a natureza molecular da matéria

Neil D. JespersenSt. John’s University, Nova York

Alison HyslopSt. John’s University, Nova York

Com contribuições signifi cativas deJames E. BradySt. John’s University, Nova York

Tradução e Revisão Técnica

Oswaldo Esteves Barcia, D.Sc.Doutor em Ciências, Instituto de Química da UFRJ

Edilson Clemente da SilvaDoutor em Ciências, Instituto de Química da UFRJ

Júlio Carlos Afonso, D.Sc.Doutor em Ciências, Instituto de Química da UFRJ

Neil D. JespersenSt. John’s University, Nova York

Alison HyslopSt. John’s University, Nova York

Com contribuições signifi cativas deJames E. BradySt. John’s University, Nova York

Tradução e Revisão Técnica

Oswaldo Esteves Barcia, D.Sc.Doutor em Ciências, Instituto de Química da UFRJ

Edilson Clemente da SilvaDoutor em Ciências, Instituto de Química da UFRJ

Júlio Carlos Afonso, D.Sc.Doutor em Ciências, Instituto de Química da UFRJ

QUÍMICA A Natureza Molecular da Matéria

Edição7ª

Volume 2

Jespersen - Caderno Zero Vol 2.indd 5 20/04/2017 16:53:26

Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer mate-rial utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida.

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Traduzido deCHEMISTRY: THE MOLECULAR NATURE OF MATTER, SEVENTH EDITION Copyright © 2015, 2012, 2009, 2004 John Wiley & Sons, Inc.All Rights Reserved. This translation published under license with the original publisher John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 978-1-118-51646-1

Portuguese edition copyright © 2017 byLTC __ Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda.All rights reserved.ISBN: 978-85-216-3257-3

Direitos exclusivos para a língua portuguesaCopyright © 2017 by LTC ___ Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional

Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora.

Travessa do Ouvidor, 11Rio de Janeiro, RJ − CEP 20040-040Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770Fax: [email protected]

Design de capa: Thomas NeryFoto de capa: © Isak55/ShutterstockEditoração Eletrônica: K2 Design

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ

N331q 7. ed.v. 2 Neil D. Jespersen, Química : a natureza molecular da matéria, volume 2 / Neil D. Jespersen, Alison Hyslop, James E. Brady ; tradução Oswaldo Esteves Barcia, Edilson Clemente da Silva, Júlio Carlos Afonso. - 7. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2017. ; 28 cm. Tradução de: Chemistry : the molecular nature of matter Apêndice Inclui bibliografia ISBN 978-85-216-3258-0 1. Química. I. Hyslop, Alison. II. Brady, James E. III. Título.

17-40589 CDD: 540

CDU: 54


Neil D. Jespersen é professor titular de Química na St. John’s University em Nova York. Graduou-se com mérito em Química na Washington and Lee University (VA) e recebeu o título de doutor em Química Analítica com Joseph Jordan na Pennsylvania State University. Coleciona prêmios por excelên-cia pedagógica e em pesquisa na St. John’s University e o prê-mio E. Emmit Reid por ensino universitário da região do Meio Atlântico da American Chemical Society. Foi diretor do Departamento de Química durante seis anos e orientou o grupo ACS de estudantes da St. John’s por mais de 30 anos, enquanto continuou dando seus cursos de Análise Quantitativa e Instrumental, junto com Química Geral. Mantém-se como contribuinte ativo para o Eastern Analytical Symposium, pre-sidindo-o em 1991. Neil é o autor do Barrons AP Chemistry Study Guide; editou dois livros sobre análise instrumental e análise térmica; e tem quatro capítulos em monografi as de pes-quisa, 50 publicações referenciadas e 150 resumos e apresenta-ções. Tem atividades em níveis locais, regionais e nacionais da American Chemical Society, teve participação na Diretoria da ACS e recebeu o título de Membro da ACS em 2013. Quando tem tempo livre, aproveita para jogar tênis, beisebol e futebol com seus quatro netos, ou para viajar com sua esposa Marilyn.

Alison Hyslop graduou-se no Macalester College em 1986 e recebeu o título de doutora na University of Pennsylvania sob a direção de Michael J. Therien em 1998. Atualmente, chefi a o Departamento de Química da St. John’s University em Nova York, onde é professora adjunta. Vem ministrando cursos de pós-graduação e graduação desde 2000. Foi professora-assis-

tente visitante no Trinity College (CT) de 1998 a 1999. Foi professora visitante na Columbia University (NY) em 2005 e em 2007 e no Brooklyn College em 2009, onde trabalhou com projetos de pesquisa no laboratório de Brian Gibney. A pesquisa que realiza se concentra na síntese e no estudo de compostos de extração leve à base de porfi rinas. Quando não está no laboratório, faz caminhadas no norte de Nova York e pratica tae kwon do.

James E. Brady graduou-se no Hofstra College em 1959 e recebeu o título de doutor na Penn State University sob a dire-ção de C. David Schmulbach em 1963. É professor emérito na St. John’s University em Nova York, onde ministrou cursos de pós-graduação e graduação durante 35 anos. Seu primeiro livro-texto, Química geral: princípios e estrutura, em coautoria com Gerard Humiston, foi publicado em 1975. Um aspecto inovador do texto constituiu-se em ilustrações em 3D de moléculas e estruturas cristalinas que podiam ser estudadas com um visor estéreo que vinha em um bolso dentro da capa traseira do livro. A popularidade de sua abordagem do ensino de química geral é evidente na maneira pela qual seus livros deram forma à evolução dos livros-texto durante os últimos 35 anos. Foi o principal coautor de várias versões deste texto, jun-tamente com John Holum, Joel Russell, Fred Senese, Neil Jespersen e Alison Hyslop. Em 1999, Jim aposentou-se da St. John’s University para dedicar mais tempo para escrever e, desde então, foi coautor de quatro edições deste livro. Ele e sua esposa, June, desfrutam sua atual residência em Jacksonville, na Flórida, onde Jim é também um ávido fotógrafo.

Sobre os Autores


Sumário Geral

Volume 10 | Uma Breve História da Química 1 | Medidas Científi cas 2 | Elementos, Compostos e a Tabela Periódica 3 | Mol e Estequiometria 4 | Visão Molecular de Reações em Soluções Aquosas 5 | Reações de Oxidação-Redução 6 | Energia e Transformação Química 7 | O Átomo Segundo a Mecânica Quântica 8 | Princípios Básicos da Ligação Química 9 | Teorias da Ligação e Estrutura

10 | Propriedades dos Gases 11 | Atrações Intermoleculares e as Propriedades dos Líquidos e Sólidos 12 | Misturas em Nível Molecular: Propriedades das Soluções Apêndice A Revisão de Matemática

Apêndice B Respostas dos Exercícios Propostos e Problemas Selecionados

Apêndice C Tabelas de Dados Selecionados

Glossário Índice

Volume 213 | Cinética Química 14 | Equilíbrio Químico 15 | Ácidos e Bases, uma Visão Molecular 16 | Equilíbrios Ácido-Base em Soluções Aquosas 17 | Solubilidade e Equilíbrios Simultâneos 18 | Termodinâmica 19 | Eletroquímica 20 | Reações Nucleares e Seu Papel na Química 21 | Complexos Metálicos 22 | Compostos Orgânicos, Polímeros e Produtos Bioquímicos Apêndice A Revisão de Matemática

Apêndice B Respostas dos Exercícios Propostos e Problemas Selecionados

Apêndice C Tabelas de Dados Selecionados

Glossário Índice


Sumário

13 | Cinética Química 1

13.1 Fatores que Afetam a Velocidade da Transformação Química 213.2 Medição das Velocidades de Reação 413.3 Leis de Velocidade 1013.4 Leis de Velocidade Integradas 1913.5 Base Molecular da Teoria da Colisão 3013.6 Base Molecular da Teoria do Estado de Transição 3313.7 Energias de Ativação 3513.8 Mecanismos de Reações 4113.9 Catalisadores 46Ferramentas para a Resolução de Problemas 51Questões e Problemas de Revisão 52

14 | Equilíbrio Químico 63

14.1 Equilíbrio Dinâmico em Sistemas Químicos 6414.2 Leis de Equilíbrio 6714.3 Leis de Equilíbrio Baseadas em Pressões ou Concentrações 7114.4 Leis de Equilíbrio para Reações Heterogêneas 7514.5 Posição de Equilíbrio e a Constante de Equilíbrio 7614.6 Equilíbrio e o Princípio de Le Châtelier 7814.7 Cálculo das Constantes de Equilíbrio 8314.8 Utilização das Constantes de Equilíbrio para Calcular Concentrações 86Ferramentas para a Resolução de Problemas 99Questões e Problemas de Revisão 100

15 | Ácidos e Bases, uma Visão Molecular 108

15.1 Ácidos e Bases de Brønsted-Lowry 10915.2 Força dos Ácidos e Bases de Brønsted-Lowry 11415.3 Tendências Periódicas na Força dos Ácidos 11715.4 Ácidos e Bases de Lewis 12315.5 Propriedades Ácido-Base dos Elementos e Seus Óxidos 12715.6 Cerâmicas Avançadas e Química Ácido-Base 130Ferramentas para a Resolução de Problemas 134Questões e Problemas de Revisão 135

16 | Equilíbrios Ácido-Base em Soluções Aquosas 140

16.1 Água, pH e Notação “p” 141

16.2 O pH de Soluções de Ácidos e Bases Fortes 14516.3 Constantes de Ionização, Ka e Kb 14616.4 Determinação dos Valores de Ka e Kb 15116.5 pH de Soluções de Ácidos e Bases Fracos 15416.6 Propriedades Ácido-Base de Soluções Salinas 15816.7 Soluções-Tampão 16316.8 Ácidos Polipróticos 17016.9 Titulações Ácido-Base 175Ferramentas para a Resolução de Problemas 184Questões e Problemas de Revisão 185

17 | Solubilidade e Equilíbrios Simultâneos 193

17.1 Equilíbrios em Soluções de Sais Pouco Solúveis 19417.2 A Solubilidade de Sais Básicos É Infl uenciada por Ácidos 20417.3 Equilíbrios em Solução Aquosa de Óxidos e Sulfetos Metálicos 20717.4 Precipitação Seletiva 21017.5 Equilíbrios Envolvendo Íons Complexos 21817.6 Complexação e Solubilidade 221Ferramentas para a Resolução de Problemas 224Questões e Problemas de Revisão 225

18 | Termodinâmica 233

18.1 Primeira Lei da Termodinâmica 23418.2 Transformação Espontânea 23818.3 Entropia 24018.4 Segunda Lei da Termodinâmica 24518.5 Terceira Lei da Termodinâmica 24918.6 Variação da Energia Livre-Padrão, ∆G° 25218.7 Trabalho Máximo e ∆G 25518.8 Energia Livre e Equilíbrio 25818.9 Constantes de Equilíbrio e ∆G° 26318.10 Energias de Ligação 267Ferramentas para a Resolução de Problemas 273Questões e Problemas de Revisão 274

19 | Eletroquímica 283

19.1 Células Galvânicas (Voltaicas) 28419.2 Potenciais da Célula 28919.3 Utilizações dos Potenciais-Padrão de Redução 296


19.4 E ºcélula e ∆Gº 30119.5 Potenciais de Célula e Concentrações 30419.6 Eletricidade 31119.7 Células Eletrolíticas 31719.8 Estequiometria da Eletrólise 32419.9 Aplicações Práticas da Eletrólise 328Ferramentas para a Resolução de Problemas 332Questões e Problemas de Revisão 333

20 | Reações Nucleares e Seu Papel na Química 341

20.1 Conservação da Massa e da Energia 34220.2 Energia de Ligação Nuclear 34420.3 Radioatividade 34620.4 Banda de Estabilidade 35320.5 Transmutação 35720.6 Medição da Radioatividade 35920.7 Aplicações Analíticas e Médicas de Radionuclídeos 36420.8 Fissão e Fusão Nucleares 366Ferramentas para a Resolução de Problemas 375Questões e Problemas de Revisão 375

21 | Complexos Metálicos 383

21.1 Íons Complexos 38421.2 Nomenclatura de Complexos Metálicos 39021.3 Número de Coordenação e Estrutura 39221.4 Isomeria em Complexos Metálicos 394

21.5 Ligação em Complexos Metálicos 398

21.6 Funções Biológicas de Íons Metálicos 405

Ferramentas para a Resolução de Problemas 408Questões e Problemas de Revisão 409

22 | Compostos Orgânicos, Polímeros e Produtos Bioquímicos 415

22.1 Estruturas Orgânicas e Grupos Funcionais 416

22.2 Hidrocarbonetos: Estrutura, Nomenclatura e Reações 421

22.3 Compostos Orgânicos Contendo Oxigênio 428

22.4 Derivados Orgânicos da Amônia 436

22.5 Polímeros Orgânicos 439

22.6 Carboidratos, Lipídios e Proteínas 445

22.7 Ácidos Nucleicos, DNA e RNA 454

Ferramentas para a Resolução de Problemas 459Questões e Problemas de Revisão 461

APÊNDICESApêndice A Revisão de Matemática A-1

Apêndice B Respostas dos Exercícios Propostos e Problemas Selecionados A-5

Apêndice C Tabelas de Dados Selecionados A-15

Glossário G-1

Índice I-1

viii Sumário


Tópicos Especiais

• Química Fora da Sala de Aula 13.1 | Radicais Livres, Índice de Octano, Explosões e Envelhecimento 42

• Química Fora da Sala de Aula 14.1 | O Processo Haber: Ajudando a Alimentar a População Mundial 80

• Química Fora da Sala de Aula 15.1 | Aplicações de Materiais Cerâmicos Avançados 130

• Química Fora da Sala de Aula 17.1 | Chega de Espuma de Sabão — Íons Complexos e Solubilidade 221

• Química Fora da Sala de Aula 18.1 | Esculpido em Pedra 251

• Ciência de Ponta 18.2 | Efi ciência Termodinâmica e Sustentabilidade 257

• Química Fora da Sala de Aula 19.1 | Corrosão do Ferro e Proteção Catódica 294

• Química na Ciência de Ponta 20.1 | Tomografi a por Emissão de Pósitrons [PET] 356


Material Suplementar

Este livro conta com materiais suplementares.

O acesso é gratuito, bastando que o leitor se cadastre em http://gen-io.grupogen.com.br.

GEN-IO (GEN | Informação Online) é o repositório de materiais

suplementares e de serviços relacionados com livros publicados pelo

GEN | Grupo Editorial Nacional, maior conglomerado brasileiro de editoras do ramo

científico-técnico-profissional, composto por Guanabara Koogan, Santos, Roca,

AC Farmacêutica, Forense, Método, Atlas, LTC, E.P.U. e Forense Universitária.

Os materiais suplementares ficam disponíveis para acesso durante a vigência

das edições atuais dos livros a que eles correspondem.

Material SuplementarEste livro conta com os seguintes materiais suplementares:

■ Clicker PPTs: Questões em formato de apresentações em (.ppt), em inglês (restrito a docentes);

■ Ilustrações da obra em formato de apresentações em (.pdf) (restrito a docentes);

■ Instructor’s Manual: Manual de apoio pedagógico para o livro-texto em (.pdf), em inglês (restrito a docentes);

■ Juntando Tudo: Exercícios de revisão em (.pdf) (restrito a docentes);

■ Lecture PowerPoint: Apresentações para uso em sala de aula em (.ppt), em inglês (restrito a docentes);

■ Manual de Soluções do Professor: Solução para os exercícios de revisão Juntando Tudo em (.pdf) (restrito a docentes);

■ Test Bank: Banco de testes em (.pdf), em inglês (restrito a docentes).

DigiAulasEste livro contém amostras de DigiAulas. O que são DigiAulas? São videoaulas sobre temas comuns a todas as habilitações de Engenharia. Foram criadas e desenvolvidas pela LTC Editora para auxiliar os estudantes no aprimoramento de seu aprendizado. As DigiAulas são ministradas por professores com grande experiência nas disciplinas que apresentam em vídeo. Saiba mais em www.digiaulas.com.br.Em Química: a Natureza Molecular da Matéria − Volume 2, as videoaulas são as seguintes:*

■ Capítulo 13 – vídeo indicado: aula 1 do Tópico 7 – Cinética Química (Química Geral 2).

■ Capítulo 14 – vídeo indicado: aula 1 do Tópico 8 – Equilíbrio Químico (Química Geral 2).

■ Capítulo 16 – vídeo indicado: aula 1 do Tópico 9 – Equilíbrio Iônico (Química Geral 2).

■ Capítulo 17 – vídeo indicado: aula 1 do Tópico 10 – Equilíbrio de Solubilidade (Química Geral 2).

■ Capítulo 19 – vídeo indicado: aula 1 do Tópico 11 – Eletroquímica (Química Geral 2).

■ Capítulo 22 – vídeos indicados: aula 1 do Tópico 1 – Hidrocarbonetos (Introdução à Química Orgânica), do Tópico 6 – Reações Orgânicas (Introdução à Química Orgânica), do Tópico 7 – Polímeros (Introdução à Química Orgânica) e do Tópico 8 – Bioquímica (Introdução à Química Orgânica).

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*As instruções para o acesso às videoaulas encontram-se na orelha deste livro.


A sétima edição de nosso livro-texto continua a enfatizar a natureza molecular da matéria, a resolução maciça de proble-mas e a clareza de escrever, o que foi a base da sexta edição de Química: a Natureza Molecular da Matéria, de autoria de Neil D. Jespersen e James E. Brady. A relação entre o nível molecu-lar e as propriedades macroscópicas observáveis da matéria é apresentada com mais detalhes de forma a reforçar e a expan-dir esse conceito fundamental.

Neil Jespersen continua seu papel como grande autor à medida que este texto evolui na era eletrônica. Neil é um quí-mico analítico, um educador respeitado e um professor ganha-dor de prêmios, e liderou a ênfase na conexão entre a visão microscópica e as propriedades macroscópicas que vivencia-mos no dia a dia. Alison Hyslop já provou ser uma autora de grande contribuição para a edição anterior e continuará dando sua contribuição em edições futuras. Alison é química inorgâ-nica com extensa experiência no ensino de pós-graduação e graduação em química inorgânica, bem como química geral. Atualmente, chefi a seu departamento e trabalha em colabora-ção para melhorar os programas de graduação em química. James Brady assumiu um papel de consultoria nesta edição. Sua visão e orientação formaram a fi losofi a e a organização do livro. Desde a completa apresentação de todos os tópicos antes de eles serem utilizados para nunca pular etapas na solução de problemas, sua liderança tornou este livro acessível a todos os estudantes de química.

Filosofi a e Metas

A fi losofi a do texto está baseada em nossa convicção de que um curso de química geral serve a diversas metas na educação de um estudante. Primeiramente, é claro, deve oferecer um alicerce dos fatos básicos e conceitos de química sobre o qual possam ser construídos os modelos teóricos. O curso de quí-mica geral deve ainda dar ao estudante uma valorização do papel central que a química desempenha entre as ciências, bem como da importância da química na sociedade e no coti-diano. Além disso, deverá possibilitar ao estudante desenvol-ver habilidades de pensamento analítico e resolução de problemas. Com essas ideias em mente, nosso objetivo ao estruturarmos o texto foi oferecer uma progressão lógica de tópicos dispostos de modo a dar a máxima fl exibilidade para o professor na organização de seu curso. Neste texto, fomos

guiados pelas três metas principais. A primeira foi reforçar a associação entre observações em escala macroscópica e o com-portamento dos átomos, das moléculas e dos íons em nível atô-mico, enquanto apresentamos todos os conceitos de maneira lógica e inteligível. A segunda foi aperfeiçoar e agilizar ainda mais nossa abordagem de ensinar habilidades efetivas na resolu-ção de problemas. Isso inclui uma ênfase na estimativa e verifi -cação de respostas. A terceira meta foi oferecer uma solução total ininterrupta para o curso de química geral.

Ênfase na Visão Molecular da Natureza

O valor da abordagem molecular no ensino da química é bem aceito e sempre foi uma pedra angular na abordagem usada por Jim Brady e seus coautores ao apresentar a química durante muitos anos. A partir de seu primeiro livro, no qual novas representações tridimensionais de moléculas e estrutu-ras de cristais desenhadas por computador foram apresentadas e observadas com o uso de visores estereoscópicos, até a sexta edição deste livro, a visão atômica/molecular tem dominado a pedagogia. Esta nova edição estrutura-se nessa tradição empre-gando a “base molecular da química” como um poderoso tema central do livro. Por meio dessa abordagem, o estudante ganhará uma sólida valorização da natureza da matéria e como a estru-tura determina as propriedades. Algumas ações foram imple-mentadas para alcançarmos esse objetivo, conforme segue:

Capítulo 0: Uma Breve História da Química Esta nova edição do livro-texto começa com a formação dos átomos a partir da origem do universo. Pela discussão de como os áto-mos foram inicialmente formados e, então, passando para a estrutura dos átomos por meio de descobertas das partículas subatômicas, lançamos a base para a visão atômica e molecu-lar da matéria e a descrição de como esses conceitos são utili-zados em todo o texto. Oferecemos uma rápida apresentação da distribuição dos elementos em toda a Terra e apresentamos aos estudantes a maneira como visualizamos as moléculas e as reações químicas.

Ilustrações Macro a Micro Para auxiliar os estudantes a fazerem a ligação entre o mundo macroscópico que vemos e os eventos que ocorrem em nível molecular, temos um substan-cial número de ilustrações que combinam ambos os pontos de vista. Uma fotografi a, por exemplo, mostrará uma reação quí-mica, bem como a visão artística da interpretação química do

Prefácio


xiv Prefácio

que está tendo lugar entre os átomos, moléculas ou íons envol-vidos. A meta é mostrar como os modelos da natureza possibi-litam aos químicos entender melhor suas observações e levar os estudantes a visualizar e descrever eventos em nível molecular.

Objetivos do Aprendizado Os objetivos do aprendizado de cada capítulo foram explicitamente enunciados no início de cada capítulo. Esses objetivos do aprendizado dão aos estu-dantes uma diretriz quanto ao que eles vão aprender após terem dominado cada seção. Além disso, todas as questões e problemas de fi nal de capítulo estão organizados pelos objeti-vos do aprendizado e marcados pelos títulos das seções.

Desenvolvimento de Habilidades na Resolução de Problemas

Acreditamos piamente que a solução de problemas reforça o aprendizado dos conceitos e que auxiliar os estudantes a melhorar suas habilidades nessa área é um dos aspectos críticos do aprendizado da química. Também acreditamos que é pos-sível acomodar os estudantes que entram no curso com uma ampla gama de ferramentas para resolução de problemas de modo que terminem o curso dominando diversas habilidades que os levarão ao sucesso em cursos de química posteriores.

Continuamos a utilizar um modelo de “ferramentas quí-micas” e uma abordagem de auxílio no ensino da análise de problemas. Essa abordagem estimula os estudantes a pensar em cima de esquemas básicos, como a conversão de gramas a

mols, e como ferramentas podem ser combinadas de várias maneiras para solucionar problemas mais complexos. Estudantes e professores responderam positivamente a esse conceito em edições anteriores, e continuamos a empregar essa estratégia na análise de problemas. As ferramentas são identifi cadas com um ícone à margem quando são apresenta-das em um capítulo e resumidas ao fi nal de cada capítulo.

Um aspecto positivo signifi cativo das edições anteriores foi o processo de resolução de problemas em quatro etapas: Análise, Montagem das Ferramentas, Solução e a pergunta A Resposta É Razoável?, que era aplicado a todos os exemplos resolvidos. Assim como um mecânico, fazemos uma Análise para entender e planejar como o problema pode ser resolvido. Em seguida, as Ferramentas necessárias para realizar o trabalho são conectadas e utilizadas para oferecer a Solução. Isso reforça a noção de que as Ferramentas podem ser combinadas de várias maneiras para resolver problemas complexos. É apresentada a solução com-pleta mostrando cada etapa em uma sequência lógica. Finalmente, como um mecânico sempre testa o trabalho de conserto, mostramos como os cientistas testam suas respostas enquanto perguntam “A Resposta É Razoável?”.

Continuamos a oferecer pelo menos dois Exercícios Propostos em seguida aos exemplos resolvidos que dão ao estudante a oportunidade de aplicar os princípios utilizados na solução do exemplo anterior. Eles foram revistos completamente e, em alguns casos, expandidos. As respostas a todos os Exercícios Propostos estão disponíveis para o estudante no Apêndice B no fi nal do livro.

As Questões e Problemas de fi m de capítulo passaram por um aperfeiçoamento para garantir que ofereçam uma cres-cente gama de difi culdade, desde problemas rotineiros do tipo treinamento até aqueles signifi cativamente mais difíceis, e foram organizados pelos objetivos do aprendizado. Muitos pro-blemas requerem que os estudantes tirem partido do conheci-mento adquirido em capítulos anteriores. Por exemplo, em

Figura 4.1 | Formação de uma solução de moléculas de iodo em álcool. (a) Um cristal de iodo, I

2, descendo para o fundo de um béquer já começa a se dissolver, e o

cristal de iodo arroxeado forma uma solução castanho-avermelhada. Na vista mais ampliada abaixo da foto, vemos as moléculas de iodo ainda ligadas como um cristal. Para simplifi car, as partículas de soluto e solvente são mostradas como esferas. (b) A agitação da mistura ajuda as moléculas de iodo a se dispersarem no solvente, conforme ilustrado do ponto de vista molecular na fi gura abaixo da foto.

Cristal de soluto colocado no solvente.

Uma solução. As moléculas do soluto estão dispersasem todo o solvente.

Molécula de solvente Molécula de soluto

Rich

ard

Meg

na/F

unda

men

tal P

hoto

grap

hs

Rich

ard

Meg

na/F

unda

men

tal P

hoto

grap

hs

(a) (b)

FERRAMENTASFerramentas para Resolução de Problemas As ferramentas vistas a seguir foram introduzidas neste capítulo. Estude-as cuidadosamente a fi m de selecionar as ferramentas apropriadas quando for necessário.

Critérios para uma equação iônica balanceada (Seção 4.3)Para estar balanceada, uma equação em que estão presentes as fórmulas dos íons, tem que satisfazer dois critérios: (1) o número de átomos de cada espécie tem que ser o mesmo em ambos os lados da equação, e (2) a carga elétrica líquida total mostrada em ambos os lados da equação tem que ser a mesma.

Lista de ácidos fortes (Seção 4.4)Os ácidos fortes comuns são: ácido perclórico, HClO

4, ácido clórico, HClO

3, ácido clorídrico, HCl, ácido bromídrico, HBr,

ácido iodídrico, HI, ácido nítrico, HNO3 e ácido sulfúrico, H

2SO

4.

Exemplo 4.3Escrevendo a Equação para a Ionização de uma Base Molecular

A dimetilamina, (CH3)

2NH, é uma base solúvel em água. Ela atrai o bicudo-do-algodoeiro (uma das principais pragas dos

algodoeiros) de modo que possa ser destruído. Esse inseto vem causando prejuízos de bilhões de dólares no cultivo de algodão nos Estados Unidos. Escreva uma equação para a ionização do (CH

3)

2NH em água.

Análise: Sabemos que o (CH3)

2NH é uma base, então, ele vai reagir com a água formando íon hidróxido. Isso nos dá dois

reagentes e um produto. Precisamos determinar a fórmula para o segundo produto para escrevermos e balancearmos a equação.

Montagem das Ferramentas: A ferramenta é a equação geral de ionização de uma base fraca com água, Equação 4.4, que utilizamos como padrão para escrever as fórmulas de reagentes e produtos.

Solução: Os reagentes na equação são o (CH3)

2NH e a H

2O. Segundo a Equação 4.4, quando a base reage com água ela tira

um H+ da H2O, formando o (CH

3)

2NH

2+ e deixando o OH– para trás. A equação para a reação é

A Resposta É Razoável? Compare a equação que escrevemos com a equação geral para a reação de uma base com a água. Observe que a fórmula do produto contém um H e uma carga positiva a mais e que o H+ foi adicionado ao átomo de nitrogê-nio. Observe também que a água foi convertida em OH–, quando ela perde o H+. Portanto, a equação está correta.

Exemplo 4.3Escrevendo a Equação para a Ionização de uma Base Molecular

A dimetilamina, (CH

xii Prefácio


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muitos dos problemas do Capítulo 4 e além dele, é dado o nome químico de um composto em questão em vez de ser dada a fórmula; assim, os estudantes devem aplicar (e rever, se neces-sário) as regras de nomenclatura apresentadas no Capítulo 2.

Uma das muitas metas do aprendizado da química é ajudar os estudantes a desenvolver a capacidade de resolver proble-mas que são mais instigantes do que problemas de revisão típi-cos. Reconhecendo que eles frequentemente têm dificuldade em resolver problemas que exigem a aplicação de diversos con-ceitos diferentes, continuamos a utilizar o recurso Analisando e Resolvendo Problemas de Conceitos Múltiplos. Esses pro-blemas são mais difíceis do que aqueles em um exemplo resol-vido típico e exigem o uso de conceitos apresentados em mais de um capítulo. Os estudantes devem combinar dois ou mais conceitos antes de chegar a uma solução, e devem reduzir um problema complexo a um somatório de partes mais simples. Problemas desse tipo aparecem inicialmente no Capítulo 4, depois que os estudantes tiverem tido a chance de trabalhar com esquemas envolvendo problemas básicos e após suficien-tes conceitos terem sido apresentados em capítulos anteriores para tornar tais problemas significativos. A seção Analisando e Resolvendo Problemas de Conceitos Múltiplos visa a superar a frustração do orientador e as deficiências dos estudantes com a resolução de problemas, ensinando aos estudantes como des-construir problemas e enfatizar o raciocínio verdadeiro que entra na solução de problemas.

Mudanças Significativas na Sétima Edição

Conforme observado anteriormente, nossa missão no desen-volvimento desta revisão foi apurar o foco do texto no que se refere à relação entre comportamento em nível molecular e propriedades observadas em nível macroscópico.

Tanto quanto possível, os capítulos estão escritos para serem independentes como unidades instrucionais, possibili-tando aos professores modificar a sequência de capítulos para se adequarem às necessidades específicas de seus estudantes. Por exemplo, se os professores quiserem usar o capítulo que trata das propriedades dos gases (Capítulo 10) logo no início do curso, podem fazê-lo facilmente. Embora acreditemos que esse capítulo se adapte melhor na sequência com os capítulos que tratam de outras áreas da matéria, entendemos que há outras preferências organizacionais válidas, e o capítulo foi escrito para acomodá-las.

Algumas das mudanças mais significativas da organização são as que seguem:

■ Pequenos ensaios que tratam de tópicos especiais estão em todo o livro. Os que têm os títulos Química Fora da Sala de Aula e Química e Temas da Atualidade oferecem descrições de aplicações práticas do mundo real da química à indús-tria, à medicina e ao meio ambiente. Os ensaios com o título Ciência de Ponta servem para destacar fenômenos químicos que são de atual interesse da pesquisa e que têm aplicações práticas potenciais no futuro. Uma lista desses tópicos especiais consta do final do Sumário. Nesses ensaios incluímos discussões sobre as recomendações da Iupac

[União Internacional de Química Pura e Aplicada — em inglês: International Union of Pure and Applied Chemistry] para o uso de um intervalo para as massas atômicas de alguns elementos e o uso desse intervalo na ciência forense.

■ O Capítulo 0 é inteiramente novo e dá o tom para o res-tante do texto. Ele oferece uma apresentação dos tópicos importantes que vamos tratar neste livro: teoria atômica, propriedades macroscópicas dependentes das propriedades microscópicas, variações de energia e as formas geométri-cas das moléculas. A teoria atômica é apresentada após uma discussão das origens dos elementos desde o início do universo, por meio de múltiplas supernovas. É estabelecida uma clara associação entre observações em nível macroscó-pico e sua interpretação em nível molecular.

■ O Capítulo 1 é dedicado às medições e suas unidades. Nesta edição, começamos com o método científico e as clas-sificações da matéria. A importância das medidas quantita-tivas em relação às propriedades físicas é apresentada junto com os conceitos de propriedades intensivas e extensivas. Descreve-se a incerteza das medições. São desenvolvidas figuras para oferecer ao estudante um método lógico para avaliar dados. Finalmente, o método da análise dimensional é discutido e aplicado a cálculos familiares para desenvolver a confiança em um estágio inicial.

■ O Capítulo 2 continua a discussão iniciada no Capítulo 0 sobre a estrutura do átomo. Apresentamos a tabela perió-dica nesse capítulo, bem como as moléculas, as fórmulas químicas e as reações químicas. Os conceitos de reações químicas e equações químicas são apresentados e descritos com representações de moléculas e por meio do uso de símbolos químicos.

■ O Capítulo 3 abrange o conceito de mol e estequiometria. Separamos a discussão sobre o mol e o número de Avogadro para enfatizar a importância desses conceitos.

■ O Capítulo 5 trata das reações redox e inclui uma seção revista sobre titulações redox para associar esse procedi-mento àquele apresentado no Capítulo 4. As reações redox são apresentadas nesse capítulo porque muitos experimen-tos de laboratório concomitantes utilizam reações redox.

■ O Capítulo 7 é uma extensão lógica do Capítulo 0 em nossa discussão de como nosso entendimento do átomo foi desenvolvido. Os pontos fundamentais do átomo segundo a mecânica quântica são apresentados até o ponto em que o material é relevante para o restante do texto. A discussão relativa aos orbitais foi expandida para incluir orbitais f.

■ O Capítulo 8 é o primeiro de dois capítulos que tratam da ligação química. Mudamos a seção dedicada a alguns tipos comuns de compostos orgânicos para o final do capítulo para permitir um fluxo mais lógico de conceitos dentro do capítulo. A seção também serve como uma breve introdu-ção à química orgânica para estudantes cuja formação requer apenas um semestre de química. Para os professores que não desejam discutir compostos orgânicos nesse ponto

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do curso, a seção pode ser pulada facilmente e ser coberta pelo Capítulo 22.

■ O Capítulo 12 discute as propriedades físicas das solu-ções. A discussão sobre unidades de concentração foi rees-crita para integrar as unidades de concentração independentes da temperatura com as unidades de con-centração dependentes da temperatura.

■ O Capítulo 13 trata da cinética das reações químicas, incluindo-se mecanismos, e a catálise com a seção sobre leis integradas de velocidade é expandida nesta edição.

■ O Capítulo 20 discute reações nucleares e suas aplicações. Neste capítulo, utilizamos as massas das partículas subatô-micas, conforme definido pelos Institutos Nacionais de Normas e Tecnologia. Foram adicionados Problemas Propostos Adicionais, que tratam da utilização de elemen-tos radioativos na análise quantitativa.

■ O Capítulo 22 oferece uma expansão da discussão da quí-mica orgânica com ênfase nas estruturas orgânicas e gru-pos funcionais. O número de Exercícios Propostos foi aumentado para dar ao estudante oportunidade de resolver alguns exemplos enquanto lê o capítulo.

AGRADECIMENTOS

Nesta edição, é um prazer dar boas-vindas a Alison Hyslop, que contribuiu significativamente para a sexta edição e agora é a coautora da sétima edição. Ela tem importantes percepções que vão melhorar continuamente este texto e aguardamos ansiosamente por uma colaboração produtiva contínua. Ao mesmo tempo, celebramos a tradição de excelência no ensino da química e a redação lúcida estabelecida por Jim Brady por tantos anos. Em seu papel como consultor, mentor e amigo, ele contribui enormemente com seu apoio e estímulo.

Expressamos nossos carinhosos agradecimentos a nossos cônjuges, June Brady, Marilyn Jespersen e Peter de Rege, e a nossos filhos, Mark e Karen Brady, Lisa Fico e Kristen Pierce, e Nora, Alexander e Joseph de Rege, por seu constante apoio, entendimento e paciência.

Eles foram, e continuam sendo, uma constante fonte de inspiração para todos nós.

Agradecemos profundamente as contribuições de outras pessoas que ajudaram na preparação de materiais para esta edi-ção. Em particular, Conrad Bergo da East Stroudsburg University, por rever a exatidão das respostas e soluções. Gostaríamos também de agradecer aos seguintes colegas da St. John’s University por discussões valiosas: Gina Florio, Steve Graham, Renu Jain, Elise Megehee, Jack Preses, Richard Rosso, Joseph Serafin e Enju Wang.

É com especial prazer que agradecemos à equipe da Wiley por seu cuidadoso trabalho, estímulo e senso de humor, espe-cialmente nossos editores, Nicholas Ferrari e Jennifer Yee.

Somos também gratos aos esforços da gerente sênior de marketing, Kristine Ruff, da designer sênior de produto, Geraldine Osnato, da especialista em mídia, Daniela DiMaggio, de nossa editora de fotografia, Mary Ann Price, de nosso desig-ner, Thomas Nery, de toda a equipe de produção e especial-

mente de Elizabeth Swain, por sua incansável atenção para fazer tudo funcionar. Nossos agradecimentos também vão para Rebecca Dunn no Preparé (compositor) por seus esforços incondicionais para transformar um manuscrito em um livro.

Expressamos nossa gratidão aos colegas cujas revisões cui-dadosas, sugestões úteis e críticas conscientes de edições ante-riores, bem como do manuscrito da edição atual, foram tão importantes no desenvolvimento deste livro. Agradecimentos adicionais vão para aqueles que participaram do desenvolvi-mento de mídia criando conteúdo e revisão extensivos. Nossos agradecimentos vão para os revisores de edições anteriores, seus comentários e sugestões foram inestimáveis para nós todos os anos. Obrigado aos revisores da edição atual e aos autores e revisores do pacote de mídia de apoio:

Ahmed Ahmed, Cornell UniversityGeorgia Arbuckle-Keil, Rutgers UniversityPamela Auburn, Lonestar CollegeStewart Bachan, Hunter College, CUNYSuzanne Bart, Purdue UniversitySusan Bates, Ohio Northern UniversityPeter Bastos, Hunter College, CUNYShay Bean, Chattanooga State Community CollegeTom Berke, Brookdale Community CollegeThomas Bertolini, University of Southern CaliforniaChris Bowers, Ohio Northern UniversityWilliam Boyke, Brookdale Community College Rebecca Broyer, University of Southern CaliforniaRobert Carr, Francis Marion UniversityMary Carroll, Union CollegeJennifer Cecile, Appalachian State UniversityNathan Crawford, Northeast Mississippi Community CollegePatrick Crawford, Augustana CollegeMapi Cuevas, Santa Fe CollegeAshley Curtis, Auburn UniversityMark Cybulski, Miami University, OhioMichael Danahy, Bowdoin CollegeScott Davis, Mansfield UniversityDonovan Dixon, University of Central FloridaDoris Espiritu, City Colleges of Chicago- Wright CollegeTheodore Fickel, Los Angeles Valley CollegeAndrew Frazer, University of Central FloridaEric Goll, Brookdale Community CollegeEric J. Hawrelak, Bloomsburg University of PennsylvaniaPaul Horton, Indian River State CollegeChristine Hrycyna, Purdue University Dell Jensen, Augustana CollegeNicholas Kingsley, University of Michigan-FlintJesudoss Kingston, Iowa State UniversityGerald Korenowski, Rensselaer Polytechnic InstituteWilliam Lavell, Camden County CollegeChuck Leland, Black Hawk CollegeLauren Levine, Kutztown University

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Harpreet Malhotra, Florida State College at JacksonvilleRuhullah Massoudi, South Carolina State UniversityScott McIndoe, University of VictoriaJustin Meyer, South Dakota School of Mines and TechnologyJohn Milligan, Los Angeles Valley CollegeTroy Milliken, Jackson State UniversityAlexander Nazarenko, SUNY College at BuffaloAnne-Marie Nickel, Milwaukee School of EngineeringFotis Nifiatis, SUNY-PlattsburghMya Norman, University of ArkansasJodi O’Donnell, Siena CollegeNgozi Onyia, Rockland Community CollegeEthel Owus, Santa Fe CollegeMaria Pacheco, Buffalo State CollegeManoj Patil, Western Iowa Tech Community CollegeCynthia Peck, Delta CollegeJohn Pollard, University of Arizona

Rodney Powell, Central Carolina Community CollegeDaniel Rabinovich, University of North Carolina-Charlotte Lydia Martinez Rivera, University of Texas at San AntonioBrandy Russell, Gustavus Adolphus CollegeAislinn Sirk, University of VictoriaChristine Snyder, Ocean County CollegeBryan Spiegelberg, Rider UniversityJohn Stankus, University of the Incarnate WordJohn Stubbs, The University of New EnglandLuyi Sun, Texas State University-San MarcosMark Tapsak, Bloomsburg University of PennsylvaniaLoretta Vogel, Ocean County CollegeDaniel Wacks, University of RedlandsCrystal Yau, Community College of Baltimore CountyCurtis Zaleski, Shippensburg UniversityMu Zheng, Tennessee State UniversityGreg Zimmerman, Bloomsburg University

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a natureza molecular da matéria

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