QUI 0341 Matéria, Misturas e Estrutura Atômica da Matéria

12/03/2015
QUI 0341
Matéria, Misturas e Estrutura
Atômica da Matéria
Professora: Dra. Tanira Aguirre
Aula 1 – 09/03/2015
Objetivos
1. Compreender a estrutura atômica dos elementos químicos, a tabela periódica
e relacioná-los com suas propriedades e com a formação de compostos
inorgânicos. Compreender um conjunto de técnicas e práticas experimentais
objetivando a aprendizagem de princípios, teorias, conceitos e leis que regem a
química geral, enfatizando sua relação e aplicação com as demais ciências.
2. Representar em linguagem química diferentes funções inorgânicas e suas
ligações.
3. Compreender a importância dos cálculos estequiométricos nas reações
químicas.
4. Identificar as diferentes formas de se expressar a concentração de soluções
em sistemas líquidos e sólidos.
5. Relacionar princípios de oxirredução com aplicações industriais.
6. Caracterizar as diferentes técnicas, processos e equipamentos usuais em um
laboratório químico.
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Bibliografia
- ATKINS, P. W. Princípios de Química:
questionando a vida moderna e o meio
ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2001.
914p.
- CALLISTER, Ciências dos Materiais,
livros técnicos e científicos, 2003.
- MAHAN, B. M. Química: um curso
universitário. 4. ed. São Paulo: Edgard
Blücher, 2003.
- RUSSELL, John Blair. Química Geral. 2.
ed. São Paulo: Makron Books, 2004. 2v.
- ROBAINA, J. V. L. Unidades
Experimentais de Química: Cotidiano
Inorgânico. Canoas: Ulbra, 2001.
- ROBAINA, J. V. L. Unidades
Experimentais de Química: Cotidiano
Físico-Químico. Canoas: Ulbra, 2001.
Introdução
Química: estudo da
e suas propriedades,
incluindo as transformações pelas quais a matéria
passa e a energia associada a essas transformações.
Matéria:
• Qualquer coisa que
possui massa e ocupa
lugar no espaço.
• Pode ser medida: massa,
volume, temperatura.
Esses itens são
matéria?
Maçã
Sim
x
Radiação
eletromagnética
Água
Justiça
Não
x
x
x
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Introdução
Química: estudo da matéria e suas
,
incluindo as transformações pelas quais a matéria
passa e a energia associada a essas transformações.
Propriedades:
• Características da matéria.
• Medidas, em geral, com auxílio de equipamentos.
Ex. termômetro.
• Propriedades físico-químicas.
Introdução
Propriedades físicas: é uma característica de uma
substância que podemos observar ou medir sem mudar a
identidade dessa substância.
bromo é vermelho
água ferve a 100°C
Hg é líquido a 25°C
NaCl dissolve na água
sal reduz o pf da água
rolha flutua na água
óleo e água são imiscíveis
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Introdução
Propriedades químicas: refere-se à capacidade de uma
substância de transformar-se em outra substância.
Gasolina é inflamável
C8H18
CO2 + H2O + energia
prego de ferro enferruja
4Fe2+ + O2
4Fe3+ + 2O2-
antiácidos neutralizam HCl
HCl + Mg(OH)2
MgCl2 + H2O
Introdução
Mudança física: pode ser observada ou medida quando a
forma física da substância se altera, mas sem alteração na
composição química.
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Introdução
Estados físicos da matéria: as mudanças de estado são
mudanças físicas.
Sólido
Líquido
Gasoso
Sólido: forma rígida da
matéria.
Líquido: forma fluida da
matéria, que tem superfície
bem definida e que toma a
forma do recipiente que o
contém.
Gás: forma fluida da matéria
que ocupa todo o recipiente
que o contém.
Introdução
Estados físicos da matéria: as mudanças de estado são
mudanças físicas.
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Introdução
Mudança Química ou reação química: pode ser observada
ou medida quando uma substância é convertida em uma
substância diferente.
Bicarbonato de sódio (NaHCO3)
combinado com outros ácidos:
HCO3- + H+ = CO2 + H2O
Exercício
Baseado no diagrama abaixo, qual processo representa
uma mudança física?
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Exercício
Qual das propriedades listadas abaixo é química?
a) Os objetos de prata ficam escuros com o tempo.
b) A cor vermelha dos rubis deve-se à presença dos
íons crômio.
c) O ponto de ebulição do etanol é 78°C.
Introdução
Química: estudo da matéria e suas propriedades,
incluindo as transformações pelas quais a matéria
passa e a
associada a essas transformações.
Energia:
•
•
•
•
•
•
Medida da capacidade de realizar trabalho.
Energia total = potencial + cinética.
Energia potencial = energia devido a posição de um objeto. EP = mgh
Energia cinética = devido ao movimento de um objeto. EC = ½ mv2
1ª Lei da Termodinâmica: energia pode ser transformada, mas não
criada ou destruída.
2ª Lei da Termodinâmica: sistemas de menor energia e maior
entropia são favorecidos.
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Exercício
Baseado no diagrama abaixo, qual representa uma
amostra de ácido clorídrico (HCl) a -9°C? Assumindo que
os átomos de H são brancos e os de Cl são verdes.
Ponto Ebulição HCl = -85,1°C
Ponto de Fusão HCl = -114,8°C
-9°C = gás
Introdução
Propriedades:
• Intensivas: independem da massa da amostra. Ex.
temperatura, densidade, ponto de fusão e ebulição.
• Extensiva: dependem da massa da amostra. Ex. massa,
volume, área.
Materiais menos densos
flutuam em líquidos mais
densos.
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Exercício
Qual das propriedades abaixo não é extensiva?
a)Volume
b)Temperatura
c) Energia
d)Massa
Introdução
•
Elemento: (1) uma substância que não pode ser separada em
componentes simples por técnicas químicas. (2) uma substância
formada por átomos de mesmo número atômico. 117 elementos.
Ex. Oxigênio (O).
He
•
Substância: um tipo de matéria pura e simples. Pode ser um
composto ou um elemento. Ex. Gás oxigênio (O2).
Br2
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Introdução
•
Mistura: tipo de matéria que é formada por mais de uma substância e
que pode ser separada em seus componentes pelo uso das
propriedades físicas diferentes que podem ser distinguidas por meio de
um microscópio óptico. Ex. óleo e água, areia e açúcar.
•
Composto: (1) combinação específica de elementos que podem ser
separados por técnicas químicas, mas não por técnicas físicas. (2)
substância formada por átomos de dois ou mais elementos em uma
razão definida e imutável. Ex. sal de cozinha (NaCl).
Introdução
•
Mistura Homogênea ou
soluções: apenas uma fase.
•
•
Misturas heterogêneas:
duas ou mais fases
.
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Separação de Misturas
Separação física: destilação
Mistura homogênea
Separação física: decantação
Mistura líquido-líquido
Separação de Misturas
Separação física: magnética
Mistura sólido-sólido
Separação física: filtração
Mistura sólido-líquido
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Separação de Misturas
Outros métodos de separação de misturas:
•
•
•
•
•
•
Separação física:
Mistura sólido-sólido
Catação
Cristalização fracionada
Dissolução fracionada
Peneiração
Fusão fracionada
Sublimação
Separação física:
Mistura sólido-líquido
• Floculação
• Centrifugação
• Filtração a vácuo
Separação física:
Mistura gás-líquido
• Decantação
• Filtração
Resumindo
Matéria
Pode ser separado por
processo físico?
Pode ser
decomposto
por processo
químico?
Não
Substância
Não
Elemento
Sim
Mistura
Sim
Composto
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Exercício
A imagem abaixo representa esferas de cobre imersas em
água e flutuando sobre mercúrio. Qual o tipo de mistura?
Qual a substância é a mais densa? E qual é a menos densa?
Exercício
A imagem ao lado representa o
elemento potássio reagindo com água
para formar o elemento hidrogênio
(gás) e uma solução do composto
hidróxido de potássio.
•
•
•
Quais os estados físicos da matéria
estão envolvidos nessa reação?
A mudança observada é física ou
química?
Quais são os reagentes e os
produtos dessa reação?
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Teoria Atômica
Os gregos se perguntavam o que aconteceria se eles dividissem a matéria em peças
cada vez menores, teria um limite ou continuariam indefinidamente.
Dois trabalhos de John Dalton ajudaram a compor a teoria atômica
da matéria em 1807:
a) Lei das Pressões Parciais: cada gás presente em uma
mistura de gases contribui proporcionalmente à sua
quantidade para a pressão total da mistura.
b) Lei das Proporções Múltiplas: a combinação de um
corpo com outro pode dar dois corpos compostos
diferentes entre si (pois apresentam proporções
diferentes dos dois elementos), mas que guardam sempre
uma relação de números inteiros entre seus constituintes.
Teoria Atômica
Teoria atômica de Dalton:
a) Toda a matéria é constituída de átomos.
b) Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos Os átomos de
diferentes elementos têm massa diferentes.
c) Um composto tem uma combinação específica de átomos de mais de um
elemento.
d) Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos,
porém trocam de parceiros para produzir novas substâncias.
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Teoria Atômica
Teoria atômica de Dalton:
a) Toda a matéria é constituída de átomos.
b) Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos Os átomos de
diferentes elementos têm massa diferentes.
c) Um composto tem uma combinação específica de átomos de mais de um
elemento.
d) Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos,
porém trocam de parceiros para produzir novas substâncias.
Teoria Atômica
Hipótese atômica de Dalton:
a) Toda a matéria é constituída de átomos.
b) Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos Os átomos de
diferentes elementos têm massa diferentes.
c) Um composto tem uma combinação específica de átomos de mais de um
elemento.
d) Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos,
porém trocam de parceiros para produzir novas substâncias.
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Teoria Atômica
Teoria atômica de Dalton:
a) Toda a matéria é constituída de átomos.
b) Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos Os átomos de
diferentes elementos têm massa diferentes.
c) Um composto tem uma combinação específica de átomos de mais de um
elemento.
d) Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos,
porém trocam de parceiros para produzir novas substâncias.
Teoria Atômica
Teoria atômica de Thomson (1897):
Através de medidas do ângulo de
deflecção dos “raios catódicos” quando
campos elétricos e magnéticos são
aplicados, J. J. Thomson mostrou a
existência do elétron e estimou sua
massa em 1/1000 a massa do
hidrogênio.
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Teoria Atômica
Descoberta da carga do elétron Robert Millikan:
• Medições da massa de pequenas
gotículas de óleo observando a
velocidade com que elas caíam em uma
câmara contendo partículas de um gás
ionizado que se uniam às gotas de óleo.
• A partir do campo elétrico necessário
para contrabalancear a força da
gravidade, ele determinava os valores de
carga das partículas. A carga do elétron
era o menor incremento de carga entre as
gotículas.
• e = 1,602 x 10-19 C
Teoria Atômica
Modelo atômico de Rutherford (1910):
• Partículas α emitidas de uma fonte
radioativa , bombardeando uma fina folha
de ouro.
• A maioria das partículas passava e era
detectada em uma tela.
• No entanto algumas partículas eram
defletidas.
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Teoria Atômica
Modelo atômico de Rutherford (1910):
• Conclusão: o átomo ´´e formado por um
núcleo positivo que contém praticamente
toda a massa e tem um diâmetro de
~10-14 m.
• Os elétrons ocupam um espaço muito
maior ~10-9m.
• Modelo planetário.
• Chadwick (1932): descoberta do nêutron.
Próton
Elétron
Nêutron
Teoria Atômica
Modelo atômico de Bohr (1922):
• Elétron residem em orbitais com
níveis de energia discretos.
• Elétrons que estão no mesmo orbital
possuem a mesma energia.
• Átomos podem absorver energia e os
elétrons podem se descolar para
orbitais mais energéticos.
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Teoria Atômica
A dualidade onda-partícula dos elétrons
A matéria também têm propriedade de onda - elétrons têm características
de onda e de partícula: suas propriedades de onda devem ser
consideradas quando se descreve a estrutura dos átomos.
Teoria Atômica
A dualidade onda-partícula dos elétrons
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Teoria Atômica
Princípio de incerteza de Heisenberg (1927):
• Devido ao dualismo do comportamento do elétron, é
impossível parar o elétron para determinar com precisão a sua
posição e a sua velocidade, o que derruba o conceito de órbita
definida.
• Isto porque, sendo o elétron uma partícula extremamente
pequena, qualquer tentativa experimental no sentido de
localizar sua posição interferirá em seu movimento.
• Portanto, o que podemos determinar é a probabilidade de
encontrar o elétron em uma certa região do espaço.
Teoria Atômica
Os elétrons: o modelo da mecânica quântica:
1926 - Erwin Schrödinger adaptou uma equação, considerando o elétron
como uma onda e partícula, chamada de equação de onda de Schrödinger.
A trajetória precisa da partícula foi substituída por uma função de onda ( psi que diz qual a probabilidade da partícula ser encontrada em uma posição
particular). Esta equação fornece muitas informações sobre o comportamento
do elétron no átomo.
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Teoria Atômica
Teoria mais atual:
• Elétron
residem
tridimensionais.
em
espaços
• Existe a formação de uma nuvem
nuvem difusa que possui alta densidade
eletrônica.
• Orbital é a região ao redor do núcleo
onde é mais provável se encontrar um
elétron
• Orbitais possuem formatos diferentes.
Teoria Atômica
Teoria mais atual:
•
•
•
•
Átomo é eletricamente neutro. Pode perder ou ganhar elétrons e ficar carregado.
Todos os átomos de um mesmo elemento possuem o mesmo número de prótons.
O número de nêutrons entre átomos de um mesmo elemento pode variar.
Um núcleo esférico e denso contém aproximadamente toda a massa do átomo.
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Teoria Atômica
Propriedades das partículas subatômicas:
Partícula
Símbolo
Carga
Massa (g)
Elétron
e-
-1
9,109 x 10-28
Próton
p
+1
1,673 x 10-24
Nêutron
n
0
1,673 x 10-24
Unidade de massa atômica (u.m.a.): definida como 12 avos da massa do
carbono 12. Há 6,02 x 1023 u.m.a. por grama.
Número de Avogadro (NA): número de átomos ou moléculas de um 1 mol, e
corresponde a 6,02 x 1023 átomos ou moléculas;
Teoria Atômica
Propriedades das partículas subatômicas:
X = Elemento químico
Z = Número atômico (número de prótons)
A = Número de massa
(número de prótons + nêutrons)
A= Z +N
Em elementos químicos neutros, o número de elétrons é igual ao número de prótons.
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Teoria Atômica
11Na
11
12
11
Exercício
Quantos números de nêutrons existem
no átomo de urânio representado?
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Teoria Atômica
Isótopos: números atômicos iguais e diferentes massas
Teoria Atômica
Os elétrons: o modelo da mecânica quântica:
2 = 1 (100% de probabilidade de encontrar o elétron)
• Como consequência da resolução da equação de Schrödinger, a cada orbital ()
está associado três número quânticos: n, l e ml.
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Teoria Atômica
Os elétrons: orbitais, números quânticos:
Qualquer elétron é localizado por quatro números quânticos
Orbitais atômicos - local onde a probabilidade de encontrar o elétron é
maior.
Na mecânica ondulatória, os números quânticos decorrem diretamente da
resolução da equação de onda de Schrödinger.
Teoria Atômica
Classificação quântica dos elétrons:
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Teoria Atômica
Número quântico principal (n):
•
•
•
•
Indica a região ao redor do núcleo onde o orbital está localizado.
Representa os níveis de energia de um elétron permitidos em um átomo
(isto é, o tamanho do átomo).
n = 1, 2, 3,... (na prática até 7 camadas também designadas como K, L,
M, N, O, P, Q..)
Também indica o tamanho do orbital, sendo que para um dado átomo
quanto maior o n, maior será o tamanho do orbital.
Teoria Atômica
Número quântico secundário ou de momento angular do
orbital (ℓ):
Indica a forma geométrica do orbital que será sempre a mesma,
independente do nível de energia onde estiver situado. Pode assumir
valores de 0,1,2... até n-1. Na prática são conhecidos 4 valores:
ℓ = 0 orbital s
ℓ = 1 orbital p
ℓ = 2 orbital d
ℓ = 3 orbital f
Os orbitais ficam em subcamadas de uma dada camada e possuem forma
tridimensionsal.
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Teoria Atômica
Número quântico magnético (mℓ):
•
Indica a orientação do orbital no espaço.
Orbitais em um mesmo nível diferem quanto a sua orientação no espaço,
não quanto a sua energia.
•
Os valores de mℓ podem variar de -ℓ, 0, +ℓ
•
Teoria Atômica
Número quântico do spin do elétron (ms):
•
Especifica as duas condições permitidas para um elétron girar em torno
de seu próprio eixo. As direções são no sentido horário e anti-horário.
•
Valores permitidos: -1/2 e +1/2
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Teoria Atômica
Número de orbitais em função dos números quânticos n, ℓ e mℓ:
Exercício
Quando o número quântico principal (n) é igual a 2, o número
quântico de momento angular do orbital (ℓ) pode assumir quais
valores?
a)
b)
c)
d)
e)
1, 2 e 3
1e2
0, 1 e 2
0e1
2e3
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Exercício
Quais dos conjuntos de números quânticos são possíveis para um
átomo?
a)
b)
c)
d)
3, 0, -1, +1/2
2, 1, 1, -1/2
4, 3, -4, +1/2
6, 3, -3, +1/2
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