Química A matéria, suas transformações e a energia

Unidade 2

Matéria (p.23)

• É tudo aquilo que tem massa, volume e, por isso, ocupa um

lugar no espaço. Não é possível compartilhar o espaço com

outra porção da matéria.

• Exemplos de matéria: o ar que respiramos, o local onde

estamos e até o nosso próprio corpo são alguns exemplos.

• Massa e volume são propriedades gerais da matéria.

• Unidades de massa:

grama (g)

quilograma (kg)

miligrama (mg)

toneladas (t)

• Unidades de volume:

litro (L)

mililitro (mL)

centímetro cúbico (cm3)

metro cúbido (m3)

decímetro cúbico (dm3)

Estados Físicos da Matéria

• Sólido: moléculas permanecem em posições fixas, compactadas; o corpo possui tanto forma quanto volume definidos.

• Líquido: moléculas não se encontram compactadas; se movimentam com certa liberdade; o corpo possui apenas volume definido.

• Gasoso: as moléculas se movimentam em todas as direções, com alta velocidade e grande liberdade; o corpo não apresenta nem forma nem volume definidos.

Mudanças de estados físicos (p. 19)

• A influência de fatores externos, como pressão e

temperatura faz com que a matéria se apresente ora em um, ora em outro estado físico.

• Se você resfriar a água contida em um recipiente ela pode transformar-se em gelo, por outro lado, se a aquecer, pode se transformar em vapor.

• As mudanças de um estado físico para outro recebem denominações específicas:

Sólido Líquido Gasoso (vapor)

Fusão Vaporização

Liquefação(condensação)

Solidificação

Sublimação

Sublimação ou ressublimação

Organizando as idéias

A vaporização (passagem do estado líquido para o vapor) pode ocorrer de maneiras diferentes:

• Evaporação: é a passagem de líquido a vapor de forma

lenta, à temperatura ambiente, e sem a formação de bolhas no interior do líquido. Ela ocorre na superfície do líquido. Exemplo: a evaporação da água de uma roupa molhada estendida no varal, sob a ação do vento e do sol.

• Ebulição: e a passagem violenta de líquido a vapor, que ocorre com a formação de bolhas no interior do líquido. É conhecida popularmente como fervura. Exemplo: a água de uma panela levada ao fogo, após certo tempo, ferve violentamente, formando bolhas no interior do líquido.

Ponto de fusão e ponto de ebulição

• Ponto de fusão (PF): a temperatura constante na qual uma espécie de matéria passa do estado sólido para o estado líquido.

• Ponto de ebulição (PE): a temperatura constante na qual uma espécie de matéria para do estado líquido para o estado de vapor. Substância PF (ºC) PE (ºC)

Água

Mercúrio

Alumínio

0

-39

660

100

357

2519

Representação gráfica dos PF e PE

sólido

líquido

vapor

Fusão(s + l)

Ebulição (l + v)

TE

TF

Tempo

Temperatura (ºC)

A

B C

D E

F

• O trecho AB indica que a substância sólida está sendo aquecida.

• No ponto B, existe somente substância sólida (início da fusão).

• O trecho BC indica a presença de sólido misturado com líquido. À medida que caminhamos de B para C, a quantidade de sólido diminui e a de líquido aumenta, porém a temperatura permanece inalterada.

• No ponto C, temos apenas líquido, indicando o final da fusão.

• O trecho CD indica que o líquido está sendo aquecido.

• No pondo D, existe apenas líquido; temos o início da ebulição.

• O trecho DE indica a presença de líquido misturado com vapor. À medida que caminhamos de D para E, a quantidade de líquido diminui e a de vapor aumenta; porém a temperatura permanece inalterada.

• No ponto E, existe somente substância no estado de vapor, indicando o fim da ebulição.

Densidade (p. 25)

Conceito que informa quanto de massa existe em um certo volume de matéria. Matematicamente, representa-se a densidade da seguinte forma:

d = m/V

• d = densidade da substância (g/cm3; g/mL; g/L ou kg/L); • m = massa; • V = volume.

• Exemplo: dágua = 1 g/cm3 (Num volume igual a 1 cm3 a massa

de água é igual a 1 g)

Densidade e flutuação

A comparação entre as densidades permite prever se um corpo irá afundar ou flutuar em um certo líquido. Imagine, por exemplo, que uma bolinha de gude, densidade 2,7 g/mL e um pedaço de isopor com densidade igual a 0,03 g/mL sejam colocados num frasco com azeite de oliva, cuja densidade é 0,92 g/mL. O que se pode prever?

O pedaço de isopor, menos denso que o azeite, irá flutuar

nele. E a bolinha de gude, mais densa que ele, irá afundar.

azeite de oliva (0,92 g/cm3)

bola de gude (2,7 g/cm3)

isopor (0,03 g/cm3)

Alguns fatores que afetam a densidade

• Material considerado. Alguns valores considerados aparecem na tabela a seguir:

Matéria Densidade (g/cm3) 25ºC

Isopor 0,03

Cortiça 0,32

Azeite de oliva 0,92

Água 1,00

Chumbo 11,3

• A densidade varia com a temperatura, pois o volume de um corpo muda de acordo com a temperatura, embora a massa permaneça a mesma. Por isso, é importante que, em informações científicas, se expresse, por exemplo, que a densidade do chumbo é 11,34 g/cm3 a 20 ºC.

• Mudanças de estado físico provocam mudanças na densidade de uma substância. Exemplo: água líquida (d = 1 g/cm3) e a água sólida (d = 0,92 g/cm3)

Alguns fatores que afetam a densidade

Na prática:

• Densidade de líquidos Densímetro: Trata-se de um tubo de vidro com uma certa quantidade de chumbo na base, responsável pelo seu corpo. Na parte de cima do tubo há uma escala desenhada. Ao mergulhar o densímetro no líquido, ele afunda até deslocar um volume de fluido cujo peso se iguale ao dele. A superfície do líquido indica determinado ponto na escala, isto é, sua densidade. Esses instrumentos são muito usados em postos de gasolina para verificar por meio da densidade o grau de pureza do álcool usado como combustível.

• Densidade de sólidos Deslocamento • Material necessário: proveta (100 mL) e

balança analítica. • Pesa-se o sólido e anota-se sua massa. • Acrescenta-se 50 mL de água na proveta

e anota-se esse volume. • Coloca-se dentro da proveta o sólido e

anota-se o volume de água deslocado.

• Calcula-se o volume do sólido: Vsólido = Vfinal – Vinicial

• Calcula-se a densidade do sólido: d = m/V

Fenômenos físicos e químicos

• Fenômenos físicos (transformações físicas): quaisquer transformações sofridas por um material sem que haja alteração de sua constituição íntima, ou seja, a matéria é a mesma antes e após a transformação.

• Exemplos: Um pedaço de fio de cobre pode ser dobrado e não se transforma em outra substância; o ferro fundido ainda é ferro; a dilatação de um metal pelo calor; a dissolução de uma substância em um líquido; a expansão de um gás.

• Fenômenos químicos (transformações químicas ou reações químicas): são mais significativas do que as transformações físicas. Nestas transformações, substâncias são destruídas e outras, novas, são formadas. As substâncias que desaparecem durante estas transformações são chamadas reagentes, e aquelas formadas são chamadas de produto.

• Exemplos: A exposição de um prego de ferro ao ar livre e à chuva, causa uma transformação química, porque o ferro é combinado quimicamente com o oxigênio e à água da atmosfera. Se esta exposição for longa, este desaparece e em seu lugar é encontrada uma nova substância, a ferrugem.

• Outros exemplos: queima da madeira, a acidez do leite, a

explosão de dinamite, o cozimento do pão.

• Devemos ainda acrescentar que a própria vida dos animais e vegetais é resultado de uma série de reações químicas:

• Nos animais, a digestão dos alimentos é uma série de reações químicas;

• Os vegetais crescem à custa das reações que envolvem os minerais e a água e a energia solar e o gás carbônico absorvido pelas suas folhas.

É fácil reconhecer uma transformação química?

• Liberação de energia (calor, luz,

explosão) – queima do carvão

• Liberação de gases – efervescência de um comprimido antiácido na água; mau cheiro de ovo podre.

• Mudança de cor – folha de árvore amarelecendo, um fruto apodrecendo, uma grade de ferro enferrujando.

• Formação de um precipitado (aparecimento de um sólido ou turvação de uma solução líquida) – nitrato de chumbo + iodeto de potássio.

Sistemas

• Quando estudamos uma determinada porção de matéria, essa porção é denominada sistema. O que estiver ao redor, até mesmo o recipiente que contém tal porção de matéria, é chamado ambiente ou meio ambiente.

• Classificação dos sistemas sistemas:

a) de acordo com o número de sustâncias que compõe o sistema: substância pura ou mistura

b) De acordo com a constância ou não das propriedades do

sistema: sistema homogêneo ou sistema heterogêneo.

Substância Pura

Uma única substância com composição característica e definida e com um conjunto definido de propriedades. Entre essas propriedades estão o ponto de fusão, o ponto de ebulição, a densidade, o fato de ser inflamável ou não, a cor, o odor, etc. Exemplo: água, sal, enxofre, ferro.

Cloreto de sódio, sólido branco com PF = 801 ºC, PE = 1465 ºC, d = 2,7 g/cm3

Água, líquido incolor com PF 0ºC e PE = 100 ºC, d = 1 g/cm3

Misturas

Consiste em duas ou mais substâncias fisicamente misturadas. Exemplo: água com açúcar (H2O + C12H22O11); ar atmosférico (N2 + O2).

Algumas misturas podem ser identificadas por simples observação visual (ex.: granito). Outras requerem o uso de lupas ou microscópios para individualização dos seus componentes (ex.: leite). Outras são difíceis de serem caracterizadas (água salgada).

Exemplos

Mistura Composição

Leite Água, gorduras, proteínas, açúcares

Madeira Celulose e muitos outros compostos orgânicos

Aço Ferro e carbono

Álcool hidratado Álcool e água

Amalgama Mercúrio e outro metal

Ouro 18 quilates Ouro e cobre

Ar atmosférico Nitrogênio e oxigênio

Características das substâncias puras

Apresentam composição

fixa; não podem ser desdobradas por processos físicos.

Apresentam temperatura constante durante uma mudança de estado.

sólido

líquido

vapor

Fusão(s + l)

Ebulição (l + g)

TE

TF

Tempo

Temperatura (ºC)

SUBSTÂNCIA PURA

Características das misturas

Apresentam composição variável. Exemplo: salmoura – 10% de sal; 90% de água. salmoura – 5% de sal; 95% de água.

Não podem ser representadas por uma única fórmula

química.

Podem ser desdobradas por processos físicos.

Apresentam temperatura variável durante uma mudança de estado.

Exemplo:

Tempo

S

L

G

MISTURA

início da fusão

final da fusão

início da ebulição

final da ebulição

Temperatura (ºC)

intervalo de fusão

intervalo de ebulição

Casos Especiais de Misturas

Mistura Azeotrópica: apresenta temperatura de ebulição constante. Exemplo: etanol (96%) + água (4%), TE = 78,15 ºC

Mistura eutética: Apresenta temperatura de fusão constante. Exemplo: cádmio (60%) e bismuto (40%), TF = 140 ºC

Fusão

EbuliçãoTE

TF

Tempo

S

L

G

MISTURA EUTÉTICA

Fusão

EbuliçãoTE

TF

Tempo

S

L

G

MISTURA AZEOTRÓPICA

Sistemas Homogêneo

• Apresenta as mesmas propriedades em toda a sua extensão é visualmente uniforme.

Água + sal Água

Sistema heterogêneo

• Não apresenta as mesmas propriedades em toda a sua extensão não é visualmente uniforme.

Água e gelo Água e óleo

Fases e Componentes

Fases: cada parte homogênea de um sistema. Todo sistema homogêneo é monofásico (1 fase). Todo sistema heterogêneo é polifásicos (duas ou mais fases) As fases podem ser: sólida, líquida ou gasosa. Não é necessário que uma fase seja contínua. Exemplo:

vários cubos de gelo constituem uma única fase.

Componentes: cada substância pura que participa de um sistema.

O número de fases não é obrigatoriamente igual ao número

de componentes. Exemplo: água, gelo e óleo (3 fases e 2 componentes)

Exemplos:

Sistema Número de fases

Número de componentes

Água 1 1

Água salgada 1 2 (água e sal)

Água e areia 2 2 (água e areia)

Óleo, água líquida e gelo 3 2 (água e óleo)

Oxigênio, Nitrogênio, Gás

carbônico

1 3 (O2, N2, CO2)

Água, gelo, vapor 3 1 componente (água)

Óleo, gelo, água salgada e

granito

6 6 (água, óleo, sal, quartzo, feldspato,

mica)

Análise dos sistemas de acordo com o estado físico

Sistema formado por gases → sempre homogêneo

Sistema formado por sólidos → geralmente heterogêneo. Exemplo: granito (feldspato, quartzo e mica). Alguns são homogêneos. Exemplo: ouro 18 quilates (ouro e cobre).

Sistema formado por líquidos → depende da solubilidade dos líquidos. Exemplos: água e álcool (homogêneo); água e gasolina (heterogêneo)