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Química Ambiental

Prof. Ricardo

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Disciplina: Química Ambiental

Código: EAMB005; Turma C

C. H. Semestral: 60hs

Livros

Livro texto:

8 exemplares (BC)44 exemplares

(BC)

50 exemplares (BC)

50 exemplares (BC)

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Avaliação

AB1 1º teste: 23/3; 2º teste: 18/4

AB2 1º teste: 16/5; 2º teste: 15/6

Reavaliação 20/6 (substitui AB1 ou AB2)

Prova Final 27/6

NF = AB1 + AB2

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Conteúdo Programático

1. Introdução: Matéria & Medidas

2. Átomos, moléculas e íons

3. Estequiometria

4. Reações em soluções aquosas e estequiometria de soluções

5. Estrutura eletrônica dos átomos

6. Propriedades periódicas dos elementos

7. Conceitos básicos de ligações químicas

8. Química Ambiental

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Introdução: Estudo da Química

• Química – Envolve o estudo das propriedades e do comportamento da matéria. Matéria é tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço; Ex: livro, corpo, roupas, o ar que respiramos.

• Elementos Químicos – Uma variedade enorme de matéria em nosso planeta origina-se de combinações de aproximadamente apenas 100 substâncias básicas ou elementares chamadas elementos.

• Cada elemento é composto de um único tipo de átomo (suas partículas infinitamente pequenas). As propriedades da matéria relacionam-se não apenas aos tipos de átomos que ela contém (composição) mas também aos arranjos desses atomos (estrutura)

• Os átomos podem se combinar para formar moléculas nas quais 2 ou mais átomos estão ligados de forma específica

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Modelos moleculares

Etanol: Álcool presente em bebidas tais como cerveja e vinho

Etilenoglicol: Líquido viscoso usado como aditivo automotivo anticongelante

As propriedades dessas duas substâncias diferem em vários aspectos: Ex. Ponto de fusão e ponto de ebulição

• Toda mudança no mundo observável tem sua base no mundo não observável. Quando estudamos química temos que pensar em dois universos: o universo macroscópico e o universo microscópico.

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Por que estudar química?

A química fornece explicações importantes sobre nosso mundo e como ele funciona. É uma ciência extremamente prática e de grande impacto em nosso dia-a-dia

• A química encontra-se próxima ao centro de vários problemas que preocupam a todos: melhoria no tratamento da saúde, conservação dos recursos naturais, proteção do meio ambiente e suprimento das nossas necessidades diárias de alimentos, vestuário e moradia

• A linguagem da química é uma linguagem científica universal, largamente utilizada em outras disciplinas. O entendimento do comportamento de átomos e moléculas fornece uma larga compreensão de outras áreas da ciência moderna, tecnologia e engenharia.

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Classificações da matéria

• A matéria pode ser classificada de duas maneiras principais: de acordo com o seu estado físico (gás, líquido ou sólido) e de acordo com sua composição (elemento, composto ou mistura)

Estados da matéria

• Uma amostra de matéria pode ser um gás, um líquido ou um sólido. Estas três formas de matéria são chamadas de estados da matéria, as quais diferem em algumas de suas propriedades observáveis mais simples.

• Gás (ou vapor): Não tem volume nem forma definida, assumindo o volume e a forma do recipiente que o contém. Pode ser comprimido ou expandido.

• Líquido: Tem volume definido mas não tem uma forma definida, assume a forma da parte do recipiente que ele ocupa.

• Sólido: Tem tanto forma quanto volumes definidos e é rígido

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A nível molecular:

• Gás: Moléculas muito distantes uma da outra e movem-se com velocidades muito altas, colidindo entre si e com as paredes do recipiente

• Líquido: Moléculas mais empacotadas, mas ainda se movem rapidamente, permitindo-lhes desviar-se umas das outras.

• Sólido: Moléculas presas entre si, geralmente com arranjos definidos e têm formas rígidas

Composição da matéria

• Substância pura: ou simplesmente substância é a matéria que tem propriedades distintas e uma composição que não varia de amostra para amostra. Água e sal de cozinha são exemplos de substâncias puras.

• Todas as substâncias são elementos ou compostos: Elementos não podem ser decompostos em substâncias mais simples. Cada elemento é composto de somente um tipo de átomo. Compostos são constituídos de 2 ou mais elementos, logo eles contêm dois ou mais tipos de átomos. Ex: água

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Misturas são combinações de duas ou mais substâncias nas quais cada uma mantém sua própria identidade química

Elementos:

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Carbono C Alumínio Al

Flúor F Bário B

Hidrogênio H Cloro Cl

Iodo I Hélio He

Nitrogênio N Cobre Cu

Fósforo P Potássio K

Enxofre S Chumbo Pb

Alguns elementos mais comuns e seus símbolos

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Compostos:

Um elemento pode interagir com outro para formar um composto. Ex: o gás hidrogênio incendeia-se em presença de gás oxigênio para formar o composto água.

H2(g) + O2(g) 2H2O

A composição da água consiste de dois átomos de hidrogênio combinados com um de oxigênio. Oxigênio, hidrogênio e água são substâncias distintas

Água Hidrogênio Oxigênio

Estado Líquido Gás Gás

P.E. 100ºC -253ºC -183ºC

Densidade 1,00 g/mL 0,084 g/L 1,33 g/L

Combustão Não Sim Não

A água pode ser decomposta em seus elementos constituintes Hidrogênio e Oxigênio, quando uma corrente elétrica passa por ela.

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Misturas:

São combinações de duas ou mais substâncias nas quais cada uma mantém sua própria identidade química

Enquanto substâncias puras têm composições fixas, as composições das misturas podem variar. Ex: uma xícara de café adoçado pode conter pouco ou muito açúcar

• As substâncias que compõem a mistura são chamadas componentes da mistura

Mistura homogênea

• São misturas uniformes. Ex: ar (N, O). O nitrogênio do ar tem todas as propriedades que o nitrogênio puro porque tanto a substância pura quanto a mistura contém as mesmas moléculas de nitrogênio.

• Sal e açúcar dissolvem-se em água para formar misturas homogêneas, chamadas soluções.

Mistura heterogênea

Não têm a mesma composição, propriedades e aparência por toda a mistura. Ex: Pedra e madeira

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Classificação da matéria

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Exercício 1:

O “ouro branco” usado em jóias contém dois elementos, ouro e paládio. Duas amostras distintas de ouro branco diferem em relação às quantidades de ouro e paládio que contém (composição variável). Ambas apresentam composição uniforme. Sem saber mais nada sobre os materiais, como você classificaria o ouro branco?

Exercício 2:

• A aspirina é composta de 60,0% de carbono, 4,5% de hidrogênio e 35,5% de oxigênio por massa, independentemente de sua origem. A aspirina é uma mistura ou um composto?

Propriedades da matéria

• Toda substância tem um conjunto único de propriedades – características que nos permitem reconhecê-las e distingui-las de outras substâncias

• As propriedades da matéria podem ser classificadas como físicas ou químicas.

• As propriedades físicas podem ser medidas sem alterar a identidade e a composição das substâncias. Ex: odor, densidade, ponto de fusão, ponto de ebulição.

• As propriedades químicas descrevem como uma substância pode se alterar ou reagir para formar outras. Ex: combustão (queima na presença de oxigênio).

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Mudanças físicas e químicas

• Durante as mudanças físicas uma substância apresenta alteração em sua aparência física, mas não em sua composição. Ex: evaporação da água.

• Nas mudanças químicas uma substância é transformada em uma substância quimicamente diferente. Ex: hidrogênio combina-se com oxigênio

“Ácido nítrico age sobre cobre”

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Separação de misturas

• Uma mistura pode ser separada em seus componentes tirando-se vantagem das diferenças em suas propriedades. Ex: destilação

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Separação de misturas por filtração Fe + Au

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Unidades de medida

• Quando um número representa uma medida quantitativa (associadas a números), as unidades de grandeza devem ser especificadas. Ex: comprimento de um lápis = 17,5cm

Unidades SI (sistema internacional)

• O sistema SI tem 7 unidades básicas das quais todas as outras são derivadas

Grandeza física Nome da unidade Abreviatura

Massa Quilograma Kg

Comprimento Metro m

Tempo Segundo s

Temperatura Kelvin K

Quantidade de matéria Mol Mol

Corrente elétrica Ampère A

Intensidade luminosa Candela cd

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Prefixo Abreviatura Significado Exemplo

Giga G 109 1 gigâmetro (Gm) = 1 x 109 m

Mega M 106 1 megâmetro (Mm) = 1 x 106 m

Quilo k 103 1 quilômetro (km) = 1 x 103 m

Deci d 10-1 1 decímetro (dm) = 0,1 m

Centi c 10-2 1 centímetro (cm) = 0,01 m

Mili m 10-3 1 milímetro (mm) = 0,001m

Micro 10-6 1 mícron (m) = 1 x 10-6 m

Nano n 10-9 1 nanômetro (nm) = 1 x 10-9 m

Pico p 10-12 1 picômetro (pm) = 1 x 10-12 m

Femto f 10-15 1 femtômetro (fm) = 1 x 10-15 m

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Temperatura

• Medida de calor ou frieza de um objeto

• Determina a direção do fluxo de calor

• As escalas de temperatura normalmente empregadas são Celsius e Kelvin

Escala Celsius

• Empregada no dia a dia na maioria dos países

• Atribui-se 0ºC ao ponto de congelamento da água e 100ºC ao ponto de ebulição da água ao nível do mar

Escala Kelvin

• Escala de temperatura no sistema SI

• O zero nessa escala é a temperatura mais baixa que se pode atingir (-273ºC), temperatura conhecida como zero absoluto

• As escalas Celsius e Kelvin tem unidades do mesmo tamanho, ou seja, um kelvin é do mesmo tamanho que um grau Celsius.

K = ºC +273

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Escala Fahrenheit

• Escala de temperatura comum nos Estados Unidos

• Na escala Fahrenheit a água congela a 32ºF e ferve a 212ºF

• As escalas Fahrenheit e Celsius se relacionam da seguinte forma:

32-F95

C 32C59

F

Exercício 3:

Se a previsão do tempo diz que a temperatura do dia atingirá 31ºC, qual é a temperatura prevista (a) em K; (b) em ºF

*Exercício 4:

O etilenoglicol, o principal ingrediente de anticongelantes, congela a -11,5ºC. Qual o ponto de congelamento (a) em K; (b) em ºF?

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Unidades derivadas do SI

• As unidades básicas do SI são utilizadas para derivar as unidades de outras quantidades.

Ex: velocidade é definida como a razão da distância percorrida com o decorrer do tempo

Assim a unidade SI p/ velocidade = unidade SI p/ distância/unidade SI p/ tempo

Vel. = comprimento/tempo = m/s

Volume

• O volume de um cubo é dado por seu comprimento cúbico (comprimento)³; sua unidade básica é o metro cúbico ou m³.

• Unidades menores como o cm³ também podem ser usadas

• Outra unidade de volume sempre usada é o litro (L) que é igual a 1 dm³

• O litro é a primeira unidade métrica que encontramos que não é uma unidade SI

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Dispositivos mais comumente usados para medir volume

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Densidade

• Muito utilizada para caracterizar substâncias, a densidade é definida como a quantidade de massa em uma unidade de volume de substância

• É geralmente expressa em unidades de grama por centímetro cúbico (g/cm³) ou gramas por mililitro (g/mL)

Substância Densidade a 25ºC (g/cm³)

Ar 0,001

Etanol 0,79

Água 1,00

Sal de cozinha 2,16

Ferro 7,9

Ouro 19,32

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Exercício 5:

a) Se 1,00 x 10² g de mercúrio ocupam um volume de 7,63 cm³, sual será sua densidade?

b) Calcule o volume ocupado por 65,0g de metanol líquido sendo sua densidade 0,791 g/mL

c) Qual a massa em gramas de um cubo de ouro (densidade = 19,32 g/cm³) de arestas iguais a 2,00 cm?

*Exercício 6:

a) Calcule a densidade de 374,5 g de uma amostra de cobre considerando que seu volume é 41,8 cm³

b) Um estudante precisa de 15,0 g de etanol para um experimento. Se a densidade do álcool é 0,789g/mL, de quantos mililitros de álcool ele precisa?

c) Qual é a massa em gramas, de 25,0 mL de mercúrio (densidade = 13,6 g/mL)?

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Incerteza na medida

• Números obtidos a partir de medidas são sempre inexatos, devido a limitações dos equipamentos (erros de equipamento) e diferenças em medições realizadas com o mesmo instrumento por pessoas diferentes (erro humano)

Precisão e exatidão

• Precisão é a medida do grau de aproximação entre os valores das medidas individuais.

• Exatidão indica grau de aproximação entre as medidas individuais e o valor correto ou verdadeiro

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Algarismos significativos

• Todos os dígitos de uma grandeza medida, incluindo os incertos são chamados algarismos significativos. Ex: uma massa informada como 2,2g tem dois algarismos significativos e uma massa informada como 2,2405g tem cinco algarismos significativos

• Quanto maior o número de algarismos significativos, maior é a certeza envolvida na medida

• Ex: Ao pesar uma moeda em uma balança capaz de medir até 0,0001, informa-se a massa da moeda como 2,2405 ± 0,0001 (grandezas medidas são geralmente relatadas de tal modo que apenas o último dígito seja incerto)

Exercício 7:

a) Qual a diferença entre 4,0 e 4,00 g?

b) *Uma balança tem uma precisão de ± 0,001. Uma amostra que pesa aproximadamente 25g é colocada nessa balança. Quantos algarismos significativos devem ser informados para esta medida?

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• Todos os dígitos diferentes de zero são significativos

• Zeros podem ou não ser significativos, dependendo de como eles aparecem no número:

a) Zeros entre dígitos diferentes de zero são sempre significativos – 1.005 kg (4 algarismos significativos)

b) Zeros no início de um número nunca são significativos, simplesmente indicam a posição da vírgula – 0,02g (um algarismo significativo); 0,026 cm (dois algarismos significativos)

c) Zeros no final de um número e após a vírgula são sempre significativos – 0,0200 (três algarismos significativos); 3,0 cm (dois algarismos significativos)

d) Quando um número termina em zeros mas não contém vírgula, os zeros podem ou não ser significativos – 130 (dois ou três algarismos significativos); 10.300 (três, quatro ou cinco algarismos significativos)

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• O uso de notação exponencial elimina a ambiguidade em saber se os zeros no final de um número são significativos. Por ex. Uma massa de 10300g pode ser escrita em notação exponencial mostrando três, quatro ou cinco algarismos significativos:

1,03 x 104 g (três algarismos significativos)

1,030 x 104 g (quatro algarismos significativos)

1,0300 x 104 g (cinco algarismos significativos)

Exercício 8:

Quantos algarismos significativos existem em cada um dos seguintes números (suponha que cada número é uma medida de grandeza)

a) 4,003 b) 6,023 x 1023 c) 5.000

*Exercício 9

Quantos algarismos significativos existem em cada uma das seguintes medidas?

a) 3,549g b) 2,3 x 104 cm c) 0,00134m3

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Algarismos significativos em cálculos

• Uso de duas regras:

Multiplicação e divisão O resultado deve ser informado com o mesmo número de algarismos significativos da medida com o menor número de algarismos significativos

Ex: área de um retângulo com medidas de comprimento dos lados 6,221cm e 5,2cm

Área = (6,221cm)(5,2cm) = 32,3492 cm2 arredonda-se para 32 cm2

Regras para arredondamento:

a) Se o número mais à esquerda a ser removido é menor que 5, o número antecedente permanece inalterado. Assim arredondando 7,248 para dois algarismos significativos, teremos 7,2

b) Se o dígito mais à esquerda a ser removido é maior ou igual a 5, o número precedente aumenta em 1. Arredondando 4,735 para três algarismos significativos, teremos 4,74 e arredondando 2,376 para dois algarismos significativos teremos 2,4

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Adição e subtração O resultado não pode ter mais casas decimais do que a medida com o menor número de casas decimais

Ex:

20,4 uma casa decimal

1,322 três casas decimais

83 nenhuma casa decimal

104,722 arredonda-se para 105 (zero casas decimais)

Exercício 10:

A largura, o comprimento e a altura de um caixa são 15,5cm, 27,3cm e 5,4cm respectivamente. Calcule o volume da caixa usando o número correto de algarismos significativos em sua resposta

*Exercício 11

São necessários 10,5 s para um velocista correr 100,0m. Calcule a velocidade média do velocista em metros por segundo e expresse o resultado com o número correto de algarismos significativos

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Exercício 12:

Um gás a 25ºC enche um recipiente com um volume predeterminado de 1,05 x 103 cm3. Pesou-se o recipiente com o gás encontrando-se uma massa de 837,6g. O recipiente, quando vazio, tinha uma massa de 836,2g. Qual a densidade do gás a 25ºC?

*Exercício 13

Quantos algarismos significativos deve conter a massa de um recipiente a ser medida (com e sem gás) no exercício anterior para que a densidade seja calculada com três algarismos significativos?

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Fator de conversão

• Fator de conversão é uma fração cujos numerador e denominador são as mesmas grandezas expressas em diferentes unidades. Ex: 2,54 cm = 1 pol.

Essa relação nos permite escrever dois fatores de conversão:

2,54cm e 1 pol.

1 pol. 2,54cm

Utiliza-se o primeiro desses fatores para converter polegadas em centímetros. Ex: converter 8,5 pol. para cm

Nº de cm = (8,5pol.) 2,54cm = 21,6 cm

1 pol.

Regra geral:

Unidade dada x unidade desejada = unidade desejada unidade dada.

//

_______

_______

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Exercício 14:

Se uma mulher tem massa de 115lb, qual é a sua massa em gramas?

*Exercício 15

Determine o comprimento em quilômetros de uma corrida automobilística de 500,00mi

Usando dois ou mais fatores de conversão

Ex: Achar o comprimento em polegadas de um bastão de 8m

Nº de polegadas = (8,00m) 100cm 1 pol. = 315 pol.

1m 2,54cm

///

/

Exercício 16:

A velocidade média de uma molécula de nitrogênio no ar a 25ºC é 515 m/s. Converta essa velocidade para milhas por hora

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Conversões envolvendo volume

Ex: Achar a massa em gramas de duas polegadas cúbicas (2,00 pol.3) de ouro, cuja densidade é 19,3g/cm3.

D = 19,3 g/cm3; Fatores de conversão: 19,3g e 1 cm3 ; 1 cm3 19,3g

1 pol. = 2,54cm (2,54cm)3 = (2,54)3cm3 = 16,39cm3

(1 pol.)3 (1)3pol.3 1 pol.3

Massa em gramas = (2,00 pol3) 16,93cm3 19,3g = 633g 1 pol.3 1 cm3

*Exercício 17:

Um carro roda 28mi com um galão de gasolina. Quantos km ele faz com 1 litro de gasolina?

// //

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*Exercício 19:

a) Calcule a massa de 1,00qt de benzeno considerando sua densidade 0,879 g/mL

b) Se o volume de um objeto é dado como 5,0 ft³, qual é o volume em metros cúbicos

Exercício 18:

Qual a massa em gramas de 1,0 gal de água? A densidade da água é 1,00 g/mL