Química Ambiental Aula 1 Ana Cecília Bulhões Figueira Plano de Ensino Ementa Matéria e Energia, Estrutura atômica, Tabela periódica, Ligações químicas. Ácidos e bases. Química do ar, água e solo. Química dos poluentes e seus efeitos sobre o meio ambiente e a saúde pública. Objetivos Oferecer uma visão geral da Química Ambiental para que sejam capazes de relacionar questões dessa ciência aos impactos ambientais mais recorrentes e assim, propor soluções e medidas mitigadoras e de remediação. 2 Plano de Ensino Conteúdo Capítulo 1 - Matéria e energia. Capítulo 2 - Ácidos, bases e reações em meio aquoso. Capítulo 3 - A química da Atmosfera. Capítulo 4 - A química da Hidrosfera. Capítulo 5 - A química da Litosfera. 3 Plano de Ensino Bibliografia Básica BAIRD, C. Química Ambiental, 2 ed. Porto Alegre, Bookman, 2008. SPIRO, T. G., STIGLIANI, W, M., Química Ambiental. 2 ed. São Paulo, Pearson, 2009. BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005. JERÔNIMO, C.E.M; MELO, H.N.S. Caracterização dos resíduos químicos de um laboratório de análises físico-químicas e microbiológicas de águas e efluentes. Rev. Elet. Em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental, v.7, n.7, p.1520-1526, mar-ago 2012. 4 Plano de Ensino Bibliografia Complementar ATKINS, P. JONES, L. Princípios de Química Questionando a vida moderna e o meio ambiente. Bookman, 3ª Ed. Porto Alegre, 2005. ROCHA, J. C., ROSA, A. H., CARDOSO, A. A. Introdução à química ambiental. Porto Alegre, Bookman, 2004. MANOM E. B., PACHECO, E. B. A. V., BONELLI, C. M. C., Meio ambiente poluição e reciclagem. 1ªed., São Paulo, Edgard Blucher, 2005. KOTZ, J. C., TREICHEL, P. Química e Reações Químicas. 4ªed., Rio de Janeiro, LTC, 2002. BRUICE, P. Y., Química orgânica. Vol.1, 4ªed., São Paulo, Pearson, 2006. 5 Sumário • Matéria e Teoria Atômica • Tabela Periódica dos Elementos • Ligações Químicas • Compostos Iônicos e Moleculares 6 O Estudo da Matéria MATÉRIA é todo o material físico do universo •Três estados: sólido, líquido e gasoso •Os comportamentos físico-químicos da matéria dependem da estrutura dos átomos que a compõem e de como interagem entre si. 7 SÓLIDO LÍQUIDO GASOSO Figura 1: Diferentes exemplos dos estados da matéria. Fonte: Petrucci, Harwood and Herring. General Chemistry Principles and Modern Applications 8th Ed. Windsor, Prentice-Hall, 2002 O Estudo da Matéria 8 Classificação da Matéria Matéria NÃO SIM É uniforme? Mistura heterogênea Homogênea NÃO Tem composição variável? Mistura homogênea (solução) Substância pura NÃO Elemento Pode ser reduzida a substância mais simples? SIM SIM Composto 9 Matéria e Teoria Atômica Entender a estrutura atômica (evolução dos modelos atômicos) É FUNDAMENTAL para entender como a mesma influencia nas propriedades da matéria. 10 Modelos atômicos e estrutura atômica • John Dalton (1803): Postulados - Toda matéria é composta por partículas menores (átomos). - Os átomos são indivisíveis, não podem ser criados e nem destruídos – “lei de conservação das massas”. - Todos os átomos de um elemento são idênticos. - Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam. 11 - O átomo é subdivisível: experimentos (raio catódico) revelaram que o átomo tem partículas carregadas negativamente (elétrons); - Relação carga/massa do elétron = 1,76.108 C.g-1 O Coulomb (C) é a unidade de carga elétrica no SI. Figura 2: Esquematização de um tubo de raios catódicos modificado. Fonte: BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005 • J. J. Thomson (1897) – Descoberta do elétron 12 - Sugeriu que o átomo poderia ser uma esfera carregada positivamente na qual alguns elétrons estão incrustados. Figura 3: Modelo “pudim de ameixa” do átomo de J. J. Thomson. Fonte: BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005 • Modelo atômico de J.J.Thomson 13 • 1919: Carga positiva no núcleo atômico: descoberta dos prótons (+). • 1932: J. Chadwick descoberta dos nêutrons (partícula nuclear eletricamente neutra). Fonte: Petrucci, Harwood and Herring. General Chemistry Principles and Modern Applications 8th Ed. Windsor, Prentice-Hall, 2002 • Modelo atômico de Ernest Rutherford • 1914: E. Rutherford demonstrou a existência de uma partícula com massa muito superior a massa do elétron, porém de mesma carga e de sinal oposto. Figura 4: Representação do átomo nuclear. 14 O átomo nuclear Partículas subatômicas: prótons (+), nêutrons e elétrons (-); Carga de um elétron = - 1,602.10-19 C Carga de um próton = + 1,602.10-19 C (1,602.10-19 C carga eletrônica) Tabela 1 – Comparação entre partículas subatômicas Partículas Carga Prótons Positiva (1+) Nêutrons Nenhuma (neutra) Elétrons Negativa (1-) 15 O átomo nuclear - Átomo é neutro: número de prótons = número de elétrons - A massa do elétron é desprezível em relação à massa do próton e do nêutron. - Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo - Número de massa (A) = número de prótons + número de nêutrons no núcleo A ZX átomo de Oxigênio 16 8O 16 Isótopos São elementos que possuem o mesmo número atômico (Z), porém com massa atômica (A) diferentes (n° neutrons ≠). Exemplos: 11 6 C 12 6 C 13 6 C 14 6 C nuclídeos 1 1H 2 1H nuclídeos 3 1H 35 17 Cl 37 17Cl nuclídeos 17 A escala de massa atômica - A massa (em gramas) do 1H é 1,6735.10-24 g e do 16O é 2,6560.10-23 g. - Usando (u) unidade de massa atômica: 1 u = 1,66054.10-24 g 1 g = 6,02214.1023 u - Por convenção: a massa de 12C = exatamente 12 u - Portanto, a massa atômica do 1H=1u e do 16O=16u 18 A escala de massa atômica Massas atômicas médias A massa atômica relativa: massas médias dos isótopos: O C natural: 98,892 % de 12C + 1,107 % de 13C. A massa média do C: (0,9893)(12 u) + (0,0107)(13,00335) = 12,01 u 19 Organização dos Elementos: A Tabela Periódica 1871: Lothar Meyer e Dmitri Mendeleev (ordem crescente de nº de massa) Atualmente: 116 elementos Ordem crescente de número atômico (Z) - horizontal. Propriedades físicas e químicas similares - vertical. 20 http://tabelaperiodicacompleta.com.br Tabela periódica Figura 5: Classificação dos elementos – Tabela Periódica. 21 Tabela periódica As colunas na tabela periódica chamam-se grupos (numeradas de 1A a 8A ou de 1 a 18). As linhas na tabela periódica chamam-se períodos. 19 K 39,0983 Número atômico (Z) Símbolo atômico Peso atômico 22 Tabela periódica Alguns dos grupos na tabela periódica recebem nomes especiais e indicam as similaridades entre os membros de um grupo. Tabela 2: Grupos da tabela periódica Grupo 1A 2A 6A 7A 8A Nome Metais alcalinos Metais alcalinos terrosos Calcogênios Halogênios Gases nobres Elementos Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra O, S, Se, Te, Po F, Cl, Br, I, At He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 23 Propriedades Periódicas Figura 6: Propriedades periódicas dos elementos. A posição do elemento revela suas propriedades 24 Camadas ou níveis Subnível s p d f n° máx. de e- 2 6 10 14 núcleo Níveis de Energia Nome da Camada n° máximo elétrons 1° K 2 2° L 8 3° M 18 4° N 32 5° O 32 6° P 18 7° Q 8 Figura 7: Níveis e subníveis de energia. Fonte: Usberco, J.; Salvador, E. Química, 5ª.ed.reform., São Paulo:Saraiva, 2002, p.64-67 • Modelo atômico de Niels Böhr Níveis e subníveis energéticos 25 Transferência de e- camada mais externa do átomo: CAMADA DE VALÊNCIA Distribuição eletrônica de 26Fe e 2+ Fe 26 Diagrama de Linus Pauling 2 2s2 2p6 3s2 3p6 Fe = 1s 26 4s2 3d6 2+ (- 2e-) = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Fe 26 3d6 Energia crescente: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d 26 Íons e compostos iônicos Átomos podem perder ou ganhar elétrons ÍONS Íon (+) CÁTION Íon (-) ÂNION Átomos podem perder ou ganhar mais de um elétron Cargas iônicas, representadas por índice superior Nos CÁTIONS: +, 2+, 3+ Nos ÂNIONS: -, 2-, 327 Previsão das cargas iônicas Posição do elemento na Tabela Periódica CÁTIONS ÂNIONS METAIS tendem a perder e- e NÃO METAIS tendem a ganhar e- Fonte: BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005 Íons e compostos iônicos Figura 8: Cargas de alguns íons encontrados em compostos comuns. 28 Íons e compostos iônicos Ligações químicas: transferência ou compartilhamento de eElementos buscam a estabilidade (regra do octeto) COMPOSTOS IÔNICOS: formados pela combinação de íons LIGAÇÃO IÔNICA (transferência de e-) Na+ + Cl- NaCl Íon sódio Íon cloro Composto iônico (cloreto de sódio) Geralmente entre METAL + NÃO METAL 29 Compostos iônicos São ELETRICAMENTE NEUTROS (cargas positivas = cargas negativas) Portanto: -existe um Na+ para cada Cl- gerando NaCl -existe um Ba2+ para dois Cl- gerando BaCl2 Em geral, a carga de um íon torna-se o índice do outro (sem sinal): Mg2+ + N3Mg3N2 íon magnésio íon nitrogênio Composto iônico (nitreto de magnésio) 30 Moléculas e Compostos Moleculares • Moléculas são reuniões de dois ou mais átomos ligados entre si (NÃO METAIS): Compartilhamento de eH• + H• H H ou H Ligação covalente H O C O ou O C O Ligação covalente coordenada • Suas fórmulas químicas indicam quais átomos compõem a molécula e em qual proporção são encontrados. • Exemplos: H2O, CO2, CO, CH4, H2O2, O2, O3 e C2H4. 31 Compostos: Iônicos x Moleculares IÔNICOS •Formado por íons •Combinam metais e não-metais •Exemplos: NaCl, CaCl2 MOLECULARES •Formado por moléculas •Em geral, somente não-metais •Exemplos: H2O; CH4 32 Fechamento • Matéria e Teoria Atômica • Tabela Periódica • Ligações Químicas • Compostos Iônicos e Moleculares 33 Química Ambiental Atividade 1 Ana Cecília Bulhões Figueira Evolução nos modelos atômicos J. Dalton Átomos indivisíveis Átomos de um mesmo elemento são iguais Átomos combinam-se entre si para formar novos compostos J.J. Thomson Descoberta dos elétrons (-) Átomos formados por uma esfera maciça positiva com elétrons incrustrados “pudim de passas” E. Rutherford/N. Bohr Descoberta dos prótons (+) e do átomo nuclear Elétrons existiam ao redor do núcleo (eletrosfera) Eletrosfera : dividida em camadas e subcamadas (por ordem de energia) 35 Lítio (Li) Metal Família 1 ou 1A: Metais Alcalinos Número atômico = n° e- = 3 Flúor (F) Não Metal Família 17 ou 7A: Halogênios Número atômico = n° e- = 9 Distribuição eletrônica 1s2 2s1 C.V. = 2s1 1s2 2s2 2p5 C.V. = 2s2 2p5 Li perde 1e- cátion Li+ F ganha 1e- ânion FComposto Iônico LiF (fluoreto de lítio) 36
