Apostila de Química Química é a ciência que estuda os materiais, as transformações que podem sofrer e a energia envolvida nessas transformações.

Aula 1: Estrutura do átomo - conceitos básicos e Substância e mistura Matéria: é tudo que ocupa lugar no espaço e tem massa. A matéria é formada de partículas denominadas átomos. O átomo é um partícula muito pequena formada por um grande vazio, cuja massa está concentrada no núcleo. Por isso costumamos dizer que a massa do núcleo é a massa do átomo. Devido as suas diminutas dimensões, faz-se medições relativas entre os constituintes do átomo. Assim temos: Diâmetro do átomo = 10000 Diâmetro do núcleo Massa do próton = 1840 vezes a massa do elétron Carga do próton: positiva Carga do elétron: negativa Carga do nêutron: neutra Número atômico (Z) : é o número de prótons existentes no núcleo. Em um átomo, o numero de prótons é igual ao número de elétrons. Como possuem cargas contrárias, diz-se que o átomo é eletricamente isolado. O átomo é constituído por duas partes: a eletrosfera, onde se localizam os elétrons; e o núcleo, onde se localizam os prótons e os nêutrons. Número de massa (A): é a soma do número de prótons com o número de nêutrons. A = Z + N Exemplo: o átomo de sódio tem 11 prótons, 12 nêutrons e 11 elétrons. O número atômico é 11 e o número de massa é 23. Elemento químico: é um conjunto de átomos de mesmo número atômico. Exemplo: o elemento hidrogênio é o conjunto de átomos de número atômico igual a 1. Representação de um átomo: 23 Na Z = 11 e A = 23 11

Isótopos: são átomos de mesmo número atômico Z e com número de massa diferente. Exemplo: os isótopos do hidrogênio - prótio (não tem nêutron) , deutério (possui 1 nêutron) e o trítio ( possui 2 nêutrons). Obs: Água pesada: é a água em cuja constituição está presente o hidrogênio deutério ou o trítio. Isóbaros : são átomos de número atômico Z diferente e número de massa igual. Exemplo: 40 Ar e 40 Ca 18 20 Isótonos: são átomos de número atômico Z diferente, número de massa A diferente e mesmo número de nêutrons. Exemplo: 11 B e 12 C Ambos apresentam 6 nêutrons. 5 6 Molécula é uma grupo de átomos ligados. Substância pura é um conjunto de moléculas iguais. Substância simples: as moléculas são formadas por átomos de um mesmo elemento. Exemplos: H2, O2, O3, P4, S8. Os gases nobres são formados por moléculas monoatômicas: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Substância composta: as moléculas são formadas por átomos de elementos diferentes. Exemplos: H2O, CO2, H2SO4, C12H22O11. Mistura é um conjunto de moléculas diferentes. Exemplos: ar atmosférico (N2 + O2 + Ar + CO2), álcool hidratado (H2O + C2H6O). Alotropia é a propriedade de um elemento para formar mais de uma substância simples. Exemplos: diamante (Cn) e grafita (Cn) são variedades alotrópicas do elemento carbono e diferem na estrutura cristalina. Gás oxigênio (O2) e o gás ozônio (O3) são alótropos do elemento oxigênio e diferem na atomicidade Material homogêneo e heterogêneo Um material é homogêneo quando apresenta um único aspecto no ultramicroscópio e todas as suas porções apresentam as mesmas propriedades. Fase é cada porção homogênea (contínua ou descontínua) de um material. Homogêneo: apresenta somente uma fase. Exemplo: álcool, ouro 18K (75% de Au e 25% de Cu e/ou Ag), solução de água e açúcar. Heterogêneo: apresenta mais de uma fase. Exemplo: água e óleo, leite, sangue.

Mistura homogênea é chamada solução. Aquecimento dos materiais

Observações:

Existem algumas misturas que se fundem a uma temperatura constante. Tais misturas são denominadas misturas eutéticas. Existem algumas misturas que fervem a uma temperatura constante Tais misturas são denominadas misturas azeotrópicas.

Separação de misturas Heterogêneas: Filtração: separação de um sólido de um líquido. Exemplo: água + areia. Decantação: separação de líquidos imiscíveis. Exemplo: água + óleo. Flotação: separação de sólidos com densidades bem diferentes. Exemplo serragem + areia. Dissolução fracionada: separação de sólidos com solubilidade diferentes, numa determinado solvente. Exemplo: sal + areia. Homogêneas: Destilação simples: separação de um sólido dissolvido em um líquido. Exemplo: sal + água. Destilação fracionada: separação de líquidos miscíveis com pontos de ebulição diferentes. Exemplo: petróleo Equação Química é a representação gráfica e abreviada de uma reação química. 2H2 + O2 2H2O

Aula 2: Estrutura do átomo - estudo da eletrosfera e configuração eletrônica e Ligações Químicas Camadas eletrônicas ou níveis de energia A coroa ou eletrosfera está dividida em sete camadas designadas como K, L, M, N, O, P, Q ou como números n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. O número da camada é chamado número quântico principal (n). Camada de valência é a camada mais externa do átomo e pode conter no máximo oito elétrons. Número máximo de elétrons em cada nível de energia: Teórico - Equação de Rydberg: x = 2n2

K L M N O P Q 2 8 18 32 50 72 98

Experimental - Até o elemento de número atômico 118 (ainda não fabricado), teremos o seguinte número de elétrons nas camadas:

K L M N O P Q 2 8 18 32 32 18 8

Subcamada ou subníveis de energia: os níveis de energia subdividem-se em subníveis de energia que são designados pelas letras s, p, d, f. Escreve-se o número quântico principal antes da letra indicativa do subnível.

O número máximo de elétrons em cada subnível s p d F 2 6 10 14

Um sistema com baixa energia é estável. Todo sistema tem tendência para ficar estável. Os elétrons colocados nos subníveis de menor energia acarretam um estado de maior estabilidade para o átomo. Diz-se que o átomo está no estado fundamental.

O diagrama de Linus Pauling O químico norte-americano Linus Pauling descobriu em que ordem a energia dos subníveis cresce. A ordem crescente de energia dos subníveis coincide com as diagonais do diagrama ao lado. Cada linha horizontal representa uma camada eletrônica com os seus subníveis. À medida que se desce pelas diagonais, a energia vai aumentando.

Exemplo: Arsênio (As) - Z = 33 Ordem energética (ordem de preenchimento) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3

Ordem geométrica (ordem de camada) : A camada de valência do As é a camada N.

1s2 2s2 3p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3

K L M N 2 8 18 5

Configuração eletrônica de íons:

Distribuição eletrônica em íons positivos (cátions) - os elétrons cedidos por um átomo de um metal são os mais externos. Para fazer a distribuição eletrônica de um cátion, fazemos primeiro a distribuição do átomo neutro e em seguida repetimos a distribuição, tirando os elétrons mais externos. Exemplo: Fe (Z = 26) tem 26 prótons e 26 elétrons enquanto o Fe3+ tem 26 prótons e 23 elétrons. Assim a configuração é a seguinte: Fe - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Fe3+ - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 Distribuição eletrônica em íons negativos (ânions) - Os elétrons recebidos por um átomo de um ametal entram nos subníveis incompletos. Para fazer a distribuição eletrônica de cada ânion, fazemos primeiro a distribuição do átomo neutro e em seguida repetimos a distribuição acrescentado os elétrons. Exemplo: O (Z = 8) tem 8 prótons e 8 elétrons enquanto O2- (Z = 8) tem 8 prótons e 10 elétrons. Assim a configuração é a seguinte: O - 1s2 2s2 2p4 O2- - 1s2 2s2 2p6

Exceções ao Diagrama de Linus Pauling A estrutura (n-1)d9 ns2 é menos estável que a estrutura (n-1)d10 ns1. Esta propriedade é verificada nos elementos cobre, prata e ouro. Esses metais, encontrados livres ou na forma de sais ou ligas, apresentam inércia química relativa. O cobre é usado em ligas como bronze e latão. A prata é usada em moedas e joalheria barata. O ouro é maleável e dúctil, e é utilizado na confecção de jóias. Vamos utilizar o cobre como exemplo: Cu (Z = 29) Configuração instável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9

Configuração estável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10

A estrutura (n-1)d4 ns2 é menos estável que a estrutura (n-1)d5 ns1. Esta exceção é verificada nos elementos cromo e molibdênio. O cromo forma, em sua maioria, compostos coloridos (cromo = "cor"). Os mais comuns são: Cr2+ azul, Cr3+

verde, Cr6+ amarelo ou alaranjado. O molibdênio é raro e é utilizado na fabricação de aço, pois aumenta a resistência a altas temperaturas. Vamos aplicar a exceção para o cromo (Z = 24): Configuração instável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4

Configuração estável - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5

Elétron de diferenciação

O grupo no qual o elemento está localizado depende de sua configuração eletrônica. O elétron de diferenciação é o último elétron adicionado a essa configuração. Os elementos de um mesmo grupo possuem a mesma configuração do último nível. Os elementos são classificados em: Representativos (A): o último elétron preenche os subníveis s ou p. Os elementos representativos apresentam a seguinte configuração da camada de valência: ns1 a 2 np1 a 5 , na qual n representa nível ou período. Para se encontrar o grupo, basta fazer a soma dos elétrons da camada de valência. Exemplo: 11Na - 1s2 2s2 2p6 3s1 Então, temos: n = 3 terceiro período (três camadas eletrônicas); Camada de valência: 3 (3s1) grupo 1A ou 1. Transição e transição interna (B): Os elementos de transição preenchem, com seu último elétron, o subnível d. A configuração eletrônica que caracteriza os metais de transição é ns2 (n-1)d1 a 9. Para determinar o grupo, basta somar os elétrons dos últimos subníveis s + d Observe o exemplo: 25Mn - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 Perceba que o subnível 3d5 faz parte da camada M. Então, temos: n = 4 quarto período ( quatro camadas); 4s2 3d5 grupo 7B ou 7. Os metais de transição interna apresentam o subnível f incompleto e estão representados pelos lantanídeos e actinídeos. Exemplo: Cério (Z = 58) - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f2

Gases Nobres (A): Os elementos desse grupo apresentam o subnível p completo, isto é, a configuração da camada de valência é ns2 np6, exceto para o elemento hélio, que apresenta apenas dois elétrons em sua camada de valência ( 1s2). Exemplo: 10Ne - 1s2 2s2 2p6 Então, temos: n = 2 segundo período (duas camadas); 2s2 2p6 grupo 8A, ou zero, ou 18.

Ligações químicas Os átomos ligam-se para adquirir maior estabilidade. Os gases nobres são os únicos elementos que aparecem na natureza na forma de átomos isolados. O hélio tem 2 elétrons na camadas K. Os demais gases - neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio - apresentam 8 elétrons na camada de valência. Teoria do Octeto: os átomos ligam-se, procurando adquirir a configuração eletrônica de gás nobre. Os metais possuem menos de 4 elétrons na camada de valência e por isso tendem a ceder elétrons. Já os não-metais possuem mais de 4 elétrons na camada de valência e, ao contrário dos metais, tendem a receber elétrons. Ligação Iônica: se dá através da transferência de elétrons do metal para o não-metal ou para o hidrogênio. Esse tipo de ligação ocorre em sais (KCl), óxidos metálicos (CaO) e hidretos metálicos (BaH2). Ligação Covalente Comum : os átomos compartilham um ou mais pares de elétrons. Aparece quando um não-metal se combina com hidrogênio ou com outro não-metal. Exemplos gás hidrogênio - H2 (fórmula molecular) H H (fórmula eletrônica) H - H(fórmula estrutural) Ligação Covalente Dativa: é o compartilhamento de um par de elétrons cedidos somente por um dos átomos ligantes. Exemplos: dióxido de enxofre - SO2 e gás ozônio - O3

A ligação metálica Cristais metálicos: um pedaço de metal é formado de grãos chamados cristais. Nos metais um grande número de átomos perde elétrons mais externos (da camada de valência), formando uma nuvem eletrônica que envolve todo o cristal. Com isso, os átomos perdem elétrons para a nuvem, transformando-se em íons positivos. Assim , a ligação metálica consiste em uma nuvem de elétrons que envolve todo o cristal, unindo um grande número de íons positivos. Geralmente os metais têm brilho quando polidos, são dúcteis, maleáveis, bons condutores de calor e eletricidade.

Ligas metálicas Liga metálica é uma mistura de dois ou mais metais. A liga pode incluir semimetais ou não-metais, mas sempre com predominância dos elementos metálicos. Algumas ligas importantes: Latão - liga de cobre e zinco Bronze - liga de cobre e estanho Aço - liga de ferro e carbono, apesar de este não ser metal. O ouro 18 quilates (18K) é, uma liga que tem 75% de ouro e 25% de prata e/ou cobre. O ouro 24K é ouro puro. Amálgamas são ligas que contêm mercúrio. O amálgama de prata é uma liga de mercúrio e prata usado pelos dentistas para obturar dentes.