manual de quimica geral

Manual de Apontamentos

Qumica Geral

NDICE GERAL

1. ELEMENTOS, MISTURAS E COMPOSTOS......................................................................3

2. TEORIA ATMICA......................................................................................................19

Classificao da matria..................................................................................................................3 Substncias puras............................................................................................................................3 1.1.1. Estado de agregao da matria.........................................................................................4 1.1.2. Mudanas de estados fsicos..............................................................................................4 1.1.4. Caractersticas dos estados de agregao..........................................................................5 1.1.5. Propriedades das substncias puras....................................................................................6 Misturas ..........................................................................................................................................7 1.2.1. Alguns mtodos de separao de misturas ou processos de anlise imediata....................7 Diferenas entre composto e mistura..............................................................................................8 Solues..........................................................................................................................................9 Estequiometria...............................................................................................................................10 1.5.1. Balanceamento de equaes qumicas.............................................................................10 1.5.2. Clculos estequiomtricos...............................................................................................13

a. b. c. d. e. f.

3. TERMODINMICA QUMICA........................................................................................46

Estrutura do tomo ....................................................................................................................19 Modelo atmico de Bohr............................................................................................................24 O carcter dual onda-partcula....................................................................................................27 O princpio de incerteza de Heisenberg.....................................................................................28 A equao de onda de Schrdinger............................................................................................29 Classificao peridica dos elementos........................................................................................33 2.6.1. Propriedades peridicas....................................................................................................34 g. Ligao qumica e estrutura das molculas................................................................................37 2.7.1. Tipos de Ligao..............................................................................................................37 2.7.2. Estrutura das molculas....................................................................................................41 i. Termoqumica..........................................................................................................................46 ii. Teoria Cintica (Teoria das Colises).....................................................................................46 iii. Grfico de Entalpia................................................................................................................47 iv. Equao Termoqumica.........................................................................................................47 7.4.1. Reaco Endotrmica.......................................................................................................48 7.4.2. Reaco Exotrmica.........................................................................................................48 v. Tipos de Calor (Variao de Entalpia) ...................................................................................48 3.5.1. Entalpia de Formao (H formao)............................................................................48 3.5.2. Entalpia de Decomposio (Hdecomp)........................................................................49 3.5.3. Entalpia de Ligao (Hlig)...........................................................................................49 3.5.4. Entalpia de Dissociao (Hdissoc)...............................................................................49 vi. Clculo de H Reaco(HR)............................................................................................49 vii. Estequiometria Envolvendo Calor das Reaces..................................................................50 viii. Lei de Hess (1840)...............................................................................................................50 h. Regras de manipulao de equaes termoqumicas.................................................................504. CINTICA QUMICA....................................................................................................51

i. Teoria Cintica (Teoria das Colises)......................................................................................52 ii. Factores que Influenciam a velocidade duma reaco qumica..............................................52 4.2.1. Natureza dos reagentes.....................................................................................................52 4.2.2. Superfcie de contacto (estado de diviso dos reagentes)................................................53 4.2.3. Temperatura.....................................................................................................................53 4.2.4. Concentrao dos reagentes.............................................................................................53 4.2.5. Presso e/ou Volume........................................................................................................53

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4.2.6. Catalisador........................................................................................................................53 4.2.7. Luz...................................................................................................................................54 iii. Definio da Velocidade........................................................................................................54 4.3.1. Velocidade mdia ( Vmed)..............................................................................................54 4.3.2. Velocidade instantnea (V)..............................................................................................55 iv. Lei de Aco de Massas ou Lei de Guldgerg e Waage..........................................................555. EQUILBRIO, CIDOS E BASES...................................................................................55

6. REACES REDOX E ELECTROQUMICA....................................................................72

EQUILBRIO QUMICO.............................................................................................................55 5.1.1. Reversibilidade.................................................................................................................55 5.1.2. Reversibilidade e Equilbrio qumico...............................................................................55 5.1.3. Deslocamento do equilbrio.............................................................................................56 Princpio de Le Chatelier............................................................................................................56 5.1.4. Factores que Influenciam o estado de equilbrio qumico................................................56 a) Influncia da Temperatura....................................................................................................57 b) Influncia da concentrao ....................................................................................................57 c) Influncia da presso ou do volume......................................................................................57 5.1.5. Constante de Equilbrio....................................................................................................57 Solues electrolticas...................................................................................................................58 5.2.1. Grau de ionizao ().......................................................................................................58 cidos e bases...............................................................................................................................59 5.3.1. Clculo da concentrao dos ies H+ e OH- em solues de cidos e bases fortes e fracos............................................................................................................................................64 5.3.2. Hidrlise...........................................................................................................................67 5.3..3. Soluo-tampo...............................................................................................................70 Alguns conceitos importantes....................................................................................................72 Regras para a determinao do estado de oxidao de uma espcie..........................................75

Anexos.........................................................................................................................79

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1. ELEMENTOS, MISTURAS E COMPOSTOS oClassificao da matria

Matria

Substncia Pura

Mistura

Homognea

Heterognea

Substncia Composta

Substncia Simples

Simples Elementar

Simples Composta

o

Substncias puras

Substncia pura, ou simplesmente substncia, uma forma de matria com composio fixa e propriedades (caractersticas) definidas. Isto quer dizer que uma substncia constituda sempre pelos mesmos tomos. Esses tomos esto sempre na mesma quantidade. Por isso, as caractersticas de uma substncia no mudam. Assim, as substncias podem ser:

a) Substncias simples elementares so as que se podem encontrar na natureza sobforma monoatmica. Ex: Zn, C, Sr, Al.

b) Substncias simples compostas - so as que se podem encontrar na natureza sobforma de dois ou mais tomos iguais. Ex: H2, O2, O3, N2, P4, S8, F2, Cl2. H elementos que se encontram em formas diferentes, chamam-se variedades

alotrpicas. So substncias simples constitudas pelo mesmo tipo de tomos, mas em quantidades diferentes. Em alguns casos, at nas mesmas quantidades, mas com propriedades fsicas diferentes. Este fenmeno designa-se alotropia. Ex: P O C

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P4 Fsforo Branco

P Fsforo Vermelho

O2 Oxignio

O3 Ozono

C Grafite

C Diamante

Substncias compostas ou compostos - constitudas por dois ou mais elementos. Portanto, contm pelo menos dois tipos de tomos. Ex: CO2, H2O, CaCO3, C12H22O11, Ag(NH3)2Cl. Existem apenas 10 substncias simples moleculares (H2, N2, O2, O3, P4, S8, F2, Cl2, Br2 e I2). Quanto natureza da sua estrutura, os compostos podem ser inicos ou moleculares. Como as substncias simples e compostas tm sempre uma composio fixa, elas so representadas por frmulas qumicas. Ex: H2, H2O, CaO. 1.1.1. Estado de agregao da matria A matria encontra-se em trs estados fsicos: slido, lquido e gasoso. Dependendo da temperatura considerada, uma mesma substncia pode estar nestes trs estados de agregao. Isto quer dizer que cada estado fsico da matria pode passar para outros dois. Ex: a gua, dependendo da temperatura ( presso normal) pode estar no: Estado Slido PF Temperatura 0C 273 Ko

Lquido PE

Gasoso

100 oC 373 K

1.1.2. Mudanas de estados fsicos5

1

3

Slido

Lquido

Gs

2

4

6

4

Manual de Apontamentos Legenda 1. Fuso 2. Solidificao (congelao) 3. Vaporizao (ebulio) 4. Condensao 5. Sublimao Progressiva 6. Sublimao Regressiva

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T G L+G4 5

L S+L2

3

S

1

calor

Q

Nas etapas 1, 3 e 5, o calor fornecido serve para aumentar a energia cintica. Nas etapas 2 e 4, o calor fornecido serve para quebrar as foras entre as partculas. A temperatura (T) mantm-se constante at concluir-se a mudana de estado fsico. Ponto de fuso a temperatura na qual a matria passa do estado slido para lquido ou inversamente. temperatura da etapa 2. Ponto de ebulio a temperatura em que a matria passa de lquido a gs ou inversamente. temperatura da etapa 4.

1.1.4. Caractersticas dos estados de agregao Estado Slido. As foras de atraco so relativamente maiores As partculas esto em posies bem fixas Tem forma fixa e volume constante Movimentos das partculas (rotao e vibrao) As distncias entre as partculas so relativamente menores.

Estado Lquido

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Manual de Apontamentos As foras de atraco so relativamente menores que os slidos As partculas podem deslocar-se, no esto fixas No tem forma fixa (ganha a forma da parte do recipiente que ocupa) Tem volume constante Movimentos das partculas (vibrao, rotao e translao) As distncias entre as partculas so maiores que nos slidos

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Estado Gasoso As foras de atraco so muito menores (mnimas) As partculas movimentam-se livremente, ocupando todo o volume disponvel No tem forma fixa, ganha a forma do recipiente O volume tambm varivel. Pode-se comprimir ou expandir Movimentos das partculas (vibrao, rotao e translao) As distncias entre as partculas so mximas

Movimento de Translao um movimento da partcula em torno do seu centro de simetria. Movimento de Vibrao um movimento oscilatrio, durante o qual as ligaes entre os partculas prolongam-se e encurtam-se. Movimento de Translao um movimento que consiste no deslocamento da partcula. 1.1.5. Propriedades das substncias puras Como uma substncia tem sempre o mesmo tipo e a mesma quantidade de tomos, as suas propriedades so sempre as mesmas. Assim, as substncias podem ser identificadas a partir dessas suas propriedades que so imutveis. Essas propriedades podem ser fsicas ou qumicas. As propriedades fsicas so as que podem ser detectadas sem que a substncia seja transformada em outra. Dentro destas, tambm, podemos distinguir as organolpticas. Ex: cor; cheiro; densidade; ponto de fuso (PF); ponto de ebulio (PE). Propriedades qumicas so aquelas que correspondem a transformao da substncia em outra(s). As propriedades qumicas esto relacionadas com as reaces qumicas. Ex: combustibilidade ou comburncia ( propriedade de substncia que arde) Para identificar uma substncia no basta conhecer uma nica propriedade: necessrio conhecer o maior nmero de propriedades. Dizer que uma substncia incolor, no nos leva a concluir que essa substncia gua, pois h vrias substncias incolores. Para identificar a gua pura, temos que encontrar um lquido incolor, inodoro, inspido, que no conduz corrente elctrica, com densidade = 1g/cm3, PF = 0oC, PE = 100oC. Sempre que quiser saber o estado de congregao de uma substncia a certa temperatura (Tx), deve comparar essa temperatura com o ponto de fuso (Pf) e ponto de ebulio (Peb) dessa substncia.

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Manual de Apontamentos Se Tx < Pf < Peb a substncia est no estado slido; Se Pf < Tx < Peb a substncia est no estado lquido; Se Pf < Peb < Tx a substncia est no estado gasoso. Temperatura absoluta (Kelvin)

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T (K) = t (oC) + 273,15

Exerccio: indicar os estados de agregao das substncias abaixo temperatura ambiente (25 oC). Composto Bromo Sulfureto de Hidrognio cido benzico Pf (K) 266 188 395 P.eb (K) 371 213 522 estado temp. ambiente 25 + 273 = 298 K Lquido Gasoso Slido

o

Misturas

As misturas so formas da matria cuja composio pode variar. As propriedades de uma mistura dependem da composio. Uma mistura constituda por substncias. As misturas podem ser homogneas ou heterogneas. So Misturas Homogneas as que tm a mesma aparncia em todo o seu volume. Isto acontece quando a composio e as propriedades em cada ponto de uma mistura so as mesmas. Exemplo: gua e sal, gua e acar, gin, cerveja.

Misturas Heterogneas so as que no tm a mesma composio, nem as mesmas propriedades em cada ponto da mistura. Por isso, tem aparncia diferente em diferentes pontos do seu volume. Exemplo: gua e areia, salada, sopa.

1.2.1. Alguns mtodos de separao de misturas ou processos de anlise imediata As misturas, diferentemente das substncias, podem ser separadas nos seus componentes atravs de processos fsicos. Esses meios fsicos so conhecidos como mtodos de separao de misturas. Destacam-se: 1. Peneirao: baseia-se na diferena do tamanho das partculas. Usa-se, geralmente, para separar um slido de outro slido. Ex: separar mistura de arroz e acar.

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2. Decantao: separa as misturas por fora de gravidade. Baseia-se na diferena das densidades. Usa-se, geralmente, para separar um lquido e um slido no dissolvido. Ex: separar mistura de p de giz e gua. 3. Centrifugao: um tipo de decantao que se realiza com equipamento adequado, chamado centrifugador. Consiste na separao de um lquido e um slido no dissolvido por rotao rpida no centrifugador. Baseia-se na diferena de densidades. Ex: separar mistura de p de giz e gua. 4. Vaporizao ou evaporao: baseia-se na diferena de volatilidades (pontos de ebulio) dos componentes. Usa-se para separar lquidos entre si, ou ainda para separar um lquido e um slido nele dissolvido. Tanto pode realizar-se esta separao por aquecimento da mistura usando chama ou expondo a mistura ao sol. Ex: separar mistura de gua e etanol ou mistura de sal e gua (gua do mar) 5. Destilao: tambm baseia-se na diferena de volatilidades dos componentes. Usa-se para separar liquidos entre si, ou ainda para separar um lquido e um slido nele dissolvido. Realiza-se somente por aquecimento atravs de fonte artificial de calor, como uma chama. Ex: separar mistura de gua e etanol ou mistura de sal e gua (gua do mar) 6. Extraco: baseia-se na diferena de solubilidade entre os componentes da mistura num dado solventee, isto , na afinidade de um dos componentes com o agente de extraco. Ex: separar sal e areia. Pode-se usar gua como agente de extraco. O sal dissolve-se, mas a areia no. 7. Cromatografia: baseia-se na diferena de velocidades entre os componentes da mistura. Um dos componentes mais mvel que o outro num mesmo meio. Ex: separar os diferentes pigmentos que compe a tinta de uma esferogrfica.

o

Diferenas entre composto e mistura Mistura Composto No mantm as proprieades dos seus propriedades O PF, o PE e a densidade so caractersticas de cada substncia Os componentes combinam-se em propores fixas substncia Obtm-se por combinao de substncias Tem frmula qumica Pode ser decomposto em seus elementos (processo qumico)

Mantm as propriedades dos seus propriedades O PF, o PE e a densidade so variveis Os componentes misturam-se em propores variveis No substncia Obtm-se por juno de substncias No tem frmula qumica Pode ser separada em seus componentes (processo fsico)

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o

Solues

A soluo uma fase (slida, lquida ou gasosa) formada por mais de um componente em quantidades que podem variar dentro de certos limites. Normalmente numa soluo existe um componente presente em quantidades superiores s das restantes (o solvente), o qual dissolve os restantes componentes (solutos). Numa soluo o estado de agregao dos componentes dissolvidos normalmemte diferente do da soluo, p.ex. a soluo aquosa de NaCl, soluo de hidrognio em ferro, etc. Tal como vimos com os gases, a soluo pode apresentar um componente ideal ou real. A existncia de um comportamento ideal ou real depende essencialmente da natureza das foras de interaco entre as partculas. Este aspecto pode ser melhor ilustrado se tomarmos como exemplo um sistema binrio formado pelos componentes A e B. No estudo deste sistema vamos ter que considerar as foras de interaco A - A, B - B e entre A - B. Dependendo da relao das foras de interaco entre tomos idnticos ou diferentes podem-se diferenciar 3 casos: a) A B = A A = B B b) A B > A A e/ou B B c) A B < A A e/ou B B No caso a) temos foras de interaco idnticas entre tomos iguais e entre tomo diferentes. Um sistema deste tipo comporta-se como um sistema ideal. Durante a mistura de dois ou mais componentes para a formao duma soluo ideal: - no h um efeito trmico (H = 0) como resultado do surgimento de novas interaces pois o efeito trmico associado s novas interaces A-B idntico, mas de sinal contrrio, ao do rompimento das interaces A - A e B - B, - nem variao de volume (V = 0).

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o

Estequiometria No incio do estudo dos processos qumicos aprendemos a usar, para a sua descrio, as

reaces qumicas. A reaco qumica pode ser definida como um processo onde uma ou mais substncias (os reagentes) so transformados em outras substncias (os produtos). Esta transformao pode resultar de um rearranjo, uma combinao ou separao dos tomos existentes nas substncias que formam o ponto de partida da transformao (os reagentes). Para representar esta reaco os qumicos usam a chamada equao qumica. Tal como na equao matemtica, temos na equao qumica, dois membros: um a esquerda e outro direita. No lugar do sinal de igualdade que aparece entre os dois membros na equao matemtica Y= ax + b, na equao qumica usam-se os smbolos e para uma reaco reversvel, tal como se pode ver, a ttulo de exemplo, nas duas reaces indicadas a seguir referentes formao da gua H2 + O2 H2O e reaco do cido actico com a gua CH3COOH + H2O CH3COO-

para uma reaco irreversvel

+ H3O+

Escrita nesta forma simples, a equao qumica somente nos diz que as substncias reagentes esquerda podem ser transformadas para formar os produtos direita. Esta equao no nos diz em que condies a reaco em questo ocorre, quais os estados de agregao das substncias envolvidas, se a reaco rpida ou lenta (aspecto tratado pela cintica qumica), se ela requer energia para a sua ocorrncia ou se tem lugar sob libertao de energia (aspecto tratado pela termoqumica), nem qual a quantidade dos reagentes necessria para formar uma certa quantidade de produtos.

Este ltimo aspecto objecto de estudo da estequiometria, parte da qumica que se dedica ao estudo das relaes quantitativas entre os reagentes e os produtos envolvidos numa certa reaco qumica.

1.5.1. Balanceamento de equaes qumicas O estudo das relaes quantitativas entre os reagentes e os produtos assenta na lei de conservao da matria, formulada pelo cientista francs Antoine Lavoisier: - A matria no pode ser criada nem destruda.

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Isto significa que a massa dos reagentes introduzidos num reactor para formar produtos determinados deve ser constante no final. Isto vlido para um sistema fechado: Sistema que no troca matria com o ambiente. Durante o processo tem lugar uma transformao que pode ter como base rearranjos, combinao ou separao de tomos, mas a massa total permanece constante. Segundo Dalton: Todos os tomos de um dado elemento tm sempre a mesma massa. tomos de elementos diferentes tm massas diferentes. Durante uma reaco qumica no h destruio nem criao de tomos. Eles so combinados, separados, sofrem rearranjos de acordo com a estrutura do produto que se pretende obter. Se os tomos no so criados e nem destrudos, o nmero de tomos, de um determinado elemento, presentes nos reagentes deve ser igual ao nmero de tomos desse mesmo elemento presentes nos produtos. Tendo em conta que cada tomo de um elemento tem uma massa bem definida, caracterstica do elemento em questo, para alm da conservao do nmero de tomos de cada elemento numa reaco, passamos a ter tambm uma conservao da massa de cada elemento que entra na reaco. Como a massa dos reagentes e dos produtos representa o somatrio das massa dos elementos presentes, e tomando como base o descrito no pargrafo anterior, o balano mssico global formulado a partir da lei de conservao da massa pode ser desdobrado para considerar a conservao da massa de cada elemento interveniente no processo e consequentemente a conservao do nmero de tomos de cada elemento interveniente. Vejamos a ttulo de exemplo a reaco de combinao de hidrognio e oxignio para formar a gua: H2 (g) + O2 (g) H2O (l) No de tomos de Hidrognio N de tomos de Oxignio Balano mssico:o

2 0

0 2

=

2 1 18 g

2 g + 32 g

Enquanto que o nmero de tomos de hidrognio igual em ambos os lados, o nmero de tomos de oxignio diferente. Tal resulta do facto de a molcula de oxignio conter 2 tomos e na molcula da gua termos somente 1 tomo de oxignio. Se no lugar de 1 molcula usarmos molcula de oxignio, passamos a ter: H2 (g) + O2 (g) H2O (l) N de tomos de Hidrognio: N de tomos de Oxignio: Balano mssico:o o

2 0

0 1

= = =

2 1 18 g

2 g + 16 g

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Neste ltimo caso observada a lei de conservao da massa de Lavoisier e a igualdade do nmero de tomos (e consequentemente as respectivas massas) de cada elemento interveniente no processo. Apesar de espelhar correctamente a lei da conservao da massa, a equao anterior pode ser transformada para evitar trabalhar com nmeros fraccionrios, pois em termos prticos no faz muito sentido fsico trabalhar com a fraco de uma molcula. Assim, a transformao feita (para o presente caso) multiplicando ambos os lados da equao por 2, aco que no altera a validade da lei de conservao da massa e ficamos com a equao: 2 H2 (g) + O2 (g) H2O (l) Esta equao conhecida como a equao balanceada do processo e reflecte o principio de conservao da massa. Os nmeros que antecedem, na equao, as espcies envolvidas so denominados coeficientes estequiomtricos. Estes, indicam no geral, o nmero de moles de cada espcie envolvida no processo. Se voltarmos a multiplicar ambos os lados da equao indicada atrs por um nmero qualquer, vamos voltar a obter uma equao balanceada. As equaes balanceadas representam a base para qualquer clculo de natureza quantitativa num processo qumico. So aplicadas no s para os clculos de massa, mas tambm para os clculos de entalpia, clculos cinticos, etc. O balanceamento de uma reaco qumica deve obedecer aos seguintes princpios: 1. 2. Verifique se aparecem na sua equao todas as espcies que tomam parte no processo. Durante qualquer processo de balanceamento de uma equao, nunca se deve alterar as frmulas (identidade) dos compostos que l aparecem, pois estas so nos prescritas pelo processo que tem lugar. Ao comear a balancear uma equao, ns temos (ou temos de ter) j definidos quais so os reagentes e quais so os produtos da reaco. 3. Preste, na fase inicial, pouca ateno ao acertos dos coeficientes de espcies monoatmicas. Dada a sua natureza (de espcies monoatmicas), elas podem ser acertadas na fase final, sem alterar o balanceamento j realizado das restantes espcies. 4. Se temos espcies quepresentes na forma de grupos de tomos, como por exemplo ies poliatmicos, que aparecem em ambos os lados da equao, melhor fazer o seu balanceamento na forma em que eles aparecem e no tentar balancear cada tipo de tomo individualmente. 5. Durante o balanceamento, identifique primeiro a espcie mais complexa e inicie o balanceamento comeando por essa espcie. Vamos tentar aplicar os princpios enumerados atrs no acerto das equaes que se seguem: a) Balance a reaco Cu + O2 Cu2O

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- Vamos colocar o coeficiente 2 antes do tomo de cobre a equerda para acertar o nmero de tomos de cobre 2 Cu + O2 Cu2O - Poderiamos em seguida colocar antes da molcula de oxignio esquerda para acertar os tomos de oxignio e teramos assim o problema resolvido. Contudo, tal contraria o seguinte: a equao mais aceite , por conveno, aquela que tem como coeficientes estequiomtricos os menores nmeros inteiros. - A equao fica ento acertada se multiplicarmos os dois termos onde temos cobre por dois e obtemos ento a equao 4 Cu + O2 2 Cu2O

b) Balance a reao

CaCl2 + AgNO3 AgCl + Ca(NO3)2

- Coloque o coeficiente 2 antes da molecula de AgNO3 para acertar os nitratos CaCl2 + 2 AgNO3 AgCl + Ca(NO3)2 - Ao acertar os nitratos desacertamos o nmero de tomos de prata. Para acert-los vamos colocar o coeficiente dois antes da molecula de AgCl CaCl2 + 2AgNO3 2AgCl + Ca(NO3)2 - Ao faz-lo, ficamos com a prata acertada, mas, ao mesmo tempo, notamos que o cloro fica tambm acertado e que o clcio j estava acertado, dando assim por concluido o processo de balanceamento. Em alguns casos pode ser mais til e facilitado proceder ao balanceamento seguindo regras e procedimentos recomendados. Um exemplo, tpico o caso das reaces redox, com um mecanismo complexas. 1.5.2. Clculos estequiomtricos A 1 etapa na realizao deste tipo de clculos a descriao do processo por meio de uma equao balanceada. Normalmente a etapa seguinte assenta na comparao das propores de combinao das diferentes espcies, em termos de massas ou nmero de moles. Dado que as equaes de reaco balanceadas espelham a relaco entre moles das diferentes espcies, transformam-se inicialmente as massas das espcies envolvidas em moles, para facilitar a sua comparao com a proporo em moles dada pela equao de reaco. Mesmo quando os clculos so feitos com as moles, os valores das quantidades de um produtos determinado obtido na reaco so, no geral, convertidos no final para unidades de massa. complexo, onde seguir as recomendaes pode facilitar o processo de balanceamento, pelo menos no caso de reaces que envolvem espcies mais ou menos

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Este aspecto no deve ser entendido como uma imposio para se trabalhar com moles. A comparao anterior, assim como os clculos subsequentes, podem tambm ser feitos directamente com massas. Recomenda-se contudo que esta comparao seja feita com moles pois para alm de ser o recomendado pela IUPAC representa uma forma mais simplificada e fcil de visualizar, sendo por isso a forma mais prtica de trabalho com equaes estequiomtricas. Em alguns livros ou outras fontes de consulta as quantidades de um produto pretendido so calculadas usando factores qumicos. Um factor qumico pode ser definido como a razo de massas ou de moles de substncias envolvidas num determinado processo. Por exemplo, o teor de Bacl2 existente numa amostra pode ser determinado precipitando o Ba2+ da amostra com o SO42-, formando um precipitado de BaSO4 BaCl2 + SO42- 2 Cl- + BaSO4 A partir da massa de precipitado obtida por pesagem, pode-se determinar a quantidade de BaCl2 que levou a formao da quantidade de precipitado pesada e que corresponde a quantidade de BaCl2 existente na amostra, usando a relao mBaCl2 = 0,892 x mBaSO4 O termo 0,892 representa o factor qumico que nos permite calcular a quantidade de BaCl2 existente na amostra a partir da quantidade de sulfato de brio obtido por precipitao. Este factor pode ser facilmente deduzido a partir da relao estequiomtrica ilustrada na equao qumica anterior: BaCl2 + SO42- 2 Cl- + BaSO4(slido)

A partir desta relao pode-se ver que cada mole de BaSO 4 que precipita obtida a partir de 1 mole de BaCl2 . Sabendo que 1 mol de BaSO4 tem uma massa igual a 233,37g e 1 mol de BaCl2 tem uma massa igual a 208,20g, pode-se estabelecer a proporo anterior em massas no lugar do nmero de moles: 208,20 g de BaCl2 causam a precipitaao de 233,37 g de BaSO4 A partir desta relao pode-se ver que a quantidade de BaCl2 (mBaCl2) que causa a precipitao de uma certa massa de BaSO4 (mBaSO4) dada por: mBaCl2 =

M BaSO 4 x mBaSO4 =

M Bacl 2

208 ,20 233 ,37 x mBaSO4 = 0,892 x mBaSO4

A constante de proporcionalidade 0.892 exactamente igual ao factor qumico introduzido atrs. Como se pode ver da relao anterior, o factor qumico representa a razo entre a massa de 1 mol da substncia pretendida sobre a massa de 1 mol da substncia a partir da qual se calcula a massa pretendida, multiplicadas pelos respectivos coeficientes estequiomtricos, obtidos a partir da equao acertada. O factor qumico pode ser definido como a massa da substncia pretendida que equivalente 1 grama da substncia usada para calcular a massa da substncia pretendida.

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P.ex. se pretendermos calcular a quantidade de cloro que leva a formao de uma certa quantidade de AgCl ou a quantidade de Fe que leva a formao de uma quantidade determinada de Fe2O3, os factores qumicos sero exprimidos pelas relaces

M Cl M AgCl

e

2 M Fe M Fe 2O3

respectivamente

Eles representam as massas respectivas de Cl e Fe que so equivalentes 1 g de AgCl ou 1 g de Fe2O3. Em termos prticos podemos dizer que em 1 g de AgCl existem 1g x

M Cl M AgCl

= 1g x

35 .46 = 0.247 g de Cl143 .34

e tambm que em 1 g de Fe2O3 existem 1g x

2 M Fe M Fe 2O3

= 1g x

2 55 .85 = 0.699 g de Fe 159 .70

A massa de uma substncia equivalente a massa de outra substncia se as duas substncias poderem ser directa ou indirectamente relacionadas atravs de uma reaco qumica sob a forma de uma proporo exacta entre as suas massas. Nos exemplos acima podemos ver que 35.46 g de Cl produzem 143.34 g de AgCl, enquanto que 2 55.85 g de Fe produzem 159.70 g de Fe2O3. Deve-se tomar em conta que ao exprimir o factor qumico a massa molar da substncia desejada colocada no numerador, enquanto que a da substncia pesada (dada), que serve de base para o clculo, surge no denominador. Ambas so multiplicadas pelos coeficientes estequiomtricos da reaco (acertada) descritiva do processo. De uma maneira geral, para a realizao de clculos estequiomtricos pode-se seguir o seguinte procedimento: Etapa 1. Escrever a equao balanceada do processo. Etapa 2: Converter a massa conhecida do reagente ou produto em nmero de moles. Etapa 3: Usar a proproo dada pela equao balanceada do processo para clcular o nmero de moles da substncia de interesse. Etapa 4: Converter, sempre que tal for exigido, o nmero de moles do produto de interesse, calculado no passo anterior, na massa ou outra grandeza de interesse. Exemplo: Qual a massa de oxignio que reage com 96.1 gramas de propano? A etapa inicial consiste em escrever a equao balanceada do processo: C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O

Os 96.1 gramas de propano correspondem a 2.18 moles. Comparando a proporo em que o propano e o oxignio se combinam, (1mol de propano por cada 5 moles de oxignio, razo que exprimida pela equao balanceada do

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Qumica Geral

processo), pode-se ver que as 2.18 moles de propano vo reagir com 10.9 moles de oxignio. A converso das 10.9 moles de oxignio em massa de oxignio vai dar-nos 349 gramas de oxignio. Nem sempre a proporo real em que os intervenientes se combinam corresponde a proporo ideal: Aquela que dada pela equao qumica balanceada. Nos casos mais frequentes temos normalmente um componente em excesso/defeito. O excesso num dos componentes usado por vezes para melhorar o rendimento de um processo (normalmente reversvel), usando as leis do equilbrio qumico. Por razes econmicas, o componente em excesso normalmente o menos valioso (menos caro). Isto praticado, por exemplo, na produo de diclorodiaminoplatina (II), usado no tratamento de certos tipos de cncro. Este preparado a partir de dicloroplatinato (IV) de amnio e amonaco. Como o dicloroplatinato (IV) de amnio um reagente muito caro, usa-se um grande excesso de amonaco (componente menos caro), para garantir que no final da reaco todo o dicloroplatinato (IV) seja transformado. No caso de reaces com um componente em excesso/defeito nem sempre se conhece partida a substncia limitante. Torna-se necessrio identificar, nestes casos, qual o componente em defeito, antes de prosseguirmos com o nosso clculo. O componente em defeito acaba agindo como o factor limitante, pois a quantidade do produto formado depende deste componente. A identificao do componente em defeito pode ser feita por comparao da proporo, em termos de moles ou massas, em que os dois componentes se apresentam, tomando como base a proporo definida pela equao balanceada do processo. Exemplo: Qual a quantidade de silcio que se forma, quando se misturam 225 gramas de tetracloreto de silcio com 225 grama de magnsio, na reaco seguinte SiCl4 + 2 Mg Si + 2 MgCl2 Para resolver este problema necessrio determinar inicialmente quantas moles de cada componente esto presentes: a) 225 gramas de tetracloreto de silcio correspondem a nSiCl4 =

m SiCl 4 M SiCl 4m Mg M Mg

=

225 = 1.32 moles 169 .85

b) 225 gramas de magnsio perfazem nMg = -

=

225 = 9.26 moles. 24 .31

Os componentes esto presentes na proproo correcta? (aquela que

definida pela equao balanceada do processo?) Olhando para a equao balanceada do processo pode-se ver que 1 mol de SiCl4 combina com 2 moles de Mg. As 1.32 moles de tetracloreto de silcio combinar-se-o com 2 x 1.32 =

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Manual de Apontamentos 2.64 moles de magnsio, valor inferior ao nmero de moles

Qumica Geral de magnsio existentes (9.26

moles). Do exposto pode-se ver facilmente que o magnsio est em excesso. O clculo realizado atrs mostra que o tetracloreto de silcio a substncia limitante. A quantidade de silcio determinada, por isso, pela quantidade de tetracloreto de silcio. Como se pode ver da equao de reaco, 1 mol de tetracloreto de silcio produz 1 mol de silcio e consequentemente 1.32 moles de tetracloreto de silcio vo produzir 1.32 moles de silcio. A quantidade de silcio produzida (quantidade que corresponde 1.32 moles) vai ser calculada usando a relao: m = n x M = 1.32 x 28.09 = 37.08 g de silcio. Qual a quantidade de magnsio que permanece sem reagir? A quantidade de magnsio em excesso vai corresponder a diferena 9.26 moles (nmero total de moles de Mg) 2.64 moles (nmero de moles que reage com o tetracloreto de silcio) nMg(excesso) = 9.26 2.64 = 6.62 moles A converso em gramas do nmero de magnsio em excesso vai resultar no valor m = nMg(excesso) x MMg = 6.62 x 24.31 = 160.93 g.

Para alm do mtodo sugerido atrs para a determinao do reagente em defeito, tem sido descrito na literatura um outro mtodo que assenta no clculo da quantidade de produto que se pode obter, a partir de cada um dos reagentes. O reagente em defeito aquele que leva a formao da menor quantidade de produto. Este mtodo pode ser exemplificado para a reaco anterior de formao do silcio a partir de 1.32 moles de tetracloreto de silcio e 9.26 moles de magnsio: 1.32 moles de tetracloreto de silcio levam a formao de 1.32 moles de silcio, quantidade cuja converso em gramas vai resultar em 37.1 gramas. 9.26 moles de magnsio levam a formao de 4.63 moles de silcio, quantidade cuja converso em gramas vai resultar em 130 gramas. Comparando as quantidades de produto formado a partir de cada um dos reagentes, podese ver que o tetracloreto de silcio leva a formao da menor quantidade de produto e , por isso, o reagente em defeito.

A estequiometria encontra ainda aplicao no clculo de rendimento de um determinado processo (durante a produo ou sintese de uma substncia), na analise qumica, na determinao da composio de mistura, etc. O rendimento R de um processo pode ser definido como a quantidade de um produto obtida, comparado com a quantidade mxima que seria obtida, sob condies ideais. Esta grandeza expressa normalmente na forma de percentagem. O clculo desta grandeza ganha uma importncia prtica pelo facto de durante a obteno de um determinado produto por reaco qumica, haver sempre perdas. Essas perdas no tm

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Manual de Apontamentos de ser necessriamente

Qumica Geral associadas a falta de habilidade do operador ou erros de outra

natureza. Algumas ocorrem devido a deficincia da aparelhagem, a transferncia das substncias de um recipiente para o outro durante a filtrao, devido ao facto de a cristalizao, precipitao ou outra etapa do processo nunca ser total, ou ainda devido ao facto dos materiais usados no serem sempre puros. A quantidade do produto que se obtm ao efectuar a reaco, ou seja a quantidade prtica (Qp) sempre inferior a quantidade terica (quantidade mxima possvel) (Qt). Esta ltima calculada com base na equao balanceada do processo, atravs das relaes estequiomtricas. O rendimento do processo determinado geralmente na forma de percentagem (R%):

R% =

Qp 100% Qt

Exemplo: Fazendo-se reagir 800 g de calcrio (grau de pureza igual a 90% em CaCO3) com cido clordrico, obtm-se 153,216 L de gs carbnico nas condies normais de temperatura e presso (CNTP). Determine o rendimento dessa reaco.

Resoluo: Calcrio = CaCO3 + impurezas 100 g = 800 g = 90 g x 10 g

X =

800 g 90 g = 720 g de CaCO3 100 g

Dos 800g de calcrio, 720 que podem reagir com HCl CaCO3 + 2 HCl CaCl2 + H2O + CO2 1 mol 100 g 720 g Dos clculos estequiomtricos, deveramos obter 1 mol 22,4 L y y = 161,28 L de CO 2 nas CNTP.

Entretanto, foram obtidos 153,216 L. Assim, Qp = 153,216 L e Qt = 161,28 L.

R% =

Qp 153,216 100% = 100% = 95% Qt 161,28

Exemplo: 13 g de zinco metlico so misturados com 20 g de cido sulfrico. Determine a massa de sulfato de zinco que se forma e o volume de hidrognio obtido nas CNTP. Admitir que a reaco tem um rendimento de 98%. Resoluo: A equao qumica : Zn + H2SO4 1 mol 1 mol 65 g 98 g 1 mol 161 g 1 mol 22,4 L ZnSO4 + H2

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Qumica Geral

Tendo em conta que 65 g de zinco necessitam de 98 g de cido sulfrico, pode-se descobrir qual a quantidade de zinco que reage com 20 g de cido. 65 g de Zn 98 g de H2SO4 x 20 g de H2SO4

Realizando o clculo, constata-se que o cido est em excesso, pelo que o componente limitante o zinco, portanto, os clculos posteriores so feitos com base na quantidade de zinco, que o componente em defeito. Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2 1 mol 65 g 13 g 1 mol 161 g x 1 mol 22,4 L y

x=

13 g 161 g = 32 ,2 g de ZnSO4 65 g

x=

13 g 22 ,4 L = 4,48 L de H2 65 g

Estas so as quantidades de ZnSO4 e de H2 que seriam obtidas se o rendimento da reaco fosse 100%. Mas, como a reaco tem rendimento de 98 %, Qt de ZnSO 4 = 32,2 g e Qt de H2 = 4,48L, as quantidades procuradas no problema so:

QpZnSO4 =

R% Qt 98% 32,2 g = = 31,5 g 100 100 R% Qt 98% 4,48l = = 4,4 L 100 100

QpH 2 =

2. TEORIA ATMICAa. Estrutura do tomo A explicao de maior parte dos fnomenos qumicos baseia-se na estrutura da matria. O desenvolvimento do conhecimento sobre a estrutura da matria foi sempre um processo caracterizado por muita controvrsia por no existir uma certa evidncia experimental directa sobre o assunto. Alguns dos factos usados como evidncia da natureza atmica da matria no eram to conclusivos. Por esta razo as diferentes teorias, os diferentes modelos propostos foram sendo continuamente alterados a medida que novos factos foram se tornando conhecidos ou a medida que se acumulava evidncia suficiente para a rejeio de um dado modelo. Esta discusso a volta da estrutura do tomo vem desde os tempos dos filsofos gregos (por volta do ano 300 a.C), os quais defendiam que o processo de subdiviso da matria teria lugar at se atingir uma partcula fundamental, a qual era designada por tomo, expresso proveniente do grego e que significava indivisvel.

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Qumica Geral

Uma das primeiras contribuies cientficas relevantes para o esclarecimento da natureza ntima da matria surge apenas na 1a dcada do sculo XIX, com o cientista ingls John Dalton. Ele baseou-se em leis fundamentais da qumica e formulou uma srie de postulados que serviram de base para a compreenso da natureza da matria: - A matria composta por tomos. Estes no podem ser criados, divididos ou destrudos. - Os tomos de um elemento apresentam massa dntica e determinadas propriedades que os tornam idnticos entre si, mas diferentes dos tomos de outros elementos. - Os tomos combinam-se entre si em propores cuja razo definida por pequenos nmeros inteiros e os compostos formados so mantidos como um todo por foras de afinidade qumica.

Qualquer modelo aceite enquanto conseguir explicar satisfatoriamente os factos conhecidos at essa altura. Com o acumular de resultados experimentais o modelo vai sendo testado e, em funo dessa comparao, pode vir a ser modificado ou mesmo reformulado para adequ-lo aos novos resultados experimentais. Assim aconteceu com o modelo de Dalton como resultado do desenvolvimento da fsica nuclear e da descoberta de istopos. Enquanto a descoberta de istopos mostrava a existncia de tomos que poderiam diferir entre si na massa, e consequentemente em propriedades fsicas, a descoberta da radioactividade era vista como um fenmeno indicativo da ocorrncia de um processo escala atmica, que mostrava a possibilidade de criar ou dividir os tomos. Estes e aspectos subsequentes tornaram necessrio reformular/modificar a teoria atmica de Dalton para considerar: - A criao, diviso e destruio de alguns tomos durante a ocorrncia de reaces nucleares. - O facto de nem todos os tomos de um elemento serem exactamente iguais. Existem tomos de um elemento que podem diferir ligeiramente na sua massa. Estes tm o nome de istopos. - O facto de a proporo de combinao de tomos nem sempre poder ser expressa por pequenos inteiros, como p.ex. no caso de alguns xidos e sulfetos de metais de transio. O tomo indivisvel de Dalton no consegue explicar a valncia (capacidade de combinao definida) dos tomos. Uma contribuio para a soluo do problema dada pelos resultados obtidos em experincias realizadas com tubos de descarga (figura 1). Estes so formados basicamente por um tubo de vidro com duas placas nas suas extremidades, os elctrodos, que so ligados uma fonte de alta voltagem. Quando se aplica uma certa diferena de potencial, observa-se a passagem de corrente elctrica (movimento de partculas carregadas) no tubo.

Estas experincias mostraram a divisibilidade do tomo em fragmentos electricamente carregados, nomeadamente: - partculas negativas conhecidas na altura como raios catdicos, e hoje, chamadas electres; e - partculas positivas com uma massa maior que a dos electres.

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Manual de Apontamentos Figura 1: Esquema do tubo de descarga

Qumica Geral

A natureza da carga destas partculas (positiva ou negativa) pode ser determinada pelo desvio que o feixe de carga sofre sob a aco de campos elctricos ou magnticos, tal como se ilustra na figura 2 a exemplo das partculas , e resultantes de um decaimento radioactivo. Figura 2. Comportamento num campo magntico de partculas carga +2), (partculas negativas) e (partculas neutras) (ncleos de hlio com

Baseado nestes resultados, J.J. Thomson, na tentativa de explicar a distribuio das cargas positivas e negativas no tomo, props em 1898 que o tomo uma esfera de carga positiva na qual se encontram incrustados os electres. Este modelo veio a ser rejeitado em 1911 como resultado de estudos feitos por Rutherford sobre o comportamento de partculas (partculas altamente energticas com carga positiva). Rutherford estudou o comportamento destas partculas, na sua coliso com placas finas de um metal colocadas na sua trajectria (figura 3). Os resultados destas experincias mostram o seguinte: - A maior parte destas partculas passa pela placa sem sofrer desvios ou sofrendo somente ligeiros desvios. - Existe uma pequena fraco que sofre grandes desvios, havendo at o caso de algumas partculas que invertem o seu sentido como se tivessem colidido com um objecto muito maior

na sua trajectria.

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Qumica Geral

Figura 3: Comportamento de partculas na coliso com placas finas de um metal Admitindo a validade do modelo de Thomson (da distribuio uniforme das cargas positivas e negativas), as partculas , ao colidir com a placa de metal, no deveriam sofrer desvios considerveis na sua trajectria tal como os causados pela repulso entre partculas de carga idntica. Tal efeito s pode ser explicado se se admitir a existncia de pequena regio no tomo onde se concentra a massa da placa e a carga positiva, que como se veio a saber mais tarde formada por protes. A massa do atmo e os protes so responsveis pela grande repulso de uma parte das partculas , de acordo com o princpio da fsica sobre a repulso mtua de cargas idnticas. Como o tomo neutro, assumiu-se que a volta deste ncleo existe uma essa neutralidade. Rutherford sugere ento que o tomo possui um ncleo, no qual esto concentradas a sua carga positiva e a sua massa. Este ocupa uma fraco muita reduzida do tomo. A volta do ncleo encontram-se os electres. Nessa altura ainda no havia evidncia sobre a existncia de uma terceira partcula no tomo. Esta partcula, que mais tarde veio a ser conhecida como o neutro, foi inicialmente registada por Chadwick em 1932, durante o bombardeamento de berlio com partculas , o qual observou o surgimento de uma partcula com um grande poder penetrante e que no partcula tem uma massa idntica a do proto e uma carga neutra.9 4 4 21 2 6 1 0

grande regio contendo um nmero suficiente de cargas negativas, necessrias para manter

afectada por campos elctricos e magnticos (partcula sem carga). Sabe-se hoje que esta

Be +

He

C+

n

O modelo de Rutherford deixou em aberto algumas questes relevantes, explicadas dois anos mais tarde por Bohr. Entretanto, antes de analisar as ideias de Bohr apreciemos, na tabela 1, as propriedades das trs partculas que compem o tomo. O smbolo e usado na tabela 1 como unidade de carga assim como a unidade de massa, u.m.a., so unidades relativas. A unidade de carga est relacionada com o Coulomb atravs da equao 1e = 1,602.10-19 Coulombs. Tabela 1: Massa e carga das trs partculas que compem o tomo Partcula Neutro Electro Proto Massa (u.m.a.) 1,00867 0,000055 1,00723 0 - 1 + 1 Carga

A u.m.a. (unidade de massa atmica) foi introduzida devido ao peso insignificante dos tomos e das molculas, que torna impraticvel o seu uso corrente. A u.m.a. uma unidade de um sistema relativo, isto , adopta um padro. Convencionou-se que: 1 u.m.a. igual a 1/12

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Qumica Geral

da massa do tomo de carbono (12C). Assim, a massa atmica de qualquer elemento indica quantas vezes mais pesa um tomo desse elemento que 1/12 do istopo tem uma massa de 12 u.m.a. A introduo da u.m.a. permitiu determinar posteriormente as massas atmicas dos restantes elementos, por comparao das massas desses tomos com 1/12 do istopo equao:12 12

C. Por exemplo,12

pode-se concluir que um tomo do istopo de carbono 12, por ser 12 vezes 1/12 do istopo

C,

C. A

u.m.a. e o grama, unidade de massa no sistema internacional, relacionam-se atravs da

1u.m.a. =

1 * 10 23 6,02

Olhando para a equao podemos concluir que 1 u.m.a. representa uma massa muitssimo pequena. impossvel pesar, por meio das balanas de que dispomos actualmente, p.ex. 12 u.m.a., massa que corresponde a cerca de 2.10-23 gramas. As nossas melhores balanas tm um limite de deteco de cerca de 10-6 gramas, valor que corresponde a cerca de 6.1017 u.m.a..

Das comparaes atrs feitas pode-se constatar que pesar 1 grama significa pesar um nmero de tomos da ordem dos 1020. Devido a este problema que surge ao trabalhar com a u.m.a., desenvolveu-se o conceito de mol, grandeza definida como a quantidade de substncia que contm 6,02.1023 (nmero de Avogadro) partculas da substncia em questo. Define-se neste mbito: - 1 mol de tomos como a quantidade de substncia que contm 6,02.1023 tomos da substncia em questo, - 1 mol de molculas como a quantidade de substncia que contm 6,02.10 23 molculas da substncia em questo, - 1 mol de ies como a quantidade de substncia que contm 6,02.1023 ies, etc.

A massa de uma mol (massa molar) de substncia nmericamente igual a massa atmica ou massa molecular da substncia mas vem expressa em gramas. Isto quer dizer que a massa de uma mol de tomos (massa de 6,02.10 23 tomos) do istopo de carbono 12 (cuja massa atmica de 12 u.m.a.) de 12 gramas. Na prtica usa-se frequentemente o conceito de massa atmica ou massa molecular para designar a massa molar de tomos ou de molculas. O uso abusivo deste conceito pode ser ilustrado tomando como exemplo a afirmao: a massa molecular da gua de 18 g/mol. Esta atitude advm provvelmente do facto de as duas grandezas serem numricamente iguais. Quando nos confrontarmos com esta situao, devemos ter sempre em mente a diferena entre os dois conceitos: massa molar (em g/mol) e massa molecular/atmica (em u.m.a.).

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Qumica Geral

Como os tomos e molculas so partculas muito pequenas, e a determinao dos pesos atmicos e moleculares no pode ser feita usando mtodos convencionais: impossvel pesar um tomo ou uma molcula. A determiao dos pesos atmicos/moleculares foi feita durante muito tempo por comparao, o qual tem como base a lei das propores constantes de combinao. Este mtodo pode ser ilustrado a ttulo de exemplo para a determinao do peso atmico do oxignio, sabendo que a gua contm 11,19% de hidrognio e 88,81% de oxignio. Se assumirmos que na molcula de gua temos um tomo de oxignio por cada tomo de hidrognio, ento o peso do tomo de oxignio ser 88,81/11,19=7,937 maior que o de hidrognio. Se por outro lado tivermos um tomo de oxignio por cada dois tomos de hidrognio, ento o peso do tomo de oxignio ser 2.88,81/11,19=15,873 maior que o de dois tomos de hidrognio. Se conhecermos o peso do tomo de hidrognio podemos desta forma determinar o peso do tomo de oxignio. A determinao dos pesos atmicos tambm pode ser feita por comparao das massas ou densidades de gases que ocupam, nas mesmas condies, o mesmo volume. Para estes casos vlido que:

m1 m = 2 M1 M 2

ou

1 = 2 M1 M 2

Tal como o anterior, este mtodo pressupe que se conhece o peso atmico/molecular de uma das substncias intervenientes na comparao. A determinao dos pesos atmicos feita com maior exactido usando a espectroscopia de massa.

b. Modelo atmico de Bohr Bohr combina os resultados obtidos at aqui e, para explicar os aspectos contraditrios com que o modelo de Rutherford se confrontou, sugere que os electres movem-se a volta do ncleo em rbitas bem definidas, tal como os planetas a volta do sol. O seu conceito deixa contudo em aberto algumas questes: - Porque que o electro se deve mover a volta do ncleo? Segundo a teoria de J. Maxwell, qualquer mudana de velocidade ou direco de uma partcula electricamente carregada acompanhada por uma emisso de energia, ento, o electro perderia continuamente energia e cairia no ncleo. - Porque que o electro no se move em direco ao ncleo at a coliso com o mesmo, se o ncleo e o electro tm cargas opostas e devem exercer uma atraco mtua? Para explicar estes problemas Bohr toma como base a teoria de quantizao da energia de Planck e formula os seguintes postulados: - O electro move-se em determinadas rbitas a volta do ncleo e somente certas rbitas so permitidas. - Ao electro numa certa rbita associa-se uma quantidade definida de energia. O electro nesta rbita no irradia energia e por isso no cai para o ncleo. Um electro absorve (ou

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Qumica Geral

emite) radiao quando passa de uma rbita permitida para outra. O valor de energia absorvida (ou emitida) E = h onde E representa a diferena de energia do electro nos dois nveis em considerao, h a constante de Planck, e , a frequncia da radiao. - Para que um electro se mantenha numa determinada rbita a fora de atraco electrosttica (entre o ncleo e o electro) deve ser igual a fora centrfuga que tende a empurrar o electro em movimento para fora da sua rbita. Esta ltima igual a2

Fc =

mV r

onde m = massa do electro, V = a sua velocidade e r o raio da rbita descrita. A fora de atraco de Coulomb entre o ncleo e o electro igual a

Fa =onde Z o nmero atmico Igualando Fa a Fc obtm-se

Ze 2 40 mr

V2 =

Ze 2 40 mr

Segundo Planck a energia assume valores discretos, isto , aparece na forma de pacotes chamados quantas (da ordem de grandeza h/2 ), a energia de um electro numa dada rbita (a qual igual ao seu momento angular, mvr) igual a um certo nmero n de quantas

mVr = n

h 2

n=1,2,3,4,

Resolvendo esta equao em ordem a V2, e combinando-a com a anterior, termos:

V 2 = n2

h2 Ze 2 = 4 2 m 2 r 2 4 mr 0

cuja resoluo em ordem a r, o raio das rbitas permitidas, d:

0n 2h 2 r= me 2 ZNo caso do tomo de hidrognio onde Z = 1 o raio da primeira rbita (n = 1) r = 12 .0,0529 nm o raio da segunda rbita (n = 2) r = 22 . 0,0529 nm o raio da terceira rbita (n = 3) r = 32 . 0,0529 nm

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Qumica Geral

A resoluo destas equaes em ordem ao valor de energia envolvida na transio de um electro do nvel 1 para o nvel 2 e em ordem ao comprimento de onda () da radiao resulta nas seguintes expresses

1 1 E = Rch 2 2 n1 n2

1 1 1 = R 2 2 n1 n2 Nas equaes anteriores R representa a constante de Rydberg (R = 1,097373.107 m-1), c a velocidade da luz, h a constante de Planck e n um nmero inteiro conhecido como nmero quntico principal, o qual pode tomar os valores 1, 2, 3, 4, ... etc. As duas equaes anteriores podem ser usadas para calcular o comprimento de onda e a energia de uma dada transio no tomo. No caso do tomo de hidrognio as possiveis transies so agrupadas em sries. As linhas espectrais do tomo de hidrognio (figura 5) podem ser obtidas por substituio dos valores de n1 e n2 nas equaes anteriores: Se n1 = 1 e n2 = 2, 3, 4, ... temos as sries de Lyman (ultraviolerta), se n1 = 2 e n2 = 3, 4, 5, ... temos as sries de Balmer (visvel), se n1 = 3 e n2 = 4, 5, 6, ... temos as sries de Paschen (infravermelho prximo), se n1 = 4 e n2 = 5, 6, 7 se n1 = 5 e n2 = 6, 7 temos as sries de Brackett (infravermelho longquo), temos as sries de Pfund (far infravermelho).

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Qumica Geral

Figura 5: rbitas de Bohr para o tomo de hidrognio e as respectivas sries de linhas espectrais. O modelo de Bohr explica com exactido as linhas espectrais do tomo de hidrognio, formado somente por um proto e um electro, necessitando contudo de modificaes para a sua aplicao aos tomos mais pesados. Enquanto que para o tomo de hidrognio se considera somente a fora de atrao entre um proto e um electro, no caso dos tomos mais pesados temos foras de atrao entre os diferentes protes e os diferentes electres, e foras de repulso entre os diferentes protes e entre os diferentes electres. Este aspecto complica o tratamento deste tipo de sistemas. Um outro aspecto prende-se com o facto de neste tratamento se considerar o electro somente como partcula, embora existisse j nessa altura uma certa evidncia do seu carcter ondulatrio, contrriamente a modelos posteriores onde se d enfse ao carcter dual onda-partcula do electro, donde foram derivados os nmeros qunticos.

c. O carcter dual onda-partcula O carcter dual do electro introduzido na mecnica quntica ao tentar transportar os resultados obtidos no estudo da luz para explicar o comportamento do electro. Nos primeiros estudos sobre a natureza da luz, esta era tratada como um feixe de partculas muito pequenas, chamadas corpsculos. A emisso de electres pelos tomos, conhecida como o efeito fotoelctrico, explicada como consequncia da coliso entre as partculas de luz, os fotes, e os electres nos tomos. Esta explicao do comportamento da luz teve como base o sucesso obtido por Newton com as suas leis da mecnica. Para Newton a luz propaga-se em linha recta e reflectida por um espelho, tal como uma bola ao atingir uma parede. Investigaes posteriores vieram mostrar que algumas propriedades que a luz apresentava, s podiam ser explicadas admitindo que a luz, sob determinadas condies, apresentava um comportamento de onda. Nesta corrente de pensamento, um fsico holands de nome Christiaan Huygens desenvolveu a ideia de que a luz era uma onda e no um fluxo de partculas. Para Huygens as ondas (da luz) propagam-se em todas as direces, tal como as ondas originadas por uma pedra que cai num lago. A teoria corpuscular foi contudo ganhando campo, pois alguns cientistas argumentavam que a luz ao incidir no canto de um objecto cria, do lado contrrio ao de incidncia da luz, uma sombra. Este comportamento era considerado tpico de partculas, pois a onda continuaria a propagar-se em todas as direces aps contornar o obstculo. Para provar o carcter ondulatrio da luz, Young realizou uma experincia tpica de ondas causadas pela gua. Young mostrou que a luz que passa por dois orifcios, continua a propagarse e apresenta o fenmeno da interferncia (construtiva e destrutiva), fenmeno que comprovou pela existncia de manchas escuras (interferncia destrutiva) e claras (interferncia construtiva) no detector usado. Os seus resultados contradiziam Isaac Newton, um grande dolo,

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Qumica Geral

razo pela qual foram acolhidas com um certo cepticismo. Somente aps os trabalhos de Fresnell e Fourcault que se aceitou em definitivo a teoria ondulatria da luz. Apesar da confuso criada inicialmente sobre se a luz uma onda ou uma partcula, passou-se posteriormente a aceitar que ambas as teorias eram complementares, isto , na descrio completa do comportamento da luz so necessrias ambas as teorias. Na altura em que Bohr props o seu modelo para o tomo de hidrognio (onde o electro tratado somente como uma partcula), j se sabia que o foto, menor unidade de luz, apresentava um comportamento de partcula e de onda. Para descrever a energia do foto usava-se a relao de Planck-Einstein E = hv = mc2 O momento do foto era dado pela expresso

P = mc =

hv c

Como o comprimento de onda e a frequncia da luz se relacionam pela expresso = c/v, pode-se derivar uma equao que ligue (propriedade ondulatria) ao momento da partcula p (propriedade corpuscular): c h p

=

=

De Broglie sugeriu ento a extenso do carcter dual ao caso dos electres, de modo a trat-los em alguns casos como partculas e, onde for conveniente, como ondas (porque pode no se conseguir explicar um determinado aspecto somente com base no comportamento de partcula ou de onda). A evidncia experimental do carcter ondulatrio dos electres foi obtida durante o estudo fotogrfico de anis de difraco, resultantes da passagem de um fluxo de electres por uma placa metlica fina.

d. O princpio de incerteza de Heisenberg O princpio de incerteza de Heisenberg representa um distanciamento da fsica do micromundo em relaco as ideias determinsticas da fsica clssica. Este princpio pode ser formulado da seguinte forma: - Quanto mais exacta for a determinao da posio de um electro, maior ser a incerteza na determinao da sua velocidade (momento) ou vice-versa. Matemticamente o princpio da incerteza pode ser expresso da seguinte forma

x.

h 4

onde x a incerteza na definio da posio, v a incerteza na definio da velocidade e h a constante de Planck (= 6,6262.10-34 Js). Isto implica que impossvel conhecer

simultneamente e com exactido a posio e a velocidade de um electro. Se optarmos por

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Qumica Geral

conhecer com pouca incerteza a velocidade de um electro num tomo, ento temos que aceitar conhecer a sua posio em relao ao ncleo desse tomo com uma correspondente grande incerteza, e vice-versa. A introduo deste principio foi rodeada de uma certa contrversia entre Heisenberg e especialmente alguns fsicos experimentais. Estes sentiram-se atacados como se Heisenberg estivesse pondo em causa as suas capacidades de medir de forma exacta a posio e a velocidade de uma partcula. O problema reside na interaco que existe, durante a observao (medio) de uma determinada grandeza, entre o observador (medidor) e o sistema em estudo, porque o electro uma unidade muitssimo pequena. No caso de objectos do mundo clssico, p.ex. um carro ou uma casa, o mtodo de observao usado no causa perturbaes sensveis da posio ou velocidade do objecto em estudo. Na determinao da posio ou velocidade de um electro (objecto muito pequeno), feita normalmente por meio de radiao electromagntica, h uma interaco com o electro ou foto e a consequente alterao imediata da sua posio ou impulso. Isto faz com que seja impossvel determinar simultneamente e com exactido ambas as grandezas. O conceito de electro movendo-se numa rbita bem definida, com a sua posio e velocidade conhecidas de forma exacta, passa por isso a ser substtuido pelo conceito de probabilidade de encontrar o electro numa dada regio. Com isto comea o distanciamento da mecnica quntica do comportamento determinstico da fsica clssica.

e. A equao de onda de Schrdinger O tratamento de Schrdinger do electro representa um dos marcos na demarcao da cincia, com esta ltima sendo concebida por um lado como resultado de observaes experimentais, e por outro como actividade que nos leva ao limite da nossa capacidade de imaginao, onde a compreenso de certos factos nem sempre encaixa na onda do pensamento lgico. Para descrever a energia do electro Schrdinger introduziu uma equao diferencial do tipo

2 2 2 8 2 m + + 2 + ( E V ) = 0 x 2 y 2 z h2equao deduzida empiricamente, onde a funo de onda do electro, m a sua massa, E e V a energia total e potencial do electro respectivamente, h a constante de Planck e x, y e z as coordenadas cartesianas do electro. Para um dado tomo, existe uma srie de solues da funo de onda e cada orbital descrita por um set de 3 nmeros qunticos n, l e m. n chamado nmero quntico principal e tem o mesmo sentido que o derivado do modelo de Bohr. Este toma os valores 1, 2, 3, ... , 7 . l o nmero quntico secundrio e toma todos os valores inteiros entre 0 e (n-1) [l = 0, 1, 2, ..., (n1)]. m representa o nmero quntico magntico e toma todos os valores inteiros entre -l e +l [m = -l, (-l+1), ..., -1, 0, +1, ..., (l-1), l]. O nmero quntico secundrio l descreve a forma da orbital ocupada pelo electro. Quando l = 0 a orbital esfrica e chamada orbital s; quando l = 1 temos uma orbital p; quando l = 2 trata-se de uma orbital d e quando l = 3 temos a chamada

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orbital f, a qual tem uma forma mais complexa, como mostra a figura 6. As letras s, p, d e f provm de termos usados para descrever linhas no espectro atmico e correspondem aos respectivos nomes em ingls (sharp, principal, diffuse e fundamental).

Orbitais com energia idntica so chamadas degeneradas. Ocorrem portanto 3 orbitais degeneradas para cada valor de n = 2, 3, 4, etc. O terceiro grupo inclui solues da equao de onda que dependem da distncia r do ncleo e de duas direces no espao, e tomam por exemplo a forma = f(r) . f(x) . f(y)

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Este grupo de orbitais, onde l toma o valor 2, representa o grupo das chamadas orbitais d. Como m = -2, -1, 0, +1, +2 ocorrem, para cada valor de n= degeneradas. Na descrio do estado de um electro no tomo tem sido usado um nmero quntico adicional, o chamado nmero quntico de spin (s). A sua introduo est associada a necessidade de explicar a ocorrncia de dupletos nos espectros. Assume-se que o electro se move em torno do seu prprio eixo no sentido horrio ou anti-horrio. S toma desta forma os valores + e -, e de grande importncia na diferenciao de 2 electres que ocupam uma mesma orbital, quer dizer tm os mesmos valores de n, l e m mas diferentes spins. Como forma de reduzir a dificuldade existente na introduo destes conceitos, os nmeros qunticos so comparados, por vezes, a um endereo, necessrio para localizar um determinado electro no tomo. O nmero quntico principal (n) associado a um estado da federao (pressupe-se aqui um estado federal), o nmero quntico secundrio (l) cidade, o nmero quntico magntico (m) rua e nmero, e o nmero quntico de spin (s) ao apartamento onde se pode finalmente encontrar o electro. Tabela 2: Nmeros qunticos e orbitais que ocorrem nos nveis 1 a 4 Nmeros qunticos Principal (n) 1 2 Secundrio (l) 0 0 1 3 0 1 2 4 0 1 2 3 0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 Magntico (m) 0 0 -1, 0, +1 Orbitais existentes 1s (1 orbital) 2s (1 orbital) 2p (3 orbitais) 3s (1 orbital) 3p (3 orbitais) 3d (5 orbitais) 4s (1 orbital) 4p (3 orbitais) 4d (5 orbitais) 4f (7 orbitais) 3, 4, 5, ..., 5 orbitais d

Do exposto, pode-se ver que para definir de forma inequvoca a energia de um dado electro no tomo so necessrios quatro nmeros qunticos. Wolfgang Pauli reconheceu este aspecto e formulou o princpio de excluso de Pauli. Este estipula que no pode haver dois electres no mesmo tomo com exactamente os mesmos nmeros qunticos. Estes devem diferir pelo menos nos seus nmeros qunticos de spin. Esta limitao permite calcular o nmero mximo de electres que podem existir num nvel principal de energia. Sabendo que cada orbital pode acomodar dois electres, fcil ver que: - as orbitais s vo acomodar no mximo dois electres, - as trs orbitais p degeneradas vo acomodar no mximo seis electres, - as cinco orbitais d degeneradas vo acomodar no mximo dez electres,

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- e as sete orbitais f degeneradas vo acomodar no mximo catorze electres. A questo central saber como que um dado nmero de electres se vai distribuir pelos diferentes nveis energticos. No preenchimento dos diversos nveis energticos os electres ocupam o nvel energtico mais baixo ainda disponvel. O caso mais simples o do tomo de hidrognio com 1 electro. Este vai ocupar a orbital 1s, caracterizada pelos nmeros qunticos n = 1, l = 0, m = 0. No caso do tomo de hlio com dois electres, o segundo electro vai ocupar ainda a orbital 1s a qual passa a ficar com 2 electres atingindo a sua capacidade mxima.

No tomo de ltio com 3 electres, o terceiro electro ocupa o nvel energtico seguinte com a energia mais baixa, a orbital 2s. No caso de tomos mais pesados, os electres seguintes ocupam, de forma analga, o nvel energtico imediatamente acima, tal como se segue: H He Li Be B C N O F Ne Na 1s1 1s2 1s2 2s1 1s2 2s2 1s2 2s2 2p1 1s2 2s2 2p2 1s2 2s2 2p3 1s2 2s2 2p4 1s2 2s2 2p5 1s2 2s2 2p6 1s2 2s2 2p6 3s1

A distribuio electrnica pode ser ilustrada ainda por meio de caixas, para representar as orbitais, e setas em representao dos electres, tal como se segue C 1s 2s 2p

6

7

N

8

O

O exemplo anterior mostra que no preenchimento das orbitais p os electres ocupam inicialmente as orbitais livres e s depois comea o emparelhamento. Este efeito tambm observado com outro tipo de orbitais degeneradas, caso das orbitais d e f. Este comportamento foi formulado na forma de princpio, sendo conhecido como regra de Hund:

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Qumica Geral

- No preenchimento de orbitais degeneradas, devido a repulso mtua entre dois electres numa mesma orbital, os electres tendem inicialmente a ocupar individualmente as orbitais ainda livres do subnvel. Somente quando todas as orbitais tm o seu primeiro electro que comea o emparelhamento. A sequncia alargada para o preenchimento dos nveis de energia de um dado tomo a seguinte: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, etc. A mesma pode ser derivada do seguinte esquema, conhecido como diagrama de Pauling. Figura 7: Sequncia para o preenchimento dos nveis de energia

f. Classificao peridica dos elementos Tentativas para a eventual correlao entre as propriedades dos elementos e as massas atmicas vm sendo feitas desde que se conhecem as primeiras massas atmicas. As diferentes tentativas realizadas foram servindo de base para o desenvolvimento da actual classificao peridica dos elementos, cujo desenvolvimento se deve, em especial, aos trabalhos de Dbereiner, Newlands, Meyer e Mendeleev. Dado que as propriedades qumicas dos elementos so determinadas pelo nmero de electres na ltima camada, o arranjo dos elementos em grupos, os quais incluem elementos com uma distribuio electrnica semelhante na sua ltima camada, veio a colocar nos grupos elementos com propriedades qumicas semelhantes. Este aspecto pode ser de grande importncia no estudo das propriedades dos diferentes elementos que compem a tabela peridica, pois no lugar de ocuparmo-nos com as propriedades individuais de cada elemento, podemos estudar inicialmente aspectos gerais de cada grupo1, os quais podem em parte ser deduzidos da1Pressupe-se aqui que os diferentes elementos do grupo vo reagir com determinadas substncias de forma idntica, originando compostos com formla qumica semelhante. Este pressuposto estende-se ainda as propriedades de compostos da mesma famlia com elementos de um determinado grupo. Este mtodo permite a sistematizao do

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Qumica Geral

estrutura electrnica da camada externa dos elementos desse grupo, para nos ocuparmos em seguida de aspectos particulares relevantes de alguns elementos do grupo em estudo. Nesta ordem de ideias atribuem-se nomes aos principais grupos da tabela peridica. Existe o grupo dos: - metais alcalinos, os quais apresentam na sua camada externa a configurao ns1. Este grupo frequentemente chamado grupo I. - metais alcalino-terrosos com configurao ns2, tambm chamado grupo II. Os dois grupos mencionados compem o chamado bloco s, dado que as suas propriedades dependem dos electres que ocupam uma orbital ns. Os elementos com configurao ns 2np1 [ns2 np1] at ns2np6 [ns2 np6] so chamados, em funo do nmero de electres presentes nas orbitais ns e np, de grupos III, IV, V e assim por diante. O grupo VII conhecido como grupo dos halogneos e o grupo VIII (tambm chamado grupo 0) como o grupo dos gases raros ou inertes2. Porque o ltimo electro ocupa aqui uma orbital p estes elementos so considerados como fazendo parte do bloco p. Anlogamente, os elementos cujo ltimo electro ocupa uma orbital d ou f so chamados elementos de transio (ou elementos do bloco d) e elementos de transio interna (bloco f) respectivamente. Na exposio aqui trazida o hidrognio e o hlio ocupam uma posio particular, pois no primeiro nvel no existem orbitais p a serem preenchidas. O hlio, apesar de no ter configurao ns2np6, colocado naturalmente no grupo dos gases raros, devido a semelhana de propriedades. O hidrognio, com configurao 1s1 e formando normalmente ies com carga +1, colocado no grupo I apesar de no ter propriedades de metal alcalino. Por lhe faltar 1 electro para completar a sua ltima e nica camada (hidrognio tem covalncia 1 e forma anies com carga -1), houve especulaes para a sua insero no grupo dos halogneos, as quais fracassaram pelo facto de as suas propriedades no serem semelhantes as dos halogneos. A posio do elemento na tabela peridica determina ainda a valncia desse elemento. Esta pode ser igual ao nmero do grupo, para os elementos dos grupos I a IV, ou ento ser igual ao nmero do grupo ou oito menos o nmero do grupo, para os elementos dos grupos V a VI. 2.6.1. Propriedades peridicas Os diferentes grupos da tabela peridica incluem elementos com propriedades semelhantes. Estas variam essencialmente com o tamanho do tomo ( nvel a ser preenchido) dado que estes elementos apresentam uma configurao electrnica similar. Ao longo do perodo, a medida que se vai preenchendo a ltima camada, observa-se uma certa regularidade na variao de determinadas propriedades, com ligeiros desvios na passagem de uma orbital para outra, ou quando comea o emparelhamento dentro de uma determinada orbital.comportamento e de propriedades de compostos formados por elementos dos diferentes grupos, tendo em conta a sua localizao na tabela peridica. 2O nome gases inertes continua sendo usado apesar de estes no serem completamente inertes. Conhecem-se compostos de alguns elementos deste grupo, em especial dos elementos mais pesados do grupo.

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Esta tendncia pode ser vista se olharmos para a variao de algumas propriedades em funo do nmero atmico, p.ex. a variao da energia de ionizao representada na figura 7. A energia de ionizao representa a energia necessria para remover completamente um electro do respectivo tomo no estado gasoso K(g) K+(g) + 1 e-1 Eion = + 418 kJ/mol

Esta definida como 1 energia de ionizao ou simplesmente energia de ionizao. Definese de forma anloga a 2 energia de ionizao, a qual representa a energia necessria para remover o 2 electro do catio com carga +1.

A energia de ionizao diminui no grupo de cima para baixo, essencialmente devido ao aumento do tamanho dos tomos, o que facilita a retirada do electro externo. No periodo, a energia de ionizao aumenta da esquerda para a direita devido ao aumento da carga nuclear, a medida que se vai preenchendo o nvel em questo. Esta variao consequncia do aumento da fora de atraco de coulomb a medida que aumentam as cargas enquanto a distncia r no sofre mudanas considerveis.

O tamanho dos tomos apresenta uma variao inversa a da energia de ionizao. Aumenta de cima para baixo, a medida que os electres vo ocupando nveis cada vez maiores, e diminui ao longo do perodo da esquerda para a direita, devido ao aumento das foras de atraco e consequente contraco do tomo.

A polarizao uma medida da distoro da nuvem electrnica de um io, causada por uma partcula de carga contrria localizada na sua proximidade. Este comportamento pode ser melhor ilustrado se considerarmos um sistema formado pelo catio M+ e pelo anio X-. Quando o catio M+ estiver a uma distncia suficientemente prxima do anio X-, a sua carga vai causar a distoro da nuvem electrnica do anio XM+ + X- M+ + XEm funo da extenso da distoro da nuvem electrnica a ligao entre M+ e X- ter um certo carcter coovalente. Se o poder de distoro do catio for grande haver uma concentrao (mais ou menos elevada) de electres na regio entre os dois ncleos, como no caso da partilha de electres. A extenso da distoro uma funo do poder do catio de causar a distoro da nuvem electrnica, do seu poder polarizante, e do grau de susceptibilidade do anio, a chamada polarizabilidade. Normalmente o poder polarizante aumenta com o aumento de carga do io e a reduo do seu tamanho. A polarizabilidade do anio em geral maior que a do catio pois

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neste ltimo os electres encontram-se mais fortemente atrados. De entre os anies, os de maior tamanho so mais fcilmente polarizveis. Com base no exposto pode-se ver que o poder polarizante e consequentemente a covalncia so maiores na seguinte ordem B3+ > Be2+ > Li+ e Li+ > Na+ > K+. De maneira anloga no caso de anies a covalncia variar na seguinte sequncia P3- > S2- > Cl- e I- > Br- > Cl- > F-.

A electronegatividade definida como a capacidade do tomo de atrair numa ligao o par de electres. Uma implicao desta definio que numa ligao coovalente os electres no so sempre partilhados equitativamente. O tomo que atrai mais fortemente os electres (o tomo mais electronegativo) fica com uma carga - e o menos electronegativo com carga +. Os tomos pequenos apresentam uma maior capacidade de atrair os electres que os tomos grandes. Os tomos com nveis de energia quase completos apresentam normalmente electronegativi-dades maiores que os tomos com os ltimos nveis menos preenchidos. Nesta linha de pensamento pode-se afirmar que a electronegatividade diminui de cima para baixo e aumenta da esquerda para a direita. Na tentativa de correlacionar a diferena de electronegatividade com o carcter da ligao, Pauling introduziu a ideia de carcter inico da ligao variando com a diferena de electronegatividade. electronegatividade Para for este fim que atribuiu 1,7 a a uma ligao mais com uma que diferena coovalente de ou electronegatividadede 1,7 um carcter inico de 50%. No caso onde a diferena de maior ligao inica predominantemente inica, enquanto que se a diferena de electronegatividade for menor que 1,7 a ligao mais coovalente que inica. A mudana do carcter metlico dos elementos ao longo do perodo tambm gradual, diminuindo da esquerda (metais) para a direita (no-metais). No grupo o carcter metlico aumenta de cima para baixo. Ainda da esquerda para a direita aumenta o carcter acdico dos xidos dos dife-rentes elementos. Enquanto os xidos dos metais alcalinos so bsicos, os xidos dos halogneos so cidos. Na2O bsicos MgO Al2O3 anfotrico SO3 Cl2O7 cidos

A classificao dos xidos segundo o seu comportamento cido-base, tem como base a sua reaco com a gua. Os xidos bsicos reagem com a gua formando hidrxidos Na2O + H2O 2 Na+ + 2 OHenquanto que os xidos acdicos reagem com a gua formando cidos SO3 + 3 H2O SO42- + 2 H3O+

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Qumica Geral

A basicidade aumenta ao longo de um grupo, neste caso de xidos de metais, de cima para baixo (p.ex. BeO < MgO < CaO < SrO < BaO). comportamento parece depender do pH do meio. Os xidos anfotricos so aqueles que mostram tanto um comportamento de cido como um comportamento de base. Este

g. Ligao qumica e estrutura das molculas Ligao qumica a fora que mantm as partculas unidas no interior e entre as substncias. Ligao = fora = interaco De forma a ganhar uma configurao mais estvel e energeticamente favorvel, os tomos combinam-se formando molculas. Inicialmente, devido a pressuposta no-reactividade dos gases raros, a formao de uma ligao era explicada com base na necessidade de o tomo alcanar uma configurao de gs inerte, considerada estvel. Apesar de se conhecer alguns casos onde gases raros, especialmente os mais pesados, reagem formando compostos, este conceito mantm-se ainda hoje. Para obter a configurao de gs inerte o tomo pode ganhar ou perder electres (ligao inica ) ou partilhar com um outro tomo um ou mais pares de electres (ligao covalente). A ligao inica tem lugar normalmente entre elementos electropositivos ( que perdem com uma certa facilidade o electro) e elementos electronegativos ( que apresentam uma certa tendncia de captar electres). um exemplo tpico de ligao entre os metais e no-metais, cuja diferena de electronegatividades, geralmente, supera 1,7. Por exemplo, o NaCl. 2.7.1. Tipos de Ligao - Fora de Van der waals. Ex: H2, I2, CO2 - intermoleculares - Interaco dipolo-dipolo. Ex: Cl, HF, CO, - Pontes de hidrognio. Ex: NH3, H2O, R-OH R-C-OH , R-NH2, O - covalente apolar. Ex: I2 - covalente polar. Ex: HCl - intramoleculares - covalente coordenada ou dativa. Ex: NH4+ - rede metlica (metais) - rede inica (sais, bases, xidos metlicos) 2.7.1.1. Ligaes Intermoleculares a) Foras de Van der waals So foras de atraco entre as molculas e so de natureza gravitacional.

Ligaes

Qualquer corpo que tem massa esta sujeito a esta fora (Fg). ela maior para grandesmolculas.

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Manual de Apontamentos Estas ligaes, geralmente so as mais fracas de todas as ligaes.

Qumica Geral

b)Interao dipolo-dipolo c) Pontes de Hidrognio Quando o hidrognio se encontra ligado a tomos fortemente electronegativos, tais como F, O, N, ele fica suficientemente positivo de modo que possa atrair pares de electres. Element o F 3,98 O 3,44 N 3,04

Todos os compostos que possuem os grupos polares (-NH, -OH, e HF) formam pontes de hidrognio, so solveis em gua e possuem pontos de fuso e de ebulio relativamente altos. H + N O F-

H + H + O | H + H +

H + O | H + H + O | -

H H

+

H ++

O| H +

-

-

-

H + H+

O|

-

H +

O | -

2.7.1.2. Ligaes Intramoleculares a) Ligao Covalente Este tipo de ligao ocorre entre tomos de ametais e nelas h partilha de electres. a.1. Ligao covalente apolar (pura) Numa primeira fase, e duma forma grosseira, vamos admitir que as ligaes covalentes apolares ocorrem entre tomos iguais (tomos de mesmo elemento), tomos com mesma electronegatividade. Exemplo: Cl2, O2, H2, N2 a.2. Ligao covalente polar Em primeiro lugar e de forma grosseira, vamos considerar que nas ligaes polares intervm tomos diferentes ou tomos de ametais com diferentes electronegatividade. Exemplo: HCl, H2O, NH3, CH4, CO2 a.2.1. Polaridade das ligaes apolar polar Muito polar ou inica

0,4

1,6

= diferena de electronegatividade de 2 tomos que possuem os electres que formam a ligao. Elemento ligao Tipo de ligao

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Manual de Apontamentos F O N Cl C H 3,98 3,44 3,04 3,16 2,55 2,20 C-H N-H O-H F-H C-O Cl-H 0,35 0,84 1,24 1,78 0,84 0,98 apolar polar polar muito polar polar polar

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a.3. Ligao Covalente Coordenada ou Dativa Nas ligaes covalentes que se consideraram, os electres do par compartilhado pertenciam, originariamente, um a cada tomo. Nestas condies, cada tomo participante na ligao covalente contribua com uma orbital de valncia, ocupada por um nico electro, i.., com uma orbital de valncia semipreenchida. Em princpio, cada tomo ser capaz de formar tantas ligaescovalentes quantas as orbitais semipreenchidas que puder apresentar na camada de valncia. Poder um tomo, que disponha de um par de electres numa orbital da camada de valncia, formar uma ligao covalente, por partilha deste par de electres, com qualquer outro tomo que possua, ainda no nvel mais externo, uma orbital completamente vazia? H, de facto, vrias ligaes covalentes que se estabelecem deste modo; designam-se por covalncias coordenadas ou dativas, significando este ltimo termo que o par de lectres compartilhado dado por um dos tomos. Estas covalncias so, em tudo, anlogas s covalncias normais, das quais no se distinguem. A diferente designao que se lhe d quer apenas sublinhar a diferente origem dos electres custa dos quais se estabeleceu. Ex: Na molcula de amonaco, o tomo de Nitrognio possui uma orbital totalmente preenchida com um par de electres no compartilhados. Este par pode ser usado para formar uma ligao covalente dativa com o io hidrognio, que tem uma orbital de valncia vazia:

.. H: N :H .. Hb) Ligao inica

+

H

+

H ..

+ H

H N H

+ H

H: N :H .. H

A ligao inica tem lugar entre elementos electropositivos, os quais tm normalmente 1 ou 2 electres na sua camada de valncia e que para ganhar a configurao de gs raro tm a tendncia de perder este excesso de electres, e elementos electronegativos, os quais alcanam a estrutura de gs raro ganhando electres. Um representante clssico deste grupo que tem sido usado para introduzir este tipo de ligao o cloreto de sdio, NaCl. O tomo de sdio tem a configurao 1s2 2s2 2p6 3s1. Por perda do nico electro no ltimo nvel o tomo de sdio transforma-se em io de sdio, com a configurao do gs raro do perodo anterior, o neon: Na Na+ + 1e-

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O tomo de cloro tem a configurao 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5, e falta-lhe apenas 1 electro para ganhar a configurao do argon, gs raro mais prximo. O cloro reage ganhando 1 electro Cl + 1e- Cl transformando-se num anio com carga -1. Quando o sdio e o cloro reagem, o sdio perde o seu electro de valncia para o cloro. Os ies Na+ e Cl- formados so mantidos juntos por foras de atraco electrosttica, num arranjo regular designado rede cristalina. Na + Cl Na+ + Cl-

O nmero de tomos do elemento electropositivo que se combinam com o nmero de tomos do elemento electronegativo determinado pelo balano entre o nmero de electres cedidos pelo elemento electropositivo e o nmero de electres ganhos pelo elemento electronegativo. No caso da reaco entre o clcio e o cloro teramos CaCl2, enquanto no caso da reaco entre um elemento do grupo III (elemento A) e um do grupo VI (elemento B) teramos a frmula A2B3 . c) Ligao metlica O desenvolvimento das teorias sobre a ligao metlica est ligado necessidade de explicar as propriedades fsicas caractersticas deste tipo de materiais, nomeadamente a elevada condutividade trmica e elctrica; a elevada resistncia mecnica e a ductibilidade. Apesar de a resistncia deformao ser pequena, existem no metal foras de coeso fortes que se opem fractura completa do objecto; o brilho caracterstico e a capacidade de emitir electres quando expostos a radiao de baixo comprimento de onda ou quando aquecidos a temperaturas suficientemente elevadas, assim como as suas estruturas densas.

Para explicar o fenmeno da emisso e conduo os modelos desenvolvidos admitem a existncia de electres mais ou menos livres3. Nas teorias modernas considera-se que a ligao metlica formada por uma rede rgida de esferas (caties) com os electres livres movendo-se nos seus interstcios. Com o desenvolvimento da mecnica quntica modificou-se ligeiramente este ponto de vista, considerando-se que os electres so mantidos na estrutura pelas foras dos diferentes tomos e que eles ocupam estados com nveis discretos de energia. Os electres podem ser transferidos de um nvel para o outro sem grandes dispndios de energia, o que pressupe que os diferentes nveis tm energias muito prximas e explica a mobilidade dos electres. Na

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