problema ambiental preocupa os ambientalistas: o consumo pela sociedade
moderna de grandes quantidades de materiais e de energia. A raiz para solução desse
consumo exagerado tem relação com a Química, ciência que tem como objeto central
de estudo processos de transformações de materiais que geram novas substâncias e
energia. Com essa preocupação, químicos de diversos países, desde a década de 1990,
vêm desenvolvendo processos químicos que têm contribuído para a redução do consumo,
tanto de materiais como de energia.
Esse movimento dos químicos ficou conhecido como “Química Verde”. Seu principal
propósito é desenvolver e aplicar produtos e processos químicos que reduzam ou eliminem o uso e a geração de substâncias perigosas à saúde humana e ao meio ambiente.
Para alcançar esse objetivo da Química Verde, os químicos passaram a adotar princípios que não se resumem na busca de meios que reduzam de forma global materiais e
energia. No quadro abaixo, são apresentados os doze princípios que têm fundamentado
a ação dos químicos na perspectiva ambientalista.
CAPÍTULO
Representação da molécula de glicose,
um dos produtos da digestão que é produzido
durante a mastigação,
graças à presença da
enzima amilase.
Para preparar iogurtes,
adicionam-se ao leite
bactérias que contêm
enzimas que aceleram as
reações com o açúcar e
as proteínas lácteas.
9. Catálise.
10. Desenvolvimento de sistema para a
degradação.
11. Análise em tempo real para a prevenção
da poluição.
12. Química intrinsecamente segura para a
prevenção de acidentes.
A catálise se configura no nono princípio, na medida em que ela assegura uma economia de tempo, de materiais e de energia. O seu estudo acaba sendo fundamental para se
alcançar os demais princípios, pois o uso de catalisadores pode reduzir a quantidade de
reagentes, auxiliar na síntese de produtos menos agressivos, aumentar a eficiência energética do sistema, evitar a formação de subprodutos indesejáveis e facilitar a degradação
de substâncias tóxicas.
261
Exercícios
1. Por que as reações químicas para a formação de produtos
CINÉTICA QUÍMICA
ocorrem em etapas?
2. A reação de 2A + B ( A2B apresenta as seguintes etapas:
Etapa lenta: A + A ( A2
Etapa rápida: A2 + B ( A2B
a) Qual é a espécie intermediária?
b) Por que a primeira etapa é mais lenta e a segunda,
mais rápida?
3. Explique por que a etapa lenta é mais importante no
mecanismo de uma reação química.
4. Qual a importância da energia de ativação nos mecanismos de reação?
5. Qual a diferença entre reação endotérmica e exotérmi-
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
a) a curva II refere-se à reação catalisada e a curva I
refere-se à reação não catalisada.
b) se a reação se processar pelo caminho II, ela será
mais rápida.
c) a adição de um catalisador à reação diminui seu
valor de ΔH.
d) o complexo ativado da curva I apresenta a mesma
energia do complexo ativado da curva II.
e) a adição do catalisador transforma a reação endotérmica em exotérmica.
9. (Unirio-RJ) O gráfico a seguir refere-se ao diagrama ener-
gético de uma reação química (reagentes ( produtos),
no qual se veem destacados dois caminhos de reação:
ca, em relação à energia de ativação?
6. Por que a energia de ativação indica se a reação será
lenta ou rápida?
7. (UFMG) As curvas I e II representam caminhos possíveis
para a reação de hidrogenação do propeno:
a) Indique a curva correspondente ao caminho da reação mais rápida.
b) Escreva o fator responsável por essa diferença de
rapidez.
c) Compare os complexos ativados formados nos dois
caminhos da reação.
d) A reação ocorre pelos dois caminhos no mesmo
sistema? Justifique sua resposta.
8. (UFPR) No diagrama a seguir estão representados os caminhos
de uma reação na presença e na ausência de um catalisador:
Após uma análise das entalpias dos reagentes, dos produtos e dos valores a, b, c e d, podemos afirmar que:
a) a reação é endotérmica e a presença do catalisador
diminui o ΔH de a para b.
b) a reação é endotérmica e a representa o ΔH com
a presença do catalisador.
c) a reação é exotérmica e a energia de ativação, sem
a presença do catalisador, é representada por c.
d) a presença do catalisador diminui o ΔH da reação
representada por c.
e) a presença do catalisador diminui a energia de ativação de a para b e mantém constante o ΔH da
reação representada por d.
10. Explique como o catalisador influi na rapidez de uma
reação.
11. Qual a importância dos catalisadores para as indústrias?
12. Explique o funcionamento do conversor catalítico dos
automóveis, conhecido como catalisador.
13. Qual a importância, em termos de aplicação, da zeólita
como catalisador natural?
Com base nesse diagrama, é correto afirmar que:
262
14. Por que as enzimas são consideradas catalisadores?
16. Explique por que a luz não é considerada um catalisador.
17. Nas reações químicas, o inibidor é um material que se
caracteriza por:
a)
b)
c)
d)
e)
auxiliar o catalisador.
aumentar a rapidez da reação.
diminuir a rapidez da reação.
agir como catalisador.
diminuir a energia de ativação.
CAPÍTULO
15. Como atua um inibidor?
1
2
3
4
Cinética Química
5
b Algumas reações podem ser lentas e outras rápidas. A cinética é a área da Química que estuda a rapidez com
6
que as reações ocorrem e os fatores que a alteram.
b A rapidez da reação é a taxa que se refere à variação da quantidade de reagente consumido ou de produto
formado por unidade de tempo.
b Para a determinação da rapidez de reações químicas, as quantidades consumidas e produzidas são expressas
em unidades de concentração (se as substâncias estiverem em solução) ou em termos de pressão parcial (se as
substâncias forem gases).
7
8
Teoria das colisões
b Para que duas ou mais substâncias possam reagir, é necessário que suas moléculas colidam para que haja
quebra das ligações e formação de novas substâncias. As colisões devem ser efetivas, com orientação favorável
e energia suficiente.
b Energia de ativação é a energia necessária para iniciar uma reação.
Fatores que influenciam a rapidez das reações
b Temperatura: de forma geral, um aumento de temperatura aumenta a energia cinética das moléculas provocando um aumento na rapidez das reações químicas; enquanto o abaixamento da temperatura reduz a
rapidez destas.
b Superfície de contato: quanto maior o número de moléculas em contato, maior será o número de colisões e
consequentemente haverá um aumento na rapidez da reação.
b Concentração: quando a concentração dos reagentes é alta, aumenta-se a possibilidade de ocorrem colisões
efetivas, provocando um aumento na rapidez das reações.
Mecanismos de reação
b As reações químicas tendem a ocorrer em etapas. Antes da formação dos produtos, as colisões dos reagentes
levam à formação de espécies intermediárias. Essas etapas elementares pelas quais passam a reação principal
são denominadas mecanismos de reação.
b A rapidez total da reação depende da soma da rapidez de cada etapa que constitui a reação global. Se pelo
menos uma das etapas da reação for lenta, a rapidez do processo global também será lenta.
b Para que as reações ocorram, é necessário uma energia mínima para iniciar o processo. Essa energia é necessária
para ativar as moléculas fazendo com que elas colidam efetivamente, recebendo o nome de energia de ativação (Ea).
b Quando a energia é suficiente para a reação, ocorre a formação de um composto intermediário, instável,
denominado complexo ativado.
b Quanto menor a energia de ativação, mais facilmente se forma o complexo ativado e mais rápida será a reação.
Catálise
b Uma forma de aumentar a rapidez de reações químicas é a utilização de catalisadores. Essas substâncias ou
materiais alteram a rapidez de reações químicas, sem serem consumidos de forma considerável.
263
C apít ulo 8
TRANSFORMAÇÕES E PROPRIEDADES DAS SUBSTÊNCIAS
ENERGIA NUCLEAR
De onde vem a energia nuclear?
Como devemos fazer uso da radioatividade e da energia nuclear?
Tema em foco
ENERGIA NUCLEAR COMO FONTE DE
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Na primeira metade do século passado, o conhecimento sobre a estrutura do átomo avançou vertiginosamente.
Além de descobrir mais sobre a constituição e a organização do átomo, os cientistas também constataram que era
possível manipular a grande quantidade de energia envolvida em transformações nucleares. Tal conhecimento favoreceu inúmeras descobertas que, hoje, melhoraram a qualidade de vida das pessoas, mas que também geram questões importantes sobre os perigos envolvidos com a manipulação desses materiais.
O crescimento populacional, associado ao desenvolvimento tecnológico, levou a uma necessidade cada vez maior de
energia elétrica. Alguns países, como o Brasil, possuem diversas fontes para a obtenção de energia elétrica. Entretanto,
na maioria dos países não há tanta diversidade de recursos disponíveis. A energia nuclear, em razão disso, despontou
como alternativa para ajudar a suprir essa necessidade.
Geração de energia elétrica no mundo
Podemos classificar a energia elétrica no mundo
em função de sua forma de geração. O gráfico ao
40% carvão
lado apresenta essa distribuição.
São utilizadas várias fontes para atender às necessidades de energia elétrica no mundo. As usinas
de energia nucleoelétrica colaboram com 17% do total
da energia elétrica produzida no mundo, mas correspondem com apenas 12% da capacidade elétrica instalada.
11%
derivados
de petróleo
17% nuclear
13% gás
19% hidrelétrica
264
O Brasil apresenta um enorme potencial hidrelétrico e também utiliza a energia elétrica gerada pelas usinas nucleares
de Angra 1 e Angra 2. Para evitar falta de energia no futuro,
o país deve investir em qual das duas formas de geração?
Juca Martins
Juca Martins/Olhar Imagem
Nota: geotérmica e outras = menos de 0,5%
Wikimedia Foundation
CAPÍTULO
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5
Jacques Demarthon/AFP Photo
Vários países europeus abrangem territórios pequenos e não dispõem de recursos hídricos
que lhes permitam gerar energia elétrica suficiente para suprir suas demandas. Para atender
a essa necessidade de energia elétrica, utilizam usinas termelétricas que usam como fonte
de energia o carvão, um material altamente poluente. Uma das possibilidades de solucionar
essas questões é gerar energia elétrica por meio de usinas nucleoelétricas. Assim, a energia
nuclear é uma das alternativas disponíveis para suprir a grande necessidade energética de
muitos países. Porém, o uso dessa fonte é cercado de grandes controvérsias. Enquanto alguns propõem sua erradicação, devido aos riscos de acidentes que podem ser muito graves,
outros defendem seu uso alegando que essa é a única fonte de energia capaz de substituir,
de forma global, combustíveis fósseis e impedir catástrofes relacionadas às mudanças climáticas, oriundas do aquecimento global causado por emissão de gases.
No ano de 2006, segundo a Agência Internacional de Energia Atômica, havia 443 usinas nucleares em funcionamento no mundo gerando um total de 367 GW. Imagine se
essa energia fosse oriunda de usinas termelétricas que utilizam combustíveis fósseis, certamente as previsões climáticas catastróficas previstas pelos cientistas para as próximas
décadas já estariam acontecendo!
Para muitos países, sobretudo os emergentes, dispor de tecnologia para enriquecimento
de urânio com o objetivo de produzir energia elétrica é fundamental e pode representar
soberania, mas ao mesmo tempo pode gerar risco para os demais países.
A humanidade já teve provas dos riscos aos quais está exposta ao manipular a energia
contida nos átomos, como os acidentes da usina soviética de Chernobyl e da usina japonesa
Patrick Moore, funde Fukushima. O acidente com Césio-137, em Goiânia, é o exemplo brasileiro desses riscos.
dador do Greenpeace, e
James Lovelock, o criaEm 2005, o Brasil viu reacender a discussão sobre o emprego da energia nuclear para a gedor da Teoria de Gaia, seração de energia elétrica, com a construção da usina nuclear de Angra 3, que deverá entrar em
gundo
a qual a Terra é um
operação no ano de 2014. Essa discussão persiste até os dias atuais, pois o país precisa enconorganismo
autorregulátrar alternativas energéticas que favoreçam o crescimento e minimize os problemas ambientais.
vel e vivo, têm defendido
Apesar de toda a controvérsia em torno das aplicações da radiação e da energia nuclear, se
a ideia de que a energia
por um lado elas provocaram a morte de milhares de pessoas por meio de bombas ou acidennuclear é alternativa enertes, não há como negar que também produziram uma série de benefícios para a sociedade.
gética viável para a socieA polêmica está posta. Quem deve decidir sobre as utilizações da energia nuclear e da
dade moderna.
radioatividade? Os cientistas? Os tecnocratas que trabalham para as empresas? Os políticos? A população? Seria melhor, acreditamos, que a sociedade como um todo se posicionasse sobre essas questões.
O debate envolve aspectos econômicos, éticos, políticos e ambientais.
Neste capítulo, você estudará um pouco sobre o funcionamento de usinas nucleares, seus potenciais e riscos. Dessa
maneira, compreenderá novos conceitos que lhe darão melhores condições de participar de debates sobre o uso e as
consequências da energia nuclear, formando opinião a respeito dessa questão. Comecemos vendo opiniões divergentes sobre o assunto.
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7
8
Energia nuclear: energia limpa?
Assim como os transgênicos, a energia nuclear é um assunto polêmico. Por isso, é alvo de debates acalorados
que envolvem ciência e sociedade.
Entretanto, sempre que se fala em radioatividade, as pessoas demonstram receio ou mesmo medo. Não é de estranhar, uma vez que milhares de pessoas já morreram em decorrência de efeitos da radiação proveniente de bombas
ou acidentes. Entretanto, também não podemos esquecer da quantidade de pessoas que são curadas ou tratadas
com métodos que envolvem o uso de diferentes tipos de radiações. Além da medicina, outros segmentos da nossa sociedade utilizam-se da radioatividade e, embora nem percebamos, usufruímos dos benefícios dessa utilização.
A verdade é que, logo após a descoberta da radioatividade, os cientistas se preocuparam em evitar acidentes causados pelo seu uso descontrolado. Não podemos esquecer também que a exposição a diferentes formas de radiações
é absolutamente natural, como discutimos anteriormente.
265
Claudia Otte/Dreamstime
Department of Defense, USA
ENERGIA NUCLEAR
Graças à desmontagem
de arsenais militares de
países como os EUA e a antiga União Soviética, o mercado tem reprocessado ou
reciclado materiais para serem usados como combustível em usinas nucleares.
Wuppertal, Alemanha 2009.
No entanto, o fato atual reside na necessidade de expansão da oferta de energia para a
sociedade tecnológica. O que vamos fazer se as reservas de combustíveis fósseis correm o risco
de acabar e seu uso em grande escala gera problemas climáticos de grande ordem? Precisamos
encontrar alternativas, e o uso da energia nuclear é apresentado como sendo uma delas.
As usinas nucleares que são usinas termelétricas apresentam algumas vantagens em
relação às demais usinas termelétricas e às hidrelétricas na geração de eletricidade:
• representam um potencial energético relativamente maior quando comparado com as
reservas de combustíveis fósseis ou de recursos hídricos associados a acidentes geográficos que permitem a construção de hidrelétricas;
• se não considerarmos a ocorrência de acidentes de grandes proporções como o de
Chernobyl (veja texto adiante), afetam o ambiente de forma muito menos agressiva que
as demais usinas termelétricas, altamente poluentes, e as hidrelétricas, que represam
grandes quantidades de água, causando impactos ambientais de grandes proporções.
Dados estatísticos apontam que, ao contrário do que muitos pensam, a energia nuclear
para geração de eletricidade é segura. Os registros históricos demonstram que o uso da energia nuclear é seguro. Até os dias atuais, tivemos apenas um único acidente grave e de grandes
proporções em termos de vítimas humanas, o de Chernobyl, que abordaremos mais adiante.
Porém, existem outras questões preocupantes quanto ao uso da energia nuclear:
• A geração de resíduos é perigosa, contendo isótopos radioativos cujo período de decaimento é muito longo. Alguns, como o amerício-241, são produzidos em pequenas
quantidades, mas permanecem ativos por milhões de anos. Outros, como o césio-137
e o estrôncio-90, têm suas vidas médias na ordem de centenas de anos.
• A produção do combustível é menor que a demanda, dificultando a expansão da energia nuclear para geração de eletricidade.
• A segurança de reatores nucleares que podem tornar-se alvos de terroristas, com vista
à obtenção de material radioativo para fabricação de armas nucleares.
Mais adiante aprofundaremos esta polêmica do uso da energia nuclear.
Os países que não possuem potencial hidrelétrico necessitam de usinas termelétricas. Enquanto as usinas termelétricas à base de combustíveis fósseis liberam gases do efeito estufa, as usinas nucleares não emitem tais gases.
Controvérsia científica
GREENPEACE LANÇA RELATÓRIO SOBRE OS RISCOS DAS USINAS NUCLEARES
Possibilidade de acidentes como o de Chernobyl são reais em todo o mundo, inclusive em Angra 1 e 2;
a organização é contra a construção de Angra 3.
No 19o aniversário do acidente em Chernobyl, onde morreram 30 mil
pessoas e três milhões foram atingidas, o Greenpeace lança um relatório
sobre o risco das usinas nucleares no mundo, comprovando a deficiência
deste tipo de energia. [...] Um acidente envolvendo estes reatores [os de
Angra] poderia ser mais severo que o de Chernobyl. Nesse relatório, o
Greenpeace analisa a situação atual e exige a eliminação da energia nuclear como a única medida eficiente para reduzir seus riscos. A solução
está na geração de energia por fontes alternativas (eólica, solar, pequenas
hidrelétricas e biomassa) e o uso eficiente da energia gerada. [...]
Para o Greenpeace, a retomada do programa nuclear brasileiro representaria um retrocesso, já que diversos países – como Alemanha,
266
Espanha e Suécia – estão repensando suas políticas energéticas, apostando em fontes renováveis de energia.
"Investir numa usina nuclear no Brasil vai na contramão do bom senso
e uso apropriado de recursos públicos. Usinas nucleares são inseguras, caras, ultrapassadas e sujas. Juntas, Angra 1 e 2 são incapazes de produzir
mais do que 2% da eletricidade gerada no Brasil", afirma Sérgio Dialetachi,
coordenador da campanha antinuclear do Greenpeace.
O Greenpeace divulgou nesta terça-feira uma carta, informando a população sobre os enormes riscos e desvantagens que a construção de
Angra 3 traria ao País.
Fonte: Greenpeace. Disponível em: <www.greenpeace.org/brasil/pt/
Noticias/greenpeace-lan-a-relat-rio-sob>. Acesso em: 26 nov. 2012.
CAPÍTULO
O GANDHI NUCLEAR
Autor da Teoria de Gaia, James Lovelock era herói dos ecologistas. Agora, ele causa polêmica ao defender
que só usinas nucleares podem nos livrar de um desastre.
Por Eduardo Szklarz
podem morrer antes do esperado com cânceres provocados por radiação,
mas lembre-se: em 1952, cinco mil pessoas morreram em Londres, num
único dia, envenenadas por fumaça de carvão. Estima-se que centenas
de milhares morreram desde então em decorrência de câncer do pulmão
causado pela inalação de substâncias cancerígenas na fumaça. Mas a
mídia não fala da queima de carvão como causa massiva de tumores”.
Quanto à oposição ao uso da energia nuclear: “As pessoas sempre
têm medo de algo. Antes, eram fantasmas e vampiros. Hoje, energia nuclear. A oposição baseia-se numa ficção hollywoodiana, na mídia e em
lobbies do movimento verde”.
Quanto a ter sido um ecologista e agora criticá-los: “Os verdes são
importantes, mas estão errados. Eles se preocupam com as pessoas e esquecem da saúde da Terra. Não percebem que somos parte do planeta e
dependemos dele. Eu mesmo sou um verde, mas tento mostrar que estão
errados sobre energia nuclear [...]”.
Quanto ao lixo atômico: “O volume de lixo atômico de alto nível
produzido pelas usinas nucleares do Reino Unido, em seus 50 anos de
atividade, equivale a 10 metros cúbicos. É o tamanho de uma casa pequena. Se colocado numa caixa de concreto, esse lixo seria totalmente
seguro e a perda de calor ainda poderia ser aproveitada para aquecer
minha casa [...]”.
2
3
4
5
6
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8
Revista Superinteressante, dez. 2004.
Fabio Motta/AE
Quem diria. A energia nuclear, alvo histórico dos protestos ambientalistas, pode ser a chave para nos salvar do aquecimento global. Mais
surpreendente ainda: quem defende a ideia é o inglês James Lovelock,
uma espécie de guru dos ecologistas. Aos 84 anos, o cientista afirma que
precisamos interromper imediatamente a queima de combustíveis fósseis, que piora o efeito estufa. “A única forma de energia imediatamente
acessível que não causa aumento de temperatura é a nuclear. Não temos
tempo para experimentar”, diz. A ideia logo foi rechaçada por organizações ambientais como Greenpeace e Amigos da Terra. E fez o cientista
ver renegado o apelido que ganhou da revista New Scientist : “Gandhi da
ciência”. [...] Químico com doutorado em medicina e biofísica, Lovelock
foi um dos primeiros ambientalistas a falar do aquecimento global, num
relatório elaborado em 1989.[...]
Sobre o uso de energia nuclear e não outras formas tidas como ecologicamente corretas, como a eólica e a solar, ele responde: “Seria ótimo se
pudéssemos contar somente com essas fontes de energia, mas elas não
satisfazem nossas necessidades. Se houvesse um bilhão de pessoas no
mundo, bastaria usar as energias solar, eólica, hidrelétrica e uma quantidade modesta vinda da queima de madeira. Mas já somos mais de seis
bilhões e a população continua aumentando. A energia nuclear é limpa e
não provoca aquecimento [...]”.
Sobre o acidente de Chernobyl: “Há muita mentira em torno desse
assunto. De acordo com informes da ONU, houve 45 mortos em consequência da explosão do reator em Chernobyl. [...] É verdade que alguns
1
A utilização de energia nuclear não é consenso. Muitos grupos ambientalistas têm protestado pela sua utilização, alegando que existem outras formas “mais limpas” de produção de energia, como nessa manifestação contrária à construção da usina nuclear de Angra 3.
267
ENERGIA NUCLEAR
Debata
D
ebata e entenda
1.
2.
3.
4.
5.
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Analisando as notícias, identifique e enumere possíveis vantagens e riscos da utilização da energia nuclear.
A partir das notícias, debata com seus colegas quais seriam os possíveis fatores que levam a tantas controvérsias.
Pesquise com seus colegas a atual situação do Brasil em relação à construção da usina de Angra 3.
Em sua opinião, quais seriam os grandes riscos relacionados ao uso da energia nuclear como fonte geradora de eletricidade?
Comente a seguinte afirmação: “Seja qual for a estratégia adotada, o incremento no uso da energia nuclear passa
necessariamente pela cooperação internacional, com a priorização de uma agenda diplomática na qual o assunto
seja tratado da maneira muito cuidadosa e abrangente.” (Vichi e Mansor, 2009).
6. Em sua opinião, por que a afirmação “A energia nuclear é mais segura do que muitos imaginam” é verdadeira?
7. Quais as fontes energéticas da energia nuclear?
8. Analise a tabela abaixo e responda à seguinte questão: podemos afirmar que uma usina nuclear é menos poluente
que uma usina de carvão? Justifique.
COMPARAÇÃO ENTRE CENTRAIS A CARVÃO E NUCLEARES DE 1300 MWE
Usina
Capacidade instalada
Carvão
Nuclear
2 ⋅ 650 MWe
1300 MWe
Combustível
Consumo anual de combustível
antracita
urânio enriquecido
2,8 milhões de toneladas
170 toneladas de minério de urânio
Área para mineração e rejeitos
Área para estocagem de combustível
Necessidade de transporte de combustível
415 ha
5 ha
25 ha (reserva de 2 meses)
alguns m2 somente
33 000 vagões por ano
5 caminhões por ano
Emissão anual de CO2, de SO2 e de NOX
8 500 000 t CO2
Rejeitos anuais
220 000 t cinzas
120 000 t cinzas volantes
12 000 t SO2
6 000 t NOx
70 000 t enxofre
130 000 t gesso
0
3,5 m3 de rejeitos de alta
radioatividade
Adaptado de: CTMSP – Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (http://www.mar.mil.br).
1 RADIAÇÃO E RADIOATIVIDADE
Pense
O que é radioatividade?
E
xistem diversos tipos de radiação, como a eletromagnética, na qual se inclui a luz, ou
a radiação de partículas provenientes do núcleo atômico, também conhecidas como
emissões radioativas. A energia elétrica que passa por uma lâmpada incandescente interage com os átomos do filamento metálico. Esses átomos liberam parte da energia absorvida sob a forma de luz. Essa radiação, diferentemente da radioatividade que ocorre no
núcleo atômico, é devida a transições dos elétrons em níveis energéticos da eletrosfera.
Algumas substâncias fosforescentes, como as presentes nos interruptores elétricos,
absorvem energia luminosa e depois liberam-na lentamente. Por isso, conseguimos ver
os interruptores brilhando, mesmo após as lâmpadas serem apagadas.
Alguns átomos possuem núcleos muito energéticos devido à grande quantidade de
partículas neles contidas. A emissão de diferentes partículas leva à formação de núcleos
268
Hely Demutti
Radioatividade é a emissão de radiações nucleares.
CAPÍTULO
mais estáveis. Essas emissões foram chamadas de radiações nucleares ou, simplesmente,
radioatividade e os átomos que as emitem chamados de radioativos.
1
2
Entre os diferentes tipos de radiação, certas emissões nucleares de átomos de determinados elementos químicos são largamente utilizadas na indústria, na agricultura, na
medicina, entre outras aplicações.
3
4
Pense
5
As radiações nucleares são invenções humanas?
O material desses interruptores absorvem energia luminosa, que depois é
emitida lentamente na forma de luz, tornando-os visíveis no escuro.
Nós estamos expostos à radiação desde o momento de nossa concepção até o último
instante de nossas vidas. Ao contrário do que se imagina, a radioatividade não é uma invenção humana, mas sim um fenômeno natural ao qual estamos sujeitos a todo instante.
O planeta Terra é radioativo; o ar que respiramos, as ruas por onde andamos, a água que
bebemos, enfim, toda matéria contém uma dose de radiação. Ver gráfico abaixo.
Fontes de radiação
6
7
8
8% radionuclídeos
presentes no solo
e nas rochas
55% radiação natural de
fundo a que estamos
submetidos
8% raios cósmicos
11% radionuclídeos
presentes no corpo
(ex. carbono-14,
potássio-40)
15% raios X (medicina, odontolodia)
e raios Y (medicina nuclear)
Fonte: KRAUSKOPT, K. B.; BEISER, A. The phisical universe. 7. ed. New York: McGraw-Hill, 1993. p. 201.
Jim Ross/Nasa Photo
O nosso planeta é bombardeado incessantemente por radiações oriundas do Sol e de
outros astros de nossa galáxia, denominadas radiações cósmicas. Apesar de serem extremamente energéticas, a maioria dessas radiações não consegue atravessar as camadas
mais altas da atmosfera, situadas acima de 25 quilômetros da superfície terrestre.
Embora esse fato não seja alarmante para o cidadão, com o advento da era espacial
tornou-se de grande importância, porque os astronautas, durante todo o período em que
se encontram no espaço, ficam sujeitos a elevados fluxos de radiação cósmica.
Nos voos realizados a grandes altitudes,
as aeronaves recebem uma quantidade
de radiação cósmica significativamente superior à média que normalmente recebemos aqui na superfície.
Proporções entre os diferentes
tipos de radiação às quais
estamos expostos. Na maioria, são fontes que não oferecem riscos à saúde.
Nasa Solar and Heliospheric Observatory
3% exposição relativa à
profissão, produtos
industrializados,
resíduos de testes
nucleares e de
usinas nucleares
O Sol emite a maior parte da radiação que incide
sobre a Terra.
269
Além da radiação cósmica, existem alguns tipos de radiação emitidos espontaneamente
por átomos de certas substâncias que estão presentes em todo o planeta e, por isso, estamos sujeitos às suas radiações o tempo todo. Na verdade, em nossos corpos também estão
presentes pequenas quantidades desses átomos. A cada minuto, cerca de 250000 átomos se
desintegram em nosso corpo, emitindo radiações. Ou seja, nós também somos radioativos.
Os primeiros metros da nossa atmosfera, a partir da superfície, são dominados por radiações produzidas diretamente pelo solo e rochas da superfície terrestre. O intenso processo
geológico de formação do magma, que ocorreu no início da formação da Terra, concentrou
algumas substâncias radioativas na crosta terrestre, tornando o planeta radioativo.
Em certas regiões, as condições geológicas propiciaram maior acúmulo de minerais contendo substâncias radioativas. Por isso, os habitantes de tais regiões estão sujeitos a doses
de radiação bem mais elevadas que a média do planeta. Na região costeira de Guarapari
(ES), por exemplo, existem praias com um acúmulo de
areias monazíticas, ricas em minerais que contêm substâncias radioativas devido à presença de átomos de tório. Isso faz com que as doses de radiação nessas praias
cheguem a ser cem vezes superiores à média.
Outra região brasileira famosa pela sua radioatividade
natural é a estância hidromineral de Poços de Caldas (MG).
Nas proximidades da cidade, está a primeira e mais famosa mina de urânio do Brasil, localizada no Morro de Ferro.
Além da radiação natural, em alguns locais, o nível de
Praia da Areia Preta, Guarapari (ES), 2010.
radiação é aumentado devido ao uso de equipamentos que
produzem radiação, como aparelhos de raios X, televisores
e fornos de micro-ondas, ou que contêm material radioaA Agência Internacional de Enertivo, como bombas de césio usadas em tratamento de ragia Atômica (AIA), ligada à ONU, redioterapia. Em locais onde o nível de radiação é superior
comenda o uso desse símbolo como
ao natural, é obrigatória a divulgação desse fato por meio
alerta à presença de fontes radioativas
do símbolo da figura trifólio (página 312), que tem a finalipotencialmente perigosas.
dade de alertar as pessoas sobre a presença de radioatividade em maior intensidade. A Agência Internacional de Energia Atômica – AIA recomenda
o uso do símbolo ao lado de aparelhos que tenham fontes de radiação classificadas como
perigosas e capazes de causar morte e danos graves.
J. Y
u ji
Ricardo Azoury/Pulsar
ENERGIA NUCLEAR
J. Yuji
O símbolo da
presença de radiação
(trifólio)
Photo Researchers/Latinstock
2 A DESCOBERTA DA RADIOATIVIDADE
270
N
a década de 1870, o físico inglês William Crookes [1832-1919] desenvolveu uma
ampola de vidro de cristal na qual se podiam observar raios luminosos que ficaram
conhecidos como raios catódicos. Em 1895, fazendo estudos com esses tubos, o físico
alemão Wilhelm Röntgen [1845-1923] descobriu, acidentalmente, um tipo de radiação a
qual praticamente todos já fomos expostos mais de uma vez: os raios X.
Röntgen usava em seus estudos chapas fotográficas sensíveis à luminescência produzida nos tubos de raios catódicos. Um dia, Röntgen percebeu que uma de suas chapas,
mesmo encoberta, estava sendo revelada. Ao
Deve-se a Wilhelm Conrad Röntgen os primeiros
investigar o fato, ele identificou uma radiação
estudos dos fenômenos radioativos e a descoberta
não luminosa que estava sendo produzida nos
dos raios X, em 1895, o que lhe valeu o primeiro
tubos de raios catódicos com o mesmo efeito
Prêmio Nobel de Física em 1902.
da luz. Deu o nome a essa radiação de raios X.
CAPÍTULO
A descoberta dessa radiação logo foi difundida e aplicada em diferentes situações. Esse
é um bom exemplo de rápida aplicação tecnológica de descobertas científicas. Ela foi tão
importante que, em apenas um ano após ser anunciada, os médicos já começaram, em
todo o mundo, a utilizar os raios X para diagnósticos.
1
Pense
2
Que propriedade dos raios X permite que eles sejam tão utilizados na Medicina?
3
4
5
6
7
8
SPL/Latinstock
SPL/Latinstock
Library of Congress
Hoje sabemos que os raios X são emitidos quando elétrons, acelerados em alta voltagem, são arremessados contra outros átomos e sofrem frenagem. Esse movimento faz
com que os átomos percam energia, que é irradiada por meio de ondas eletromagnéticas,
cuja frequência é maior do que a dos raios ultravioleta.
Anos depois da descoberta dos raios X, o físico francês Antoine Henri Becquerel
[1852-1908] resolveu testar a possível emissão de uma radiação semelhante por uma
substância fosforescente de urânio. Acidentalmente, descobriu que tal substância emitia radiação espontaneamente, e não radiação absorvida de raios solares, por exemplo. Estudando detalhadamente outras substâncias, constatou que qualquer substância
de urânio possuía essa propriedade. Ele sugeriu à sua aluna de doutorado, a polonesa
Marie Sklodowska Curie [1867-1934], que estudasse um minério de urânio chamado
pechblenda ou uranita (UO2). Esse minério apresentava uma quantidade de radiação
consideravelmente maior que os demais minérios já estudados.
Marie Curie, conhecida por Madame Curie, e seu marido, Pierre Curie [18591906], trabalharam com 1400 litros do minério e isolaram átomos de dois elementos
químicos até então desconhecidos. Ao primeiro, que é cerca de 400 vezes mais radioativo
que o urânio, deram o nome de rádio, por ser o mais radioativo. E ao outro, cerca de 60 vezes mais radioativo que o urânio, deram o nome de polônio, em homenagem à terra natal.
Mesmo concentrando grande esforço nisso, Becquerel, Marie e Pierre não conseguiram explicar a origem da radiação emitida pelos átomos dos elementos citados.
Os conhecimentos sobre o fenômeno da radioatividade ainda eram escassos. Atualmente,
considera-se radioatividade a emissão de radiações pelos núcleos de alguns tipos de átomos, na forma de energia ou partículas subatômicas (partículas menores que constituem
o átomo). Deve-se destacar assim que nem toda radiação emitida por átomos pode ser
considerada radioatividade, pois, como já vimos no modelo atômico de Bohr, os elétrons
emitem radiação ao fazerem saltos quânticos entre os níveis de energia do átomo. Essas
radiações que têm origem na eletrosfera, como também os raios X, não são consideradas
radiações nucleares. Vejamos a seguir o que são radiações nucleares.
Becquerel, Marie Curie
e Pierre Curie, em reconhecimento à descoberta da
radioatividade espontânea,
foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física em 1903.
271
3 EMISSÕES NUCLEARES
Pense
As emissões radioativas são transformações físicas ou químicas?
N
ENERGIA NUCLEAR
as reações químicas, ocorre o rearranjo de átomos, acompanhadas de alterações em
suas estruturas eletrônicas. No entanto, os núcleos dos átomos permanecem inalterados.
A radioatividade, ao contrário, é um fenômeno nuclear. Isto é, acontece a partir do núcleo do
átomo – daí o termo reações nucleares. Tais fenômenos envolvem grandes quantidades de energia e dependem muito pouco de fatores físicos, como temperatura e pressão, ou de fatores químicos, como estado de oxidação e interações com outros átomos. O fato de um elemento químico emitir radiação por átomos depende basicamente de seus núcleos serem ou não instáveis.
Como o processo pode envolver variação da carga nuclear (positiva), também é possível haver alteração na eletrosfera (negativa) para compensar. Dessa maneira, havendo
transformação nuclear, poderemos ter alteração nas substâncias. No entanto, didaticamente tratamos separadamente as transformações físicas e as transformações químicas.
Assim, sempre que nos referirmos a uma transformação nuclear, estaremos considerando
simplesmente o processo físico, a não ser que destaquemos o processo químico paralelo.
Existe uma série enorme de tipos de radiações nucleares. A seguir, estudaremos um
pouco sobre as mais importantes.
Emissões alfa ()
Os estudos realizados por Henri Becquerel sobre a emissão de radiação por substâncias
contendo átomos de urânio despertaram a atenção do físico neozelandês Ernest Rutherford
[1871-1937]. Em seus experimentos, Rutherford observou diferentes níveis de penetração
da radiação alfa (α) em relação às demais radiações.
Pense
Library of Congress, Washington
O que acontece com átomos que emitem radiação alfa (α)? Após todos os átomos de uma
substância emitirem radiação alfa (α), suas propriedades químicas continuarão as mesmas?
Rutherford, além de ter
contribuído para a proposta de um modelo atômico que muito nos ajuda a
compreender os processos
químicos, desenvolveu importantes estudos que possibilitaram a identificação
das radiações nucleares.
272
Aplicando um potencial elétrico sobre o percurso da radiação α, Rutherford concluiu
que essa radiação seria formada por partículas positivas, tendo em vista que eram desviadas para o lado negativo da placa.
A radiação α é constituída por partículas positivas, formadas por dois prótons e dois nêutrons,
ou seja, iguais ao núcleo do átomo de hélio. Por isso, também usamos o termo partícula alfa.
Esse tipo de radiação é lento, quando comparado a outros tipos, por ser constituído de
partículas relativamente pesadas. É por isso também que o poder de penetração dessas
partículas é pequeno, sendo retidas até mesmo por uma folha de papel. Por outro lado,
seu poder de ionização é alto, pois captura elétrons do ambiente, transformando-se em
átomos de hélio, de acordo com a equação a seguir.
α + 2 e– ( 24He
4 2+
2
Na equação acima, representamos a carga das partículas α, porém isso normalmente não
é feito, como representa a equação para a emissão de radiação α por átomos de urânio-234:
234
92
4
U ( 230
90 Th + 2α
CAPÍTULO
Nas transformações nucleares, átomos de um elemento químico são transformados em
átomos de outro elemento, mas, como previa Lavoisier, nada se perde, tudo se transforma. Mais adiante, veremos como variam a massa e a carga nas transformações nucleares.
1
Emissões beta ()
2
3
Átomos de alguns elementos químicos, como os de urânio, emitem um tipo de radiação que foi denominada radiação beta (β).
Em 1900, estudando a radiação β,, Becquerel observou que, quando submetida a um campo elétrico, ela se desviava para o lado das cargas positivas; possuía carga negativa e massa
muito menor do que as partículas alfa. Entretanto, essa radiação não é originária da eletrosfera, e sim de núcleos de átomos radioativos. Quando um núcleo radioativo emite uma partícula
beta, seu número de massa não se altera, mas seu número atômico aumenta em uma unidade.
Após grande quantidade de evidências, Becquerel concluiu que essa radiação é constituída por partículas iguais aos elétrons, emitidas a altíssimas velocidades por núcleos radioativos com poder de penetração intermediário entre as radiações alfa () e gama ().
A equação a seguir representa a emissão de radiação β por átomos de chumbo-210.
Pense
Pb (
210
82
4
5
6
7
8
Bi + –10β
210
83
O que acontece com um átomo que emite uma partícula beta (β)? Após todos os átomos de uma substância química
emitirem uma partícula beta (β), suas propriedades químicas continuarão as mesmas?
A radiação beta é geralmente aceita como sendo uma série de emissões que podem
ser sintetizadas pela reação descrita na seguinte equação:
n ( 11p + –10β
1
0
Ou seja, um nêutron desintegra-se, fornecendo um elétron e um próton.
Emissões gama ()
A ilustração mostra a diferença entre o poder de
penetração das radiações
alfa, beta e gama. Observe
que a radiação alfa, constituída por dois prótons
e dois nêutrons, tem menor poder de penetração
que a radiação gama,
constituída por ondas
eletromagnéticas.
Parede de
concreto
Chumbo
J. Yuji
O físico francês Paul Villard [1860-1934] descobriu um terceiro tipo de radiação, a qual
deu o nome de radiação gama (γ), seguindo a notação adotada por Rutherford para as
citadas anteriormente. Villard observou que a radiação gama é mais energética do que as
radiações α e β e que ela não é afetada por campos elétricos.
A radiação gama é constituída por ondas eletromagnéticas, semelhantemente aos raios X.
No espectro eletromagnético, ela possui frequência maior do que os raios X. Ocorre que,
enquanto os raios X são produzidos na eletrosfera, a radiação gama é produzida no núcleo
atômico. Por outro lado, ao contrário das radiações α e β, a radiação γ, assim como os raios X,
não possui carga nem massa. Ela é dotada de alta velocidade e poder de penetração maior
que as radiações α e β. Esse tipo de radiação pode atravessar o corpo humano, mas é bloqueada por lâminas de
Alumínio
Papel
chumbo com mais de 8 mm de espessura. Para minimizar
α
os efeitos da exposição durante a utilização, empregam-se
β
barreiras de chumbo ou concreto.
Átomos que emitem radiação gama não perdem sua
γ
identidade, ou seja, continuam com seus números atômico e de massa inalterados.
273
A emissão de radiação γ por núcleo atômico é normalmente acompanhada por
emissões de radiações α e β. Na verdade, essas radiações, assim como outras que não
iremos estudar agora, são processos que ocorrem simultaneamente. A opção de estudar separadamente esses processos visa facilitar a sua compreensão. Como exemplo de
emissão gama, podemos citar o caso do cobalto-60, que emite radiação beta, formando níquel-60. Este, por sua vez, emite radiação gama, segundo a equação:
Co ( –10β + 60
28 Ni
γ
↝
60
28Ni
ENERGIA NUCLEAR
60
27
Pense
J. Yuji
A emissão de radiação gama é um processo físico ou químico? As emissões de radiações
alfa e beta são processos físicos ou químicos?
Para responder a essas questões, devemos saber claramente o que é uma transformação
química.
Como já se falou anteriormente, nas transformações químicas ocorre a formação
Esse esquema represende novas substâncias, por meio do rearranjo dos átomos. Nelas, os átomos não perdem sua
ta o comportamento
identidade, ou seja, não ocorrem mudanças em seus núcleos. Por isso, para uma reação quídas radiações α, β e
mica, podemos realizar um balanceamento de equação em que a quantidade de cada tipo
γγ, quando passam por um
campo elétrico.
de átomos dos reagentes deverá ser igual à quantidade dos mesmos átomos nos produtos.
Nas reações químicas, só ocorrem mudanças nas eletrosEsquema indicativo da trajetória de emissões
feras dos átomos. Em muitos casos, nem nas eletrosferas
radioativas ao atravessar um campo elétrico
ocorrem variações.
placa
Nas reações nucleares, no entanto, as transformações
eletroímã
fotográfica
não ocorrem devido ao rearranjo entre os átomos que forβ
mam as substâncias. Em uma reação nuclear, os átomos
perdem sua identidade, transformando-se em átomos de
γ
outros elementos químicos. Por isso, essas reações são consideradas transformações físicas.
α
As principais conclusões a respeito da natureza das três
fonte
bloco de
principais radiações nucleares até aqui estudadas podem ser
radioativa
chumbo
extraídas quando se analisa o comportamento dessas radiações ao passar por um campo elétrico. Veja esquema ao lado.
Pense
O que leva a radiação alfa a ser atraída pelo lado negativo do campo elétrico?
Por que a radiação beta é atraída para o polo positivo, sofrendo um desvio maior do que a radiação alfa?
Uma análise do esquema acima indica que a radiação alfa é positiva com massa superior à da radiação beta, que é composta por partículas negativas, pois se desviam para o
polo positivo do campo elétrico. Em síntese, a tabela a seguir apresenta as características
das radiações alfa, beta e gama.
274
Nome
Símbolo
Alfa
α
Beta
β
Gama
γ
CARACTERÍSTICAS DAS RADIAÇÕES α, β E γ
Carga elétrica
Massa
Natureza
–24
+2
6,65 ⋅ 10 g/partícula Dois prótons e dois nêutrons.
–1
9,11 ⋅ 10 –28 g/partícula Elétron produzido a partir de transformações nucleares.
0
0
Radiação eletromagnética.
CAPÍTULO
Outras emissões radioativas
e partículas elementares
1
Pense
2
De que a matéria é constituída?
3
Uma característica do ser humano é que a resposta a uma pergunta leva a outras perguntas.
Por isso, a questão anterior não tem uma resposta definitiva. Tem diferentes respostas.
Demócrito e Leucipo, Aristóteles, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr e muito outros
ajudaram a responder à questão acima. Insatisfeitos, o cientistas buscam mais respostas
e, em meados do século passado, os físicos romperam a barreira das partículas consideradas elementares e descobriram outras ainda menores.
Por isso, além das emissões citadas anteriormente, os átomos das substâncias radioativas
também emitem outros tipos de radiações e partículas de grande importância para a ciência
e tecnologia. Essas não serão nosso objeto de estudo neste curso, mas vale a pena listar
algumas para deixar claro que trabalhamos com um modelo de átomo constituído de
prótons, nêutrons e elétrons que, embora muito útil à Química, não é absoluto. A seguir
listamos algumas dessas partículas e emissões.
4
5
6
7
8
ALGUMAS PARTÍCULAS E EMISSÕES SUBATÔMICAS
Símbolo
Ano de descoberta
e descobridor
Fóton
γ
1888
Gilbert Lewis
Elétron
E
Nome
1891
George Stoney
1930
Wolfgang Pauli
1931
Carl Anderson
Observações
Em 1900, Planck propôs o conceito de quantum; em 1905, Einstein
explicou o efeito fotoelétrico e, em 1926, Gilbert Lewis propôs o nome
fóton. A radiação γ é constituída por fótons bastante energéticos.
Participa das reações químicas.
Neutrino
0
0
Pósitron
0
+1
Quark
—
Próton
p
1919
Em 1886, Eugen Goldstein observou os raios canais, opostos aos raios
catódicos. Em 1919, Rutherford publicou seu trabalho apresentando a
descoberta dos prótons.
Nêutron
n
1932
Inicialmente imaginada como partícula elementar, é fundamental para
a estabilidade do núcleo.
Múon
µ
1937
Seth Neddermeyer e Carl Anderson
Píon
π
1947
Giuseppe Occhialini,
Cecil Powell e César Lattes
n
β
Similar ao elétron, porém sem carga. Emitido com a radiação beta.
Também denominado “antielétron”.
Existem diferentes tipos de quarks, subpartículas que dão origem
a prótons, nêutrons e elétrons.
Pode apresentar carga positiva ou negativa e tem massa
207 vezes maior que o elétron.
Radiação cósmica detectada na alta atmosfera. César Lattes era
brasileiro, e em sua homenagem a plataforma de currículos e projetos
dos cientistas brasileiros chama-se Plataforma Lattes.
As partículas subatômicas são divididas, de acordo com seus spins, em férmions e bósons. Os férmions apresentam valores de spin semi-inteiros (1/ 2, 3/ 2 etc.) e os bósons, spin
inteiros (0, 1, 2). Elétrons, prótons e nêutrons são férmions. Acha que acabou? Não! Outras
subpartículas foram e têm sido descobertas, mas vamos parar por aqui, já que os prótons,
nêutrons e elétrons são suficientes para nossos estudos químicos.
275
Exercícios
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. Qual a diferença entre radiação e radioatividade?
2. Cite alguns tipos de radiação a que estamos expostos
ENERGIA NUCLEAR
diariamente.
3. Quais foram as contribuições históricas de Becquerel
para o estudo da radioatividade?
4. Por que Becquerel, Marie e Pierre não conseguiram explicar
a origem da radiação emitida pelos elementos radioativos?
5. Considere as seguintes informações:
I – O cientista Röntger observou que os raios X podiam atravessar materiais de baixa densidade e,
usando chapas fotográficas, percebeu que podia
reproduzir o que existia dentro dos objetos.
II – Becquerel foi o descobridor dos raios X.
III – Becquerel descobriu a radioatividade e demonstrou
que a radiação emitida pelo urânio compartilhava
certas características como os raios X, porém não
era como os raios X, pois podia ser desviado por
um campo magnético e, por essa razão, deveria
ser composto por partículas carregadas.
IV – Pierre e Marie Curie descobriram e divulgaram a
radioatividade de determinados materiais e alguns
radioativos não apresentam essas características.
Das afirmações feitas, estão corretas:
a) apenas I e II.
d) apenas II e III.
b) apenas I e III.
e) apenas II e IV.
c) apenas I e IV.
6. Complete as reações nucleares utilizando as partículas
α, β, p, n, +10e (pósitron):
a) 13H ( 23He + ...
b) 157N + +11p ( 126C + ...
36
19
K + 01n ( 17
Cl + ...
c) 39
d)
e)
N + 24α ( 178O + ...
C ( 105B + ...
14
7
10
6
7. Existem diversos tipos de radiação, como a eletromagnética, na qual se inclui a luz, ou a radiação de partículas provenientes do núcleo atômico, também conhecidas como emissões radioativas. Com relação a esse
assunto, a afirmativa incorreta é:
a) Ondas ou radiações eletromagnéticas são formadas por
um campo elétrico e um campo magnético, perpendiculares entre si e à direção de propagação da radiação.
b) A luz solar, por exemplo, é composta por ondas eletromagnéticas, e seu espectro apresenta radiações,
muitas das quais não podemos ver, que diferem
entre si pela frequência.
c) Os raios X são radiações eletromagnéticas visíveis
de alta energia.
276
d) Radioatividade é o nome dado à propriedade que
certos elementos possuem de emitir partículas
radioativas.
e) As partículas alfa possuem carga positiva e massa,
enquanto as gama são ondas.
8. Os átomos radioativos são responsáveis por emitirem
certos tipos de radiação. Quais são os tipos de radiação?
9. No átomo, qual é a região responsável pela radioatividade?
10. A descoberta da radioatividade contrapôs o modelo
atômico de Dalton. Justifique essa afirmação.
11. Em que consistem as emissões nucleares?
12. Por que, ao atravessarem um campo eletromagnético, partículas alfa são menos defletidas do que
partículas beta?
13. Estabeleça a distinção entre as radiações alfa, beta e
gama, do ponto de vista de:
a) carga.
b) massa relativa.
14. Com relação ao estudo da radioatividade, julgue os
itens em certo (C) ou errado (E).
1) A emissão de um raio gama pelo núcleo de um
átomo introduz uma modificação no seu número
atômico e em seu número de massa.
2) A perda de uma partícula beta pelo núcleo de um
átomo diminui o seu número de massa e aumenta
o seu número atômico em uma unidade.
3) Em uma reação nuclear, os átomos perdem
sua identidade, transformando-se em outros
átomos. Por isso, essas reações são consideradas
transformações químicas.
4) Os radionuclídeos são átomos que emitem raios X.
15. Sobre emissões radioativas, julgue os itens em certo
(C) ou errado (E).
1) Raios alfa são núcleos de átomos de hélio, formados por 4 prótons e 4 nêutrons.
2) O poder de penetração dos raios alfa aumenta com
a elevação da pressão.
3) Os raios beta são elétrons emitidos pelos núcleos
dos átomos dos elementos radiativos.
4) Os raios gama são radiações da mesma natureza
que os raios alfa e beta.
5) Os raios beta possuem massa desprezível.
16. A respeito do produto da desintegração de um átomo
que só emite raios alfa:
a) Tem o mesmo número de massa e número atômico
menor que o emissor.
a)
b)
c)
d)
e)
23. As radiações naturais alfa, beta e gama apresentam
um determinado poder de penetração. Com relação a
essa atividade, podemos afirmar que:
a) α < β > γ
b) γ > β > α
c) α = β < γ
d) β > α > γ
e) β > α > β
17. De que são constituídas as emissões gama? Compare
o seu poder de ionização com as emissões alfa.
18. Explique por que o poder de penetração da partícula
alfa é menor, se comparado ao poder da partícula beta.
19. Explique como são afetados o número atômico e o
número de massa de um átomo após a emissão de uma
partícula alfa.
24. Considere a reação nuclear:
20. Explique como são afetados o número atômico e o número de massa de um átomo após a emissão de uma
partícula beta.
21. Dada a sequência de decaimento, informe quais radiações foram emitidas:
235
79
A→
B→
231
77
C→
231
78
D→
231
79
227
77
têm o mesmo número de massa.
são isótopos radioativos.
não ocupam o mesmo lugar na tabela periódica.
possuem números atômicos diferentes.
são isóbaros radioativos.
E
14
7
CAPÍTULO
b) Apresenta o mesmo número de massa e número
atômico menor que o emissor.
c) Possui número de massa menor e número atômico
menor que o emissor.
d) Seu número de massa é maior e o número atômico
é menor que o emissor.
e) Apresenta número de massa e número atômico
iguais aos do emissor.
1
2
3
4
5
6
7
8
N + 42 α → 179 F + X,
podemos afirmar que X representa:
a) um nêutron.
b) um elétron.
c) uma partícula alfa.
d) uma partícula beta.
e) uma partícula gama.
22. Quando um átomo emite uma partícula alfa e, em se- 25. Com relação ao poder ionizante, qual das emissões
guida, duas partículas beta, os átomos inicial e final:
apresenta a maior capacidade de ionizar os gases?
4 LEIS DAS DESINTEGRAÇÕES
RADIOATIVAS
O
Lei de Soddy
A equação a seguir representa a emissão de radiação
alfa por átomos de urânio-238 (238U).
4
U ( 234
90 Th + 2α
238
92
Por sua vez, o tório-234 (234Th) também pode emitir radiação alfa, conforme representa a equação abaixo:
234
90
Th (
Ra + 42α
230
88
Album/AKG/Latinstock
s estudos das desintegrações dos núcleos atômicos, por meio das emissões de partículas radioativas alfa ou beta, levaram à formulação das leis estabelecidas pelos
estudiosos Frederick Soddy e Kasimir Fajans, às quais veremos a seguir.
Em 1921, Frederick
Sodd y [1877-1956]
recebeu o Prêmio Nobel de
Química por seu trabalho
sobre a radioatividade das
substâncias e a origem e
a natureza dos isótopos.
277
ENERGIA NUCLEAR
Nesses casos, podemos observar pelas equações que a emissão de radiação alfa levou
à formação de átomos de novo elemento químico, cujo número atômico é menor do que
o inicial em duas unidades, e os valores de número de massa diminuíram em quatro unidades. Por sua vez, esses valores citados correspondem aos valores de número atômico e
de número de massa das partículas alfa.
Estudando essas e outras reações similares, podemos propor a seguinte equação ge por átomos de diferentes elementos químicos, reprenérica para emissão de radiação ,
sentados por A, fornecendo átomos de outro elemento químico, representado por B:
A(
x
y
B + 42α
x–4
y–2
Em todas as equações representadas, se somarmos os números atômicos dos produtos, obteremos o número atômico do átomo que se desintegra. Da mesma maneira, se
somarmos o número de massa dos produtos, obteremos o número de massa do átomo
inicial. Ou seja, também nas reações de emissão de radiação alfa há conservação da carga e da massa. Analisemos a equação:
4
U ( 234
90 Th + 2α
238
92
O somatório das massas dos átomos dos produtos (234 + 4) é igual à massa do átomo do reagente (238), e o somatório dos números atômicos dos átomos dos produtos
(90 + 2) é igual à massa do átomo do reagente (92).
O químico britânico Frederick Soddy [1877-1956], trabalhando com Rutherford, foi
quem observou tal regularidade e a enunciou na forma de uma lei que pode ser definida
da seguinte maneira:
Universidade de Munique; Alemanha
Quando átomos de um elemento químico emitem radiação alfa, formam-se
átomos de outro elemento químico cujo número atômico é menor em duas unidades
e cujo número de massa é menor em quatro unidades.
Lei de Soddy-Fajans-Russel
Estudos similares foram realizados com substâncias que emitem radiação beta. Vejamos
a equação que representa tal emissão feita por átomos de bismuto-214 (214Bi).
Pense
214
83
Bi (
Po + –10β
214
84
Na equação anterior, o número de massa é conservado. E o número atômico?
Kasimir Fajans propôs
a lei da desintegração radioativa de um átomo pela
emissão de uma partícula
alfa simultaneamente com
Frederick Soddy. De acordo com essa lei, quando
um átomo radioativo decai
emitindo uma partícula alfa, o seu número atômico
diminui em duas unidades e
o seu número de massa diminui em quatro unidades.
278
Do mesmo modo, protactínio-234 (234Pa) emite radiação beta, sendo essa transformação descrita pela equação:
234
92
Pa (
U + –10β
234
91
Ao emitir uma partícula beta, os átomos do elemento químico têm seu número atômico aumentado em uma unidade. Nesse caso, seu número de massa permanece inalterado.
Nestes e em outros casos de emissão de radiação beta, um nêutron de cada átomo é
transformado em próton. Por isso, o átomo obtido possui um próton a mais do que aquele que lhe deu origem. Essa constatação feita por Soddy e pelo químico polonês Kasimir
Fajans [1887-1985] levou a proposição de uma segunda lei da radioatividade, que pode
ser assim definida:
Charles Spooner Forbes
Frederick Soddy, Kasimir Fajans e Alexander Smith Russel perceberam a regularidade acima e de número atômico. Dessas observações, apresentaram uma lei geral sobre
decaimento radioativo, que pode ser assim enunciada:
CAPÍTULO
Quando átomos de um elemento químico emitem radiação beta, formam-se
átomos de outro elemento químico cujo número atômico é maior em uma unidade
e cujo número de massa não é alterado.
1
2
3
4
Em uma reação nuclear,, a soma dos números de massa dos reagentes é sempre
igual à soma dos números de massa dos produtos.
Esse enunciado, diferentemente do primeiro, se aplica a qualquer tipo de radiação.
5 CINÉTICA DA DESINTEGRAÇÃO
Smith Russel [1868-1972].
O trabalho de Alexander
Smith Russel também contribuiu para o estabelecimento das leis da desintegração radioativa..
5
6
7
8
RADIOATIVA
Pense
Por que será que alguns são e outros não?
A
explicação está relacionada ao equilíbrio de forças que existem no núcleo atômico.
Sabemos que cargas de mesma natureza se repelem. Como no núcleo atômico
estão concentrados todos os prótons em uma região extremamente pequena, existe uma
força elétrica coulombiana de repulsão entre essas partículas muito grande. A força que
anula essa repulsão é denominada força nuclear forte. Ela é muito forte e é resultante
da interação de subpartículas que existem no núcleo atômico, entre elas os nêutrons. Em
determinados átomos, há uma instabilidade grande, de forma que a energia nuclear que
mantém os prótons unidos não é suficiente para reter todos eles. Como resultado, o núcleo atômico fica instável e começa a desintegrar.
À medida que o número de prótons dos átomos vai aumentando, é necessária uma
maior quantidade de nêutrons para manter estável a crescente quantidade de cargas positivas. Veja os dados da tabela a seguir.
NÚMERO DE PRÓTONS E NÊUTRONS DE ALGUNS ÁTOMOS ESTÁVEIS
Elemento
H
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
Z
1
2
10
18
36
54
86
A
1
4
20
40
84
131
222
n
0
2
10
22
48
77
136
n/Z
0
1,0
1,0
1,2
1,3
1,4
1,6
Quanto maior o número de prótons, maior a quantidade de nêutrons necessária para
estabilizá-los. A última linha da tabela da página anterior representa a proporção necessária entre o número de prótons e nêutrons. Enquanto no hélio o número de nêutrons é igual
279
J. Yuji
ao número de prótons, no xenônio o número de nêutrons
é 1,4 vezes maior que o número de prótons. Ou seja, à medida que aumenta o número de prótons, necessita-se cada
vez mais de nêutrons para estabilizar a carga do núcleo.
No entanto, a partir da faixa ideal, o aumento do número
de nêutrons também torna o núcleo instável. Cálculos foram desenvolvidos para identificar a proporção ideal entre
prótons e nêutrons para cada elemento químico e a zona
de estabilidade encontrada está representada no gráfico ao
lado. Observe que em núcleos com poucos prótons a zona
de estabilidade está próxima de 1:1, mas para núcleos maiores esta zona está mais distante dessa proporção.
Experimentalmente, sabemos que nem todos os tipos
de átomos do mesmo elemento químico são radioativos.
Daí, a importância de identificarmos claramente os átomos com a sua massa, e não apenas com o seu número
atômico. A identificação de um tipo de átomo específico
é denominada nuclídeo.
120
209
83
Bi
Número de nêutrons (A-Z)
ENERGIA NUCLEAR
100
128
56
Ba
proporção
nêutron/próton = 2:1
80
zona de
estabilidade
60
84
36
Kr
proporção
nêutron/próton = 1:1
40
20
40
20
Ca
20
40
60
Número de prótons (Z)
Os nuclídeos são átomos que possuem números atômicos iguais e números de massa
diferentes. Já vimos que, quando os átomos de um dado elemento químico ocorrem com
mais de um nuclídeo, esses são denominados isótopos. Assim, muitas vezes os nuclídeos
são simplesmente denominados isótopos. É importante observar, contudo, que se deve
identificar claramente o nuclídeo ou isótopo pelo seu número de massa. Assim, devemos
nos reportar ao nuclídeo carbono-14 (14C) ou ao isótopo de césio-137 (137Ce).
Nem todos os nuclídeos dos átomos são radioativos, pois, dependendo da sua quantidade de nêutrons, eles podem ser estáveis.
J. Yuji
Os nuclídeos, cuja proporção nêutron/próton
é superior ou inferior à
da zona de estabilidade mostrada no gráfico, são instáveis e
emitem radiação até se
tornarem estáveis.
238
U
92
α
234
Th
90
230
226
massa atômica
222
218
Po
α
84
α
214
Pb
82
214
β
Bi
83
Rn
α
86
Ra
88
214
β
Po
84
β
Po
84
234
β
α
Th
90
Pa
91
234
β
U
92
Os núcleos pouco estáveis tendem a emitir radiações, produzindo núcleos mais estáveis. Como
a emissão sucessiva de diferentes formas de radiação leva à formação de núcleos de átomos menores e mais estáveis, essa transmutação de átomos
de diferentes elementos químicos é chamada de
decaimento radioativo. Os elementos químicos
de número atômico mais elevados não são encontrados na natureza, pois, devido ao elevado número de prótons, eles são muito instáveis e logo
se desintegram.
α
210
Pb
82
206
Pb
82
210
β
Bi
83
210
α
número atômico
280
Nuclídeos são átomos de um mesmo elemento
químico caracterizados por um número de massa
específico.
80
Átomos de urânio-238 (238U), após sucessivas emissões de radiações e , originam átomos de chumbo (206Pb).
CAPÍTULO
Séries radioativas
No decaimento radioativo nuclídeos de alguns elementos químicos radioativos emitem
partículas alfa ou beta, formando átomos de outros elementos que também podem ser
radioativos. Esses átomos do segundo elemento são capazes de emitir radiações, produzindo átomos de outro elemento. Nessas emissões sucessivas, formam-se átomos de novos elementos químicos; tal tipo de processo é conhecido como decaimento radioativo, e
os átomos dos elementos participantes constituem as séries radioativas.
Os nuclídeos urânio-238, por exemplo, podem emitir partículas alfa, transformando-se em
nuclídeos tório-234. Esses podem emitir partículas beta, transformando-se em nuclídeos protactínio-234, que também emitem partículas beta e transformam-se em nuclídeos urânio-234.
Meia-vida
1
2
3
4
131
O iodo-131 ( I) deve
ser utilizado rapidamente
no diagnóstico de problemas da tireoide, pois a cada
oito dias sua atividade cai
pela metade.
6
7
8
MARTIN BOND/SPL/Latinstock
O decaimento de átomos dos diferentes nuclídeos acontece em tempos definidos e característicos. Definiu-se, como padrão de comparação
dos diferentes decaimentos, a meia-vida, que é o tempo necessário para
que metade dos átomos decaiam, segundo uma equação bem definida.
Esse parâmetro é de fundamental importância para o uso e descarte de
material radioativo, entre outros estudos.
Como exemplo de meia-vida, podemos citar o iodo-131 (131I), utilizado
em exames de tireoide. Sua meia-vida é de oito dias. Isso significa que, após
oito dias, uma amostra de 100 g só terá 50 g ainda ativas. Passados mais
oito dias, só serão 25 g. Após mais oito dias, a quantidade de iodo ainda em
condições de emitir radiação será de 12,5 g e assim sucessivamente.
Além dos decaimentos de nuclídeos produzidos artificialmente, alguns
nuclídeos naturais emitem radiações α, β e γ sucessivas em sequências bem
definidas e conhecidas, denominadas séries radioativas. Existem apenas três séries radioativas naturais: série do urânio, série do actínio e série do tório. Embora todas partam de nuclídeos do urânio, as duas últimas recebem nomes de átomos que fazem parte da sequência.
5
SEQUÊNCIA DE REAÇÕES DO DECAIMENTO DO URÂNIO-238,
COM OS VALORES DE TEMPO DE MEIA-VIDA DE CADA INTERMEDIÁRIO
Símbolo Decaimento
Tempo de
meia-vida
Símbolo Decaimento
Tempo de
Tempo de
Símbolo Decaimento
meia-vida
meia-vida
238
92
U
α
4,5 ⋅ 109 anos
226
88
Ra
α
1 600 anos
214
84
Po
α
1,6 ⋅ 10–4
segundos
234
90
Th
β
24,6 dias
222
86
Rn
α
3,8 dias
210
82
Pb
β
22 anos
234
91
Pa
β
1,4 minutos
218
84
Po
α
3 minutos
210
83
Bi
β
5 dias
234
92
U
α
270 000 anos
214
82
Pb
β
27 minutos
210
84
Po
α
140 dias
230
90
Th
α
83 000 anos
214
83
β
19 minutos
206
82
Pb
—
(Estável)
Bi
Adaptado de: A Energia Nuclear – Apostila Educativa. Comissão Nacional de Energia Nuclear, Brasil, s/d.
Pense
Pode-se determinar o tempo de atividade de uma substância radioativa?
281
ENERGIA NUCLEAR
Não existe nenhum método científico capaz de prever com exatidão a duração da vida
de um indivíduo. No entanto, é possível calcular o tempo médio de vida de uma população.
Do mesmo modo, não é possível determinar com exatidão a taxa de desintegração de
partículas quando emitidas por núcleos radioativos. Isso ocorre porque existem núcleos
que podem permanecer sem se desintegrar durante segundos, dias ou séculos. O que
pode ser feito é um estudo que permita estimar o tempo de “meia-vida” de uma substância radioativa, que pode ser definida como a seguir.
Meia-vida é o tempo necessário para que o número de isótopos radioativos de
uma substância se reduza à metade.
Representação
gráfica do
tempo de
meia-vida
Massa de material radioativo
Observe o exemplo do gráfico a seguir para entender melhor o conceito de meia-vida.
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tempo
J. Yuji
Vamos trabalhar com um exemplo concreto para
deixar mais claro esse conceito. Consideremos a reação
de decaimento do trítio – isótopo do hidrogênio –, por
emissão de radiação beta:
3
1
T ( 23He + –10β
O tempo de meia-vida desses isótopos é de 12
anos. Consideremos que existam 10 mg de trítio. Qual
será o tempo necessário para que só existam 2,5 mg?
próton
nêutron
elétron
O átomo de trítio, ao emitir radiação beta, tem um de seus nêutrons
transformado em próton, dando origem a um átomo de hélio.
Solução:
Após o tempo de meia-vida (12 anos), a massa
do isótopo será reduzida à metade, ou seja, 5 mg.
O trítio resultante continuará emitindo radiação
beta e, após 12 anos, terá sua massa reduzida à metade, ou seja, 2,5 mg. E, assim, continuará a emissão
de radiação pelo trítio.
Pense
Quanto tempo será necessário para que o trítio acabe?
282
CAPÍTULO
Massas (mg)
O gráfico abaixo representa o decaimento do trítio.
O conhecimento dos tempos de meia-vida das substâncias radioativas é de relevante
interesse para a área científica. A tabela a seguir apresenta o tempo de meia-vida de alguns nuclídeos radioativos.
1
TEMPO DE MEIA-VIDA DE
ALGUNS NUCLÍDEOS RADIOATIVOS
10
Radiação
emitida
Meia-vida
U
α
4 500000 000 anos
Pu
α
24 000 anos
C
β
5 700 anos
H
β
12,3 anos
Co
β
5,3 anos
β
14,3 dias
β
8,1 dias
Isótopos
238
5
decaimento do trítio
239
14
2,5
3
1,25
0,625
0
60
0
12
24
36
32
48
Tempo (anos)
Exercícios
I
3
4
5
6
7
8
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
1. A estabilidade dos núcleos atômicos dependem de que
fator?
2. Os núcleos dos átomos com número atômico superior
a 83 apresentam em comum uma característica. Qual
é essa característica?
3. O que você entende por série radioativa natural?
4. O que acontece quando um átomo radioativo emite
partícula alfa e beta?
5. Por que a radiação gama não apresenta carga nem
massa e mesmo assim é a de maior poder de penetração na matéria?
6. Escreva as equações nucleares por decaimento beta
para cada caso abaixo:
b) 137
a) 90
38Sr
55Cs
7. Escreva as equações nucleares por decaimento alfa em
cada caso:
a) 221
87Fr
P
131
2
b)
235
92
U
8. (Unirio-RJ) Um radioisótopo emite uma partícula α e
posteriormente uma partícula β, obtendo-se ao final
o elemento 234
91Pa . Determine o número de massa e o
número atômico do radioisótopo original.
9. (UFPE) A primeira transmutação artificial de um elemento em outro, conseguida por Rutherford em 1919,
baseou-se na reação:
14
4
1
7N + 2He ( X + 1H
É correto afirmar que:
a. O núcleo X tem dezessete nêutrons.
b. O átomo neutro de elemento X tem oito elétrons.
c. O núcleo 11H é formado de um próton e um nêutron.
d. O número atômico do elemento X é 8.
e. O número de massa do elemento X é 17.
10. (UEPG-PR) Uma série radioativa consiste em um conjunto de radioisótopos que são formados a partir de
um radioisótopo inicial, pela sucessiva emissão de partículas alfa e beta. Na série radioativa que se inicia com
209
o 237
93Np e termina com o 83Bi , o número de partículas
α e β emitido é de, respectivamente:
a) 3 e 5.
c) 6 e 3.
e) 8 e 6.
b) 7 e 4.
d) 5 e 2.
11. O bismuto-211 decai por causa da emissão alfa, originando o nuclídeo tálio, que, por sua vez, decai por
emissão beta, dando origem a outro nuclídeo chumbo
mais estável. Escreva as equações nucleares envolvidas
nas duas etapas.
283
12. O iodo 131
53I apresenta meia-vida de 8 dias. Partindose de uma amostra de 32 g após cinco meias-vidas,
quanto restará de iodo?
ENERGIA NUCLEAR
13. (Mack-SP) Pierre Curie, ao receber com a esposa o Prêmio Nobel, declarou:
“Não é difícil que em mãos criminosas o rádio pode
ser muito perigoso. Terá a humanidade adquirido maturidade suficiente para usar os conhecimentos sem
danos? Os explosivos permitiram ao homem realizar
obras notáveis e ao mesmo tempo serviram de terrível
meio de destruição em mãos dos que lançaram nações
nos horrores da guerra. Sou dos que pensam como
Nobel, ao achar que as novas descobertas trazem mais
benefícios que prejuízos à humanidade.”
No texto, Pierre Curie disse que:
a) O uso do rádio nunca poderia trazer benefícios.
b) Os explosivos devem ser usados somente para a guerra.
c) A descoberta de Nobel só trouxe prejuízos.
d) Os homens sempre tiveram maturidade para usar
os conhecimentos adquiridos.
e. Os benefícios trazidos à humanidade por novas descobertas são maiores que os prejuízos.
14. Quantas meias-vidas serão necessárias para que
20 g de um material radiativo se reduza a menos de
10% do valor original?
15. (FCMSC-SP) Ao estudar a desintegração radioativa de
Massa do elemento
(grama)
um elemento, obteve-se o gráfico:
30
20
10
8
12
16
Tempo (horas)
A meia-vida desse elemento é de:
a) 20 horas.
d) 4 horas.
b) 16 horas.
e) 2 horas.
c) 8 horas.
16. (Ceub-DF) Dispõe-se de 16,0 g de um isótopo radioativo cuja meia-vida é de 15 dias. Decorridos 60 dias, a
quantidade residual dele será:
a) 0,5 g.
d) 8,0 g.
b) 1,0 g.
e) 16,0 g.
c) 2,0 g.
17. Assinale a alternativa correta:
a) A radiação gama é desviada por campos elétricos.
284
18. (UFBA) A química nuclear afeta nossa vida de várias
maneiras. Os elementos radioativos são muito utilizados na medicina como ferramentas de diagnóstico e
como meio de tratamento, especialmente para o câncer. Qual produto é formado quando o tório ( 232
90Th )
sofre um decaimento alfa?
a) 228
c) 228
e) 228
91Pa
92U
88Ra
232
228
b) 92U
d) 90Th
19. (UFU-MG) Preparam-se 8 mg de radioisótopo 218
84Po ,
cuja meia-vida é 3,1 minutos. Restará apenas 1 mg
após:
a) 3,1 minutos.
d) 12,4 minutos.
b) 6,2 minutos.
e) 24,8 minutos.
c) 9,3 minutos.
20. (ESPM-SP) Um certo elemento radioativo tem um período de meia-vida igual a 20 minutos. Dada uma certa
quantidade desse elemento, após quanto tempo sua
radioatividade se reduzirá a 25% da atual?
21. (PUC-SP) O fenômeno da radioatividade foi descrito
40
4
b) Das principais partículas emitidas por elementos
radioativos, a beta é a mais ionizante.
c) Quando um radioisótopo emite uma partícula beta,
seu número de massa diminui de quatro unidades.
d) Se uma amostra de um radionuclídeo se desintegra
pela metade, ocorreu um período de meia-vida.
e) O tempo meia-vida de um isótopo é de 10 anos, após
50 anos o percentual de massa decairá para 6,25%.
pela primeira vez no final do século XIX, sendo largamente estudado no início do século XX. Aplicações
desse fenômeno vão desde o diagnóstico e combate
de doenças até a obtenção de energia ou a fabricação
de artefatos bélicos.
Duas emissões radioativas típicas podem ser representadas pelas equações:
238
92
4
U ( 234
90 Th + 2α
234
90
0
U ( 234
91 Pa + –1β
A radiação α é o núcleo do átomo de hélio, possuindo
2 prótons e 2 nêutrons, que se desprende do núcleo
do átomo radioativo. A radiação β é um elétron, proveniente da quebra de um nêutron formando também
um próton que permanece no núcleo.
A equação que representa o decaimento radioativo do
206
isótopo 238
92U até o isótopo 82Pb estável é:
206
a) 238
92U ( 82 Pb
238
206
b) 92U ( 82 Pb + 8α + 4β
206
c) 238
92U ( 82 Pb + 8α + 6β
206
d) 238
92U ( 82 Pb + 5α + 5β
238
206
e) 92U ( 82 Pb + 6α + 6β
CAPÍTULO
6 RADIOATIVIDADE: SEUS EFEITOS
E APLICAÇÕES
O
1
s efeitos da radiação nuclear nos organismos vivos variam muito em função do tipo
de radiação, da intensidade e do tempo de exposição.
Como a radiação alfa possui um poder de penetração muito pequeno, ela não causa
problemas sérios ao organismo.
A radiação beta pode ser retida por um tecido grosso ou madeira. Esse tipo de radiação é o mais perigoso para os organismos vivos. Devido ao seu poder ionizante, a radiação beta produz grande quantidade de radicais livres (moléculas instáveis), que irão afetar
as funções orgânicas, causando disfunções e morte de células. Por isso, podem levar ao
desenvolvimento de várias doenças, como, por exemplo, o câncer.
As radiações gama possuem alto poder de penetração e só são detidas por materiais
densos, como placas de chumbo ou concreto. Elas podem ser muito prejudiciais aos organismos vivos dependendo da intensidade e do tempo de exposição.
2
3
4
5
6
7
8
Aplicações de materiais radioativos
Os isótopos radioativos servem a diversas aplicações em nossa sociedade. A descoberta da radioatividade natural de alguns elementos químicos, no início do século passado,
associada a outras descobertas científicas, levou a um grande desenvolvimento científico
e tecnológico da humanidade.
Embora normalmente associemos as substâncias radioativas à produção de energia,
elas já são amplamente empregadas em nossa sociedade para outros fins. Na próxima
seção veremos alguns exemplos de aplicações de substâncias e fenômenos radioativos.
Datação radioativa
Pense
Qual a idade do fóssil do Homem
de Neanderthal?
Qual a idade desse
tronco de árvore
fossilizado?
Hely Demutti
Hely Demutti
Museu do Homem, Paris
Como podemos afirmar que o Pergaminho do Mar Morto, manuscrito hebreu do livro do Velho Testamento, tem mais
de dois mil anos?
Qual a idade desse animal fossilizado?
A resposta a essas e a outras perguntas pode ser obtida por meio da medição das
quantidades de determinados isótopos presentes nos objetos.
285
Determinação da idade de fósseis
e objetos antigos
ENERGIA NUCLEAR
Em 1946, o químico norte-americano Willard F. Libby [1908-1980] desenvolveu uma
técnica para determinar a idade de objetos antigos utilizando como parâmetro o isótopo
radioativo carbono-14 (14C). Tal método baseia-se no fato de que nos sistemas vivos estão presentes os três isótopos do carbono: 12C, 13C e 14C. Os dois primeiros são estáveis e
o terceiro decai de acordo com a equação:
C ( 147N + –10β
14
6
O tempo de meia-vida desse decaimento é de 5,7 ⋅ 103 anos.
A quantidade de nitrogênio-14 da amostra pode ser determinada em laboratório. Como
é possível determinar a quantidade original de carbono-14?
A resposta a essa questão foi dada por Willard F. Libby, que em 1949 publicou um artigo apresentando o método de datação com carbono-14.
O carbono-14 é distribuído pelos ciclos do carbono (decomposição de plantas, fotossíntese, respiração, alimentação etc.) e absorvido em todos os seres e substâncias orgânicas do planeta, como o exemplo do Santo Sudário e de fósseis muito antigos.
Nasa
A idade da Terra
Qual é a idade do planeta
Terra?
Lord Kelvin [1824-1907] propôs, baseado em cálculos termodinâmicos, que a Terra teria
100 mil anos. Essa estimativa foi aceita por muitos cientistas, mas rejeitada por outros. Ernest
Rutherford foi quem propôs o método baseado em decaimento radioativo, aceito até
hoje. De acordo com tal método, as rochas mais antigas já identificadas na Terra (granitos da África do Sul) tiveram a idade estimada em cerca de 3,8 bilhões de anos.
Por isso, considera-se que o planeta Terra deve ter pelo menos 4 bilhões de anos.
O método baseia-se na comparação das quantidades de urânio e de chumbo presentes em minérios de urânio que se acreditava existirem desde os primórdios do planeta. O chumbo-206 (206Pb) presente nesses minérios provém
do decaimento do isótopo do urânio-238 (238U) por emissões radioativas.
Nesse fenômeno, cada átomo de urânio-238 dará origem a um átomo de
chumbo. Portanto, o número total de átomos de chumbo-206 presente no minério é equivalente ao número de átomos do urânio-238 que sofreu decaimento.
Sabendo-se que o tempo de meia-vida do isótopo urânio-238 é de
4,5 ⋅ 109 anos, considerando-se a quantidade de átomos desses dois elementos e, ainda,
que todo o chumbo foi formado a partir do urânio, é possível calcular quanto tempo o
urânio necessitou para transformar-se em chumbo.
Aplicações na Medicina
A Medicina Nuclear usa nuclídeos radioativos para diagnósticos, tratamentos e detecção de quantidades mínimas de drogas ou hormônios. Os radiofármacos usados em exames de diagnósticos são introduzidos nos organismos do paciente e o seu deslocamento
é acompanhado por detectores de radiação. Com esses marcadores pode-se identificar o
estado de saúde de muitos órgãos, por meio de imagens produzidas pelos radioisótopos.
Alguns radiofármacos também são usados em tratamentos específicos.
286
Gilberto Marques
Columbia University, New York
Radiografia feita em 1896,
nos EUA, mostrando grãos de
chumbo na mão de um paciente.
Uma alteração nos organismos bastante comum ocorre nos casos de problemas com a
tireoide. O radiofármaco iodo-131 é utilizado na avaliação do funcionamento dessa glândula, determinando a suspeita de problemas. Para diagnóstico, o paciente ingere uma
solução com pequena quantidade de iodeto de sódio (contendo 131I), que é absorvida
pela glândula. Em seguida, detecta-se a quantidade de iodo absorvida e sua distribuição,
mapeando a tireoide. Esse mapeamento é comparado com padrões, indicando possíveis
problemas e disfunções. O 131I é radioativo e apresenta características favoráveis à sua utilização na Medicina: meia-vida curta; boa absorção pela tireoide; rapidamente eliminado
pelo organismo; e baixa energia de radiação gama.
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Ministério da Ciência e Tecnologia, BR
O grande risco da radiação para os seres vivos é que os materiais radioativos ionizantes podem causar alterações nas moléculas de DNA (responsável pelo nosso código genético). Essa alteração química modifica a
informação genética, fazendo com que apareçam alterações morfológicas e funcionais nos indivíduos. Tais alterações podem provocar o aparecimento de câncer ou induzir mutações genéticas em gerações futuras.
Apesar dos efeitos nocivos que pode causar ao organismo humano, a
radiação é uma forte aliada nos tratamentos de doenças como o câncer.
O combate a essa doença, por meio da radioterapia,, é possível porque
as células cancerígenas são mais sensíveis à radiação do que as células normais. Assim, o uso de dosagens controladas é capaz de destruir as células
cancerígenas, afetando pouco as demais células. Como ela afeta também
as células normais, a radioterapia tem de ser feita com controle rígido para
diminuir os efeitos colaterais que produz, como a queima de tecidos normais.
A radioterapia é o nome dado a tratamentos de saúde que fazem
O médico nuclear analisa imagens e elabora
uso de alguma fonte de radiação. Esse nome se deve ao fato de que o
um diagnóstico para ajudar na definição de um
primeiro nuclídeo radioativo a ser utilizado foi do elemento químico rádio.
tratamento adequado para a doença. Existem hoAtualmente outros radioisótopos, também chamados de radiofármacos,
je centenas de diferentes exames de medicina nusão usados por apresentarem melhor rendimento terapêutico. Uma das
clear, entre eles, estudos dos tumores corporais.
60
fontes mais usadas atualmente é o cobalto-60 ( Co), encapsulada de forma a irradiar somente o local indicado. Até pouco tempo atrás os mais
utilizados eram as fontes do isótopo césio-137 (137Ce).
Diferentemente da radioterapia, a quimioterapia consiste na aplicação intensiva de substâncias, chamadas quimioterápicas, no tratamento de doenças. Enquanto na quimioterapia
são administradas substâncias que vão reagir no organismo, na radioterapia, o tratamento é
feito com a exposição à radiação, que vai destruir células cancerosas.
A Comissão Nacional
de Energia Nuclear
(CNEN) é uma autarquia
federal vinculada ao Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT).
Exames de medicina
nuclear podem detectar
precocemente anormalidades
na função ou na estrutura de
um órgão no seu corpo. Isso
aumenta a chance de a doença
ser tratada nos estados iniciais
com melhor chance de cura
e recuperação. Esses exames
geralmente são seguros e
indolores. Após o exame, o
radiofármaco perde a sua
atividade e é eliminado do
organismo pelas vias normais.
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ENERGIA NUCLEAR
Um dos radiofármacos mais utilizados como coadjuvante no tratamento de metástase óssea (câncer ósseo) é o samário-153. Trata-se de um radioisótopo que emite radiação
beta e gama, além de atuar como analgésico e diminuir a dor causada pela disseminação
(metástase no tecido ósseo) do câncer. A ação do samário-153 possibilita a redução do
uso de analgésicos como a morfina, aumentando a qualidade de vida desses pacientes.
Outro grande avanço da Medicina é o uso do radiotraçador tálio-201, empregado na detecção de obstruções de artérias coronarianas. O tálio-201, quando injetado na corrente sanguínea, fica alojado no músculo saudável do coração. Ali ele emite radiação gama, detectada
por um gerador chamado câmara de cintilação. As imagens geradas por computador indicam
se há lesão de tecido cardíaco e se o sangue flui livremente através das artérias coronárias.
Em diagnóstico e avaliação de tumores, um radiofármaco utilizado é o gálio-67. Graças
à sua alta sensibilidade, o gálio-67 consegue se concentrar nas regiões que estão acometidas por tumores. Além disso, é útil em pesquisas de processos infecciosos e inflamatórios, permitindo avaliar a extensão da doença.
O quadro abaixo apresenta outras aplicações de radiofármacos na Medicina.
Isótopo
3
Emprego
H
Determinar o teor de água no corpo.
11
24
C
Tomografia por emissão de pósitron.
Na
Estudo do sistema circulatório para identificação de tumores.
51
Cr
Marcação de células.
59
Fe
Diagnóstico de artrites e anemias.
60
67
75
81
Co
85
Tratamento de diferentes tipos de câncer.
99
32
Ga, Se, Kr, Sr, Tc, P
Diagnóstico de disfunções no corpo humano (doenças).
Hely Demutti
Radioisótopos na agricultura
288
O uso de isótopos como
traçadores é uma das
aplicações de radioisótopos mais difundidas na
agricultura mundial. Estudando o deslocamento de
radioisótopos, é possível
avaliar o deslocamento de
átomos de diversos elementos químicos em diferentes meios.
A concentração de átomos de diferentes elementos químicos em plantas está relacionada, entre outros fatores, à abundância desses átomos no solo. A quantidade adequada
de cada um deles é fundamental para o desenvolvimento sadio das plantas.
Muitos estudos têm sido realizados para acompanhar a ação de substâncias e átomos de
certos elementos no desenvolvimento dos vegetais por meio de traçadores radioativos. Para
isso, faz-se com que a planta absorva o radioisótopo, para depois ser “radiografada” e localizarse o radioisótopo. Tal informação permite conhecer aspectos relacionados com o metabolismo
da planta e a influência de diferentes nutrientes em cada parte da planta. A partir dessas pesquisas, é possível entender melhor o crescimento das plantas e, com isso, atuar de modo a otimizá-lo, aumentando a produção e encurtando o tempo entre plantio e colheita, por exemplo.
A análise por ativação com nêutrons é empregada para determinar a concentração de
elementos minerais no solo e em plantas forrageiras (pastagens), cujos dados são fundamentais para entender o comportamento de átomos de diferentes elementos químicos
no sistema solo-planta.
O comportamento de insetos que podem comprometer as plantações pode ser estudado usando também traçadores radioativos, possibilitando um menor uso de agrotóxicos nocivos à saúde com o desenvolvimento de medidas alternativas de
controle de pragas. Os insetos são tratados com alimentos contendo radioisótopo, o que permite observar o seu raio de ação, sua distribuição
geográfica, bem como a identificação de seus predadores. Os resultados desses estudos favorecem o desenvolvimento de novas tecnologias.
CAPÍTULO
Irradiação de alimentos
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Hely Demutti
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J. Yuji
O processamento por irradiação é uma das técnicas disponíveis mais eficientes para desinfecção e preservação de alimentos e plantas ornamentais. O procedimento consiste em submeter o material à ação de substâncias radioativas
de rápida desintegração, permitindo que a radiação elimine microrganismos,
fungos, larvas ou ovos de insetos, sem deixar resíduos.
A irradiação dos alimentos é uma técnica eficiente, desde que utilizada
sob condições definidas e controladas. Nenhum resíduo ou alteração é
permitido nos alimentos ou plantas, pois a atividade dos átomos radioativos empregados deve cessar antes que os alimentos sejam embalados.
Dois frutos conservados sob as mesmas conÉ importante destacar que alimentos expostos à radiação não se tordições: o primeiro foi tratado com radiação ganam radioativos. Apenas os micro-organismos que os deterioram são desma, e o segundo não teve qualquer tratamento.
truídos. Isso aumenta a vida útil dos alimentos, favorecendo a estocagem
Será que você já consumiu algum alie diminuindo o preço.
mento irradiado?
Para esse fim são utilizados bombardeamentos por radiação gama,
raios X e elétrons acelerados. As fontes normalmente empregadas são
cobalto-60 (60Co) ou césio-137 (137Ce).
Aplicações na indústria
Todos os alimentos irradiados trazem esse símbolo, conhecido como Radura.
Para verificar possíveis "fadigas" (fissuras) nas principais partes metálicas de
uma aeronave, as empresas de aviação realizam,
periodicamente, a gamagrafia, assim é possível
saber se o equipamento
está apto para o voo.
SPL/Latinstock
Ed Viggiani/AE
No setor industrial, os radioisótopos mais usados são o cobalto-60, o césio-137 e o irídio-192. Para diminuir o risco de vazamento, são utilizados em fontes seladas, acondicionadas em caixas de aço inoxidável, hermeticamente fechadas. A escolha do radioisótopo
é determinada pela aplicação desejada e por sua meia-vida.
Entre as diversas aplicações industriais, podemos citar a do irídio-192 em controle de
qualidade de produtos industriais, para avaliar espessuras de forma contínua e sem contato manual. Para isso, são colocados uma fonte radioativa de um lado do material e um
sensor de radiação do outro lado.
A indústria farmacêutica também utiliza fontes radioativas na esterilização de seringas, luvas, materiais cirúrgicos e farmacêuticos em geral. Essa técnica representa vantagens, pois a esterilização por superaquecimento não permite esterilizar materiais plásticos.
As indústrias químicas, petroquímicas e de mecânica pesada utilizam radiação gama para
o controle de qualidade em equipamentos metálicos de grande porte; essa radiação permite a
detecção de possíveis defeitos, como trincas ou fissuras, imperceptíveis a olho nu. Essa técnica é
denominada gamagrafia, trata-se de uma impressão da radiação gama em um filme fotográfico.
Para saber se esse tubo não tem fissura, realiza-se a inspeção radiográfica.
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Previsão do tempo
Inpe
ENERGIA NUCLEAR
O radônio atmosférico é empregado no estudo das massas de ar que se movimentam
na atmosfera. Essa técnica baseia-se no fato de que a fonte geradora do radônio é a
superfície exposta dos continentes. Por isso, para descobrir se uma massa de ar é de
origem continental ou oceânica, mede-se a fração de radônio-220, em relação ao radônio
total da atmosfera. Como o isótopo-220 apresenta um rápido decaimento, baixos valores
relativos de concentração indicam origem oceânica.
A técnica é empregada desde 1986 pela equipe do Instituto de Pesquisas Espaciais
(Inpe) para estudar a circulação atmosférica na península Antártica, dentro do Programa
Antártico Brasileiro.
O Instituto de Pesquisas Espaciais (Inpe)
é um dos usuários pela
CNEN para utilizar material radioativo.
Boffy B/Creative Commons
Contador Geiger
O medidor GeigerMüller é utilizado para
detectar o nível de radiação na atmosfera.
290
Acidentes nucleares podem causar grandes danos aos seres vivos e ao ambiente. As
substâncias que se desintegram durante esses acidentes são capazes de contaminar o ambiente pela ionização do ar. Uma das maneiras de detectar o nível de radiação na atmosfera é utilizando um instrumento conhecido como contador Geiger.
O funcionamento do aparelho baseia-se na sua capacidade de detectar a
radiação ionizante de um gás a baixa pressão. O contador Geiger apresenta
um tubo cilíndrico e um dispositivo de contagem. No tubo existe um par de
eletrodos de cargas opostas, com uma grande diferença de potencial que
permite o fluxo de corrente entre os eletrodos. Quando a radiação atravessa
o interior do tubo, o gás interno é ionizado. Um pulso de corrente elétrica
flui entre os eletrodos e a radiação é indicada por meio de sinal sonoro, luz,
ou deflexão (ponteiro de um medidor).
A unidade utilizada para expressar a quantidade de radiação emitida
(produzida) por uma amostra é o curie. Um