hipÓtese atÔmicaprofessor.ufabc.edu.br/~hueder.paulo/estrutura da matéria/aula 3...
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Calendário
2
Semana Aulas expositivas
1
07/06
• Introdução ao curso (Informações sobre
provas, conceitos);
• Macro ao micro;
• Teoria atômica.
2
11/06
14/06
• Teoria atômica (continuação).
• Hipótese atômica;
• Equações químicas;
• Substâncias químicas
3
21/06
• Comportamento dos gases;
Calendário
3
Semana Aulas expositivas
4
25/06
28/06
• Evidências do elétron.
• Revisão de ondas;
• Radiatividade;
• Modelos atômicos.
5
05/07
• Dualidade onda-partícula;
• Função de onda;
Calendário
4
Semana Aulas expositivas
6
09/07
12/07
• Orbitais atômicos;
• Spin do elétron, princípio da exclusão de Pauli
e regras de seleção;
• Prova 1
7
19/07
• Átomos multi-eletrônicos;
• Distribuição eletrônica;
• Tabela periódica.
8
23/07
26/08
• Ligações químicas (Parte I).
• Interações Moleculares;
Calendário
5
Semana Aulas expositivas
9
02/08 • Ligações Químicas (Parte II): TLV e TOM.
10
06/08
09/08
• Prova 2
• Prova Substitutiva
11
16/08 • REC
Método Científico: Revisão
6
Precisão e Exatidão de Medidas Experimentais
A incerteza na medida
1. Todas as medidas científicas estão sujeitas a erro;
2. Esses erros são refletidos no número de algarismos informados
para a medida.
Precisão e exatidão
1. As medidas que estão próximas do valor “correto” são exatas;
2. As medidas que estão próximas entre si são precisas.
7
Estados da Matéria
8
Hipótese Atômica
O conceito de átomo antecede a ciência moderna:
Origem na antiga Grécia;
Discussão da divisibilidade de matéria;
A partir do século XVII – avanços da ciência na explicação de fenômenos naturais – metodologia científica.
9
No séc. V e III a.C., conjecturou-se que a matéria seria composta
de partículas minúsculas e indestrutíveis que caminham no vazio
(vácuo).
O filósofo grego Demócrito no século VI a. c. propôs a hipótese de
que a matéria é composta de átomos, partículas muito pequenas,
indivisíveis, indistingüíveis e eternas. As diferentes propriedades
da matéria viriam dos diferentes tipos de arranjos que essas
partículas fariam para compor o objeto.
Demócrito
(460 a.C-370 a.C)
Leucipo Epicuro
(341 a.C-270 a.C)
Hipótese na Antiquidade
Os átomos de
várias formas
10
Até o século XVII prevaleceu a ideia dos 4 elementos primordiais:
Água;
Fogo;
Terra;
Ar.
Folha de papel: terra, pois a folha cai caso seja solta. Um pouco de
água, o que a torna maleável. E, de fogo, pois sua cor é branca.
Conceito de Elementos
11
Boyle define elementos como sendo
certos corpos não formados por
quaisquer outros corpos, ou seja, são
ingredientes dos quais todos os
corpos são feitos.
Conceito de Elementos
Robert Boyle
(1627-1691)
12
Evolução da química: estudos qualitativos
ciência exata, estudos quantitativos.
Séc. XVIII: contribuição de Lavoisier para a
sistematização e quantificação da química.
“Um elemento químico é a menor porção
de uma substância que ainda apresenta
as mesmas propriedades químicas e não
pode ser subdividido e outros
elementos”.
Origens da Teoria Atômica e da Química
Antoine Lavoisier
(1743-1794)
13
Modelo Atômico de Dalton
John Dalton
(1766-1844)
1803: Lei dos Gases – Lei de Dalton
Absorption of gases
by water and others
liquids
Quantidade de gás
absorvido pela água Gás
1/13 = 1 H2CO3, H2S, N2O
1/23 = 1/8 C2H4
1/33 = 1/27 O2, N2
1/43 = 1/64 H2, CO2
1 2 3 ...totalP P P P
“A pressão total de uma mistura de gases é igual
à soma das pressões parciais dos gases que a
constituem”.
14
Modelo Atômico de Dalton
1808: Lei de Dalton
New system of chemical
philosophy
“Se a massa m de uma substância química S
pode combinar-se com as massas m’1, m’2, m’3
etc. de uma substância S’, dando origem a
compostos distintos, as massas da substância S’
estarão entre si numa relação de números
inteiros e simples”.
15
Os átomos são partículas reais, descontínuas e indivisíveis de matéria, e permanecem inalterados nas reações químicas;
Todos os átomos de um mesmo elemento apresentam as mesmas propriedades. Átomos de diferentes elementos químicos têm propriedades químicas diferentes;
O peso do composto é igual à soma dos pesos dos átomos dos elementos que o constituem.
Durante uma reação química, nenhum átomo de determinado elemento desaparece ou se transforma em um átomo de outro elemento. Os átomos apenas se reagrupam (lei da conservação de massas);
Formam-se substâncias compostas quando se combinam átomos distintos de mais de um elemento. Num dado composto químico, os números relativos de átomos de cada elemento são definidos e constantes e podem expressar-se como inteiros ou frações simples (lei das proporções definidas e múltiplas).
Modelo Atômico de Dalton
16
1) Lei da conservação das massas;
2) Lei das proporções definidas;
3) Lei das proporções múltiplas;
4) Lei das Combinações Volumétricas.
Bases Experimentais para a Teoria Atômica
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A massa total é a mesma antes e após uma reação química
“Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se
transforma”.
A conservação de massas é compatível com a ideia de
que a matéria é composta por unidades básicas
(átomos), que não são criados e nem destruídos durante
uma transformação química, e sim apenas rearranjados.
CH4 + 2 O2 —→ CO2 + 2 H2O
Lei da Conservação das massas
18
Todas as amostras puras de um dado composto,
independente de suas origens, contêm as mesmas
massas relativas de cada componente elementar.
proporções em termos de massa na água:
11,1 % de hidrogênio + 88,9 % de oxigênio
O fato de as composições das substâncias serem bem
definidas é compatível com a ideia de que elas são
compostas por átomos de diferentes tipos. Diferentes
átomos combinam-se em proporções definidas e cada tipo
de átomo possui uma massa característica.
Lei das Proporções Definidas
19
Se dois elementos formam mais de um composto,
então os diferentes pesos de um deles que se
combinam com o mesmo peso do outro guardam entre
si uma razão de números inteiros simples.
Ex.: oxigênio e enxofre formam dois compostos binários...
composto 1: mO(comp 1) / mS = 1
composto 2: mO(comp 2) / mS = 1,5
mO(comp 1)/mO(comp 2) = 2/3
... de fato, os compostos são SO2 e SO3, respectivamente.
Lei das Proporções Múltiplas
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Lei de Gay-Lussac: “À pressão e temperatura
constantes, os volumes de gases que se
combinam quimicamente guardam entre si
proporções simples”.
1m³ de gás hidrogênio
+
1m³ de gás oxigênio
= 2m³ de vapor de água
1m³ de gás nitrogênio
+
3 m³ de gás hidrogênio
= 2m³ de vapor de amônia
1m³ de gás hidrogênio
+
1m³ de gás cloro
= 2m³ de cloreto de hidrogênio
Lei das Combinações Volumétricas
Louis Joseph Gay-
Lussac
(1778-1850)
21
“Tem que ser admitido que uma relação
muito simples também existe entre os
volumes de substâncias gasosas e o
número de moléculas simples ou
compostas que as constituem”.
“A primeira hipótese a se apresentar em
relação a isso, e aparentemente a única
admissível, é a suposição de que o número
de moléculas integrantes em qualquer gás
é sempre o mesmo para volumes iguais ou
é sempre proporcional ao volume”.
Avogadro, A. Citado em Partington, J.R. A History of Chemistry: London: MacMillan, 1964, v. 4, p. 214.
Hipótese de Avogadro (1811)
Amedeo Avogadro
(1776-1856)
22
Podemos combiná-las em uma lei geral dos gases:
• Lei de Boyle:
• Lei de Charles:
• Lei de Avogadro:
Lei dos Gases (tema da próxima aula...)
23
1 mol de átomos = 6,02 × 1023 átomos
Unidades Básicas do Sistema Internacional
constante de Avogadro (número de átomos presentes em 12 g de 12C)
Quantidade de Matéria e Conceito de Mol
24
Espectrometria de massas
Massa do carbono-12 igual a
1,99265x10-23. Portanto, o
número de átomos presentes
em 12 g de carbono-12 é:
1 mol de qualquer elemento,
íons, ou moléculas, contém
cada um 6,0221x1023 átomos,
íons e moléculas,
respectivamente.
Quantidade de Matéria e Conceito de Mol
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1 mol de átomos = 6,02 × 1023 átomos
Número de grãos de areia numa quadra de vôlei de praia: ~ 5 ×
1011
C 12 g
S 32 g
Pb 207 g
Hg 201 g
Cu 64 g
1 Mol de Átomos de Diversos Elementos
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Processo no qual uma ou mais substâncias se convertem em
outras substâncias.
Reação Química
Evidências:
Formação de um gás a partir de líquidos ou sólidos;
Formação de um sólido a partir de líquidos ou gases;
Mudança de cor;
Aparecimento de um cheiro característico;
Variação de temperatura;
Aparecimento de uma chama;
Desaparecimento das substâncias iniciais.
27
H2 + O2 → H2O
1° passo: representação de átomos e moléculas envolvidos na
reação
H + O → H2O
INCORRETO:
as substâncias hidrogênio e
oxigênio não são formadas
por átomos isolados, e sim
por moléculas diatômicas
hidrogênio + oxigênio → água
CORRETO:
porém ainda incompleto
(falta o balanceamento)
Equações Químicas
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2° passo: balanceamento da equação (encontrar a proporção entre os
componentes, de modo que nenhum átomo seja criado nem destruído
durante a reação química)
hidrogênio + oxigênio —→ água
H2 + ½ O2 —→ H2O
2 H2 + O2 —→ 2 H2O H2 + O2 —→ H2O2
CORRETOS
INCORRETO:
H2O2 representa a
substância peróxido de
hidrogênio, e não água
H2O2 2 H2O
Equações Químicas
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Relações de massa entre os componentes de uma reação química:
LEI DA CONSERVAÇÃO DE
MASSAS
CH4 + 2 O2 —→ CO2 + 2 H2O
1 mol 2 mol 1 mol 2 mol
16 g 2 × 32 g 44 g 2 × 18 g
massa dos reagentes: 80 g massa dos produtos: 80 g
Estequiometria
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Exemplo: Se forem reagidos 0,25 mol de gás oxigênio (O2) com o
gás hidrogênio (H2), quantos mols de água (H2O) serão produzidos
pelo ônibus espacial?
Estequiometria
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Resolução: A reação química dada é a seguinte:
Estequiometria
H2(g) + O2(g) → H2O(l)
Pela reação química, podemos estabelecer a relação molar de O2
para H2O:
1 mol de O2 2 mol de H2O
Agora basta encontrarmos quantos mols de H2O são produzidos
com 0,25 mol de O2:
2H2(g) + 1O2(g) → 2H2O(l)
Como pela lei da conservação de massas a quantidade de produtos
deve ser igual a de reagentes, precisamos balancear a equação:
1 mol de O2 2 mol de H2O
0,25 mol de O2 x mol de H2O
x = 0,5 mol de H2O 32
Exercício: (a) Que massa de óxido de ferro (III) , Fe2O3, presente no
minério de ferro é necessário para produzir 10 g de ferro (Fe) ao ser
reduzida por monóxido de carbono (CO) ao metal ferro e ao gás
dióxido de carbono (CO2) em um alto forno? (b) O dióxido de carbono
produzido também deve ser monitorado para proteção do ambiente.
Que massa de dióxido de carbono é liberada na produção de 10 g de
ferro?
Estequiometria
Massas molares: Fe (56 g/mol), C (12 g/mol), O (16 g/mol).
Resposta: 14,28 g de Fe2O3.
33
1. Espécie de átomos, todos os átomos com o mesmo número
de prótons no núcleo;
2. A substância química pura constituída por átomos com o
mesmo número de prótons no núcleo. Às vezes, este
conceito é chamado de “substância elementar”, distinta do
conceito de elemento químico tal como definido no ítem 1.
Usualmente, o termo elemento químico é usado para ambos
os conceitos.
Elemento Químico: Conceito IUPAC
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Matéria de composição constante, caracterizada pelas entidades
(moléculas, unidades de fórmula, átomos) de que é constituída.
Propriedades físicas, como densidade, índice de refração,
condutividade elétrica, ponto de fusão, etc caracterizam a
substância química.
Substâncias simples: formadas por átomos do mesmo elemento.
Substância Química
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Substâncias compostas: formadas por dois ou mais elementos.
Substância Química
Marcel Proust
(1871-1922)
Lei de Proust
"Uma determinada substância composta é
formada por substâncias mais simples, unidas
sempre na mesma proporção em massa".
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Formada por duas ou mais substâncias, cada uma delas sendo
denominada componente.
Como as misturas apresentam composição variável, têm
propriedades — como ponto de fusão, ponto de ebulição,
densidade — diferentes daquelas apresentadas pelas substâncias
quando estudadas separadamente.
Mistura
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Composição do ar:
• gás nitrogênio (N2) = 78%;
• gás oxigênio (O2) = 21%;
• gás argônio (Ar) = 1%;
• gás carbônico (CO2) = 0,03%.
Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.
Mistura
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Fase: cada uma das porções que apresenta aspecto visual
homogêneo (uniforme), o qual pode ser contínuo ou não,
mesmo quando observado ao microscópio comum.
Tipos de Misturas
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Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase
As misturas homogêneas são chamadas soluções;
Alguns exemplos: água de torneira, vinagre, ar, álcool
hidratado, pinga, gasolina, soro caseiro, soro fisiológico e
algumas ligas metálicas;
Além dessas, todas as misturas de quaisquer gases são
sempre misturas homogêneas.
Tipos de Misturas
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Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas
fases
Alguns exemplos: água e óleo, areia, granito, madeira,
sangue, leite, água com gás;
As misturas formadas por n sólidos apresentam n fases, desde
que estes sólidos não formem uma liga ou um cristal misto.
Tipos de Misturas
Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.
41
açúcar + água: moléculas individuais dispersas
no solvente
óleo + sabão + água: aglomerados de moléculas
de óleo (pequenas gotas) dispersas em água
tamanho das partículas: ordem de 0,1 – 1 nm
(moléculas pequenas)
tamanho das gotas: ordem de 50 nm – 1 m
Soluções versus Emulsões
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SOLUÇÃO EMULSÃO
Efeito Tyndall
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espalhamento de luz
Efeito Tyndall
John Tyndall
(1820-1893)
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Desafio: A ferrugem é uma mistura de dois compostos de ferro.
Em uma peça de ferrugem foram analisados esses dois
compostos e verificou-se dois arranjos possíveis de ferro, oxigênio
e hidrogênio: (1) com 52.12% de ferro, 45.04% de oxigênio e
2.84% de hidrogênio; (2) com 62.20% de ferro, 35.73% de
oxigênio e 2.25% de hidrogênio (porcentagens de massa!).
Identifique os compostos químicos e, como esses dados estão
relacionados com a lei das proporções múltiplas?
Massas molares em g/mol: Fe (56); O (16), H (1)
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