Química

Uma amostra do sal poliacrilato de sódio: este polímero possui acapacidade de absorver até 400 vezes o seu peso em água e estapropriedade é explorada em diversos produtos, tais como fraldasabsorventes. É também usado na fabricação de detergentes, pro-dutos agrícolas e na obtenção de neve artificial. A imagem des-taca uma amostra de poliacrilato de sódio que absorveu a quan-tidade máxima de água.

Química[1][nota 1] é a ciência que estuda a composição,estrutura, propriedades da matéria, as mudanças sofri-das por ela durante as reações químicas e sua relaçãocom a energia.[2][3] O desenvolvimento desta ciência tevecomo base as observações de experimentos, sendo por-tanto, considerada uma ciência experimental. O cientistairlandês Robert Boyle é tido por muitos como o inicia-dor da química moderna, já que, em meados do séculoXVII, ele executou experimentos planejados, estabele-cendo através deles generalizações. Apesar dos méri-tos de Boyle, muitos consideram o francês Antoine Lau-rent Lavoisier, que viveu no século XVIII, o pai da quí-mica, especialmente devido ao seu trabalho sobre o con-ceito de conservação da massa, sendo este consideradoo marco do estabelecimento da química moderna, oca-sionando a chamada Revolução Química. Os estudos deLavoisier foram referência para que fosse proposto porJohn Dalton, no início do século XIX, o primeiro modeloatômico. A química experimentou grande desenvolvi-mento teórico e metodológico durante o século XX, es-pecialmente pelo estabelecimento da mecânica quântica,métodos espectroscópicos e metodologias de síntese or-gânica, que impulsionaram o descobrimento de novos fár-macos, determinação da estrutura química de moléculas,como o ácido desoxirribonucleico e sofisticação das te-orias já existentes. As disciplinas de química são agru-padas basicamente em cinco grande divisões a saber: aQuímica Inorgânica (que estuda a matéria inorgânica), aQuímica Orgânica (que estuda os compostos de carbono),a Bioquímica (que estuda a composição e reações quími-

cas de substâncias presentes em organismos biológicos),a Físico-Química (que compreende os aspectos energé-ticos dos sistemas químicos em escalas macroscópicas,molecular e atômica) e a Química Analítica (que analisamateriais e ajuda a compreender a sua composição, estru-tura e quantidade). A Química é chamada muitas vezesde ciência central porque é a ponte entre outras ciênciascomo a Física e outras ciências naturais, como Geologia eBiologia.[4][nota 2] É considerada, juntamente com a Físicae a Matemática, uma ciência exata. A química possui pa-pel fundamental no desenvolvimento tecnológico, pois autilização dos conceitos e técnicas desta ciência permitea obtenção de novas substâncias, além de preocupar-secom a prevenção de danos e exploração sustentável domeio ambiente..

1 História

O Alquimista, de Pietro Longhi.

Os filósofos gregos Empédocles e Aristóteles acredita-vam que as substâncias eram formadas por quatro ele-mentos: terra, vento, água e fogo. Paralelamente, discor-ria outra teoria, o atomismo, que postulava que a maté-ria era formada por átomos, partículas indivisíveis que se

1

2 1 HISTÓRIA

podiam considerar a unidade mínima da matéria. Estateoria, proposta pelo filósofo grego Demócrito de Ab-dera, não foi popular na cultura ocidental, dado o pesodas obras de Aristóteles na Europa. No entanto, tinha se-guidores (entre eles Lucrécio) e a ideia ficou presente atéo princípio da Idade Moderna.Entre os séculos III a.C. e o século XVI d.C a químicaestava dominada pela alquimia. O objetivo de investiga-ção mais conhecido da alquimia era a procura da pedrafilosofal,um método hipotético capaz de transformar osmetais em ouro e o elixir da longa vida. Na investigaçãoalquímica desenvolveram-se novos produtos químicos emétodos para a separação de elementos químicos. Destemodo foram-se assentando os pilares básicos para o de-senvolvimento de uma futura química experimental.

1.1 A separação da Alquimia

A química, como é concebida atualmente, começa adesenvolver-se entre os séculos XVI e XVII. Nesta épocaestudou-se o comportamento e propriedades dos gasesestabelecendo-se técnicas de medição. Aos poucos, foi-se desenvolvendo e refinando o conceito de elementocomo uma substância elementar que não podia ser des-composto em outras. Também esta época desenvolveu-se a teoria do flogisto para explicar os processos decombustão.Robert Boyle desenvolveu sua magnum opus "O QuímicoCético", abandonando as teorias aristotélicas de alquimiae contemplando a pesquisa experimental e conclusõescom base em experimentos. Georg Ernst Stahl e JohannJoachim Becher desenvolveram em 1700 a teoria do flo-gisto. Esta teoria, que se manteve por 80 anos até serrefutada, afirmava que as substâncias suscetíveis de so-frer combustão continham o flogisto, e que o processo decombustão consistia basicamente na perda desta substân-cia. A causa da má interpretação da teoria do flogisto eraa então substância ainda desconhecida presente no ar, ooxigênio. Joseph Priestley, estudando a composição doar, percebeu a existência de uma substância no ar, a qualparticipava dos processos respiratórios e promovia rea-ções de oxidação de metais aos seus óxidos. A teoria deelementos de Boyle considerava que um elemento quí-mico era uma pluralidade de átomos idênticos, indivisí-veis.Por volta do século XVIII a química adquire definiti-vamente as características de uma ciência experimen-tal. Desenvolvem-se métodos de medição cuidadosos quepermitem um melhor conhecimento de alguns fenômenoscomo o da combustão da matéria, Antoine Lavoisier, oresponsável por perceber a presença do carbono nos se-res vivos e a complexidade de suas ligações em relaçãoaos compostos inorgânicos e refutador da teoria do flo-gisto, e assentou finalmente os pilares fundamentais daquímica moderna.

1.2 Desenvolvimento da tabela periódica

O período seguinte foi a busca de novos elementos quí-micos, a determinação de seus pesos atômicos exatos esua caracterização por reações com outras substâncias,sendo esta uma das tarefas mais importantes da químicainorgânica. Lothar Meyer e Dmitri Mendeleev ordena-ram dos elementos químicos por peso atômico e com basena capacidade de fazer ligações químicas, originando atabela periódica. Svante Arrhenius, Jacobus Henricusvan't Hoff e Wilhelm Ostwald estimaram a constante dedissociação de sais, ácidos e bases em soluções aquosas.Alfred Werner questionou a validade das teorias e mode-los aceitos na química orgânica, estruturando a nova quí-mica inorgânica em termos dos conceitos de coordenaçãoe de estereoquímica.Antes do século XIX, os químicos acreditavam que oscompostos obtidos a partir de organismos vivos eram de-masiadamente complexos para serem sintetizados. Deacordo com o conceito de vitalismo, a matéria orgânicaera dotado de uma “força vital”. Estes compostos foramnomeados como “orgânicos”, porém durante a primeirametade do século XIX, os cientistas descobriram que oscompostos orgânicos poderiam ser sintetizados em labo-ratório. Em 1828, Friedrich Wöhler produziu a ureia, umcomponente da urina, a partir do sal inorgânico cianato deamônio e embora Wöhler sempre tenha sido cauteloso so-bre a alegação de que teria refutado a teoria da força vital,este evento tem sido muitas vezes visto como um marcopara o estabelecimento da química orgânica. A desco-berta do petróleo e a sua separação em frações de acordocom a diferença no ponto de ebulição de seus componen-tes foi outra etapa importante da história da ciência. Já aindústria farmacêutica teve seu início na última década doséculo 19, com a fabricação de ácido acetilsalicílico (maisconhecido por como aspirina) pela Bayer na Alemanha.[6]

Com os trabalhos sobre termodinâmica química,eletrólitos em soluções, cinética química e outros as-suntos entre as décadas de 1860 a 1880, originou-sea físico-química moderna. O marco foi a publicaçãoem 1876 por Josiah Willard Gibbs de seu artigo, sobreo equilíbrio de substâncias heterogêneas. Este artigoapresentou vários dos pilares da físico-química, comoa energia livre de Gibbs, os potenciais químicos e aregra das fases de Gibbs.[7] Outros marcos incluem aintrodução dos termos entalpia por Heike KamerlinghOnnes e processos macromoleculares.O primeiro método de análise instrumental foi desenvol-vido por Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff e foi baseadona espectroscopia de absorção atômica de chama. Utili-zando esta técnica, eles descobriram, em 1860, elementoscomo o rubídio (Rb) e o césio (Cs).[8] Durante este pe-ríodo a análise instrumental tornou-se progressivamentedominante. Em particular, muitas das técnicas espectros-cópicas e de espectrometria básicas foram descobertas noinício do século 20 e aperfeiçoadas até o final do século20.[9] Os processos de separação se desenvolveram na li-

2.1 Espécies químicas 3

nha de tempo de modo similar e também tornaram-secada vez mais instrumentais.[10]

1.3 Bioquímica e química quântica

A bioquímica, anteriormente chamada de química bioló-gica ou fisiológica.[11], surgiu a partir das investigaçõesde fisiologistas e químicos sobre compostos e conver-sões químicas em seres humanos e plantas no século XIX[12][13] O termo bioquímica foi proposto pelo químico emédico alemão Carl Neuberg (1877-1956) em 1903, em-bora no século XIX grandes pesquisadores como Wohler,Liebig, Pasteur e Claude Bernard estudassem a químicada vida sobre outras denominações.[11][14].Com a Segunda Guerra Mundial, o mundo ingressou naera atômica, marcada pelo descobrimento dos elementostransurânicos e pelos avanços na radioquímica. A dis-ponibilização de isótopos permitiu a realização de ex-perimentos importantes sobre o comportamento cinéticoe mecanístico dos compostos inorgânicos, o qual foi ra-cionalizado por Henry Taube, em 1949, com base nasteorias de ligação. O entendimento lógico do caráterlábil/inerte dos compostos de coordenação lançou a se-mente dos mecanismos de transferência de elétrons, pro-postos por Taube em 1953, definitivamente consagradoscom o Prêmio Nobel que lhe foi outorgado em 1983.Desde a metade do século XX com o desenvolvimentode novas técnicas como a cromatografia, a difracção deraios X, marcação por isótopos e o microscópio eletrô-nico houve avanço na área da bioquímica. Estas técnicasabriram o caminho para a análise detalhada e a desco-berta de muitas moléculas e rotas metabólicas das células,como a glicólise, ciclo de Krebs (ciclo dos ácidos tricar-boxílicos) e a fosforilação oxidativa (cadeia transporta-dora de elétrons).

2 Princípios da química moderna

Tradicionalmente, os princípios da química se ini-ciam com o estudo das partículas elementares, átomos,moléculas,[15] substâncias e outros agregados da maté-ria. Matéria é tudo aquilo que ocupa espaço e possuimassa de repouso (ou massa invariante). É um termogeral para a substância da qual todos os objetos físicosconsistem.[16][17] Tipicamente, a matéria inclui átomos eoutras partículas que possuem massa. A massa é dita poralguns como sendo a quantidade de matéria em um ob-jeto e volume é a quantidade de espaço ocupado por umobjeto, mas esta definição confunde massa com matéria,que não são a mesma coisa.[18] Diferentes campos usam otermo de maneiras diferentes e algumas vezes incompatí-veis; não há um único significado científico que seja con-senso para a palavra “matéria”, apesar do termo “massa”ser bem definido. A matéria pode ser encontrada princi-palmente nos estados sólido, líquido e gasoso, em forma

isolada ou em combinação. Reações químicas[19] e ou-tras transformações como as mudanças de fase envolvemo rearranjo de ligações químicas e outras interações en-tre as moléculas. Estas transformações envolvem invari-avelmente diversos conceitos importantes como energia,equilíbrio químico entre outros. A seguir serão explana-dos as principais entidades usadas para descrever a ma-téria bem como alguns conceitos que permeiam as trans-formações sofridas pela matéria.

2.1 Espécies químicas

Átomo

Representação clássica de um átomo segundo modelo propostopor Rutherford e Bohr.

O átomo é a unidade básica de matéria que consiste de umnúcleo denso central rodeado por uma nuvem de elétronsde carga negativa. O núcleo atômico contem prótons car-regados positivamente e nêutrons eletricamente neutros(exceto o hidrogênio−1, que é o nuclídeo estável semneutrons). Os elétrons de um átomo interagem com onúcleo por força eletromagnética, e do mesmo modo, umgrupo de átomos permanecem ligados uns aos outros porligações químicas baseadas nesta mesma força, formandouma molécula. Um átomo que contém o mesmo númerode prótons e elétrons é eletricamente neutro, caso contrá-rio é carregado positivamente ou negativamente e é cha-mado de íon. Um átomo é classificado de acordo com onúmero de prótons e neutrons no seu núcleo: o númerode prótons determina o elemento químico e o número deneutrons determina o isótopo do elemento.[nota 3]O mo-delo atualmente aceito para explicar a estrutura atômicaé o modelo da mecânica quântica.[21]

Antiátomo

4 2 PRINCÍPIOS DA QUÍMICA MODERNA

Antiátomos constituem a antimatéria, possuindo cargaselétricas inversas aos dos átomos. São compostospor antipartículas denominadas pósitrons, antiprótons eantinêutrons.Elemento

Elemento químico é o termo coletivo para todos os tiposde átomos com o mesmo número atômico. Assim, to-dos os átomos de um elemento químico possuem neces-sariamente o mesmo número de prótons no núcleo. Umelemento é identificado por um símbolo, uma abreviaturaque é na maioria dos casos derivada do nome em latim doelemento (por exemplo, Pb (plumbum), Fe (ferrum). Oselementos estão dispostos na tabela periódica em ordemcrecente do número atômico. Um total de 118 elementossão conhecidos até esta data (2013).Composto

Um composto químico é uma substância químicapura composta por dois ou mais elementos químicosdiferentes.[22][23][24] Os compostos químicos têm uma es-trutura química única e definida e consistem em uma ra-zão fixa de átomos, que são mantidos juntos num arranjoespacial definida por ligações químicas. Os átomos de umcomposto químico podem ser unidos por ligações cova-lentes, ligações iônicas, ligações metálicas ou por ligaçõescovalentes coordenadas. Os elementos químicos não sãoconsiderados compostos químicos, mesmo que consistamem moléculas que contenham múltiplos átomos de umúnico elemento (como H2, S8, etc), sendo estas chama-das moléculas diatômicas ou moléculas poliatômicas.[25]

A nomenclatura de compostos químicos é uma parte cru-cial da linguagem química. No início da história, esteseram batizados com o nome de seu descobridor. No en-tanto hoje, a nomenclatura padrão é definida pela UniãoInternacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). Osistema IUPAC de nomenclatura permite a especificaçãodos compostos por nomes específicos.Substância

Uma substância química é um tipo de matéria com com-posição e conjunto de propriedades definidos.[26] Estrita-mente falando, uma mistura de compostos, elementos ecompostos ou elementos não é uma substância química,mas pode ser chamado de produto químico. A maioriadas substâncias que encontramos em nossa vida diária sãomisturas, como por exemplo o ar e a biomassa.Molécula

Uma molécula é uma entidade eletricamente neutraformada de dois ou mais átomos unidos por ligaçõescovalentes.[27][28][29][30][31][32] As moléculas são distin-guidas dos íons pela ausência de carga elétrica. No en-tanto, em física quântica, química orgânica e bioquímica,o termo molécula é usado frequentemente com menor ri-gor, sendo aplicado também aos íons poliatômicos. Nateoria cinética dos gases, a molécula termo é frequente-mente utilizado para qualquer partícula gasosa, indepen-dentemente da sua composição. De acordo com esta de-

A estrutura de uma molécula apresenta ligações covalentes e éeletricamente neutra, como observado na estrutura do Paclitaxel.

finição, átomos de gases nobres são considerados molé-culas, apesar do fato de que elas são compostas por umúnico átomo sem ligação química.[33] Uma molécula podeser constituída por átomos de um único elemento quí-mico, tal como com o oxigênio gasoso (O2), ou de di-ferentes elementos, como acontece com a água (H2O).Átomos e complexos ligados por ligações não-covalentes,como pontes de hidrogênio ou ligações iônicas geral-mente não são considerados moléculas individuais.[34]

Íon

O íon (português brasileiro) ou ião (português europeu) é uma partí-cula eletricamente carregada, ou seja, é um átomo ou umamolécula que perdeu ou ganhou elétrons. Um íon é cha-mado cátion quando perde um ou mais elétrons, que sãonegativos, ficando carregado positivamente (por exem-plo, o cátion sódio: Na+). Por outro lado, os ânions sãoos íons carregados negativamente, ou seja, ganharam ele-tróns (por exemplo, ânion cloreto: Cl-). Como exemplosde íons poliatômicas podem ser citados os íon hidróxido(OH-) ou o íon fosfato (PO4

3-). Os íons no estado gasososão frequentemente chamados de plasma.

2.2 Conceitos envolvidos na transforma-ção da matéria

Acidez e basicidade

Substâncias possuem propriedades ácidas e/ou básicas.Existem diferentes teorias que explicam o comporta-mento ácido-base. A mais simples é a teoria de Arrhe-nius, que diz que um ácido é uma substância que produzíons hidrônio, quando dissolvida em água; e uma base éuma substânccia que produz íons hidroxila, quando dis-solvida em água. De acordo com a teoria ácido-base deBrønsted-Lowry, ácidos são substâncias que doam um cá-tion hidrogênio a outra substância em uma reação quí-mica; por extensão, uma base é a substância que recebeestes íons hidrogênio. A terceira teoria é teoria ácido-base de Lewis, o qual é baseado na formação de liga-ções químicas. A teoria de Lewis explica que um ácido éuma substância que é capaz de aceitar um par de elétrons

2.2 Conceitos envolvidos na transformação da matéria 5

de uma outra substância durante o processo de formaçãoda ligação química, enquanto que a base é uma substân-cia que cede um par de elétrons para formar uma novaligação.[35] Existem várias outras maneiras em que umasubstância pode ser classificada como um ácido ou deuma base, como é evidente na história deste conceito.[36]

A acidez pode ser mensurada especialmente por dois mé-todos. Uma delas, com base na definição de Arrhenius deacidez, é o potencial hidrogeniônico (pH). O pH é defi-nido como o logarítmo decimal do inverso da atividadede íons hidrogênio, aH+, em uma solução.[37]Assim, assoluções que têm um baixo pH tem alta concentração deíons hidrônio, e pode-se dizer que são mais ácidas.Outra maneira, que tem como base a definição deBronsted-Lowry, é a constante de dissociação de umácido (Kₐ), que medem a capacidade relativa de umasubstância para agir como um ácido sob a definição deBronsted-Lowry. Isto é, as substâncias com um Kₐ maiorsão mais propensas a doar íons hidrogênio em reaçõesquímicas do que aquelas com menores valores de Kₐ.Fase

Temperature

Pre

ssur

e

triple point

critical pointcritical pressurePcr

criticaltemperatureTcr

solid phase

liquidphase

gaseous phase

compressibleliquid

Ptp

Ttp

superheated vapour

supercritical fluid

Um típico diagrama de fase, detalhando a variação de fases daágua em termos de pressão e temperatura. A linha pontilhada dáo comportamento anômalo da água. As linhas verdes marcam oponto de congelamento e a linha azul o ponto de ebulição.

Em ciências físicas, fase é uma região do espaço (umsistema termodinâmico), no qual todas as propriedadesfísicas são essencialmente uniformes.[38] Exemplos depropriedades físicas incluem a densidade, índice de refra-ção, magnetização e composição química. Uma descri-ção mais simples é que uma fase é uma região de um ma-terial que é quimicamente uniforme, fisicamente distintae (frequentemente) mecanicamente separáveis. Num sis-tema composto por gelo e água num frasco de vidro, oscubos de gelo são uma fase, a água é uma segunda fase eo ar úmido sobre a água é uma terceira fase.A termo fase é usado às vezes como sinônimo de estadoda matéria. Além disso, por vezes é utilizado para se re-ferir a um conjunto de estados de equilíbrio demarcadosem termos de variáveis de estado, tais como pressão etemperatura por um limite de fase em um diagrama de

fases. Como os limites de fase se relacionam às altera-ções na organização da matéria, tais como a mudança doestado líquido para o estado sólido ou de uma alteraçãomais sutil de uma estrutura de cristal para o outro, esteúltimo uso é semelhante à utilização de fase como sinô-nimo de estado da matéria. No entanto, o uso dos termosestado da matéria e diagrama de fase não são compatí-veis com a definição formal citada acima e o significadopretendido deve ser determinado a partir do contexto emque o termo é utilizado. Diferentes tipos de estados oufases são considerados com o sólido, líquido e gasoso, ocondensado de Bose-Einstein e o plasma, sendo que esttesdois últimos são estudados em níveis avançados da física.Ligação

Uma ligação química ocorre quando uma interação entreos átomos permite a formação de substâncias químicasque contêm dois ou mais átomos. A ligação é provocadapor força de atração eletrostática entre as cargas opos-tas, quer entre elétrons e os núcleos, ou como o resultadode uma atração dipolar. A força das ligações químicasvaria consideravelmente em termos energéticos; existem“ligações fortes”, como as ligações covalentes ou iônicase “ligações fracas”, tais como interações dipolo-dipolo,a força dispersão de London e ligações de hidrogênio.A muitos compostos, a teoria da ligação de valência, omodelo de repulsão dos pares eletrônicos (VSEPR) e oconceito do número de oxidação são usados para expli-car a estrutura molecular e formação das ligações quími-cas. Outras teorias de ligação, como a teoria do orbitalmolecular também são muito utilizadas.Reação

Vídeo demonstrando uma reação química. Duas soluções in-colores são misturadas (uma solução contendo íons persulfatoou outra contendo íons iodeto). Aparentemente nada acontece.Passados alguns segundos, a solução se torna azulada. Iodo mo-lecular e íons sulfato são os produtos desta reação.

Uma reação química é um processo que leva a transfor-mação de uma substâncias a outra.[39] Classicamente, asreações químicas compreendem alterações que envolvemo movimento dos elétrons na formação e quebra de liga-ções químicas entre os átomos. A substância (ou substân-

6 2 PRINCÍPIOS DA QUÍMICA MODERNA

cias) inicialmente envolvida numa reação química é cha-mada de reagente. As reações químicas produzem um oumais produtos, que em geral têm propriedades diferentesdas dos reagentes. Reações muitas vezes consistem deuma sequência de subetapas e as descrição exata sobre ocurso destas reações ilustram um mecanismo de reação.As reações químicas são descritas com equações quími-cas que apresentam graficamente os materiais de partida,os produtos finais e os intermediários, por vezes, as con-dições de reação.Reações químicas acontecem a uma taxa reacional carac-terística a uma dada concentração e temperatura. Rea-ções que ocorrem rapidamente são descritas como espon-tâneas, que não exigem o fornecimento de energia extra.As reações não espontâneas ocorrem tão lentamente queexigem a introdução de algum tipo de energia adicional(tal como o calor, luz ou de eletricidade), a fim de se com-pletar ou atingir o equilíbrio químico.Diferentes reações químicas são combinadas durante asíntese química, de modo a obter um produto desejado.Em bioquímica, uma série de reações químicas formamas vias metabólicas. Estas reações são geralmente media-das por enzimas. Estas enzimas catalisam muitas reaçõesque não ocorreriam sob condições presentes no interiorde uma célula.O conceito geral de reação química foi estendido para en-tidades menores do que os átomos, incluindo as reaçõesnucleares, decaimentos radioativos e reações entre partí-culas elementares, como descrito pela teoria quântica decampos.Mol

O mol é o nome da unidade de base do Sistema Internaci-onal de Unidades (SI) para a grandeza quantidade de ma-téria.[40][41] É uma das sete unidades de base do SistemaInternacional de Unidades.[42] O seu uso é comum parasimplificar representações de proporções químicas e nocálculo de concentração de substâncias. O Escritório In-ternacional de Pesos e Medidas define: " Mol é a quanti-dade de matéria de um sistema que contém tantas entida-des elementares quanto são os átomos contidos em 0,012quilograma de carbono-12".[43]

Redox

Reações redox (redução-oxidação) incluem todas as rea-ções químicas em que átomos têm o seu estado de oxida-ção alterado por transferência de elétrons, seja pelo ganho(redução) ou perda de elétrons (oxidação). As substân-cias que possuem a capacidade de oxidar outras substân-cias são chamadas de oxidantes (agentes oxidantes). Domesmo modo, as substâncias que tem a capacidade de re-duzir outras substâncias são ditas redutoras e são conhe-cidos como agentes redutores. Um redutor transfere elé-trons a outra substância, então ele sofre oxidação. A oxi-dação e redução refletem a alteração no número de oxi-dação - a transferência efectiva de electrões nunca podeocorrer. Assim, a oxidação é melhor definida como um

aumento no número de oxidação, de redução e como umadiminuição no número de oxidação.Equilíbrio

Em uma reação química, o equilíbrio químico é o estadoem que ambos os reagentes e produtos estão presentesem concentrações e estas não tendem a se alterar com otempo.[44] Geralmente, este estado resulta quando a re-ação (produtos para reagentes) prossegue à mesma taxaque a reação inversa (produtos para reagentes). As ta-xas reacionais de ambas não são iguais a zero, mas sendoiguais, não existem alterações líquidas das concentraçõestanto dos reagentes quanto dos produtos. Este processo échamado de equilíbrio dinâmico.[45][46]

Energia

No contexto de química, a energia é um atributo de umasubstância como uma consequência da agregação de suaestrutura atômica ou molecular. Uma vez que uma trans-formação química gera mudanças na estrutura de umasubstância, o processo é invariavelmente acompanhadopor um aumento ou diminuição de energia nas substân-cias envolvidas. Parte da energia é transferida entre oambiente e os reagentes sob a forma de calor ou de luz,assim, os produtos de uma reação podem ser mais ou me-nos energéticos do que os reagentes.A reação é dita ser exergônica a variação da energia livrede Gibbs tem valor negativo, indicando a possibilidade deuma reação espontânea. No caso de endergônicas a situ-ação é inversa. A reação é dito ser exotérmica se libertacalor para o ambiente e as reações exotérmicas absorvemo calor do meio.As reações químicas são invariavelmente impossível, amenos que os reagentes superem uma barreira de energiaconhecida como energia de ativação. A velocidade deuma reação química (em dada temperatura T) está rela-cionada com a energia de ativação E pelo Fator de Boltz-mann, e−E/kT - que expressa a possibilidade de umamolécula ter uma energia maior ou igual a E em dadatemperatura T. Esta dependência exponencial da taxa dereação em dada temperatura é conhecida como equaçãode Arrhenius. A energia de ativação necessária para queuma reação química ocorra pode ser na forma de calor,luz, eletricidade ou força mecânica sob a forma de ultra-som.[47]

O conceito de energia livre, que também incorpora con-siderações sobre entropia, é um meio muito útil para pre-ver a possibilidade de ocorrência de uma reação químicae determinar o estado de equilíbrio de uma reação emtermodinâmica química. A reacção só é possível se a mu-dança total na energia livre de Gibbs negativa, ∆G ≤ 0 ,e, se for igual a zero, a reação química está em equilíbrio.Existem apenas limitados possíveis estados de energiapara elétrons, átomos e moléculas. Estas são determi-nadas pelas regras da mecânica quântica, que exigemquantização da energia. Os átomos e moléculas em umestado energético estão em estado excitado. Moléculas

3.1 Classificação dos compostos inorgânicos 7

e átomos que substância neste estado energético são fre-quentemente muito mais reativos, isto é, mais passíveisde reações químicas.A fase de uma substância é determinada pela sua energiaprópria e a energia do ambiente. Quando as forças in-termoleculares de uma substância é tal que a energia doambiente não é suficiente para superá-las, ocorrem entãoas fases mais ordenada, como líquido e sólido, como é ocaso com a água (H2O), um líquido à temperatura am-biente porque a sua moléculas estão ligados por ligaçõesde hidrogênio.[48] O sulfeto de hidrogênio (H2S) é umgás a temperatura e pressão padrão, porque suas molécu-las interagem por interações dipolo-dipolo, que são maisfracas.A transferência de energia a partir de uma substânciaquímica para outra depende do tamanho dos quantas deenergia emitidos a partir de uma substância. No entanto,a energia térmica é frequentemente transferida mais fa-cilmente de qualquer substância para outra, porque osfônons responsáveis pelos níveis de energia vibracionale rotacional em uma substância têm muito menos energiado que os fótons invocados para a transferência de ener-gia eletrônica. Assim, pdevido os níveis de energia vibra-cional e rotacional serem mais próximos espacialmentemais espaçados do que os níveis eletrônicos de energia, ocalor é mais facilmente transferido entre substâncias emrelação à luz ou de outras formas de energia electrônica.Por exemplo, a radiação eletromagnética ultravioleta nãoé transferida com o máximo de eficiência de uma subs-tância a outra como a energia térmica ou elétrica.A existência de níveis de energia característicos para asdiferentes substâncias químicas é útil para a sua iden-tificação por meio da análise de linhas espectrais. Di-ferentes tipos de espectros são frequentemente utiliza-dos em espectroscopia, por exemplo, o infravermelhoe microondas. A espectroscopia também é utilizadapara identificar a composição de objetos remotos - comoestrelas e galáxias distantes - analisando os seus espectrosde radiação.

Espectro de emissão do ferro

3 Química inorgânica

Química inorgânica é o campo da química que estuda aestrutura, reatividade e preparação dos compostos inor-gânicos e organometálicos. Este domínio abrange todosos compostos químicos, com exceção dos compostos or-gânicos, que são temas de estudo da química orgânica. Adistinção entre as duas disciplinas está longe de ser ab-soluta e há muita sobreposição, especialmente na disci-plina química organometálica. A química inorgânica tem

1

2

3

4

5

6

7

21HeH

4 5 6 7 8 9 103Be B C N O F NeLi

12 13 14 15 16 17 1811Mg Al Si P S Cl ArNa

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 3619Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrK

38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 5437AgSr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Cd In Sn Sb Te I XeRb

56 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 8655Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At RnCs

88 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 11887Sg Rg Fl UupRa Rf Db Bh Hs Mt Ds Cn Uut Lv Uus UuoFr

57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71DyLa Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Ho Er Tm Yb Lu

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Lanthanides

Actinides

Period1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Group

A química inorgânica estuda todos os elementos da tabela perió-dica e alguns compostos de carbono. A química orgânica dedica-se especialmente ao estudo dos compostos de carbono.

aplicações em todos os aspectos da indústria química,incluindo catálise, ciência dos materiais, pigmentos,surfactantes, revestimentos, medicamentos, combustíveise agricultura.[49]

3.1 Classificação dos compostos inorgâni-cos

H HN

H

H H HN

H

H

H HN

H

H H HN

H

H

Uma dos conceitos para explicar a basicidade ou acidez de umcomposto é a Teoria de Lewis. Na figura é ilustrado a reação deprotonação de uma molécula de amônia: o par de elétrons livredo átomo de nitrogênio é “doado” ao íon hidrogênio para formaro íon amônio, caracterizando deste modo a amônia como umabase de Lewis.

Os compostos inorgânicos são classificados em quatrograndes grupos: os sais, os óxidos, os ácidos e as bases.Os sais são constituídos de um cátion e um ânion unidospor uma ligação iônica, como por exemplo o brometo desódio NaBr, que é constituído de um cátion Na+ e umânion de brometo Br−. Os sais são caracterizados porum alto ponto de fusão e são maus condutores de eletrici-dade no estado sólido. Outras características importantessão a solubilidade em água e a facilidade de cristalização.Alguns sais (por exemplo NaCl) são muito solúveis emágua e outros (por exemplo BaSO4) não o são.Um óxido é um composto químico que contém pelo me-nos um átomo de oxigênio e um outro elemento químicoem sua fórmula química. Óxidos de metais contêm tipi-camente um ânion de oxigênio no estado de oxidação de

8 4 QUÍMICA ANALÍTICA

−2. A maior parte da crosta terrestre é constituída deóxidos sólidos, resultado de elementos que são oxidadospelo oxigênio no ar ou dissolvido na água. A combustãode hidrocarbonetos produz os dois principais óxidos decarbono: monóxido de carbono e dióxido de carbono.A teoria de Brønsted-Lowry define como bases comoaceitadores de íons de hidrogênio, enquanto a teoria deLewis define bases como doadores de par de elétrons. Ateoria mais antiga é de Arrhenius que define bases comoespécies que liberam ânion hidróxido quando em soluçãoe é estritamente aplicável aos compostos alcalinos.A definição para ácidos segue o raciocínio contrário dadefinição de base. A teoria de Brønsted-Lowry definecomo ácidos substâncias que doam íons hidrogênio, en-quanto a teoria mais geral de Lewis define ácidos comoaceitadores de par de elétrons. A teoria de Arrhenius de-fine como ácidos espécies que liberam íons hidrogênioem solução aquosa.

3.2 Química de coordenação

pentacarbonilo de ferro: exemplo estrutural de um composto decoordenação contendo um metal de transição (ferro) e ligantes(monóxido de carbono).

Os compostos de coordenação tradicionais apresentammetais ligados a pares de elétrons que se encontram nosátomos dos grupos ligantes, tais como H2O, NH3, Cl- eCN-. Em compostos de coordenação modernos quasetodos os compostos orgânicos e inorgânicos podem serutilizados como ligantes. O metal é geralmente ummetal dos grupos 3-13, assim como os trans-lantanídeose trans-actinídeos. A estereoquímica dos complexos decoordenação pode ser muito rica, como sugerido porAlfred Werner após a separação de dois enantiômeros de[Co((OH)2Co(NH3)4)3]6+, uma manifestação precocede que a quiralidade não é inerente aos compostos or-gânicos. Um tema dentro deste tópico é a química supra-

molecular de coordenação.[50]

Exemplos de compostos de coordenação: [Co(EDTA)]−,[Co(NH3)6]3+, TiCl4(THF)2.Os principais elementos da tabela periódica estão nos gru-pos da 1, 2 e 13-18 (excluindo o hidrogênio), mas devidoà sua reatividade, os elementos do grupo 3 (Sc, Y, La) edo grupo 12 (Zn, Cd e Hg) são também geralmente in-cluídos entre os principais.Principais compostos de grupoCompostos do grupo principal são conhecidos desde osprimórdios da química como o enxofre elementar e ofósforo branco. Experimentos com oxigênio, O2, reali-zados por Lavoisier e Priestley não só identificou um gásdiatômico importante, mas abriu o caminho para descre-ver compostos e reações de acordo com razões estequi-ométricas. A descoberta de uma síntese da amônia bas-tante prática usando catalisadores de ferro por Carl Bosche Fritz Haber no início de 1900 impactou a humanidadeprofundamente, demonstrando a importância da sínteseinorgânica. Típicos compostos do grupo principal sãoSiO2, SnCl4, e N2O. Muitos compostos do grupo prin-cipal pode também ser classificados como “organometá-licos”, uma vez que contêm grupos orgânicos, por exem-plo, B(CH3)3). Os compostos do grupo principal tam-bém ocorrem na natureza, por exemplo, fosfato de DNAe, portanto, podem ser classificados como bioinorgânicos.Por outro lado, os compostos orgânicos que não estãoligados a hidrogênio são classificados como compostosinorgânicos, tais como os fulerenos e os óxidos de car-bono.Os compostos que contêm metais do grupo 4 a 11 sãoconsiderados compostos de metais de transição. Algunscompostos de um metal do grupo 3 ou 12 são, por ve-zes, também incorporadas neste grupo, mas também mui-tas vezes classificados como compostos do grupo prin-cipal. Compostos de metais de transição mostram umaquímica de coordenação rica, variando de tetraedros detitânio (por exemplo, TiCl4) à geometria quadrado planarde alguns complexos de níquel e complexos de coordena-ção octaédrica para compostos de cobalto. Uma gamade metais de transição podem ser encontrados em com-postos biologicamente importantes, tais como o ferro nahemoglobina.Exemplos de composto contendo metais de transição:pentacarbonilo de ferro e cisplatina.

4 Química analítica

Química analítica é um ramo da química que visa es-tudar a composição química de um material ou de umaamostra, usando métodos laboratoriais. É dividida emquímica analítica quantitativa e química analítica quali-tativa. A busca por métodos de análise mais rápidos, se-letivos e sensíveis também é um dos objetivos essenciais

4.2 Química analítica qualitativa 9

da química analítica. Na prática, é difícil encontrar ummétodo de análise que combinem essas três característi-cas e, em geral, qualquer uma delas pode ser suprimidaem benefício de outra.

4.1 Química analítica quantitativa

Em destaque, um processo de titulação com base em uma neu-tralização: as gotas do titulante que está na bureta caem na solu-ção do analito contida no Balão de Erlenmeyer. Um indicadorácido-base presente nesta última solução mudará de cor deforma permanente, ao atingir o ponto final da titulação.

Em química, análise quantitativa é a determinação daabundância relativa ou absoluta (muitas vezes expressacomo uma concentração) de uma, várias ou todas as subs-tâncias presentes em uma amostra. Vários métodos fo-ram desenvolvidos para este tipo de análise, dentre elasa análise gravimétrica e a análise volumétrica. A aná-lise gravimétrica descreve um conjunto de métodos paraa determinação da quantidade de um analito com basena massa sólida. Um exemplo simples é a determinaçãoda quantidade de sólidos em suspensão em uma amos-tra de água: um volume conhecido de água é filtrado eos sólidos recolhidos no filtro são então pesados.[51][52]

A análise gravimétrica fornece dados precisos sobre acomposição de uma amostra e seu tempo de execuçãopode ser elevado. Já a análise volumétrica, por outrolado, é rápida e os resultados são na maioria dos casossatisfatórios: estas análises consistem basicamente emprocessos de titulação, também conhecido como titulo-metria, onde são monitorados os volumes usados nestasetapas. Um reagente, chamado o titulante é preparadocomo uma solução padrão. Uma concentração conhe-cida e volume de titulante reage com uma solução deanalito ou de titulante [53], para determinar a concentra-

ção. Análise volumétrica pode ser simplesmente umatitulação com base numa reação de neutralização, mastambém pode ser uma precipitação ou uma reação deformação de um complexo, bem como a titulação combase em uma reação redox. No entanto, cada método deanálise quantitativa tem uma especificação geral, em neu-tralização, por exemplo, a reação que ocorre é entre umácido e uma base, a qual produz um sal e água, daí o nomede neutralização. Nas reações de precipitação, a soluçãopadrão é na maioria dos casos de nitrato de prata, que éusada para reagir com os íons presentes na amostra nointuito de formar um precipitado insolúvel. Métodos deprecipitação são muitas vezes chamado simplesmente deargentometria. Nos dois outros métodos, a situação é amesma. A titulação de formação de um complexo é umareação que ocorre entre os íons de um metal e uma solu-ção padrão que contem na maioria dos casos, o EDTA(ácido etilenodiaminotetra-acético). Em uma titulaçãoredox, a reação é ocorre entre um agente oxidante e umagente redutor.

4.2 Química analítica qualitativa

Enquanto a análise quantitativa se preocupa em deter-minar a quantidade de determinada(s) substância(s) emuma amostra, a análise qualitativa usa diversas metodo-logias clássicas que visam especificar a composição ele-mentar de compostos inorgânicos. É focada principal-mente em detectar íons em uma solução aquosa: entãopara que materiais sólidos sejam analisados, estes devempreferencialmente serem convertidos em soluções, geral-mente por um processo denominado digestão. A soluçãoé então tratada com diversos reagentes para testar a re-ações características de determinados íons, que podemcausar mudança da cor da solução em análise, formaçãode precipitado ou outras mudanças visíveis.[54] De acordocom as suas propriedades, os cátions são classificados emseis grupos. Cada grupo possui um reagente de comumque pode ser utilizado para separá-los a partir da solução.Para se obter resultados significativos, a separação segueuma sequência especifa chamada marcha analítica. Outraimportante técnica usada para identificar cátios metálicosé o teste da chama: este procedimento se baseia no espec-tro de emissão característico para cada elemento, quandoem contato com chama. O teste envolve a introdução daamostra em chama e a observação da cor resultante. Asamostras geralmente são manuseadas com um fio de pla-tina previamente limpo com ácido clorídrico para retirarresíduos de analitos anteriores.O teste de chama é base-ado no fato de que quando uma certa quantidade de ener-gia é fornecida a um determinado elemento químico (nocaso da chama, energia em forma de calor), alguns elé-trons da última camada de valência absorvem esta ener-gia passando para um nível de energia mais elevado, pro-duzindo o que chamamos de estado excitado. Quandoum desses elétrons excitados retorna ao estado fundamen-tal, ele libera a energia recebida anteriormente em forma

10 5 FÍSICO-QUÍMICA

Teste da chama: sais contendo o metal lítio apresentam cor aver-melhada quando em contato com chama.

de radiação. Cada elemento libera a radiação em umcomprimento de onda característico, pois a quantidadede energia necessária para excitar um elétron é única paracada elemento. A radiação liberada por alguns elementos

possui comprimento de onda na faixa do espectro visível,ou seja, o olho humano é capaz de enxergá-los atravésde cores. Assim, é possível identificar a presença de cer-tos elementos devido à cor característica que eles emitemquando aquecidos numa chama.

5 Físico-química

Físico-química é o estudo das propriedades físicas e quí-micas da matéria, incluíndo fenômenos macroscópicos,atômicos e subatômicos, sob a ótica das leis e conceitosda física. A físico-química aplica os princípios, práti-cas e conceitos da física como movimento, energia, força,tempo, termodinâmica, mecânica quântica, mecânica es-tatística e dinâmica para explicar fenômenos químicos.

5.1 Disciplinas da físico-química

A físico-química pode ser subdividada em diversas dis-ciplinas. Dentre estas, podem ser citadas a químicaquântica, a termodinâmica química, a cinética química,a mecânica estatística e a eletroquímica.

A termodinâmica química estuda as causas e os efeitos de mu-danças de temperatura, pressão e volume em sistemas químicos.Em destaque o derretimento do gelo - um exemplo de aumento deentropia.

11

A química quântica é um ramo da físico-química cujofoco principal é a aplicação dos conceitos da mecânicaquântica a modelos físicos e experimentais de sistemasquímicos. Uma das ferramentas mais usadas nestes es-tudos é a espectroscopia, por meio do qual a informa-ção sobre a quantização de energia em escala molecularpode ser obtida. Os métodos espectroscópicos mais co-muns são a espectroscopia de infravermelho (IR) e deressonância magnética nuclear (RMN). Os estudos emquímica quântica são bastante teóricos e os trabalhos pos-suem grande interface com a química computacional, vi-sando calcular as previsões da teoria quântica às espéciespoliatômicas. Estes cálculos são realizados em compu-tadores. Com estes meios, os químicos quânticos inves-tigam aspectos envolvidos em reações química como oestado fundamental e excitado de átomos em moléculas eo estado de transição que ocorre durante as reações quí-micas. Os objetivos principais de química quântica in-cluem o aumento da exatidão dos resultados para peque-nos sistemas moleculares e o processamento de moléculasde maiores dimensões, o qual é limitado por um motivo:o tempo de cálculo aumenta quanto maior for o númerode átomos de uma molécula.Outro conjunto de questões importantes giram em tornoda espontaneidade das reações químicas e e quais as pro-priedades de uma mistura de compostos químicos. Estesaspectos são estudados pela termodinâmica química, queprevê a possibilidade de uma reação prosseguir, a quan-tidade de energia que pode ser convertida em trabalho eo estudo de propriedades tais como o coeficiente de dila-tação térmica, a variação de taxa de entropia de um gásou de um líquido.[55] A termodinâmica clássica está maispreocupada com os sistemas em equilíbrio e as mudançasreversíveis.A ideia fundamental da cinética química é a existênciade um estado de transição de energia elevada quandoreagentes são convertidos em produtos, ou seja uma bar-reira energética.[56] De um modo geral, quanto maiorfor esta barreira energética, mais lenta será a reação. Asegunda ideia fundamental é de que a maioria das rea-ções químicas ocorrem como uma sequência de reaçõeselementares,[57] cada uma com seu próprio estado transi-ção. As questões principais da cinética química incluemcomo a velocidade de uma reação depende da tempera-tura e das concentrações dos reagentes e de catalisadoresna mistura reacional, bem como a forma como os cata-lisadores e condições de reação podem ser manipuladaspara otimizar a taxa de reação.A medida de quão rápida uma reação pode ocorrer podeser especificada com apenas poucas amostragens da con-centrações e pelo monitoramento da temperatura, ao in-vés de medir todas as posições e velocidades de cada mo-lécula em uma mistura. Este é um caso especial de umoutro conceito fundamental em físico-química: a mecâ-nica estatística.[58] A mecânica estatística estuda o com-portamento de sistemas com elevado número de entida-des constituintes a partir do comportamento destas en-

Um dos alvos de estudo da eletroquímica, as pilhas são dispo-sitivos que utilizam reações de óxido-redução para geração deenergia elétrica.

tidades. Os constituintes podem ser átomos, moléculas,íons, entre outros.A eletroquímica é um ramo da química que estuda rea-ções químicas que ocorrem em uma solução envolvendoum eletrodo (um metal ou um semicondutor) e um con-dutor iônico (em geral uma solução eletrólítica), envol-vendo trocas de elétrons entre o eletrodo e o eletrólito.Este campo científico abrange todos os processos quími-cos que envolvam transferência de elétrons entre substân-cias, logo, a transformação de energia química em energiaelétrica. Quando tal processo ocorre, produzindo transfe-rência de elétrons, produzindo espontaneamente correnteelétrica quando ligado a um circuito elétrico, ou produ-zindo diferença de potencial entre dois pólos, é chamadode pilha ou bateria (que muitas vezes é formada de diver-sas células). Quando tal processo é proporcionado, in-duzido, pela ação de uma corrente elétrica de uma fonteexterna, este processo é denominado de eletrólise.

6 Química orgânica

A química orgânica é uma especialidade dentro da quí-mica que envolve o estudo científico da estrutura, propri-edades, composição, reações e preparação (por síntese oupor outros meios) de compostos contendo carbono e seusderivados. Estes compostos podem conter átomos outroselementos, incluindo o hidrogênio, nitrogênio, oxigênio,além de halogênios, fósforo, silício e enxofre.[59][60][61]

Compostos orgânicos formam a base de toda a vidaterrena e são estruturalmente bastante diversificados. Agama de aplicação de compostos orgânicos é enorme,sendo os principais componentes de muitos produtos,como plásticos, medicamentos, produtos petroquímicos,alimentos, materiais explosivos e tintas.

12 6 QUÍMICA ORGÂNICA

6.1 Cromatografia e identificação estrutu-ral

Espectrometria de ressonância magnética nuclear: uma das di-versas técnicas utilizadas para a identificação estrutural de umcomposto orgânico.

Os compostos orgânicos naturais ou mesmo produtossintéticos estão muitas vezes em misturas e uma vari-edade de técnicas foram desenvolvidas para avaliar apureza e separar uma substância da outra. As técni-cas mais modernas para separação e análise de amos-tras orgânicas são a cromatografia líquida de alta efi-ciência e cromatografia gasosa. Os métodos tradici-onais de separação incluem a cristalização, destilação,extração com solvente e por cromatografia em coluna. Aespectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN)é a técnica mais habitualmente utilizada para a deter-minação da estrutura de compostos orgânicos e per-mite a atribuição completa da conectividade dos áto-mos e mesmo a estereoquímica. Outros métodos bas-tante usados para a análise de compostos orgânico sãoa espectrometria de massa e a cristalografia. Técnicascomo a análise elementar,a espectroscopia de infraver-melho, rotação óptica e a espectroscopia UV/visível for-necem dados complementares, não sendo usadas isolada-mente para determinação estrutural.

6.2 Propriedades físicas

As propriedades físicas dos compostos orgânicos incluemtanto aspectos quantitativos quanto qualitativos. Infor-mação quantitativas incluem o ponto de fusão, ponto deebulição e índice de refração. As propriedades qualita-tivas incluem odor, solubilidade, consistência e cor. Os

compostos orgânicos, quando comparados aos inorgâni-cos, possuem baixo ponto de fusão e ebulição, sendo estesvalores correlacionados diretamente à polaridade das mo-léculas e ao seu peso molecular. Alguns compostos orgâ-nicos, especialmente os simétricos, sublimam, isto é elesevaporam sem passar pelo estágio de fusão. Um exemplobem conhecido de um composto orgânico sublimável épara-diclorobenzeno. Compostos orgânicos não são ge-ralmente muito estáveis a temperaturas acima de 300 °C,apesar de algumas exceções existirem. Os compostos or-gânicos tendem a ser hidrofóbicos, isto é, elas são menossolúveis em água do que em solventes orgânicos. As ex-ceções incluem compostos orgânicos que contêm gruposionizáveis, bem como álcoois de baixo peso molecular,aminas e ácidos carboxílicos em que ocorrem a ligaçãode hidrogênio.

6.3 Nomenclatura e estrutura

A estrutura da cânfora, uma substância orgânica, representadapor fórmula de linha.

A nomenclatura destes compostos seguem a sistemáticaestipulada pelas especificações da IUPAC. Para utilizar anomenclatura sistemática, deve-se reconhecer a estruturaprincipal e os substituintes. Nomes não sistemáticos sãocomuns para moléculas complexas, especialmente paraprodutos naturais. Assim, a dietilamida do ácido lisérgicoou LSD, desta modo informalmente chamado, é siste-

13

maticamente denominado (6aR,9R)-N,N-Dietil-7-metil-4,6,6a,7,8,9-hexahidroindolo-[4,3-fg]-quinolina-9-carboxamida. Asmoléculas orgânicas são descritas por fórmulas estrutu-rais, combinações de desenhos e símbolos químicos. Afórmula de linha é bastante utilizada para representaras molecular orgânicas por ser simples e não ambígua.Neste sistema, os pontos de extremidade e os cruzamen-tos de cada linha representa um átomo de carbono e osátomos de hidrogênio podem ser notados ou explicita-mente assumida para estar presente como implícito nocarbono tetravalente.O conceito de grupos funcionais é central na químicaorgânica, tanto como um meio para classificar estrutu-ras e como para a previsão de suas propriedades físico-químicas. Um grupo funcional é um módulo molecular, ea reatividade de um determinado grupo funcional, dentrode certos limites, é semelhante em diferentes moléculas.As moléculas são classificadas com base em seus gruposfuncionais. Álcoois, por exemplo, possuem sempre a su-bunidade C-OH. Os hidrocarbonetos alifáticos são sub-dividos em três grupos de séries homólogas de acordocom seu estado de saturação: parafinas ou alcanos, nãopossuem quaisquer ligações duplas ou triplas; olefinas oualcenos, contêm uma ou mais ligações duplas e os alcinostêm uma ou mais ligações triplas. As outras molécu-las são classificadas de acordo com os grupos funcionaispresentes: álcool, ácido carboxílico, éter, éster, aminas,amida entre outros. Compostos saturados e insaturadosexistem também como estruturas cíclicas. Os anéis maisestáveis contêm cinco ou seis átomos de carbono. Ou-tra importante classe de compostos orgânicos são os aro-máticos: o benzeno é a substância mais conhecida, sim-ples e estável. Estes hidrocarbonetos aromáticos contémdiversas ligações duplas conjugadas e que obedecem aomodelo postulado por Kekulé. Outra importante propri-edade do carbono é que formam cadeias, ou redes, quesão ligados por ligações carbono-carbono. Este processode ligação é chamado de polimerização, ao passo que ascadeias ou redes, são chamadas polímeros. O compostode origem é chamado um monómero. Dois grupos prin-cipais de polímeros existem: polímeros sintéticos e bi-opolímeros. Os polímeros sintéticos são artificialmenteproduzido e são comumente referidos como polímerosindustriais.[62]

6.4 Reações em química orgânica

Reações orgânicas são reações químicas envolvendocompostos orgânicos. A teoria geral dessas reações en-volve conceitos de afinidade eletrônica do átomo-chave,impedimento estérico, ácido-base e intermediários reati-vos. Os tipos de reação básicos são: reações de adição,reações de eliminação, reações de substituição, reaçõespericíclicas, reações de rearranjo e reações redox. Cadareação possui um mecanismo de reação passo a passo queexplica como acontece a sequência reacional, embora a

descrição detalhada de alguns passos nem sempre é claraa partir de uma lista de reagentes isolados. O curso passoa passo de qualquer mecanismo de reação pode ser repre-sentado usando setas curvas, que indicam a movimenta-ção de elétrons entre os reagentes, intermediários e pro-dutos finais.

Mecanismo de uma reação de substituição utilizando setas: re-presentação do movimento de pares de elétrons.

A química orgânica aplicada é chamada de química orgâ-nica sintética. A síntese de um novo composto é normal-mente uma tarefa de resolução de problemas. Os com-postos são sintetizados seguindo uma rota sintética, ondea molécula ganha forma depois de varias etapas de co-nexão de moléculas menores. A prática de criar novasvias sintéticas para moléculas complexas é chamada desíntese total. Devido a complexidade e a utilização dereagente muitas vezes caros, é necessário um adequadoplaneamento de cada etapa reacional, sempre visando omáximo rendimento possível.

7 Bioquímica

Bioquímica é a ciência que estuda os processos químicosque ocorrem nos organismos vivos. De maneira geral,ela consiste do estudo da estrutura e função metabó-lica de componentes celulares e virais, como proteínas,enzimas, carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos entreoutros.[63][64][65]

7.1 Bioquímica estrutural

A Bioquímica estrutural, como o nome diz, estuda osaspectos estruturais das biomoléculas. A figura ilustrao pareamente entre as bases guanina (G) e citosina (C),e entre timina (T) e adenina (A), em uma moléculade ácido desoxirribonucleico (DNA), por ligações dehidrogênio.

Este ramo da bioquímica preocupa-se em estudar os as-pectos estruturais das biomoléculas. As quatro prin-cipais classes de biomoléculas são os carboidratos, oslípidos, as proteínas e os ácidos nucleicos. Muitas mo-léculas biológicas são polímeros: neste terminologia, osmonômeros são micromoléculas relativamente pequenasque estão ligadas em conjunto para gerar estas gran-des macromoléculas. Diferentes macromoléculas podemreunir-se em complexos maiores, muitas vezes necessá-rios para a atividade biológica. Os carboidratos, porexemplo, são constituídos de diversos monômeros cha-mados monossacarídeos. Alguns destes monossacáridos

14 8 SONOQUÍMICA

incluem a glicose (C6H12O6), a frutose (C6H12O6) e adesoxirribose (C5H10O4). Os lipídeos são biossintetiza-dos a partir de uma molécula de glicerol combinado comoutras moléculas. Os triglicerídeos, a principal classe delipídeos, são constituídos por uma molécula de glicerol etrês moléculas de ácidos graxos. Os ácidos graxos, tam-bém considerados monômeros, podem ser saturados ouinsaturados. As proteínas são biomoléculas muito gran-des - macro-biopolímeros - sintetizadas a partir de monô-meros chamados aminoácidos. Existem 20 aminoácidosessenciais, cada um contendo um grupo carboxilo, umgrupo amino e uma cadeia lateral, chamada de grupo“R”. O grupo “R” varia entre os aminoácidos, o quefaz com que cada um destes aminoácido seja diferenteum do outro. Estas diferenças e as propriedades destascadeias laterais influenciam imensamente a conformaçãotridimensional de uma proteína. Quando os aminoáci-dos se combinam, formam uma ligação especial chamadaligação peptídica. Estas são reações de desidratação e osprodutos podem ser um peptídeo ou uma proteína. Porfim, os ácidos nucleicos são as biomoléculas envolvidasno armazenamento, transferência e tradução da informa-ção genética: o DNA e os RNAs. Estes ácidos nuclei-cos possuem elevada massa molecular, e contêm em suaestrutura molecular ácido fosfórico, pentoses (monossa-carídeo) e bases purínicas e pirimidínicas. São portantomacromoléculas formadas por nucleotídeos.[66] Os nucle-otideos são a adenina, citosina, guanina, timina e uracila,sendo que timina é presente somente no DNA e a ura-cila somente no RNA. A adenina liga-se com a timina e auracila; a guanina e citosina pode ligar apenas uma coma outra.

7.2 Bioquímica metabólica

A bioquímica metabólica estuda os processos deanabolismo e catabolismo de biomoléculas, as vias me-tabólicas e os processos energéticos envolvidos nestas re-ações químicas. Os carboidratos têm como uma de suasfunções o armazenamento de energia. A glicose, den-tre as biomoléculas, possui papel central como fonte deenergia para a maioria das formas de vida. Os polissaca-rídeos de reserva são decompostos em seus monómeros:em animais, o glicogênio é degradado enzimaticamenteem resíduos de glicose). A glicose é metabolizada prin-cipalmente por uma via muito importante de 10 etapaschamada glicólise ou via glicolítica. O resultado líquidodesta sequencia de reações para quebrar uma moléculade glicose em duas moléculas de piruvato, é a produçãode duas moléculas de ATP (adenosina trifosfato), a fontede energia das células, juntamente com dois equivalentesreduzidos sob a forma de NADH. Energia também podeser obtida por meio de processos anaeróbicos, quandoas células não contam com a presença de oxigênio sufi-ciente. Estes processos são denominados fermentação.Outras vias importantes são as de biossíntese e degraçãode lipídeos. A síntese de ácidos graxos envolve molé-

culas de acetil-CoA e subsequentemente a esterificaçãopara a produção de triglicerídeos, em um processo cha-mado de lipogênese.[67] Os ácidos graxos são sintetizadospela ação da enzima ácido graxo sintase, que polimeri-zam e reduzem as unidades acetil-CoA. As cadeias acíli-cas são estendidos por um ciclo de reações que adicionamo grupo acetila, reduzem-na a um álcool e desidratam-loa um grupo alceno e depois reduzi-la novamente a umgrupo alcano. Os ácidos graxos podem ser subsequen-temente convertidos em triglicerideos, que serão arma-zenados no fígado e no tecido adiposo. Já a degradaçãode lipídeos é realizada pelo processo de betaoxidação eocorre nas mitocôndrias e/ou em peroxissomos para ge-rar acetil-CoA. Para a maior parte, os ácidos graxos sãooxidados por um mecanismo que é similar, mas não idên-tico, a reação inversa de síntese de ácidos graxos. Ouseja, dois fragmentos de carbono são removidos sequen-cialmente da extremidade do ácido, após as etapas dedesidrogenação, hidratação e oxidação, para formar umcetoácido, que será então fragmentado em uma reação detiólise. A acetil-CoA é então convertido em ATP, emúltima análise, CO2, H2O, utilizando o ciclo do ácido cí-trico e a cadeia transportadora de elétrons. É interessantenotar que por este fato, o Ciclo de Krebs pode começarem acetil-CoA, quando a gordura está sendo usado comofonte de energia quando há pouca ou nenhuma disponível.O rendimento energético da oxidação completa de umamolécula de ácido palmítico, por exemplo, é de 106 mo-léculas de ATP.[68] Insaturados e ímpares Ácidos graxosinsaturados e com número ímpar de átomos de carbonorequerem passos adicionais para a degradação enzimá-tica.

A Bioquímica metabólica investiga as vias metabólicas nos or-ganismos vivos e analisa o consumo energético destas reaçõesbioquímicas. A reação apresentada mostra a última etapa reaci-onal no processo de degradação de ácidos graxos: estas molécu-las são degradas em uma molécula menor, chamada acetil CoA,que gerará energia na forma de ATP em reações subsequentes.

8 Sonoquímica

Sonoquímica, é o ramo da química que estuda o usode ondas sonoras de alta frequência, (ultrassons) paraa promoção de reações químicas.[69] A cavitação acús-tica gerada por métodos sonoquímicos,[70] possibilita aprodução de compostos como: TiO2 (dióxido de titâ-nio),[71] H2O2 (peróxido de hidrogênio), radicais livrese outros.[69]

15

A química possui papel fundamental no aumento da expectativae qualidade de vida da população mundial, pela aplicação demetodologias para descoberta, preparação e produção de umadiversidade de produtos bem como o uso racional de recursosnaturais. A imagem destaca a disponibilidade de tratamento deinfecções usando o antibiótico penicilina em meados da décadade 1940. Nesta mesma época teve início a produção em escalaindustrial deste medicamento.

9 Química, educação e sociedade

A aplicação da química aos processos industriais e o de-senvolvimento de novos produtos trouxe, sem dúvida,inestimáveis benefícios a toda a humanidade. O desco-brimento de medicamentos - como exemplo a penicilina[72] e o taxol - provenientes de fontes naturais e a pos-sibilidade de obter substâncias sintéticas em laborató-rio - como a dipirona e o omeprazol - proporcionou alí-vio e a cura de diversas doenças. Consequentemente,a expectativa de vida população aumentou. Além demedicamentos, a pesquisa na área química gerou o de-senvolvimento de novos combustíveis, materiais como opolietileno e o náilon, produtos cosméticos e de higienepessoal, alimentos, petroquímicos, tintas e vernizes en-tre outros[73][74] Acompanhando o desenvolvimento dosprocessos químicos industriais, problemas gerados pelodescarte inadequando de substâncias e produtos químicosacarretaram novos problemas, como a poluição ambien-tal. Diante destas consequencias indesejáveis coube aosprofissionais químicos não somente o desenvolvimentonovos produtos e processos químicos eficientes, mas pla-nejar que estes não fossem poluentes, evitando os danoscausados por algumas substâncias químicas. Propostase ações de remediação ambiental, visando a correção deáreas afetadas bem como o aproveitamento racional dosrecursos naturais são preocupações inerentes a estes pro-fissionais. A profissão de químico é regulamentada e aele são atribuídos o magistério, a atuação em ambientesindustriais e de pesquisa. A gama de atividades ainda en-volvem o projeto, planejamento e controle de produção;desenvolvimento de produtos; operações e controle deprocessos químicos; saneamento básico; química forense;tratamento de resíduos industriais; segurança; gestão de

meio ambiente e, em alguns casos específicos, vendas,assistência técnica, planejamento industrial e direção deempresas.[75] O primeiro laboratório para ensino de quí-mica em Portugal foi o Laboratório Chimico instalado naUniversidade de Coimbra. Edificado em 1772 a mandodo Marquês de Pombal e hoje abriga o Museu da Ciênciada Universidade de Coimbra[76]. No Brasil, a química setornou uma disciplina em uma série de instituições após achegada da corte portuguesa ao país em 1808. A primeiradestas disciplinas foi ministradas em cursos existentes naReal Academia Militar, fundada em 1810 no Rio de Ja-neiro pelo príncipe regente João VI de Portugal. Devidoa falta de pessoal local para o cargo de professor de quí-mica, o químico britânico Daniel Gardner foi contratadopara exercer esta função. Ele ocupou a cadeira até suaaposentadoria em 1825. [77]

Fachada lateral do Laboratorio Chimico, o primeiro centro deensino de ciências químicas em Portugal.

Os cursos de química são generalistas - privilegiandoa química orgânica, química inorgânica, química analí-tica, físico-química e bioquímica -, com aulas teóricas eexperimentais. A primeira metade do curso contemplatambém disciplinas como cálculo diferencial e integral efísica, fundamentais para aprofundamento em determi-nados assuntos. Muitos faculdades permitem a escolhade opções no decorrer da graduação: formação de pro-fessores de química (com disciplinas pedagógicas e está-gio em estabelecimentos de ensino); química básica (paraos alunos que possuem interesse em pesquisa básica e/oudesejam seguir os estudos na pós-graduação e a químicaindustrial (o aluno cursa um rol de disciplinas que per-mitem uma visão sobre operações industriais, além doestágio em industrias). Outras faculdades oferecem a ha-bilitação já na matrícula, como química industrial, tec-nológica, ambiental, de alimentos, petróleo ou têxtil.[78]

Dentre as importantes sociedades científicas nas comuni-dades lusófonas, podem ser citadas a Sociedade Brasileirade Química[79] e a Sociedade Portuguesa de Química[80].Estas instituições são destinadas a cuidar de assuntos demérito da química, em seus aspectos científicos, espiste-mológicos, metodológicos e pragmáticos. Estas socieda-des são abertas a participação de profissionais em químicae áreas afins e atuam no desenvolvimento e consolidaçãoda comunidade, na divulgação da química e de suas rela-ções, aplicações e consequências para o desenvolvimentodo país e para a melhoria da qualidade de vida dos cida-

16 11 NOTAS

dãos.

Marie Curie foi a primeira mulher agraciada com o Nobel deQuímica em 1911. Cem anos depois foi comemorado o Ano In-ternacional da Química.

Diversas competições científicas, nacionais e internaci-onais, foram criadas para estimular o interesse pela quí-mica no meio estudantil. Desde 1986, o Brasil promove aOlimpíada Brasileira de Química. A primeira OlimpíadaIberoamericana de Química foi realizada no ano de 1995,em Mendoza (Argentina). Em 1968, a cidade de Praga,na então República Tcheca, sediou a primeira OlimpíadaInternacional de Química.O ano de 2011 foi considerado o Ano Internacional daQuímica, em resultado da reunião da Assembleia Geraldas Nações Unidas (AGNU), que decorreu em 31 de ju-lho a 6 de agosto de 2009, em Glasgow, na Escócia. Aagenda de comemorações foi organizada pela União In-ternacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) e pelaOrganização das Nações Unidas para a Educação, a Ci-ência e a Cultura (UNESCO). O objetivo do Ano In-ternacional da Química foi celebrar as contribuições daquímica para o bem-estar da humanidade, com ênfase àimportância da química para os recursos naturais susten-táveis. Em 2011 também foi comemorado o centenárioda primeira vez que o Prêmio Nobel de Química foi en-tregue a uma mulher, Marie Curie, por suas pesquisascom radioisótopos. Foi a primeira vez também que umamulher ganhava uma das cinco modalidades do prêmio.

Este fato motivou diversas celebração pela contribuiçãodas mulheres à ciência durante a Ano da Química.O Prêmio Nobel é atribuído anualmente pela AcademiaReal das Ciências da Suécia a diversos cientistas de dife-rentes campos, entre eles a química. A premiação foi cri-ada a partir do desejo de Alfred Nobel de galardoar perso-nalidades que contribuissem para o bem-estar da humani-dade. Este prêmio é administrado pela Fundação Nobel,adjudicado por um comité constituído por cinco mem-bros eleitos pela Academia Real das Ciências da Suécia.O primeiro Nobel de Química foi atribuído em 1901 aJacobus Henricus van't Hoff, dos Países Baixos, por suadescoberta das leis da dinâmica da química e pressão os-mótica em soluções.[81]

10 Ver também

• Ano Internacional da Química

• Associações de Química

• Chemical Abstracts

• Engenharia Química

• Indústrias químicas

• Instituições de Química

• Leis da química

• Lista de químicos

• Lista de produtos e substâncias químicas

• Nobel de Química

• Periódicos de química

• Tabela periódica

11 Notas

[1] A palavra “química” surgiu na língua portuguesa no séculoXVIII, derivada do latim chimica. A origem do termo éincerta, sendo ainda alvo de intensos debates. Costuma-seassociá-la a palavra grega khymeía, que significa “misturade substâncias líquidas"; ou ao grego khêmía, que significa"magia negra"; ou ao egípcio kêm, que significa “negro”.

[2] Chemistry is seen as occupying an intermediate position in ahierarchy of the sciences by “reductive level” between phy-sics and biology.[5]

[3] Um átomo é a menor unidade que representa um elementoquímico, sozinho ou em combinação com outros átomos domesmo ou de outros elementos[20]

17

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20 14 FONTES, CONTRIBUIDORES E LICENÇAS DE TEXTO E IMAGEM

14 Fontes, contribuidores e licenças de texto e imagem

14.1 Texto• Química Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica?oldid=43740338 Contribuidores: JoaoMiranda, HooftBot~ptwiki,

Jorge~ptwiki, Robbot, Hashar, Manuel Anastácio, Scott MacLean, LeonardoG, Hibisco-da-Ilha~ptwiki, Mschlindwein, Rui Silva, Mar-celo Reis, E2m, NH~ptwiki, Mecanismo, E2mb0t, LeonardoRob0t, Malafaya, Alexg, Ikescs, Ligia, Whooligan, Dvulture, Get It, Indech,NTBot, RobotQuistnix, Glum, Rei-artur, Adalberto José dos Santos, SérgioM, Jcmo, Sturm, Loge, Epinheiro, Tschulz, 333~ptwiki, JoãoCarvalho, Alves, Lseixas, Agil, OS2Warp, FML, Lgrave, Adailton, Lijealso, YurikBot, Refael Camilotti, Fernando S. Aldado, Gpvos, Fla-Bot, SallesNeto BR, Persona~ptwiki, Luís Felipe Braga, Mosca, MalafayaBot, Eduardoferreira, Gabrielt4e, X spager, PatríciaR, Chlewbot,Memphis~ptwiki, Armagedon, Salgueiro, Leonardo.stabile, Xandi, LijeBot, Luís Almeida, Hgaqui, JYMMI, U.m, Lemarlou, Adrianrdei-tos, Jo Lorib, Mauroccm, He7d3r, Fulviusbsas, Reynaldo, FSogumo, Master, Marcelo Victor, Yanguas, Cidcn, Thijs!bot, Rei-bot, Pri Lalli,Escarbot, Castelobranco, Daimore, BOT-Superzerocool, JAnDbot, Alchimista, Thiago R Ramos, Pilha, MarceloB, Bisbis, Curadarsjr, Ba-rão de Itararé, Maxtremus, Riverfl0w, Jack Bauer00, Stego, Eric Duff, Rjclaudio, Idioma-bot, EuTuga, Der kenner, Luckas Blade, Carlos28,TXiKiBoT, Tumnus, Gunnex, VolkovBot, Marcelo Ferreira2, SieBot, Synthebot, BOTijo, Carlos Thiago, OTAVIO1981, YonaBot, Teles,Hermógenes Teixeira Pinto Filho, BotMultichill, AlleborgoBot, Marcia21, Zdtrlik, Nkn95, Spra, GOE, Kaktus Kid, GOE2, One People,Estevao serafim, PequijanFAP, Gerakibot, PipepBot, Arthurgoncalvesfilho, Felipesantello, Esopo, Quiumen, Heiligenfeld, LeoBot, Inox,Beria, Alexandrepastre, Carlos Rogério Santana, RuiPFF, Alexandrevales, José Tadeu Barros, Pedro Sezulfe, BOTarate, Vmss, Pesteves,Pediboi, Marcio silva santos, Ruy Pugliesi, BodhisattvaBot, Ebalter, MelM, Gaby.SpritePerverse, Pietro Roveri, Vitor Mazuco, MaurícioI, Phelip de Sousa, Jefersonrds, Guilherme Paiva, Flogisto, Richard Melo da Silva, Numbo3-bot, Spq, ThrasherÜbermensch, LinkFA-Bot,Souquimico, Jcfanha, Nallimbot, Saytron, Eamaral, GoeBOThe, Acqua, Vanthorn, Salebot, ArthurBot, JWBE, Ian2OO8, Xqbot, Gean,Darwinius, Jessica sanatana, FilRBot, RibotBOT, BLD, XOMGx, Phabbyanno, Qwertydfjkheifuyweiuei, MastiBot, Lanje, OnlyJonny,Super Vândalo, Super Torrada, Umdiaqualquer, Braswiki, Dinamik-bot, Marcos Elias de Oliveira Júnior, Coelhoscoelho, KamikazeBot,HVL, TjBot, Ripchip Bot, Hugo Dionizio Santos, Aleph Bot, EmausBot, Heymar Nunes Jr., HRoestBot, Lwnatsumi, Érico Júnior Wouters,Salamat, Hallel, Reporter, ThePinkShark, Spell checker, Rodrigo Leno, ChuispastonBot, Stuckkey, WikitanvirBot, Fernandobrasilien, Co-laborador Z, WikiGT, Rogério Kaiser, MerlIwBot, Antero de Quintal, Sarilho1, PauloEduardo, AvocatoBot, DARIO SEVERI, JhsBot,Zoldyick, Matheus Faria, Poison Whiskey, Dhedhalhus, Camisa10jogabolaatenachuva, N4TR!UMbr, AlchemistOfJoy, Dexbot, Legobot,VANMAIA, Ramon Ícaro, Jorge Andrade B., Mateusaraujo185, Luiz Rodrigo Tescaro, Jaja Iso 1234, Dark-Y, Donutssaur, Jordeň, Athenain Wonderland, UFreenzy, Gabi98767, Tiitanium, O revolucionário aliado, Julio neutro tattoh, Lourino joão, DiegoBot, Fabian Brincko,Willames04032000, Mqw10000, Anderson Francisco Fernandes e Anónimo: 471

14.2 Imagens• Ficheiro:Base_pair_AT.svg Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Base_pair_AT.svg Licença: Public domainContribuidores: Obra do próprio Artista original: Yikrazuul

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