Apostila de Química

Apostila de Química
Química é a ciência que estuda os materiais, as transformações que podem sofrer e a energia envolvida nessas
transformações.
Aula 1: Estrutura do átomo - conceitos básicos e Substância e mistura
Matéria: é tudo que ocupa lugar no espaço e tem massa. A matéria é formada de partículas denominadas átomos.
O átomo é um partícula muito pequena formada por um grande
vazio, cuja massa está concentrada no núcleo. Por isso costumamos
dizer que a massa do núcleo é a massa do átomo. Devido as suas
diminutas dimensões, faz-se medições relativas entre os constituintes
do átomo. Assim temos:
Diâmetro do átomo = 10000 Diâmetro do núcleo
Massa do próton = 1840 vezes a massa do elétron
Carga do próton: positiva
Carga do elétron: negativa
Carga do nêutron: neutra
Número atômico (Z) : é o número de prótons existentes no núcleo.
Em um átomo, o numero de prótons é igual ao número de elétrons.
Como possuem cargas contrárias, diz-se que o átomo é eletricamente isolado. O átomo é constituído por duas partes: a
eletrosfera, onde se localizam os elétrons; e o núcleo, onde se localizam os prótons e os nêutrons.
Número de massa (A): é a soma do número de prótons com o número de nêutrons. A = Z + N
Exemplo: o átomo de sódio tem 11 prótons, 12 nêutrons e 11 elétrons. O número atômico é 11 e o número de massa é 23.
Elemento químico: é um conjunto de átomos de mesmo número atômico.
Exemplo: o elemento hidrogênio é o conjunto de átomos de número atômico igual a 1.
23
Representação de um átomo:
Na Z = 11 e A = 23
11
Isótopos: são átomos de mesmo número atômico Z e com número de massa diferente. Exemplo: os isótopos do hidrogênio prótio (não tem nêutron) , deutério (possui 1 nêutron) e o trítio ( possui 2 nêutrons).
Obs: Água pesada: é a água em cuja constituição está presente o hidrogênio deutério ou o trítio.
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Isóbaros : são átomos de número atômico Z diferente e número de massa igual. Exemplo:
Ar e 40 Ca
18
20
Isótonos: são átomos de número atômico Z diferente, número de massa A diferente e mesmo número de nêutrons.
11
Exemplo:
B e 12 C Ambos apresentam 6 nêutrons.
5
6
Molécula é uma grupo de átomos ligados.
Substância pura é um conjunto de moléculas iguais.
Substância simples: as moléculas são formadas por átomos de um mesmo elemento. Exemplos: H2, O2, O3, P4, S8.
Os gases nobres são formados por moléculas monoatômicas: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn.
Substância composta: as moléculas são formadas por átomos de elementos diferentes. Exemplos: H2O, CO2, H2SO4,
C12H22O11.
Mistura é um conjunto de moléculas diferentes. Exemplos: ar atmosférico (N2 + O2 + Ar + CO2), álcool hidratado (H2O +
C2H6O).
Alotropia é a propriedade de um elemento para formar mais de uma substância simples.
Exemplos: diamante (Cn) e grafita (Cn) são variedades alotrópicas do elemento carbono e diferem na estrutura cristalina.
Gás oxigênio (O2) e o gás ozônio (O3) são alótropos do elemento oxigênio e diferem na atomicidade
Material homogêneo e heterogêneo
Um material é homogêneo quando apresenta um único aspecto no ultramicroscópio e todas as suas porções apresentam as
mesmas propriedades.
Fase é cada porção homogênea (contínua ou descontínua) de um material.
Homogêneo: apresenta somente uma fase. Exemplo: álcool, ouro 18K (75% de Au e 25% de Cu e/ou Ag), solução de água e
açúcar.
Heterogêneo: apresenta mais de uma fase. Exemplo: água e óleo, leite, sangue.
Mistura homogênea é chamada solução.
Aquecimento dos materiais
Observações:
Existem algumas misturas que se fundem a uma temperatura constante. Tais misturas são denominadas misturas eutéticas.
Existem algumas misturas que fervem a uma temperatura constante Tais misturas são denominadas misturas azeotrópicas.
Separação de misturas
Heterogêneas:
Filtração: separação de um sólido de um líquido. Exemplo: água + areia.
Decantação: separação de líquidos imiscíveis. Exemplo: água + óleo.
Flotação: separação de sólidos com densidades bem diferentes. Exemplo serragem + areia.
Dissolução fracionada: separação de sólidos com solubilidade diferentes, numa determinado solvente. Exemplo: sal + areia.
Homogêneas:
Destilação simples: separação de um sólido dissolvido em um líquido. Exemplo: sal + água.
Destilação fracionada: separação de líquidos miscíveis com pontos de ebulição diferentes. Exemplo: petróleo
Equação Química é a representação gráfica e abreviada de uma reação química.
2H2 + O2
2H2O
Aula 2: Estrutura do átomo - estudo da eletrosfera e configuração eletrônica e Ligações Químicas
Camadas eletrônicas ou níveis de energia
A coroa ou eletrosfera está dividida em sete camadas designadas como K, L, M, N, O, P, Q ou como números n = 1, 2, 3, 4,
5, 6, 7. O número da camada é chamado número quântico principal (n).
Camada de valência é a camada mais externa do átomo e pode conter no máximo oito elétrons.
Número máximo de elétrons em cada nível de energia:
Teórico - Equação de Rydberg: x = 2n2
K
L
M
N
O
P
Q
2
8
18
32
50
72
98
Experimental - Até o elemento de número atômico 118 (ainda não fabricado), teremos o seguinte número de elétrons nas
camadas:
K
L
M
N
O
P
Q
2
8
18
32
32
18
8
Subcamada ou subníveis de energia: os níveis de energia subdividem-se em subníveis de energia que são designados pelas
letras s, p, d, f. Escreve-se o número quântico principal antes da letra indicativa do subnível.
O número máximo de elétrons em cada subnível
s
p
d
F
2
6
10
14
Um sistema com baixa energia é estável. Todo sistema tem tendência para ficar estável. Os elétrons colocados nos subníveis
de menor energia acarretam um estado de maior estabilidade para o átomo. Diz-se que o átomo está no estado
fundamental.
O diagrama de Linus Pauling
O químico norte-americano Linus Pauling descobriu em que ordem a energia dos subníveis cresce. A ordem crescente de
energia dos subníveis coincide com as diagonais do diagrama ao lado. Cada linha horizontal representa uma camada
eletrônica com os seus subníveis. À medida que se desce pelas diagonais, a energia vai aumentando.
Exemplo: Arsênio (As) - Z = 33
Ordem energética (ordem de preenchimento) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3
Ordem geométrica (ordem de camada) :
A camada de valência do As é a camada N.
1s2
2s2 3p6
3s2 3p6 3d10
4s2 4p3
K
L
M
N
2
8
18
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Configuração eletrônica de íons:
Distribuição eletrônica em íons positivos (cátions) - os elétrons cedidos por um átomo de um metal são os mais externos.
Para fazer a distribuição eletrônica de um cátion, fazemos primeiro a distribuição do átomo neutro e em seguida repetimos a
distribuição, tirando os elétrons mais externos.
Exemplo: Fe (Z = 26) tem 26 prótons e 26 elétrons enquanto o Fe3+ tem 26 prótons e 23 elétrons. Assim a configuração é a
Fe3+ - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5
seguinte: Fe - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
Distribuição eletrônica em íons negativos (ânions) - Os elétrons recebidos por um átomo de um ametal entram nos
subníveis incompletos. Para fazer a distribuição eletrônica de cada ânion, fazemos primeiro a distribuição do átomo neutro e
em seguida repetimos a distribuição acrescentado os elétrons.
Exemplo: O (Z = 8) tem 8 prótons e 8 elétrons enquanto O2- (Z = 8) tem 8 prótons e 10 elétrons. Assim a configuração é a
seguinte: O - 1s2 2s2 2p4
O2- - 1s2 2s2 2p6
Exceções ao Diagrama de Linus Pauling
A estrutura (n-1)d9 ns2 é menos estável que a estrutura (n-1)d10 ns1. Esta propriedade é verificada nos elementos cobre, prata
e ouro. Esses metais, encontrados livres ou na forma de sais ou ligas, apresentam inércia química relativa. O cobre é usado
em ligas como bronze e latão. A prata é usada em moedas e joalheria barata. O ouro é maleável e dúctil, e é utilizado na
confecção de jóias. Vamos utilizar o cobre como exemplo: Cu (Z = 29)
Configuração instável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9
Configuração estável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
A estrutura (n-1)d4 ns2 é menos estável que a estrutura (n-1)d5 ns1. Esta exceção é verificada nos elementos cromo e
molibdênio. O cromo forma, em sua maioria, compostos coloridos (cromo = "cor"). Os mais comuns são: Cr2+ Ö azul, Cr3+
Ö verde, Cr6+ Ö amarelo ou alaranjado. O molibdênio é raro e é utilizado na fabricação de aço, pois aumenta a resistência a
altas temperaturas. Vamos aplicar a exceção para o cromo (Z = 24):
Configuração instável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4
Configuração estável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
Elétron de diferenciação
O grupo no qual o elemento está localizado depende de sua configuração eletrônica. O elétron de diferenciação é o último
elétron adicionado a essa configuração. Os elementos de um mesmo grupo possuem a mesma configuração do último nível.
Os elementos são classificados em:
Representativos (A): o último elétron preenche os subníveis s ou p. Os elementos representativos apresentam a seguinte
configuração da camada de valência: ns1 a 2 np1 a 5 , na qual n representa nível ou período. Para se encontrar o grupo, basta
fazer a soma dos elétrons da camada de valência.
Exemplo: 11Na - 1s2 2s2 2p6 3s1 Então, temos: n = 3 Ö terceiro período (três camadas eletrônicas); Camada de valência: 3
(3s1) Ö grupo 1A ou 1.
Transição e transição interna (B): Os elementos de transição preenchem, com seu último elétron, o subnível d. A
configuração eletrônica que caracteriza os metais de transição é ns2 (n-1)d1 a 9. Para determinar o grupo, basta somar os
elétrons dos últimos subníveis s + d
Observe o exemplo: 25Mn - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 Perceba que o subnível 3d5 faz parte da camada M. Então, temos:
n = 4 Öquarto período ( quatro camadas); 4s2 3d5 Ö grupo 7B ou 7.
Os metais de transição interna apresentam o subnível f incompleto e estão representados pelos lantanídeos e actinídeos.
Exemplo: Cério (Z = 58) - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f2
Gases Nobres (A): Os elementos desse grupo apresentam o subnível p completo, isto é, a configuração da camada de
valência é ns2 np6, exceto para o elemento hélio, que apresenta apenas dois elétrons em sua camada de valência ( 1s2).
Exemplo: 10Ne - 1s2 2s2 2p6 Então, temos: n = 2 Ö segundo período (duas camadas); 2s2 2p6 Ö grupo 8A, ou zero, ou 18.
Ligações químicas
Os átomos ligam-se para adquirir maior estabilidade. Os gases nobres são os únicos elementos que aparecem na natureza na
forma de átomos isolados. O hélio tem 2 elétrons na camadas K. Os demais gases - neônio, argônio, criptônio, xenônio e
radônio - apresentam 8 elétrons na camada de valência.
Teoria do Octeto: os átomos ligam-se, procurando adquirir a configuração eletrônica de gás nobre.
Os metais possuem menos de 4 elétrons na camada de valência e por isso tendem a ceder elétrons. Já os não-metais
possuem mais de 4 elétrons na camada de valência e, ao contrário dos metais, tendem a receber elétrons.
Ligação Iônica: se dá através da transferência de elétrons do metal para o não-metal ou para o hidrogênio. Esse tipo de
ligação ocorre em sais (KCl), óxidos metálicos (CaO) e hidretos metálicos (BaH2).
Ligação Covalente Comum : os átomos compartilham um ou mais pares de elétrons. Aparece quando um não-metal se
combina com hidrogênio ou com outro não-metal.
Exemplos gás hidrogênio - H2 (fórmula molecular) HzzH (fórmula eletrônica) H - H(fórmula estrutural)
Ligação Covalente Dativa: é o compartilhamento de um par de elétrons cedidos somente por um dos átomos ligantes.
Exemplos: dióxido de enxofre - SO2 e gás ozônio - O3
A ligação metálica
Cristais metálicos: um pedaço de metal é formado de grãos chamados cristais.
Nos metais um grande número de átomos perde elétrons mais externos (da camada de valência), formando uma nuvem
eletrônica que envolve todo o cristal. Com isso, os átomos perdem elétrons para a nuvem, transformando-se em íons
positivos.
Assim , a ligação metálica consiste em uma nuvem de elétrons que envolve todo o cristal, unindo um grande número de íons
positivos. Geralmente os metais têm brilho quando polidos, são dúcteis, maleáveis, bons condutores de calor e eletricidade.
Ligas metálicas
Liga metálica é uma mistura de dois ou mais metais. A liga pode incluir semimetais ou não-metais, mas sempre com
predominância dos elementos metálicos. Algumas ligas importantes:
Latão - liga de cobre e zinco
Bronze - liga de cobre e estanho
Aço - liga de ferro e carbono, apesar de este não ser metal.
O ouro 18 quilates (18K) é, uma liga que tem 75% de ouro e 25% de prata e/ou cobre. O ouro 24K é ouro puro.
Amálgamas são ligas que contêm mercúrio. O amálgama de prata é uma liga de mercúrio e prata usado pelos dentistas para
obturar dentes.