APOSTILA DE QUMICA APLICADA

Curso Superior de Tecnologia em Automao Industrial

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REVISO DE QUMICA

A Qumica uma cincia natural1 que estuda a composio, a estrutura e as

propriedades das substncias e suas transformaes.

Os conhecimentos de Qumica so empregados na explicao e resoluo de muitos

problemas, com base em aspectos cientficos e tcnicos. Por exemplo: o efeito da chuva

cida nas obras civis; os riscos ao meio ambiente da utilizao de certos produtos qumicos

em estaes de tratamento de guas de abastecimento ou residuria; produo de

materiais alternativos na construo civil; contaminao por metais pesados provenientes

de tintas e vernizes; etc.

A Qumica uma cincia quantitativa e suas relaes so expressas

satisfatoriamente em linguagem matemtica.

A Qumica pode ser dividida em:

Qumica Orgnica: estuda os compostos do elemento carbono.

Qumica Inorgnica: estuda os compostos dos demais elementos qumicos.

Fsico - Qumica: relaciona a fsica com a qumica.

Qumica Analtica: trata das anlises qualitativa e quantitativa de um sistema qumico,

definindo quais as espcies qumicas presentes no sistema e quais as suas quantidades.

2.1. MATRIA, SUBSTNCIA, ELEMENTO, COMPOSTO E MISTURAS

Todos os corpos que nos rodeiam, fazem parte da matria do universo. Cada espcie

de matria uma substncia. A substncia constituda de elementos. E a unio de duas

ou mais substncias forma uma mistura.

2.1.1. Matria

Tudo que tem massa e ocupa lugar no espao. A matria descrita atravs de uma

especificao de uma extenso ou quantidade.

1 As cincias naturais so: qumica, fsica, biologia, geologia, astronomia, etc., e estudam de forma sistemtica os fatos e idias que descrevem nosso mundo. Cincia uma palavra latina que significa conhecimento.

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2.1.1.1 Estados da Matria

A matria pode ser apresentada em 5 estados fsicos:

slido

lquido

gasoso

4o estado (plasma)

5o estado

No estado slido, a matria apresenta forma prpria e volume definido. No estado

lquido, a matria apresenta volume constante mas, a forma aquela do recipiente que a

contm. No estado gasoso, a matria no apresenta forma prpria e nem tem volume

constante. No 4o estado, o plasma, os tomos da matria encontram-se ionizados (exemplo:

bolhas de plasma da coroa solar, constituda basicamente de gs hlio ionizado). No 5o

estado, os tomos esto com uma temperatura prxima do zero absoluto, ficam

praticamente imveis e muito concentrados (exemplo: supercondutores).

2.1.1.2 Propriedades da Matria

As propriedades da matria podem ser: fsicas e qumicas:

2.1.1.2.1 - Propriedades Fsicas: so utilizadas para identificar a substncia (ex.: ponto de

fuso, ponto de ebulio, densidade, solubilidade, calor

especfico, massa, volume, etc.).

2.1.1.2.2 - Propriedades Qumicas: no so utilizadas para identificar a substncia, so

usadas para prever transformaes (ex.: reatividade,

eletronegatividade, afinidade eletrnica, energia de

ionizao).

2.1.2. Substncia

a matria formada por molculas iguais entre si. Um s tipo de molcula constitui a substncia pura (ex.: gua, sal, ferro, acar e oxignio, etc.). As substncias puras podem

ser formadas de elementos e de compostos, so denominadas substncias simples ou

substncias compostas, respectivamente.

As substncias so reconhecidas pelas suas caractersticas ou propriedades. As

propriedades de uma substncia informam o emprego a que se destinam.

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2.1.2.1 - Substncia Simples

Formada por um nico elemento qumico, um s tipo de tomo na molcula (ex.:

ferro metlico Fe, gs oxignio O2, gs oznio O3, etc.).

2.1.2.2 - Substncia Composta

Formada por tomos de mais de um elemento qumico, mais de um tipo de tomo na

molcula (ex.: gs clordrico HCl, gs carbnico CO2, etc.).

2.1.3. Elemento

uma substncia pura, simples, fundamental e elementar (ex.: sdio, cloro,

hidrognio, oxignio, ferro, etc.). Um elemento no pode ser separado ou decomposto em

substncias mais simples. Cada elemento pode ser representado por um smbolo. Assim, a

palavra elemento normalmente relacionada ao smbolo qumico da substncia simples.

A primeira tentativa de relacionar os diferentes elementos qumicos da natureza foi

realizada por Lavoisier, em 1789, compondo uma lista de 33 substncias tomadas como

elementos, porm um pouco mais de 20 eram realmente elementos. Hoje em dia se

conhecem 111 elementos.

2.1.4. Composto

uma substncia pura constituda de dois ou mais elementos combinados sempre

nas mesmas propores (ex.: sal de cozinha - NaCl, acar C12H22O11, sal de sulfato de

cobre pentahidratado CuSO4.5H2O, etc.). Os compostos so representados por frmulas.

Um composto pode ser separado ou decomposto em substncias mais simples.

Proust elaborou a Lei das Propores Definidas ou Lei da Composio Constante cujo

enunciado :

um composto puro, qualquer que seja sua origem,contm sempre as mesmas propores definidas, ou constantes, dos elementos que os constituem

2.1.5. Mistura

a composio de duas ou mais substncias misturadas fisicamente. As misturas

podem ser identificadas atravs do olho nu, lupas ou microscpios. Exemplo: granito

(observa-se a olho nu os grnulos de quartzo branco), mica preta, feldspato rosa

concreto, madeira, leo de motor e ligas metlicas). Algumas misturas so difceis de serem

caracterizadas, como por exemplo a gua salgada, que uma mistura de gua e sal. As

misturas podem ser classificadas em: homogneas e heterogneas.

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2.1.5.1 Misturas Homogneas

So uniformes em relao a todas as propriedades, so monofsicos e so chamadas

de soluo (ex.: ar, gua salgada, gasolina, vidro, etc.).

2.1.5.2 Misturas Heterogneas

So constitudos de misturas homogneas (fases) separadas por superfcies bem

definidas (interface), onde ocorrem mudanas bruscas de propriedades (ex.: gua e leo;

areia e gua, gua gaseificada - gua e dixido de carbono, etc.).

2.1.5.3 Diferena entre Substncia Pura e Mistura

Uma diferena importante entre substncia pura e mistura o comportamento no

aquecimento ou resfriamento, a presso constante. A substncia pura quando muda o seu

estado fsico, a temperatura se mantm constante, enquanto que a mistura apresenta uma

variao de temperatura durante a mudana do estado fsico.

Algumas misturas especiais se comportam como substncia pura durante a fuso (e

solidificao) ou a ebulio (e condensao). Estas misturas so conhecidas como misturas

eutticas e misturas azeotrpicas. As misturas eutticas apresentam ponto de fuso (ou

solidificao) constante, por exemplo: algumas ligas metlicas, e as misturas azeotrpicas

apresentam ponto de ebulio (ou condensao), por exemplo: gua e lcool.

2.2. ESTRUTURA ATMICA

O tomo a menor parte de um elemento2 que ainda preserva as propriedades

daquele elemento. Desta forma, existe uma inter-relao entre a estrutura atmica,

estrutura da matria e suas propriedades fsicas e qumicas.

A estrutura do tomo ir determinar como os tomos vo interagir entre si, e essa

interao ir definir o comportamento fsico e qumico da matria.

2.2.1. Evoluo do Modelo Atmico

450 500 a.C. Demcrito de Abdera e Leucipo de Mileto (filsofos gregos).

Demcrito e Mileto imaginaram que se um corpo qualquer fosse dividido sucessivas

vezes, haveria um certo momento em que essa diviso no seria mais possvel. Assim, se

chegaria ao tomo. Este pensamento filosfico no tinha base experimental.

Em grego, a palavra tomo significa parte e a significa no, assim, tomo quer dizer

indivisvel.

2 Substncia que contm tomos do mesmo tipo.

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Demcrito aceitava a idia da existncia de apenas quatro elementos: terra, ar, fogo

e gua. Esta idia foi rejeitada algum tempo depois por Aristteles, que acreditava no

modelo da matria contnua.

1800 Comunidade Cientfica

Nesta poca, os cientistas j conheciam uma grande quantidade de informaes

(fatos isolados) sobre as propriedades fsicas e qumicas dos elementos conhecidos.

Becker e Stahl relataram que alguma coisa era perdida pelas substncias quando

queimadas, o produto era menos denso que a substncia original, e denominaram este

fenmeno de flogstico.

William Nicholson e Anthony Carlisle (qumicos ingleses) demonstraram a

decomposio da gua nos gases hidrognio e oxignio por eletrlise, surgindo a primeira

evidncia da relao entre matria e eletricidade.

1803 John Dalton (cientista ingls)

Dalton props uma teoria para explicar as leis: da conservao da massa (postulada

por Lavoisier) e da composio definida (enunciada por Proust).

A Lei da Conservao da Massa estabelece que a massa no se modifica quando a

matria sofre uma transformao. E a Lei da Composio Definida estabelece que as

matrias ao sofrerem uma transformao, elas o fazem sempre numa mesma proporo.

A Teoria Atmica de Dalton criou um modelo atmico retomando o antigo conceito

dos filsofos gregos, com base no seguinte modelo:

1. Toda matria composta de partculas fundamentais, os tomos;

2. Os tomos so permanentes e indivisveis, eles no podem ser criados e nem

destrudos;

3. Os elementos so caracterizados por seus tomos. Todos os tomos de um dado

elemento so idnticos em todos os aspectos. tomos de diferentes elementos tm

diferentes propriedades;

4. As transformaes qumicas consistem em uma combinao, separao ou rearranjo de

tomos;

5. Compostos qumicos so formados de tomos de dois ou mais elementos em uma razo

fixa.

Toda matria formada por tomos.Os tomos so esferas macias,

homogneas, indivisveis e indestrutveis.(Modelo Bola de Bilhar)

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Como o modelo de Dalton explicava naquela poca muitos dos fenmenos

observados experimentalmente, a idia de usar modelos para compreender melhor a

constituio elementar da matria foi muito bem aceita pelos cientistas (Brady e Humiston,

1986).

1832 Michael Faraday (qumico ingls)

Faraday relatou que uma transformao qumica podia ser causada pela passagem

de eletricidade atravs de solues aquosas de compostos qumicos. Estas experincias

demonstraram que a matria apresentava natureza eltrica.

1850 William Crookes (fsico ingls)Os fsicos comearam a investigar a condio da corrente eltrica em tubos de

descarga de gs.

Os tubos de descarga em gs eram de vidros, totalmente vedados e com uma pea

de metal (eletrodos) em cada extremidade.

Os tubos de descarga de gs ou tubos Crookes eram construdos com pouco ar

atmosfrico (vcuo parcial) ou completamente sem ar atmosfrico (vcuo). Quando uma

alta voltagem, 20.000 volts, era aplicada atravs dos eletrodos, podia-se observar uma

corrente eltrica (descarga eltrica) e o ar residual no interior do tubo se iluminava ou no

havia iluminao na ausncia de ar.

Exemplos de tubos de descarga em gases so:

Letreiros e anncios luminosos de non: onde o gs residual o nenio;

Lmpadas de sdio: o gs residual o vapor de sdio, que confere uma luz amarela

caracterstica. So usadas na iluminao de vias pblicas e de tneis;

Lmpadas fluorescentes de mercrio: utilizam o vapor de mercrio, que emite luz violeta e

ultravioleta. O tubo revestido com uma tinta especial (fluorescente3) cuja funo

absorver a luz emitida e reemiti-la como luz branca. So usadas em residncias, escritrios

e algumas vias pblicas;

Tubo de imagem da televiso: um tubo de alto vcuo com mudanas complexas capazes

de dar origem s imagens na tela.

Observou-se que, ao se colocar um anteparo coberto de sulfeto de zinco entre os

eletrodos dentro de tubo de descargas sem ar, o anteparo brilhava do lado que estava o

eletrodo negativo (ctodo). Isto significava que a descarga eltrica se originava no ctodo e

flua para o eletrodo positivo (nodo). Essa descarga eltrica foi chamada de raios catdicos

(Brady e Humiston, 1986).

3 Alguns materiais, quando absorvem luz ultravioleta, emitem de volta luz visvel. Esse fenmeno chamado genericamente de luminescncia. Quando a emisso ocorre imediatamente aps a incidncia da luz ultravioleta, o fenmeno chamado de fluorescncia; se, por outro lado, a emisso demorar alguns segundos ou at mesmo horas, denomina-se de fosforescncia (ex.: interruptores).

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Os raios catdicos:

a) Caminham em linha reta,

b) Delineiam sombras,

c) Giram pequenos moinhos,

d) Aquecem uma folha metlica,

e) Curvam-se sob campo magntico ou eltrico.

f) So sempre os mesmos independente da natureza do material dos eletrodos ou do gs

residual no interior do tubo.

1869 Dmitri Mendeleev (qumico russo) e Julius Lothar Meyer (qumico alemo)

Os qumicos Mendeleev e Meyer, independentemente, ordenaram os elementos

qumicos conhecidos em tabelas peridicas similares.

1874 G. J. Stoney

Stoney props a existncia de partculas de eletricidade, os eltron.

1886 E. Goldstein (fsico alemo)

Usou um tubo Crookes modificado, o ctodo tinha uma fenda afastada da

extremidade do tubo. Durante uma descarga eltrica, os eltrons emitidos do ctodo

colidiam com os tomos neutros do gs residual, arrancando-lhes os eltrons. Os tomos,

pela perda dos eltrons, tornavam-se ons positivos. Estes ons positivos eram atrados em

direo ao ctodo. Alguns colidiam com o ctodo e outros atravessavam a fenda e um fluxo

incandescente surgia na parte de trs do ctodo. Esse fluxo foi denominado como raios

canais.

1887 Joseph Thomson (fsico ingls)

As observaes nos tubos Crookes sugeriram que os raios catdicos eram formados

de partculas energticas, carregadas negativamente e que faziam parte da constituio de

todas substncias. Estas partculas foram chamadas de partculas fundamentais, e eram na

verdade, os eltrons descritos por Stoney.

O eltron foi descoberto quantitativamente por Thomson.

1896 Henri Becquerel

Becquerel descobre a radiatividade. Os tomos de alguns elementos no so

estveis. Eles emitem espontaneamente, radiaes naturais por desintegrao de seus

ncleos, de vrios tipos, denominadas de radiatividade. A partir do elemento qumico

chumbo (Pb), de nmero atmico 82, o ncleo dos elementos seguintes comeam a

tornarem-se instveis. As radiaes tambm podem ser geradas artificialmente.

1898 Joseph Thomson

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Fundamentado na descoberta do eltron e na descoberta da radiatividade, Thomson

sugeriu que:

O tomo deveria ser formado por uma esfera positiva,no macia e incrustada de eltrons (carga negativa),

de modo que a carga total fosse nula.(Modelo Pudim de Passas)

1905 Albert Einstein (fsico alemo)

Einstein mostrou que existe uma relao entre massa e energia.

2mcE = (2.1)

Sendo, c = velocidade da luz.

Variaes de energia que ocorrem durante as reaes qumicas, so acompanhadas

por variao de massa, as variaes na massa so extremamente pequenas para serem

detectadas experimentalmente.

1911 Ernest Rutherford, E. Marsden e H. Geiger (fsicos ingleses)

Rutherford atribuiu a dois dos seus estudantes a tarefa de medir o espalhamento das

partculas alfa que se projetavam contra a uma lmina.

As partculas alfa foram emitidas por uma pequena quantidade do elemento radiativo

polnio em vrias folhas finas de diversos materiais como mica, papel e ouro. Observou-se

que embora muitas partculas atravessassem as folhas em linha reta, algumas foram

espalhadas, ou desviadas da linha reta. As partculas foram detectadas atravs de pontos

luminosos em um anteparo revestido com uma pelcula de sulfeto de zinco fosforescente.

Rutherford e seus discpulos esperavam que as partculas passassem atravs da

folha sem serem perturbadas, j que o Modelo Pudim de Passas previa uma distribuio

mais ou menos uniforme das cargas positivas e negativas. Entretanto, o que se verificou foi

que a maioria das partculas atravessou facilmente as lminas, algumas partculas foram

defletidas com ngulos extremamente grandes de sua trajetria original e, poucas foram

refletidas em ngulo oposto ao choque.

Rutherford e seus discpulos concluram que o tomo:

Era formado de grandes espaos vazios,

Possua um ncleo central pequeno e denso, e

O ncleo apresentava carga positiva.

Assim, o tomo assemelhava-se ao Sistema Solar, como os eltrons localizados ao

redor do ncleo. Este modelo atmico foi denominado modelo planetrio.

1913 Niels Bohr (fsico dinamarqus)

O modelo planetrio de Rutherford apresentava duas falhas:

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a) Se os eltrons estivessem parados ao redor do ncleo, eles seriam atrados pelo ncleo,

fazendo com que o sistema entrasse em colapso. Esta hiptese foi rejeitada.

b) Se os eltrons estivessem em movimento ao redor do ncleo, eles precisariam modificar

a direo constantemente para se manterem em rbita do ncleo. Uma carga negativa

colocada em movimento ao redor de uma carga positiva estacionria, sofre uma

acelerao. Essa carga em movimento perde energia, emitindo radiao. Os eltrons ao

perderem energia gradualmente adquiririam um movimento espiralado em direo ao

ncleo, acabando por colidir com ele. Esta hiptese tambm foi rejeitada.

O tomo no seu estado normal no emite radiao.

O modelo de Rutherford no explicava os espectros atmicos.

Para tentar explicar os espectros atmicos, Bohr formulou uma srie de postulados

fundamentados nas idias de Max Planck e Albert Einstein. Planck defendia a idia que a luz

possua propriedades ondulatrias, representada por E = h., sendo E = energia, h =

constante de Max Planck e = freqncia. J Einstein acreditava na dualidade entre matria

e energia, em que uma se transformava em outra dependendo da condies; assim a luz,

apresentava propriedades de partcula, obedecendo a lei da relatividade, E = mc2. A srie

de postulados formulados por Bohr foram os seguintes:

Os eltrons nos tomos movimentam-se ao redor do ncleo em trajetria circulares

(camadas ou nveis),

Cada um desses nveis possui um valor determinado de energia,

Um eltron no poderia permanecer entre dois nveis,

Um eltron poderia passar de um nvel de menor energia para um de maior energia,

absorvendo energia externa - eltron excitado,

O retorno do eltron ao nvel inicial se faz acompanhar da liberao de energia na forma de

ondas eletromagnticas (luz visvel ou ultravioleta).

Assim, um eltron num tomo s pode ter certas energias especficas energia

quantizada, e cada uma delas corresponde a uma rbita particular. Todos os eltrons esto

nos nveis de energia mais baixo estado fundamental. Quanto maior a energia do eltron,

mais a sua rbita estar afastada do ncleo. Este o Modelo Orbital.

O eltron ao receber energia externa, de uma chama ou descarga eltrica, salta para

uma rbita mais afastada do ncleo, o tomo fica no estado excitado. Quando a energia

externa cessa, o eltron irradia essa energia (fton), em certo comprimento de onda () e

salta para a sua rbita normal, que a mais estvel.

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2.2.2. Mecnica Quntica ou Mecnica Ondulatria

A Mecnica Clssica ou Mecnica Newtoniana explica com sucesso a influncia de

vrias foras no movimento dos objetos e falha na descrio dos movimentos de pequenas

partculas, tais como os eltrons. A mecnica clssica pode ser considerada como uma

verso simplificada da mecnica quntica quando aplicada para explicar e prever o

movimento de objetos grandes.

A Mecnica Ondulatria ou Mecnica Quntica explica o comportamento dos eltrons

no tomo atravs de sua natureza dual onda - partcula.

Como a energia total de qualquer partcula E = mc2, segundo Einstein e a energia

de uma onda E = h, de acordo com Planck.

1924 De Broglie

De Broglie resolveu combinar as expresses de Einstein e Planck, obtendo: m = h/

c, que relaciona os dois aspectos da natureza dualstica da luz. Diferentemente da luz, os

eltrons movimentam-se em diferentes velocidades, onde c substitudo por v (m = h/v).

Assim, De Broglie concluiu que os eltrons se movimentavam ao redor do ncleo

como uma onda estacionria tridimensional.

2.2.2.1 Ondas Estacionrias

Contrariamente a uma onda corrente ou onda viajante, uma onda estacionria no

movimenta em uma nica direo, a onda se movimenta dentro de uma regio (RUSSEL,

1982). Existem trs tipos de ondas estacionrias:

2.2.2.1.1 - Onda Estacionria Unidimensional: exemplificada pela onda produzida por um

toque de uma corda de guitarra, onde a corda se movimenta

para cima e para baixo; portanto, a onda se movimenta em

uma nica dimenso (z).

2.2.2.1.2 - Onda Estacionria Bidimensional: exemplificada pela onda produzida pela

vibrao da parte superior do tambor, semelhante tambm

pela ondulao formada por uma pedra lanada em um lago,

com propagao de duas frentes de onda (x, z).

2.2.2.1.3 - Onda Estacionria Tridimensional: exemplificada pela onda produzida por sino

soando, no ar de uma sala fechada com alto - falante em seu

interior, na terra durante a ocorrncia de um terremoto e na

vibrao de recipientes contendo gelatina.

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1924 Erwin Schrdinger

Em 1926, Erwin Schrdinger aplicou a matemtica para investigar as ondas

estacionrias no tomo de hidrognio, este novo campo de estudo foi denominado de

mecnica ondulatria ou mecnica quntica.

Schrdinger resolveu uma equao chamada de equao de onda e obteve um

conjunto de funes matemticas denominadas de funes de onda (), que descrevem as

formas e as energias das ondas eletrnicas.

Cada uma das diferentes ondas possveis chamada de um orbital. Cada orbital em

um tomo possui uma energia caracterstica, que a descrio espacial da regio em torno

do ncleo onde se espera encontrar o eltron.

2.3. PERIODICIDADE QUMICA

A idia dos quatros elemento (fogo, ar, terra e gua) foi mudando com o tempo.

Lavoisier definia a substncia elementar como aquela que no podia ser decomposta por

meio dos processos qumicos conhecidos na poca.

Somente aps a descoberta dos prtons que foi possvel formular um critrio

para a identificao das substncias simples, que so substncias formadas por tomos

iguais, no qual esses tomos possuem o mesmo nmero de prtons em seu ncleo.

Porm antes da descoberta dos prtons, Mendeleev e Lothar Meyer (1869)

ordenaram os elementos conhecidos na poca, em uma tabela, de acordo com as suas

propriedades fsicas e qumicas.

2.3.1. Representao do Elemento Qumico

Por simplicidade, na prtica, um nico tomo denominado de Elemento Qumico,

onde a quantidade de prtons contido em seu ncleo passou a ser designado como Nmero

Atmico (Z) ou Nmero de Prtons. Assim, o Nmero Atmico usado para identificar o

Elemento Qumico.

Outro nmero caracterstico do Elemento Qumico a sua massa atmica (A), assim

o elemento representado na Tabela Peridica com:

Figura 2.1 Representao do elemento qumico.

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Como ncleo de um tomo constitudo de prtons e nutrons, para um mesmo

elemento qumico, o nmero de prtons o mesmo, porm o nmero de nutrons pode

variar. Esse fenmeno conhecido como isotopia (Tabela 2.1).

Tabela 2.1 Exemplos de Istopos.

Elemento Qumico Istopos Representao No de Prtons No de NutronsHidrognio Comum

DeutrioTrtio

1H1

2H1

3H1

111

012

Cloro Cloro 35Cloro 37

35Cl17

37Cl171717

1820

Outro nmero significativo o nmero de massa, que expressa a massa do tomo

atravs da somatria do nmero de prtons (igual ao nmero atmico - Z) com o nmero

de nutrons (A = Z + N).

A maioria dos elementos qumicos ocorre na natureza sob a forma de istopos, as

formas mais abundantes so aquelas dispostas na Tabela Peridica.

Atualmente so conhecidos mais de 100 elementos qumicos, mas nem todos so

naturais. Os elementos encontrados na natureza tm nmero atmico variando entre 1 e

92. A partir de 1940, comearam a ser obtidos, artificialmente, elementos com nmeros

atmicos maiores que 92.

Apesar da grande quantidade de elementos qumicos, muitos deles apresentam

propriedades semelhantes. Durante o sculo XIX ocorreram varias tentativas de se

agruparem os elementos de acordo com essas propriedades em comum. A questo chave

para essa organizao era o critrio a ser utilizado.

2.3.2. Disposio dos Elementos Qumicos na Tabela Peridica

A Tabela Peridica atual tem sua origem na proposta lanada por Mendeleev, na

metade do sculo XIX, poca em que eram conhecidos aproximadamente 60 elementos.

Mendeleev tinha um grande conhecimento das propriedades fsicas e qumicas desses

elementos e organizou a tabela colocando-os em ordem crescente de suas massas atmicas

(A), procurando agrupar os elementos que possuam propriedades semelhantes, uns

debaixo dos outros. Por isso a tabela ficou conhecida como tabela peridica, uma vez que as

propriedades se repetiam periodicamente.

O nmero de elementos conhecidos no era suficiente para que Mendeleev

preenchesse todos os espaos da tabela, obrigando-o a deixar alguns espaos em branco. O

poder organizativo do quadro de Mendeleev permitia prever as propriedades desses

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elementos ainda no conhecidos, e forneceu um verdadeiro mapa da mina para suas

descobertas.

Antigamente, a listagem dos elementos qumicos era feita em ordem crescente de

massa atmica (A), ordenao efetuada por Mendeleev e Lothar Meyer (1869), em funo

das propriedades fsicas e qumicas das substncias simples.

Atualmente, a periodicidade feita em ordem crescente de nmero atmico (Z),

nmero de prtons existentes no ncleo atmico. Esta classificao peridica foi possvel

aps o enunciado da Lei de Moseley (1913), que conceituou o nmero atmico.

Analisando as freqncias dos raios-X de vrios elementos, Moseley descobriu que

essas freqncias podiam ser relacionadas localizao dos elementos na tabela peridica.

Assim, Moseley atribuiu um nmero inteiro, o nmero atmico (Z), que era igual ao nmero

da posio na Tabela Peridica.

A partir do modelo atmico de Rutherford e seus discpulos (1911), modelo

planetrio, na qual concluram que o tomo era formado de grandes espaos vazios, possua

um ncleo central pequeno e denso, e o ncleo apresentava carga positiva. Moseley

concluiu que o nmero atmico representava o nmero de prtons no ncleo.

A lei peridica estabelece quando os elementos so listados seqencialmente em

ordem crescente de nmero atmico, que observada uma repetio peridica em suas

propriedades fsicas e qumicas.

2.3.2.1. Famlias e Perodos

A Tabela Peridica organizada em colunas verticais chamadas grupos ou famlias e

filas horizontais chamadas de perodos.

2.3.2.1.1 - Famlias ou Grupos: a classificao dos grupos segue regras diferentes de

acordo com dois rgos cientficos de qumica o Chemical Abstract

Service Group e, a IUPAC (International Union of Pure and Applied

Chemistry - Unio Internacional de Qumica Pura e Aplicada).

De acordo com Chemical Abstract Service Group, os grupos so divididos nos

seguintes grupos (Figura 2.2):

elementos representativos (grupos A) e;

elementos de transio (grupos B).

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Figura 2.2 Classificao do Chemical Abstracts Service Group.

Os grupos A so conhecidos por nomes especiais como:

Grupo IA (ou Grupo 1): metais alcalinos

Grupo IIA (ou Grupo 2): metais alcalinos terrosos

Grupo IIIA (ou Grupo 13): famlia do boro

Grupo IVA (ou Grupo 14): famlia do carbono

Grupo VA (ou Grupo 15): famlia do nitrognio

Grupo VIA (ou Grupo 16): famlia dos calcognios (os que geram calor)

Grupo VIIA (ou Grupo 17): famlia dos halognios (os que geram sais)

Grupo 0 (ou Grupo 18): famlia dos gases nobres ou inertes

J a IUPAC recomenda uma numerao de 1 at 18 para designar os grupos.

Os grupos renem elementos de configuraes eletrnicas, distribuio dos eltrons

ao redor do ncleo, semelhantes; portanto, com propriedades semelhantes.

2.3.2.1.2 Perodos: Os perodos ou linhas so enumerados de 1 a 7, onde representa os

nveis de energia ocupados pelos eltrons. Renem elementos de

configuraes eletrnicas diferentes; portanto, com propriedades

diferentes.

2.3.2.2. Tabela Peridica

Os elementos se distribuem na tabela peridica como ilustrado na Figura 2.3.

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Figura 2.3 Tabela peridica.

2.3.3. Distribuio dos Eltrons nos Orbitais

A disposio dos eltrons nos orbitais de um tomo em estado fundamental

chamada de configurao eletrnica. Os eltrons se distribuem segunda a regra de Hund, o

que significa que os eltrons se encontram nos menores nveis de energia disponvel.

A localizao do eltron indicada pelos seguintes nmeros qunticos:

Nmero Quntico Principal

Nmero Quntico Secundrio ou Azimutal

Nmero Quntico Magntico

Nmero Quntico Spin

2.3.3.1. Nmero Quntico Principal (n)

O nmero quntico principal designa o nvel em que o eltron se encontra, sendo n =

1, 2, 3, ..... O nmero quntico principal indica a distncia mdia entre o eltron e o ncleo

do tomo. Quanto maior n maior a energia mdia dos nveis (Figura 2.4).

Figura 2.4 Nveis de energia contendo eltrons.

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2.3.3.2. Nmero Quntico Secundrio ou Azimutal ()

O nmero quntico secundrio designa a subcamada em que o eltron se encontra,

sendo = 0, 1, ...., n-1. O nmero quntico secundrio indica a forma espacial do orbital,

em que: = 0 designa o subnvel s (sharp), = 1 designa o subnvel p (principal), = 2

designa o subnvel d (diffuse) e = 3 designa o subnvel f (fundamental). O nmero de

subnveis em qualquer nvel simplesmente igual ao seu valor n (Figura 2.5).

Figura 2.5 Subnveis de energia contendo eltrons.

2.3.3.3. Nmero Quntico Magntico (m)

O nmero quntico magntico indica a orientao no espao em relao aos outros

orbitais, onde m assume os valores inteiros no intervalo de l at +l. Os orbitais de um

determinado subnvel possuem diferentes energias quantizadas, ou seja, diferentes

orientaes no espao, na presena de um campo magntico.

2.3.3.4. Nmero Quntico de Spin (s)

O nmero quntico spin indica o sentido da rotao do eltron no orbital, onde s

pode ser igual a +1/2 e 1/2.

A cada eltron em um tomo poder ser associado um conjunto de 4 nmeros

qunticos que determinaro o orbital no qual o eltron ser encontrado e a direo na qual

o eltron estar girando. O princpio de excluso de Pauli estabelece que dois eltrons em

um tomo no podem ter todos os 4 nmeros qunticos iguais. Assim, o nmero mximo

de eltrons nos orbitais s, p, d e f so: 2, 6, 10 e 14, como demonstrado na Tabela 2.3.

Tabela 2.3 Nmero mximo de eltrons nos orbitais s, p, d e f.

Orbitais Nmero de Orbitais Nmero Mximo de Eltrons Diagrama Orbitals 1 2 _p 3 6 _ _ _d 5 10 _ _ _ _ _ f 7 14 _ _ _ _ _ _ _

17

O movimento circular de carga eltrica faz com que o eltron atue como um

eletrom da mesma forma como uma corrente eltrica, passando atravs de um fio

enrolado em torno de um prego, faz com que o prego se torne magnetizado.

Os eltrons podem girar no sentido horrio e anti-horrio. Dois eltrons prximos

apresentando spins contrrios se repelem eletricamente, porm se atraem

magneticamente; e dois eltrons prximos apresentando spins iguais se repelem eltrica e

magneticamente.

O spin do eltron tambm responsvel pela maioria das propriedades magnticas

que se encontram associadas aos tomos e molculas. Os materiais podem apresentar as

seguintes propriedades magnticas:

diamagnetismo;

paramagnetismo, e;

ferromagnetismo.

Os materiais que so diamagnticos no sofrem atrao quando submetidos a um

campo magntico (so repelidos ligeiramente). Nestas substncias, existem nmeros iguais

de eltrons de cada spin. Os materiais paramagnticos so fracamente atrados em

presena de um campo magntico. As substncias paramagnticas so fortemente atradas

em presena de um campo magntico.

A distribuio dos eltrons nos orbitais feita atravs de um mtodo grfico

chamado de Diagrama de Linus Pauling (Figura 2.6). O preenchimento dos orbitais, formado

pelos subnveis (s, p, d, f), com eltrons, realizado seguindo as flechas diagonais

descendentes.

Verifica-se que o subnvel s do orbital 4 menos energtico que o subnvel 3d, assim

como o 5s menos energtico que o 4d e o 6s possui menor energia que o 4f, e assim

sucessivamente.

Figura 2.6 Diagrama de Linus Pauling.

18

A configurao eletrnica realizada atravs de uma notao cujo nmero quntico

principal (n) escrito antes da letra indicativa do subnvel, a qual possui um expoente que

indica o nmero de eltrons contidos nesse subnvel. Como por exemplo: 3p5, que significa:

no nvel 3 (nmero quntico principal = 3, ou seja camada M ), existe o subnvel p,

contendo 5 eltrons.

Como exemplo, tem-se a configurao eletrnica do ferro cujo nmero atmicos Z

= 26, ilustrada na Figura 2.7.

Figura 2.7 Configurao eletrnica do ferro.

Observa-se que, 4 eltrons giram sozinhos no mesmo sentido, isto gera um campo

magntico, conferindo a propriedade de ferromagnetismo.

2.3.4. Periodicidade na Configurao Eletrnica

A periodicidade na distribuio eletrnica justifica a periodicidade nas propriedades

dos elementos qumicos.

A Figura 2.8 ilustra as configuraes eletrnicas do nvel mais externo (camada de

valncia4) do tomo dos elementos apresentados na Tabela Peridica, na qual se dispem

da seguinte forma: ns1 para o hidrognio e os elementos do grupo IA, ns2 para o hlio e os

elementos do grupo IIA, ns2np1 e ns2np6 para os elementos dos grupos IIIA a 0, (n-1)d para

os elementos dos grupos B e (n-2)f para os elementos das sries de lantanides (terras-

raras) e actnides (terras-raras pesadas).

4 A palavra valncia significa capacidade de combinao.

19

Figura 2.8- Periodicidade nas distribuies eletrnicas dos tomos (Fonte: BRADY

e HUMISTON, 1986).

2.3.5. Periodicidade nas Propriedades

A periodicidade nas propriedades das substncias simples (ou elementos)

apresentadas na tabela peridica podem ser: atmicas, fsicas e qumicas.

2.3.5.1. Periodicidade nas Propriedades Atmicas

As propriedades raio atmico, energia de ionizao e afinidade eletrnica variam

periodicamente em funo do nmero atmico.

2.3.5.1.1 - Raio Atmico: Nos grupos, o aumento do raio atmico ocorre de cima para

baixo, pois a adio de camadas faz com que os eltrons fiquem mais

distantes do ncleo. Nos perodos, o aumento do raio atmico ocorre

da esquerda para direita, pois ao longo do perodo ocorrem as

adies dos eltrons na mesma camada e o aumento simultneo dos

prtons no ncleo, aumentando a carga nuclear. A carga nuclear atrai

mais efetivamente a camada de eltrons.

2.3.5.1.2 Energia de Ionizao: Energia de ionizao a mnima energia necessria

para remover um eltron de um tomo isolado, no seu estado

fundamental. A energia de ionizao aumenta da direita para a

esquerda, pois a carga nuclear aumenta atravs do perodo

dificultando a remoo do eltron

2.3.5.1.3 Afinidade Eletrnica: Afinidade eletrnica a quantidade de energia necessria

para um tomo isolado, no seu estado fundamental, receber um

eltron formando um on negativo.

20

2.3.5.2. Periodicidade nas Propriedades Fsicas

As propriedades fsicas densidade e ponto de fuso variam periodicamente em

funo do nmero atmico.

2.3.5.2.1 Densidade: Por definio densidade a razo entre a massa da substncia e seu

volume. Esta propriedade fsica uma propriedade intensiva. A

periodicidade na densidade em funo do nmero atmico uma

sucesso de mximos e mnimos, porm estas variaes no so

muito regulares devido as diferentes caractersticas estruturais da

substncia.

2.3.5.2.2 Ponto de Fuso: A periodicidade do ponto de fuso em funo do nmero

atmico, tambm, uma sucesso de mximos e mnimos,

demonstrando uma relao entre o ponto de fuso com a

configurao eletrnica. As propriedades qumicas so: reatividade e

configurao eletrnica que variam tambm com o nmero atmico.

2.3.5.3. Periodicidade nas Propriedades Qumicas

As propriedades qumicas esto relacionadas aos metais, no-metais e metalides.

2.3.5.3.1 Dos Metais: A maioria dos elementos qumicos so metais e esto posicionados

esquerda da tabela peridica, so bons condutores de calor e de

eletricidade, maleveis, dcteis, possuem alta refletividade e brilho

metlico caracterstico. Os metais tendem a ceder eltrons e se

tornarem carregados positivamente:

M M+ + e- (2.2)

em que so denominados de ctions (Russel, 1994). A carga do on

metlico ction depende do nmero de eltrons perdidos pelo tomo,

como por exemplo: Na+, Mg2+, Al3+, Fe2+, Fe3+, etc, sendo esta carga

chamada de nmero de valncia, nmero de oxidao ou,

simplesmente, nox.

2.3.5.3.2 Dos No-Metais: Os no-metais so na maior parte gases (exemplos: cloro e

oxignio) e so caracterizados por serem pobres condutores trmicos

e eltricos, no estado slido so duros e quebradios (exemplos:

enxofre e fsforo), e no apresentam alta refletividade e nem brilho

metlico. O bromo o nico no-metal lquido temperatura

ambiente. Suas principais caractersticas so explicadas devido a sua

estrutura eletrnica e elevada afinidade eletroltica. Os no-metais

tendem a receber eltrons e se tornarem carregados negativamente:

21

M + e- M- (2.3)

em que so denominados de nions. A carga do on no-metlico

nion depende do nmero de eltrons ganhos, como por exemplo:

Cl-, O2-, OH-, F-, etc, sendo esta carga tambm chamada de nmero

de valncia ou nox.

2.3.5.3.3 Dos Semimetais: Os semimetais so elementos com propriedades

intermedirias entre os metais e os no-metais, so bons

semicondutores e quando sofrem dopagem5, se transformam em

bons condutores de eletricidade.

2.4. ESTEQUIOMETRIA

A estequiometria a parte da qumica em que se investigam as propores dos

elementos que se combinam ou dos compostos que reagem. Essas propores so

determinadas por meio de clculos estequiomtricos.

RUSSEL (1994) define estequiometria como:

Estudo quantitativo da composio qumica (composto e

frmula estequiomtrica) e transformaes qumicas (reao

e equao estequiomtrica).

Os clculos estequiomtricos tm importncia fundamental em todos os campos da

qumica, especialmente na anlise quantitativa e na sntese de compostos.

Na Qumica Aplicada Engenharia do Meio, o profissional precisa freqentemente

conhecer ou deduzir relaes entre as quantidades de substncias que participam de

reaes qumicas em meios aquticos, atmosfera e solo. Para tanto, os conceitos de massa

atmica, massa molecular, mol, entre outros, devem ser revistos.

2.4.1. Conceitos Fundamentais da Estequiometria

A seguir sero revistos os conceitos de frmulas qumicas, massa atmica, massa

molecular, mol, nmero de Avogadro, massa molar.

2.4.1.1. Frmulas Qumicas

As frmulas qumicas so empregadas para representar compostos ou agregados de

tomos. Existem basicamente 2 tipos de frmulas: as moleculares e as estruturais.

As frmulas moleculares so formadas pelos smbolos dos tomos e um subndice

5 quando o semicondutor puro recebe pequenas quantidades de outros elementos.22

para indicar a quantidade de tomos existente na molcula, dando a quantidade real de

tomos, como por exemplo, a molcula da glicose representada pela frmula C6H12O6.

As frmulas estruturais so aquelas que mostram as ligaes entre os tomos, como

por exemplo, a frmula estrutural do sabo (Figura 2.9).

Figura 2.9 - Frmula estrutural do sabo.

2.4.1.2. Massa Atmica

Como impossvel fisicamente se determinar a massa ou peso de um tomo foi

necessrio criar um padro de unidade (terico), denominada de unidade de massa

atmica, simbolizada por uma ou u.

A uma unidade de massa atmica foi estabelecida em funo de 1/12 da massa

do tomo de carbono (C) istopo 12, como demonstrado na Tabela 2.4.

Tabela 2.4 Composio dos istopos de carbono.

Elemento Qumico Istopos Representao Nmeros de Prtons Nmeros de NutronsCarbono Carbono 12

Carbono 1412C6

14C666

68

que equivale a:

1/12 da massa de C = 1 uma = 1 u = 1,66.10-24 g

Portanto, a massa atmica a massa de um tomo expresso em unidades de massa

atmica (uma), como por exemplo, massa atmica do flor = 18,998 uma.

2.4.1.3. Massa Molar

Como os tomo podem se agrupar para formar conjuntos bem definidos,

denominados molculas. Assim, molcula a menor parte da matria que caracteriza uma

substncia pura.

Aqui cabe lembrar a definio de elemento qumico ou substncia simples, que um

conjunto de tomos iguais, de mesma espcie. E substncia pura um conjunto de

molculas iguais.

sabido que os tomos que reagem, sempre guardando entre si relaes simples de

nmeros inteiros, como por exemplo, tomos de hidrognio e de oxignio, combinam-se

numa proporo de 2:1 para formar molculas de gua; tomos de enxofre, carbono e

nitrognio, por outro lado, formam o on tiocianato (SCN-), quando se combinam numa

23

razo de 1:1:1.

A massa molecular a soma das massas atmicas de todos os tomos constituintes

da molcula. Como por exemplo, a massa molecular da propanona igual a 58,09 u; a

massa molecular do perclorato de potssio = 122,44 u.

2.4.1.4. Mol

A palavra mol vem do latim e significa um amontoado ou pilha de pedras para conter

as guas do mar (quebra-mar). Por analogia, o termo mol representa um amontoado de

tomos, molculas, eltrons, ons ou outras partculas.

Esse amontoando contm sempre 6,02.1023 unidades, do mesmo modo de 1 dzia

que corresponde a 12 unidades. Por conseguinte, como uma dzia de ovos contm 12

unidades de ovos; um mol de ovos corresponde a 6,02.1023 unidades de ovos; um mol de

eltrons corresponde a 6,02.1023 unidades de eltrons; um mol de molculas corresponde a

6,02.1023 unidades de molculas e assim por diante.

Uma vez que tomos, ons ou molculas so pequenos de mais para serem tratados

individualmente no laboratrio, na prtica se trabalha com os moles destas partculas.

Assim, pode-se pesar um mol de qualquer substncia em uma balana comum; por

exemplo, 1 mol de limalha de ferro equivale massa atmica do elemento qumico Fe

expresso em gramas. Logo,

1 mol de ferro (Fe) = 6,02.1023 tomos de ferro = 55,845 g

2.4.1.5. Nmero de Avogrado

O nmero de Avogrado, 6,02.1023, foi institudo para expressar quantas partculas

(tomos, ons, molculas, etc) existem em 1 mol. O nmero de Avogrado significa a

presena de 6,02.1023 partculas de tomos, ons, molculas, etc.

2.4.1.6. Massa Molar

A massa molar de um elemento a massa de 6,02.1023 tomos do mesmo elemento

em gramas. Ou, a massa molar de uma substncia a massa de 6,02.1023 de molculas da

mesma substncia em gramas.

A massa molar de qualquer substncia qumica, por sua vez, corresponde massa

de um mol de partculas daquela substncia. Para um mesmo composto, a massa molar

numericamente igual massa molecular com a diferena de que a massa molar expressa

24

em g/mol. Logo a massa molar da propanona = 58,09 g/mol e do perclorato de potssio =

122,44 g/mol.

Assim, os termos massa molecular e massa molar podem ser utilizados sem

distino, para compostos moleculares e no moleculares.

2.4.1.7. Equao Qumica

A equao qumica uma representao simblica da reao qumica, como por

exemplo, a combusto do carvo ou coque (carbono) pelo oxignio para formar o dixido de

carbono.

C (s) + O2 (g) CO2 (g)

em que, C (s) e O2 (g) so os reagente e o CO2 o produto; (s) e (g) significam o estado

fsico dos reagentes e produto, slido e gasoso, respectivamente. Alm dessas abreviaes,

existem () para lquido, (aq) para substncias dissolvidas em gua (soluo aquosa), () para formao de precipitado e () para gerao de gs.

A equao qumica guarda as seguintes relaes de quantidades:

C (s) + O2 (g) CO2 (g)1 tomo de carbono _

___

1 molcula de oxignio _

___

1 molcula de dixido de carbono

1 mol de carbono _

___

1 mol de oxignio _

___

1 molde dixido de carbono

6,02.1023 tomos de carbono _

___

6,02.1023 molculas de oxignio _

___

6,02.1023 molculas de carbono

12 g de carbono _

___

32 g de oxignio _

___

44 g de dixido de carbono

Uma equao qumica deve estar sempre balanceada, onde as quantidades de

tomos presentes nos reagentes so correspondentes as quantidades de tomos nos

produtos.

2.5. LIGAES QUMICAS

Os tomos possuem a capacidade de se combinar entre si para produzirem espcies

mais complexas. Eles se combinam para ficarem estveis, adquirindo a configurao

eletrnica dos gases nobres.

Os gases nobres no fazem ligaes qumicas com os demais elementos, pois

apresentam grande estabilidade. Esta estabilidade conseqncia da configurao

eletrnica que apresentam 8 eltrons na camada de valncia. Os outros elementos

estabelecem as ligaes qumicas para adquirirem a configurao eletrnica idntica a dos

gases nobres. Desta forma, a Regra do Octeto dita que:

Os tomos tendem a ganhar ou perder eltrons

25

at que existam oito eltrons

em sua camada de valncia.

Assim como os tomos, as molculas de algumas substncias tambm so capazes

de reagir com outras molculas para formar novas substncias. Estas combinaes so

ocasionadas pelos diferentes tipos de ligaes qumicas.

As ligaes qumicas so foras que unem os tomos formando agrupamento de

tomos, agrupamentos de partculas carregadas (os ons) ou molculas. Os tipos de

ligaes qumicas determinam as propriedades caractersticas das substncias.

2.5.1. Principais Tipos de Ligaes Qumicas

Basicamente existem 3 tipos de ligaes qumicas mais importantes:

ligao inica;

ligao metlica;

ligao covalente.

Entretanto, existem algumas interligaes moleculares que conseguem explicar

determinadas propriedades peculiares de algumas substncias. Vale lembrar, que um tipo

de ligao qumica no predomina sozinha, ocorre uma ligao intermediria entre os tipos

puros definidos pelos modelos, pois entend-los isoladamente se torna mais simples e mais

didtico.

2.5.1.1. Ligao Inica

A ligao inica ocorre quando um ou mais eltrons so transferidos da camada de

valncia de um tomo para a camada de valncia de outro, resultando na atrao

eletrosttica entre uma partcula de carga positiva (on positivo) e outra de carga negativa

(on negativo).

As substncias inicas so caracterizadas pelas seguintes propriedades:

possuem elevados ponto de fuso (PF) e ponto de ebulio (PE);

so solveis em solventes polares;

conduzem a corrente eltrica quando fundidos (fase lquida) ou em soluo aquosa,

situaes onde existem ons livres na soluo;

slidos em temperatura ambiente;

formam cristais quebradios.

2.5.1.2. Ligao Metlica

A ligao metlica consiste na formao de uma rede cristalina onde esto

localizados os ons positivos circundados por uma nuvem de eltrons livres.

26

As substncias metlicas so caracterizadas pelas seguintes propriedades:

possuem elevados ponto de fuso (PF) e ponto de ebulio (PE) (exceo: mercrio,

csio e frncio);

na forma metlica so insolveis em solventes polares e apolares;

timos condutores de corrente eltrica, mesmo na fase slida devido a presena dos

eltrons livre;

so dcteis e maleveis;

so timos condutores de calor.

2.5.1.3. Ligao Covalente

A ligao covalente uma das ligaes mais resistentes e mais energticas,

consistindo no compartilhamento de um par de eltrons entre os tomos.

As substncias formadas por ligaes covalentes so caracterizadas pelas seguintes

propriedades:

possuem pontos de fuso e ponto de ebulio variveis;

no conduzem corrente eltrica (exceo: grafita)

podem ser slidos (glicose), lquidos (gua) ou gasosos (oxignio) em temperatura

ambiente;

molculas polares so solveis em solventes polares, molculas apolares so solveis em

solventes apolares.

2.5.2. Tipos de Ligaes Qumicas Intermoleculares

As outras ligaes, menos energtica e uma pouco mais fraca que as ligaes citadas

anteriormente, so:

foras de Van der Waals, foras de London ou dipolo induzido;

foras dipolo permanente;

ligaes de hidrognio.

2.5.2.1. Foras de Van der Waals, Foras de London ou Dipolo Induzido - Dipolo Induzido

As foras de Van der Waals, foras de London ou dipolo induzido - dipolo induzido

ocorrem entre molculas apolares ou entre tomos de gases nobres, quando por um motivo

qualquer ocorre uma assimetria na nuvem eletrnica, gerando um dipolo que induz as

demais molculas ou tomos a tambm formarem dipolos. So de intensidade fraca. Ex.:

H2; N2; O2; I2; Br2; CO2; BF3; He; Ne; Ar.

27

2.5.2.2. Foras Dipolo Permanente - Dipolo Permanente

Ocorrem em molculas polares, de modo que a extremidade negativa do dipolo de

uma molcula se aproxime da extremidade positiva do dipolo de outra molcula. So mais

fortes que as foras de London; Ex.: HCl; HBr; HI; H2S; PH3.

2.5.2.3. Pontes de Hidrognio

As pontes de hidrognio so foras de natureza eltrica do tipo dipolo permanente -

dipolo permanente, porm bem mais intensas. O corre quando a molcula polar e possui

H ligado a elemento muito eletronegativo e de pequeno raio (F, O, N), de modo que o

hidrognio de uma molcula estabelece uma ligao com o tomo muito eletronegativo de

outra molcula. Ex.: H2O; HF; NH3.

Na prtica as foras intermoleculares podem atuar em conjunto, e a interao entre

as molculas calculada pela soma dos diversos tipos de foras intermoleculares atuantes.

Por exemplo na gua a principal fora de interao molecular so as pontes de hidrognio,

embora tambm haja interaes do tipo dipolo permanente. Entre as molculas com

interaes do tipo dipolo permanente existem tambm interaes do tipo foras de Van der

Waals.

2.6. SOLUES

A soluo uma disperso ou mistura uniforme de tomos, ons ou molculas de

duas ou mais substncias. Freqentemente, uma das substncias numa soluo um

lquido. Os componentes de uma soluo podem ser misturados em varias propores. Cada

poro de uma dada soluo apresenta composio e propriedades idnticas. Por exemplo,

quando a sacarose (C12H22O11) dissolvida em gua (H2O), suas molculas se espalham e se

misturam completamente com a gua. Cada gota da soluo contm sacarose e gua nas

mesmas propores.

Pelo fato de uma soluo ser um tipo de mistura (mistura homognea), seus

componentes podem ser separados fisicamente. Por exemplo, pode-se separar os

componentes da soluo de sacarose acima evaporando a gua por fervura. Entretanto, os

componentes de uma soluo no se separam por si s, e nem podem ser separados por

filtrao.

Estas propriedades podem ser entendidas se imaginarmos uma soluo como um

arranjo ao acaso de minsculas partculas: tomos, ons ou pequenas molculas. As

partculas de uma soluo so pequenas demais para serem puxadas pela gravidade e

sedimentarem, e tambm para serem retiradas por papel de filtro. As partculas do soluto

no se separam do solvente sob a ao de ultracentrifugas, no so retiradas por ultrafiltros

e no so vistas atravs de microscpios potentes.

28

Alm disto, solues lquidas so geralmente transparentes. Pode-se ver atravs

delas porque as partculas so pequenas demais para bloquearem a transmisso de luz

atravs da soluo.

2.6.1. Componentes da Soluo

Uma soluo consiste de dois componentes principais:

soluto;

solvente.

O soluto a substncia dissolvida e o solvente a substncia que dissolve. Diz-se

que uma soluo se forma, dissolvendo-se um soluto num solvente. O soluto pode tambm

ser definido como a substncia presente em menor quantidade na soluo. O solvente a

substncia presente em maior quantidade; o componente mais abundante da soluo, que

retm o seu estado fsico original aps a adio do soluto. Muitas solues contm gua

como solvente e so chamadas solues aquosas.

As solues podem ser preparadas de vrias maneiras. Tanto o soluto como o

solvente pode ser um elemento ou um composto, e eles podem estar presentes como

slidos, lquidos ou gases (com algumas excees).

2.6.2. Tipos de Disperso

A soluo uma disperso homognea de duas ou mais espcies de substncias

moleculares ou inicas, na qual apresenta partculas do disperso (soluto) com dimetro

inferior a 10 . Existem outros tipos de disperses como demonstrado na Tabela 2.5.

Tabela 2.5 Tipos de disperso.

Disperso Dimetro das Partculas Exemplohomognea ou soluo homognea

< 10 gua e cloreto de sdio

coloidal ou soluo coloidal

10 a 1000 gelatina, goma arbica, algumas disperses de protenas (como albumina bovina), fumaa

grosseira > 1000 leite de magnsia (aglomerados de Mg+2 e OH-

em gua)

2.6.3. Classificao das Solues

As solues so classificadas quanto:

ao estado fsico da matria;

a conduo de corrente eltrica;

ao potencial hidrogeninico;

a concentrao de soluto.

29

2.6.3.1. Quanto ao Estado Fsico da Matria

As solues podem existir em qualquer dos trs estados da matria (gasoso, lquido

e slido), como apresentado na Tabela 2.6.

Tabela 2.6 Tipos de solues quanto ao estado fsico da matria.

Soluo Soluto em Solvente Exemplogs em gs ar, O2 e gases nobres em N2 (g) a 250C e 1 atm

Gasosa lquido em gs gs nitrognio mido H2O (lq.) em N2(g) a 250C e 1 atmslido em gs iodo, I2 (g) em nitrognio em N2(g) a 250C e 1 atmgs em lquido amonaco, NH3 (g) em gua H2O (lq.)

Lquida lquido em lquido cido actico (H3CCOOH) em guags em lquido nitrato de potssio em guags em Slido hidrognio H2 (g) em paldio Pd (s)

Slido lquido em slido mercrio [Hg (lq.)] em cobre [Cu (s)]slido em slido ligas metlicas. Ex.: Cu em Ag

2.6.3.2. Quanto a Conduo de Corrente Eltrica

Em 1884, Arrhenius afirmava que a dissoluo de certas substncias em gua

produziam ons que se moviam livremente na soluo e eram os responsveis pela

conduo da corrente eltrica nas solues, propondo assim, a Teoria Inica das Solues

para explicar a condutividade das solues.

As solues so classificadas quanto a conduo de corrente eltrica em:

solues eletrolticas;

solues no eletrolticas.

As solues eletrolticas so formadas pela dissoluo de substncias inicas ou

moleculares, que produzem ons ctions e nions e possibilitam a passagem de corrente

eltrica. As solues eletrolticas podem ser fortes ou fracas, sendo caracterizadas pelo grau

de dissociao. As substncias inicas se dissociam quase totalmente e as substncias

moleculares produzem poucos ons.

As solues no eletrolticas no possuem ons para promover a conduo de

corrente eltrica. Geralmente so formadas de substncias moleculares, onde as molculas

so eletricamente neutras.

Existem uma diferena conceitual entre os termos tcnicos dissociao e ionizao. A

dissociao empregada quando a substncia inica e se dissocia em ons, isto quer dizer

que os ons j existem (substncias inicas so formadas por ons positivos e negativos,

unidos por atrao eletrosttica), o solvente apenas os separa. Exemplo:

NaCl + H2O Na+ (aq.) + Cl- (aq.)

30

A gua solvata6 os ons ctions e nions separando-os.

A ionizao empregada para substncias moleculares ou tomos que produzem

ons, neste caso, os ons so produzidos, a molcula do soluto apresenta uma certa

polaridade, constituindo-se num dipolo, sendo solvente o promotor da separao desses

plos. Exemplo:

HCl + H2O H+ (aq.) + Cl- (aq.)

A molecular do cido clordrico polar, a gua promove a formao dos ons ctions

H+ e nions Cl-.

2.6.3.3. Quanto ao Potencial Hidrogeninico

As solues podem ser classificadas de acordo com o potencial hidrogeninico (pH),

ou seja, pela concentrao de ons prtons (H+) em soluo, em:

solues cidas;

solues bsicas;

solues neutras.

A definio clssica de substncia cida e bsica foi proposta pelo qumico suo

Arrhenius. Um cido um composto que, dissociado em gua, libera ons de hidrognio

(H+), conhecido tambm por prton, produzindo uma soluo cido, e bases so compostos

que, dissociam em gua, libera ons de hidrxidos (on hidrnio ou on hidroxnio, OH-),

produzindo soluo bsica ou alcalina. A mistura de uma soluo cida com uma soluo

bsica produz uma soluo neutra, formando sal e gua.

A grau de acidez ou basicidade de uma soluo determinada pelo mtodo

potenciomtrico, na qual se mede o pH atravs do pHmtro. O pHmtro mede a

concentrao de ons [H+] na faixa de uma escala de 0 a 14, onde pH = 7 indica soluo

neutra, pH < 7 indica soluo cida e pH > 7 indica soluo alcalina.

A determinao do pH consiste em medir a concentrao de ons H+ disperso em

uma soluo. Esta determinao est entre as grandezas qumicas mais importante e mais

determinadas em todos os processos qumicos.

A grandeza pH foi definida pela IUPAC como sendo igual a logaritmo negativo da

atividade do on hidrognio:

[ ]+= HpH log (2.8)O mtodo mais operacional para determinar o pH o mtodo eletroqumico, que

6 a formao de camadas de solvente ao redor da partcula. Quando o solvente gua e ela soltada a partcula inica, este fenmeno denominado de hidratao.

31

utiliza eletrodos sensveis ao on hidrognio, como o eletrodo de vidro. Neste mtodo o pH

determinado pela fora eletromotriz produzida em um eletrodo sensvel ao pH contra um

eletrodo de referncia, mais comumente o Ag+/AgCl. O eletrodo de vidro no um eletrodo

reversvel ao par H2/2H+ e por isso requer calibraes constantes.

A calibrao do pHmtro consiste na construo de uma curva de calibrao do tipo

ilustrados na Figura 2.10.

Figura 2.10 Curva de calibrao de pH (Fonte: Covington et al., 1985).

2.6.3.4. Quanto a Concentrao de Soluto

As solues so classificadas em:

soluo saturada;

soluo no saturada;

soluo supersaturada

soluo diluda;

soluo concentrada.

Soluo saturada aquela em que existe um equilbrio entre o soluto no dissolvido

(gasoso, lquido ou slido) e o soluto presente na soluo. A concentrao do soluto na

soluo em equilbrio chamada solubilidade do soluto nesse solvente temperatura

considerada.

A solubilidade de qualquer substncia (gs, lquido ou slido) no depende da

quantidade do soluto em excesso, isto , em contato com a soluo. De fato, a mesma

concentrao de equilbrio encontrada em uma soluo saturada, quer seja pequena ou

grande a quantidade do excesso que est em contato com a soluo.

Se a quantidade de soluto na soluo corresponde a uma quantidade menor do que a

da concentrao de equilbrio, a soluo no saturada. Em uma soluo no saturada a

32

quantidade do soluto presente em soluo pode variar desde um mero trao, at uma

concentrao imediatamente inferior de uma soluo saturada.

Quanto relao existente entre soluto e solvente, as solues no saturadas podem

ser diludas e concentradas.

Soluo diluda aquela que apresenta uma quantidade relativamente pequena do

soluto para uma dada quantidade de solvente., a uma dada temperatura. Ex: 10,0 g de

AgNO3, dissolvidos em 100 g de gua a 25oC.

Soluo concentrada aquela que apresenta quantidade relativamente grande do

soluto para uma dada quantidade do solvente, a uma dada temperatura. Ex: 70,0 g de

AgNO3, dissolvidos em 100 g de gua a 25oC.

Naturalmente, se h soluto no dissolvido em contato com uma soluo no

saturada, ele se dissolve at desaparecer ou at atingir o equilbrio.

Uma soluo que contenha mais soluto do que corresponde a concentrao de

equilbrio uma soluo supersaturada. Ela no estvel e manifesta sua instabilidade

particularmente se entrar em contato com qualquer quantidade de soluto no dissolvido.

Uma soluo supersaturada portanto, um sistema metaestvel. As solues

supersaturadas tendem a atingir um estado de equilbrio; se ficar em repouso, o excesso de

soluto se separa da soluo at que a concentrao atinja o valor da saturao. No entanto,

na ausncia de perturbaes, uma soluo supersaturada pode assim permanecer por um

tempo bastante longo.

Uma soluo supersaturada e uma no saturada apresentam uma caracterstica em

comum: nenhuma tem a concentrao de equilbrio. No entanto, uma soluo no saturada

no pode, por si mesma, atingir o estado de equilbrio (saturar), a no ser que acrescente-

se soluto, evapore o solvente ou varie a temperatura, enquanto que uma soluo

supersaturada pode, e geralmente o faz, espontaneamente atingir o estado de equilbrio,

simplesmente cedendo o excesso de soluto dissolvido. Logo, as solues no saturadas s

existem por no conter soluto suficiente no sistema; as solues supersaturadas podem se

manter durante algum tempo porque a mudana: soluo supersaturada soluo saturada

+ soluto no dissolvido, embora termodinamicamente favorvel, pode envolver uma energia

de ativao elevada e, por isso, ocorrer muito lentamente.

As solues saturadas podem ser tomadas como padres de referncia, porque tanto

as no saturadas como as supersaturadas tendem a formar uma soluo saturada quando

as condies o permitem. Por exemplo, quando cristais do soluto silo adicionados a urna

soluo no saturada ou a unia soluo supersaturada, ambas tendem a se aproximar das

condies de equilbrio. A soluo no saturada aproxima-se do equilbrio dissolvendo

cristais, e a soluo supersaturada aproxima-se do equilbrio depositando cristais.

33

As solues supersaturadas de gases com lquidos so bastante comuns. Por

exemplo, as bebidas carbonatadas so solues supersaturadas de dixido se carbono em

gua sob presso relativamente elevada. Quando as garrafas so destampadas, escapa

algum gs, mas a soluo remanescente pode, por algum tempo, continuar supersaturada

de dixido de carbono. Pode-se obter solues supersaturadas de substncias slidas,

fazendo-se a evaporao lenta do solvente ou reduzindo-se a temperatura de unia soluo

saturada, desde que no haja contato da soluo com partculas slidas que possam agir

como ncleo de cristalizao. Algumas substncias formam facilmente solues

supersaturadas outras somente sob condies experimentais cuidadosamente controladas.

No que se refere a solues de diferentes sais em gua, o efeito da temperatura

sobre a solubilidade varia de um sal para outro. Os sais, geralmente, so mais solveis a

temperaturas elevadas do que baixas.

2.6.4. Unidades de Concentrao

Concentrao de uma soluo a relao entre a quantidade do soluto e a

quantidade do solvente ou da soluo. Uma vez que as quantidades de solvente e soluto

podem ser medidas em massa, volume ou quantidade de matria (nmero de mols), h

diversas unidades de concentrao de solues. As mais utilizadas so:

mg/L ou g/L;

%;

mol/L;

N.

2.6.4.1. Concentrao em Miligramas por Litro ou Gramas por Litro

Esse termo utilizado para indicar a relao entre a massa do soluto (m), expressa

em gramas, e o volume (V), da soluo, em litros.

)()(

LVgmC = (2.5)

2.6.4.2. Concentrao em Composio Percentual

um mtodo bastante comum de expressar a concentrao de uma soluo.

Esta unidade de concentrao relaciona a massa (m) ou o volume (V) do soluto com

a massa ou o volume do solvente ou da soluo, conduzindo a notaes tais como:

% (m/m); % (m/V) ou % (V/V)

A relao m/m corresponde a base percentual mais usada na expresso da

concentrao de solues aquosas concentradas de cidos inorgnicos como cido clordrico,

34

cido sulfrico e cido ntrico. Ex. o cido sulfrico encontrado no comrcio contm cerca de

98% (em massa) de soluto (H2SO4 lquido), ou seja, 100 g do cido comercial contm 98 g

de H2S04 e 2g de gua.

Os termos diludo e concentrado so apenas termos relativos. Uma soluo diluda

contm somente uma frao do soluto contido numa soluo concentrada. Ex. Uma soluo

a 3%(m/m) de cido ntrico diluda em comparao com uma soluo de 1-1N03 a 30%

em massa.

2.6.4.3. Concentrao em Quantidade de Matria

a relao entre a quantidade de matria do soluto (n) e o volume da soluo (V),

expresso em litros.

)()(

LVmolnC = (2.6)

No passado, essa unidade de concentrao era denominada molaridade ou

concentrao molar, que hoje encontra-se em desuso.

Atualmente, de acordo com a International Union of Pure and Applied Chemistry

(IUPAC), o uso desses termos deve ser evitado.

2.6.4.4. Concentrao Normal

Denominada de normalidade, no passado esta unidade foi muito utilizada em

clculos relacionados com titulaes. Atualmente, o uso da normalidade no recomendado

pela IUPAC, uma vez que o emprego desta unidade de concentrao no enfatiza a

estequiometria da reao qumica. Alm disso, o valor numrico do equivalente-grama de

alguns compostos qumicos varia de uma reao para outra. Est em desuso.

A converso da concentrao normal para mol/L realizada de acordo com a seguintes equao:

= MN (2.7)sendo,

N = concentrao normal;

M = concentrao mol/L;

= nmero de oxidao (nox).

2.6.6. Hidrlise

Hidrlise a reao da gua sobre um composto, quebrando este composto, com a

fixao de ons hidrognio ou de ons hidroxila.

35

Quando um sal dissolvido em gua ele se dissocia totalmente, para produzir

ctions e nions, que devem subseqentemente, reagir quimicamente com o solvente, por

meio de hidrlise.

A hidrlise ocorre para ons provenientes de cidos ou bases fortes. Por exemplo, o

ction (proveniente de uma base forte) de um sal sofre a seguinte reao de hidrlise:

M+ + H2O MOH + H+

Assim, tem-se um sal cido.

Ento, um nion (proveniente de um cido forte) de um sal, sofre a seguinte reao

de hidrlise:

X- + H2O HX + HO-

tem-se, desta forma, um sal bsico.

2.6.6.1. Hidrlise de Sais cidos, Bsicos e Neutros

Os sais quando dissolvidos em gua podem produzir solues cidas, bsicas ou

neutras.

2.6.6.1.1 Hidrlise de Sais cidos: Um sal dito cido quando ele formado pela reao

de um cido forte com uma base fraca. Por exemplo, o sal de NH4Cl

(cloreto de amnio).

HCl + NH4OH NH4Cl + H2O

cido forte base fraca sal cido gua

Assim, esse sal quando dissolvido em gua produz um meio cido cujo pH < 7.

H2ONH4Cl NH4+ + Cl-

OH-

- Sofre hidrlise: NH4+ + H OH NH4OH + H+

- Sofre hidratao: Cl-

O on amnio sofre hidrlise porque pouco eletropositivo, e o on coreto sofre

hidratao porque muito eletro negativo.

2.6.6.1.2 Hidrlise de Sais Bsicos: Um sal dito bsico quando ele formado pela

reao de uma base forte com um cido fraco. Por exemplo, o sal de

NaCH3COO (ou NaC2H3O2 acetato de sdio).

CH3COOH + NaOH NaCH3COO + H2O

cido fraco base forte sal bsico gua

36

Assim, esse sal quando dissolvido em gua produz um meio bsico cujo pH > 7.

H2ONaCH3COO Na+ + CH3COO-

- Sofre hidratao: Na+

H+

- Sofre hidrlise: CH3COO- + HOH HCH3COO + OH-

O on amnio sofre hidrlise porque pouco eletropositivo, e o on coreto sofre

hidratao porque muito eletro negativo.

2.7. REAES QUMICAS

A reao ou transformao qumica uma reorganizao dos tomos das

substncias, na qual uma espcie de matria, ou mais de uma, se transforma em nova

espcie de matria ou em diversas novas espcies de matria. O enferrujamento do ferro,

no qual o ferro se combina com o oxignio da atmosfera para formar a ferrugem, uma

transformao qumica. As substncias iniciais, ferro e oxignio, combinam-se

quimicamente e no podem ser separadas por procedimentos fsicos.

As reaes qumicas ocorrem em nvel microscpico, onde a viso humana no

consegue alcanar, por outro lado necessrio apoiar-nos em parmetros macroscpicos

que evidencie se uma reao ocorreu ou no durante aos procedimentos prticos. Algumas

evidncias de ocorrncia de uma reao qumica so: desprendimento de gs, turvao,

mudana de cor, mudana de cheiro e produo de energia.

2.7.1. Tipos de Reaes Qumicas

Existem basicamente 3 tipos de reaes qumicas:

reaes de precipitao;

reaes cido-base;

reaes de oxidao-reduo.

2.7.1.1. Reaes de Precipitao

As reaes de precipitao ocorrem da mistura de duas solues de substncias

inicas para formar uma substncia inica slida, chamada de precipitado. Precipitado um

composto slido insolvel formado durante a reao qumica em soluo.

Para prever se haver ou no formao de um precipitado, basta saber as regras de

solubilidade (Tabela 2.7).

37

Tabela 2.7 Regras de Solubilidade de Compostos Inicos.

Regra

Aplica-se aos ons

Enunciado Excees

1 Li+, Na+, K+, NH4+

compostos do grupo IA e do on amnio so solveis

-

2 C2H3O2-, NO3- acetatos e nitratos so solveis -3 Cl-, Br-, I- cloretos, brometos e iodetos so

solveiscloretos, brometos e iodetos de Ag, Hg e Pb

4 SO42- sulfatos so solveis sulfatos de Ca, Ba, Sr, Ag, Hg e Pb

5 CO32- carbonatos so insolveis carbonatos do grupo IA e NH4+

6 PO43- fosfatos so insolveis fosfatos do grupo IA e NH4+

7 S2- sulfetos so insolveis sulfetos do grupo IA e NH4+

8 OH- hidrxidos so insolveis hidrxidos do grupo IA, Ca, Ba e Sr

Como exemplos, tem-se as seguintes reaes:

AgNO3 + HCl AgCl + HNO3

Na2CO3 + HCl NaCl + H2CO3

2.7.1.2. Reaes de cido - Base

As reaes de cido - base ocorrem quando uma substncia cida reage com uma

substncia bsica produzindo sal mais gua. Estes tipos de reaes tambm so conhecidas

como reaes de neutralizao, quando as quantidades de cido e base so equivalentes.

Por exemplo,

NaOH + HCl NaCl + H2O

Ca(OH)2 + H2SO4 CaSO4 + 2 H2O

Quando as quantidades de cido ou base so excedentes no meio, elas podem ser

detectadas utilizando-se indicadores, que so substncias orgnicas (cidos ou bases

orgnicas fracas) adicionadas em pequenas quantidades ao meio, dando uma colorao

caracterstica.

Os indicadores so muito empregados nas titulaes de cido base, para que o

operado consiga visualizar o ponto de viragem (ponto de equivalncia) da titulao. Como a

mudana de colorao do meio para cada indicador ocorre em uma determinada faixa de pH

(Figura 2.11), necessrio que se escolha o pH adequado para cada ponto de equivalncia

da titulao.

38

Figura 2.11 Indicadores e suas respectivas faixa de mudana de colorao do

meio (Fonte: ROSSETTI, 2004).

2.7.1.3. Reaes de Oxidao - Reduo

As reaes de oxidao - reduo ocorrem quando existe a transferncia de eltrons

entre os reagentes, onde um elemento qumico sofre oxidao e o outro elemento sofre

reduo. Oxidao processo de perda de eltrons e reduo o processo de aquisio de

eltrons.

As reaes de oxidao-reduo podem ser do tipo: combinao, decomposio,

deslocamento e combusto. Como por exemplos:

a) Combinao: Na (s) + Cl2 2 NaCl

b) Decomposio: CaCO3 CaO (s) + CO2 (g)

c) Deslocamento: Zn (s) + 2 HCl (aq) ZnCl2 (aq) + H2 (g)

d) Combusto: 4 Fe (s) + 3O2 Fe2O3

O balanceamento de uma equao de oxidao-reduo pode ser feito de acordo

com o passo-a-passo a seguir:

1o Passo: Indicar os nmeros de oxidao (nox) de cada elemento qumico;

2o Passo: Identificar qual o elemento qumico em que ocorre mudana do nox;

3o Passo: Identificar qual o elemento qumico sofre reduo;

4o Passo: Identificar qual o elemento qumico sofre oxidao;

5o Passo: Determinar a quantidade de eltrons para reduo;

6o Passo: Determinar a quantidade de eltrons para oxidao;

7o Passo: Balancear as quantidades de eltrons, multiplicando cruzado;

8o Passo: Colocar, como ndice no primeiro termo da equao, o nmero determinado pelo

balanceamento;

9o Passo: Verificar as quantidades de tomos dos elementos qumicos diferentes do

hidrognio e oxignio;

39

10o Passo: Balancear as quantidades de oxignio e hidrognio por ltimo.

Exemplos:

a) HI + H2SO4 H2S + I2 + H2O.

Resposta: 8HI + H2SO4 H2S + 4I2 + 4H2O.

b) K2Cr2O7 + HBr KBr + CrBr3 + Br2 + H2O

Resp.: K2Cr2O7 + 14HBr 2KBr + 2CrBr3 + 3Br2 + 7H2O

c) Ag + HNO3 AgNO3 + NO + H2O

Resp.: 3Ag + 4HNO3 3AgNO3 + NO + 2H2O

2.8. TERMOQUMICA

A termoqumica estuda as energias envolvidas nas reaes qumicas. Toda reao

qumica implica no rearranjo dos tomos em suas diferentes ligaes. Estas transformaes

so acompanhadas por absoro ou desprendimento de energia sob a forma de luz,

eletricidade ou calor.

A maioria das reaes qumicas envolvem as transformaes de energia trmica, nas

quais so transferidas sob a forma de calor. Uma reao qumica acompanhada de

desprendimento de calor para o meio denominada de reao exotrmica, e uma reao

qumica acompanhada por absoro de calor do meio denominada de reao endotrmica.

Estes estudos so fundamentados na termodinmica, cincia macroscpica que

estuda as relaes entre as diferentes propriedades de equilbrio de um sistema e as trocas

das propriedades de equilbrio nos processos.

A energia liberada ou absorvida nas reaes qumica so extremamente importantes

nos processos bioqumicos do nosso ecossistema, como por exemplo, a absoro de energia

luminosa pelas plantas durante a fotossntese.

As energias envolvidas nas reaes qumicas so:

energia interna;

entalpia;

entropia;

energia livre.

2.8.1. Energia Interna

A Energia Interna (E) a energia armazenada nas ligaes das molculas e nos

retculos inicos e se origina das energias potencial e cintica dos eltrons (Ucko, 1992).

A variao da energia interna (E) uma funo termodinmica que depende do

40

estado inicial e final da reao, e ocorre quando a reao absorve ou libera de calor em um

sistema com volume constante (V = constante). Se E positivo, a reao endotrmica, e

se E negativo, a reao exotrmica (Figura 2.13).

O calor liberado (E) a volume constante medido na prtica por uma bomba

calorimtrica (ou calormetro), porm como a maioria das reaes qumicas ocorrem em

sistemas abertos e presso atmosfrica constante, mais prtico medir a entalpia do

sistema.

2.8.2. Entalpia

A Entalpia (H) uma palavra de origem alem, enthalen, que significa contedo de

calor, o calor absorvido ou liberado presso constante (P = constante). Se a entalpia

negativa (H = -), a reao exotrmica e se a entalpia positiva (H = +), a reao

endotrmica (Figura 2.12).

Figura 2.12 Troca de calor entre o sistema e o meio.

A entalpia de formao (ou calor de formao, H0f) de uma substncia o calor

absorvido ou liberado para formao da substncia nas condies padres de temperatura e

presso, 25oC e 1 atm, cujo valor tabelado. Em reaes qumicas entre slidos, lquidos ou

gases, os valores de E e H so muito prximos.

2.8.3. Entropia

Entropia (S) o parmetro que mede o grau de desordem de um sistema (energia

catica, energia do caos). Quanto maior a quantidade de calor no sistema, maior a

entropia, maior a desordem do sistema. Mas, por outro lado, se a desordem j est

instalada, um aumento na temperatura no iria aumentar o caos existente, com esta forma

de pensamento, a temperatura foi considerada inversamente proporcional entropia.

Um dos enunciados da 2a Lei da Termodinmica est relacionado entropia, que diz:

Em qualquer processo espontneo,

existe sempre um aumento na entropia do universo

(Stotal > 0)

Se S positivo, a reao acompanhada de uma desordem, e se S negativo, a

41

reao desencadeia a ordenao.

2.8.4. Energia Livre

A energia livre de Gibbs (G) outra funo termodinmica de estado, definida

como:

STHG = (2.10)

A variao da energia livre depende das variaes de entalpia e entropia, na qual

indicar se a reao ir ocorrer espontaneamente ou no (Tabela 2.8).

Tabela 2.8 Espontaneidade das reaes qumicas.

H S G(-) (+) espontnea em qualquer temperatura(+) (-) no-espontnea independentemente da temperatura(+) (+) espontnea somente a altas temperaturas(-) (-) espontnea somente a baixas temperaturas

2.9. ELETROQUMICA

A eletroqumica a parte da qumica que estuda as converses de energia eltrica e

qumica. A converso de energia eltrica em energia qumica, denominada de eletrlise. E

a converso da energia qumica em energia eltrica denominada de galvanometria.

2.9.1. Eletrlise

O processo de eletrlise a converso de eltrica em energia qumica promovida

pela passagem da corrente eltrica atravs de uma soluo contida em uma clula

eletroltica (Figura 2.13). Neste processo o escoamento de eltrons forado por uma fonte

de energia externa ao sistema. A energia fornecida deve ser suficiente para promover uma

reao de oxidao e reduo no sentido inverso daquela em que se processaria

espontaneamente.

Figura 2.13 Clula eletroltica ou cuba eletroltica (Fonte: COC, 2006).

2.9.1.1. Clula Eletroltica

A clula eletroltica ou cuba eletroltica o recipiente onde ocorre a eletrlise na qual

composta pelos seguinte elementos:

eletrodos;

42

soluo eletroltica;

circuito metlico externo.

2.9.1.1.1 Eletrodos: so as superfcies slidas cujas interfaces ocorrem as reaes

qumicas de oxidao e reduo. O eletrodo no qual ocorre a

reao de oxidao7 denominado de nodo e o eletrodo onde

ocorre a reao de reduo8 denominado de ctodo.

Eletrodo Positivo ou nodo a placa positiva do nodo atrai os ons

nions do eletrlito. Os ons nions ao tocarem a placa cedem seus

eltrons, passando para o estado fundamental (Figura 2.14). Este

processo chamado de oxidao. Os eltrons por sua vez

percorrem o circuito metlico externo, fazendo com que o ons

metlicos formados pela ausncia de eltrons na placa, passem

para a soluo eletroltica na forma de ons ctions, promovendo a

corroso da placa. passagem dos ons metlicos positivos para a

soluo eletroltica, diz que a corrente eltrica est entrando no

eletrlito.

Figura 2.14 Oxidao no eletrodo positivo (nodo).

Eletrodo Negativo ou Ctodo a placa positiva atrai os ons ctions

do eletrlito. Os ons ctions ao tocarem a placa recebem os

eltrons excedentes, passando para o estado fundamental (Figura

2.15). Este processo chamado de reduo, na qual ocorre a

deposio (incrustao no eletrodo). passagem dos eltrons da

soluo eletroltica para placa, diz que a corrente eltrica est

saindo do eletrlito.

As leis de Faraday permitem o clculo da transformao de matria

que ocorre nos eletrodos.

7 Significa perder eltrons e tornar-se positivo.8 Significa ganhar eltrons e tornar-se negativo.

43

Figura 2.15 Reduo no eletrodo negativo (ctodo).

2.9.1.1.2 Eletrlito: a substncia condutora de eletricidade por meio de ons mveis, na

qual pode ser obtida por meio da fuso de um sal fundido ou

soluo.

2.9.1.1.3 - Circuito Metlico Externo: o suporte metlico, externo cuba eletroltica, que

conduz a corrente eltrica por meio dos eltrons gerados por uma

fonte corrente contnua.

2.9.1.2. Aplicaes do Processo Eletroltico

Diferentes reaes qumicas do processo eletroltico so de interesse da rea de meio

ambiente, como por exemplo, a produo de cloro empregado na desinfeco das guas; a

produo de sdio usado como transferncia de calor para a refrigerao de reatores

nucleares e nas lmpadas a vapor de sdio; a corroso; a eletrlise como tratamento

qumico alternativo de guas residurias; e muitos outros.

2.9.1.3. Produo de Cloro a Partir do Sal Fundido de NaCl

O sal de cloreto de sdio (NaCl) colocado na cuba eletroltica, onde fundido

produzindo ons Na+ e ons Cl- (BRADY e HUMISTON, 1996). Os ons ctions Na+ se movem

para o eletrodo negativo (ctodo) e os ons Cl- se movem para o eletrodo positivo (nodo),

onde ocorrem as seguintes semi-reaes em cada eletrodo:

Eletrodo positivo (nodo): 2 Cl- Cl2 + 2 e- oxidao

Eletrodo negativo (ctodo): Na+ + 1 e- Na reduo

A partir das equaes de semi-reaes pode-se obter a equao de reao global,

aps o balanceamento tem-se:

2 Cl- () Cl2 (g)+ 2 e-

2 Na+ () + 2 e- 2 Na ()2 Na+ () + 2 Cl-

() Cl2 (g) + 2 Na

()

44

Desta forma, foram-se:

no ctodo: sdio metlico lquido;

no nodo: cloro gasoso.

2.9.1.4. Produo de Cloro a Partir de Soluo Salina de NaCl

A produo de cloro a partir de soluo aquosa de NaCl bem mais complexa, pois

neste caso podem ocorrer as reaes de oxidao ou reduo da gua. Assim, as reaes

que podem ocorrer so as seguintes:

Eletrodo positivo (nodo): 2 Cl- (aq) Cl2 (g) + 2 e- oxidao

2 H2O () O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e-

Eletrodo negativo (ctodo): Na+ (aq) + 1 e- Na (s) reduo

2 H2O () + 2 e- H2 (g) + 2 OH- (aq)

Somente uma anlise qualitativa ir revelar quais os elementos qumicos formados

nos eletrodos, uma vez que existem duas reaes competindo em cada eletrodo. Assim, a

reao global :

2 Cl- (aq) Cl2 (g) + 2 e-

2 H2O () + 2 e H2 (g) + 2 OH- (aq)2 Cl- (aq) + H2 (g) + 2 OH- (aq) Cl2 (g) + H2 (g) + 2 OH- (aq)

Desta forma, foram-se:

no ctodo hidrognio gasoso;

no nodo - cloro gasoso.

2.9.2. Galvanometria

O processo de galvanometria a converso qumica em energia eltrica promovida

pelas transformaes qumicas desenvolvidas em uma pilha galvnica. As reaes de

oxidao e reduo ocorrem espontaneamente.

2.9.2.1. Clula Galvnica

O processo de funcionamento de uma clula galvnica ou voltaica muito parecido

com a de uma clula eletroltica. Na clula eletroltica, a corrente eltrica inserida no

sistema (um sistema externo fornece energia), enquanto que na clula galvnica, a energia

eltrica gerada no sistema (a clula fornece energia para um sistema externo), como

ilustrado na Figura 2.16.

45

Fonte: UFPa, 2006.Figura 2.16 Clula galvnica ou pilha galvnica.

Cada compartimento da Figura 2.16, recebe o nome de meia-pilha, e quando eles

so conectados adequadamente, o zinco sofre oxidao espontaneamente, perdendo seus

eltrons e produzindo ons ctions Zn2+. Estes ons migram para soluo, promovendo a

dissoluo do zinco, ocasionando, por conseguinte, a corroso na placa de zinco. A interface

da placa do eletrodo que ficou carregada positivamente, atrai os nions SO42- da soluo de

sulfato de zinco. A soluo, por sua vez, vai aumentando a concentrao de partculas

positivas. Estas atraem os ons cloretos da ponte salina (RUSSELL, 1994).

Os eltrons perdidos pelo zinco caminham pelo fio do circuito externo at o eletrodo

de cobre, tornando a placa do eletrodo carregada negativamente. Os ons Cu2+ contidos na

soluo de sulfato de cobre so reduzidos, produzindo o cobre metlico, que se deposita no

eletrodo de cobre. A concentrao de ons ctions na placa de cobre afasta os ons SO42-,

tornando a soluo de sulfato de cobre carregada negativamente, atraindo os ons K+

contidos na ponte sal