química geral i vol 1

8/12/2019 Qumica Geral I Vol 1

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Prefcio XVII

1 Matria e Medio 1

1.1 Substncias Elementares e tomos 3

1.2 Compostos e Molculas 4

1.3 Propriedades Fsicas 6

Densidade 6

Temperatura 8

Dependncia das Propriedades Fsicas coma Temperatura 9

Propriedades Extensivas e Intensivas 10

1.4 Mudanas Fsicas e Qumicas 10

1.5 Classificao da Matria 12

Estados da Matria e a TeoriaCintico-molecular 12

A Matria nos NveisMacroscpicoe Particulado 13

Substncias Puras 14

Misturas:Homogneas e Heterogneas 15

1.6 Unidades de Medida 161.7 Utilizando a Informao Numrica 17

Comprimento 17

Volume 19

Massa 20

Fazendo Medies: Preciso, Exatido e ErroExperimental 22

Algarismos Significativos 24

1.8 Soluo de Problemas 26

2 tomos e Elementos 35

2.1 Prtons, Eltrons e Nutrons: Desenvolvimentoda Estrutura Atmica 37

Eletricidade 37

Radioatividade 37

Eltrons 38

Prtons 39

Nutrons 40

O Ncleo do tomo 40

2.2 Nmero Atmico e Massa Atmica 41

Sumrio

As Ferramentas Bsicas da Qumica

Nmero Atmico 41

Massa Atmica Relativa e a Unidade de Massa

Atmica 41 Nmero de Massa 42

2.3 Istopos 43

Abundncia Isotpica 43

Determinando a Massa Atmica Exata e aAbundncia Isotpica 44

2.4 Massa Atmica 46

2.5 tomos e o Mol 47

A Massa Molar 48

2.6 A Tabela Peridica 51

Caractersticas da Tabela Peridica 51

O Desenvolvimento da Tabela Peridica 53

2.7 Uma Viso Geral dos Elementos, de Sua Qumicae da Tabela Peridica 54

2.8 Elementos Essenciais 60

3Molculas, ons e Seus Compostos 65

3.1 Molculas, Compostos e Frmulas 67

Frmulas 68

3.2 Modelos Moleculares 693.3 Compostos Inicos: Frmulas, Nomes

e Propriedades 71

ons 71

Ctions 72

nions 72

ons Monoatmicos 73

Cargas dos ons e a Tabela Peridica 74

ons Poliatmicos 74

Frmulas dos Compostos Inicos 75

Nomes dos ons 76 Nomes dos Compostos Inicos 78

Propriedades dos Compostos Inicos 79

3.4 Compostos Moleculares: Frmulas, Nomese Propriedades 81

3.5 Frmulas, Compostos e o Mol 83

Massa Molar e Molecular 83

3.6 Determinando a Frmula de Compostos 86

Composio Percentual 86

Frmulas Emprica e Molecular a Partir

da Composio Percentual 87


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XII Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON

Determinando uma Frmula a Partir de Dadosde Massa 90

Determinando uma Frmula por Espectrometriade Massa 92

3.7 Compostos Hidratados 93

4 Equaes Qumicas e Estequiometria 101

4.1 Equaes Qumicas 103

4.2 Balanceamento de Equaes Qumicas 104

4.3 Relaes de Massa em Reaes Qumicas:Estequiometria 107

4.4 Reaes em Que um Reagente Est Presente emQuantidade Limitada 110

4.5 Rendimento Percentual 115

4.6 Equaes Qumicas e Anlise Qumica 116 Anlise Quantitativa deuma Mistura 116

Determinando a Frmula de um Compostopor Combusto 120

5 Reaes em Soluo Aquosa 127

5.1 Propriedades dos Compostos em SoluoAquosa 129

ons em Soluo Aquosa: Eletrlitos 129

Tipos de Eletrlitos 130

Solubilidade de Compostos Inicosem gua 131

5.2 Reaes de Precipitao 132

Equaes Inicas Lquidas 135

5.3 cidos e Bases 136

cidos 136

Bases 137

xidos Metlicos e No-metlicos 139

5.4 Reaes de cidos e Bases 140

5.5 Reaes Que Formam Gazes 143

5.6 Classificao das Reaes em SoluoAquosa 144

Reaes com Formao Favorecida de Produtosou Reagentes 145

Resumo das Foras Motrizes das Reaes 146

5.7 Reaes de Oxirreduo 147

Reaes Redox e Transferncia de Eltrons 148

Nmeros de Oxidao 149

Reconhecendo Reaes de Oxirreduo 151

5.8 Medindo a Concentrao de Compostos

em Soluo 155

Concentrao de Solues: Molaridade 155

Preparando Solues de ConcentraoConhecida 158

5.9 pH: Uma Escala de Concentrao para cidos e

Bases 1605.10 Estequiometria das Reaes em

Soluo Aquosa 162

Soluo Geral de Estequiometria 162

Titulao: Um Mtodo de Anlise Qumica 164

6 Princpios de Reatividade: Energia e ReaesQumicas 177

6.1 Energia: Alguns Princpios Bsicos 179

Conservao da Energia 180

Temperatura e Calor 181 Sistemas e Vizinhanas 182

Direcionalidade da Transferncia de Calor:Equilbrio Trmico 182

Unidades de Energia 184

6.2 Capacidade Calorfica Especfica e Transfernciade Calor 184

Aspectos Quantitativos da Transfernciade Calor 187

6.3 Energia e Mudanas de Estado 189

6.4 A Primeira Lei da Termodinmica 192 Entalpia 195

Funes de Estado 196

6.5. Variaes de Entalpia para ReaesQumicas 196

6.6 Calorimetria 199

Calorimetria a Presso Constante:Medindo H 199

Calorimetria a Volume Constante:Medindo E 200

6.7 A Lei de Hess 202 Diagramas de Nveis de Energia 203

6.8 Entalpias Padro de Formao 206

Variao de Entalpia para uma Reao 210

6.9 Reaes com Formao Favorecida deProdutos ou Reagentes e aTermoqumica 211

6.10 Recursos Energticos 212

Combustveis Fsseis: O Que H de Novo? 212

Energia Solar 213

A Economia do Hidrognio 215


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XIIIKOTZETREICHEL Sumrio

7

Estrutura Atmica 2237.1 Radiao Eletromagntica 225

Propriedades das Ondas 225

Ondas Estacionrias 226

O Espectro Visvel da Luz 228

7.2 Planck, Einstein, Energia e Ftons 229

Equao de Planck 229

Einstein e o Efeito Fotoeltrico 231

Energia e Qumica: Usando a Equaode Planck 232

7.3 Espectros de Linhas Atmicas e Niels Bohr 233 Espectros de Linhas Atmicas 233

O Modelo de Bohr do tomode Hidrognio 234

7.4 Propriedades Ondulatrias do Eltron 241

7.5 Uma Viso Mecnico-quntica do tomo 242

O Princpio da Incerteza 242

O Modelo de Schrdinger para o tomode Hidrognio e as Funes de Onda 243

Nmeros Qunticos 243

Informao til a Partir dos NmerosQunticos 244

7.6 O Formato dos Orbitais Atmicos 246

Orbitaiss 246

Orbitaisp 248

Orbitaisd 249

Orbitaisf 249

7.7 Orbitais Atmicos e a Qumica 249

8 Configuraes Eletrnicas dos tomos

e Periodicidade Qumica 2578.1 Spin Eletrnico 259

Magnetismo 259

Paramagnetismo e EltronsDesemparelhados 260

8.2 O Princpio da Excluso de Pauli 261

8.3 Energias das Subcamadas Atmicase Atribuio dos Eltrons 263

Ordem de Energia das Subcamadas e Atribuiodos Eltrons 263

A Carga Nuclear Efetiva, Z* 264

8.4 Configuraes Eletrnicas dos tomos 266

Configuraes Eletrnicas dos Elementosdo Grupo Principal 266

Configuraes Eletrnicas dos Elementos

de Transio 2728.5 Configuraes Eletrnicas dos ons 274

8.6 Propriedades Atmicas e TendnciasPeridicas 275

Tamanho Atmico 275

Energia de Ionizao 277

Afinidade Eletrnica 279

Tamanho dos ons 282

8.7 Tendncias Peridicas e PropriedadesQumicas 283

9 Ligaes e Estrutura Molecular: ConceitosFundamentais 289

9.1 Eltrons de Valncia 291

Smbolos de Lewis para os tomos 292

9.2 Formao de Ligaes Qumicas 292

9.3 Ligao em Compostos Inicos 294

Atrao entre ons e Energia 294

Energia de Retculo (ou Reticular) 296

Por Que Compostos Como NaCl2

e NaNe No Existem 2989.4 Ligaes Covalentes e Estruturas de Lewis 299

Estruturas Eletrnicas de Lewis 299

A Regra do Octeto 300

Prevendo Estruturas de Lewis 302

9.5 Ressonncia 306

9.6 Excees Regra do Octeto 310

Compostos em Que um tomo Possui Menosde Oito Eltrons de Valncia 310

Compostos em Que um tomo Possui Mais de

Oito Eltrons de Valncia 311 Molculas com um Nmero mpar de

Eltrons 312

9.7 Distribuio de Cargas em Ligaes Covalentese Molculas 313

Cargas Formais em tomos 314

Polaridade da Ligao e Eletronegatividade 316

Combinando a Carga Formal e a Polaridadeda Ligao 319

9.8 Propriedades das Ligaes 321

Ordem de Ligao 321

A Estrutura dos tomos e das Molculas


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XIV Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON

Comprimento de Ligao 321

Energia de Ligao 323

9.9 As Formas das Molculas 326

tomos Centrais Cercados Somente por Paresde Ligaes Simples 327

tomos Centrais com Pares de LigaoSimples e Pares Isolados 327

Ligaes Mltiplas e GeometriaMolecular 331

9.10 Polaridade Molecular 333

9.11 A Histria do DNA 337

10Ligaes e Estrutura Molecular: Hibridizaode Orbitais e Orbitais Moleculares 345

10.1 Orbitais e Teorias de Ligao 347

10.2 Teoria da Ligao de Valncia 347

O Modelo de Ligao da Sobreposiode Orbitais 347

Hibridizao dos Orbitais Atmicos 350

Ligaes Mltiplas 357

Isomeria Cis-Trans: Uma Conseqnciadas Ligaes 361

Benzeno: Um Exemplo Especial daLigao 362

10.3 Teoria do Orbital Molecular 363

Princpios da Teoria do Orbital Molecular 363

Ordem de Ligao 365

Orbitais Moleculares de Li2e Be2 365

Orbitais Moleculares a Partir de OrbitaisAtmicosp 366

Ressonncia e a Teoria do OrbitalMolecular 369

10.4 Metais e Semicondutores 372

Condutores, Isolantes e a Teoria de Bandas 372

Semicondutores 373

11Carbono: Mais do Que Apenas Mais UmElemento 381

11.1 Por Que o Carbono? 383

Diversidade Estrutural 383

Ismeros 385

Estabilidade dos Compostos de Carbono 386

11.2 Hidrocarbonetos 388

Alcanos 388

Ismeros Estruturais 388

Alcenos e Alcinos 393

Compostos Aromticos 398

11.3 Alcois, teres e Aminas 401

Alcois e teres 402

Aminas 406

11.4 Compostos com um Grupo Carbonila 408

Aldedos e Cetonas 409

cidos Carboxlicos 410

steres 413

Amidas 415

11.5 Polmeros 416

Classificao dos Polmeros 416

Polmeros de Adio 419 Polmeros de Condensao 422

Novos Materiais Polimricos 426

12Os Gases e Suas Propriedades 431

12.1 Propriedades dos Gases 433

Presso do Gs 433

12.2 As Leis dos Gases: Uma baseExperimental 436

A Compressibilidade dos Gases: Leide Boyle 436

Efeito da Temperatura no Volume de umGs: Lei de Charles 438

Combinando as Leis de Boyle e de Charles:Lei Geral dos Gases 440

A Hiptese de Avogadro 441

12.3 A Lei dos Gases Ideais 442

Densidade dos Gases 444 Calculando a Massa Molar a Partir de Dados

deP,Ve T 445

12.4 As Leis dos Gases e as Reaes Qumicas 447

12.5 Misturas de Gases e Presses Parciais 450

12.6 Teoria Cintico-molecular dos Gases 452

Velocidade Molecular e Energia Cintica 452

Teoria Cintico-molecular e as Leis dos Gases 454

12.7 Difuso e Efuso 455

12.8 Algumas Aplicaes das Leis dos Gases e

da Teoria Cintico-molecular 457

Estados da Matria


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XVKOTZETREICHEL Sumrio

Bales de Ar Quente 457

Mergulho Submarino Profundo 457

12.9 Comportamento No-ideal: Gases Reais 458

13Foras Intermoleculares, Lquidos e Slidos 467

13.1. Estados da Matria e a TeoriaCintico-molecular 469

13.2. Foras Intermoleculares 470

Interaes entre Molculas com DipolosPermanentes 470

Interaes entre Molculas Apolares 472

13.3 A Ligao de Hidrognio 475

A Ligao de Hidrognio e as Propriedades

Incomuns da gua 47713.4 Resumo das Foras Intermoleculares 479

13.5 As Propriedades dos Lquidos 480

Vaporizao 481

Presso de Vapor 484

Ponto de Ebulio 486

Temperatura e Presso Crticas 486

Tenso Superficial, Ao Capilare Viscosidade 488

13.6 Qumica do Estado Slido: Metais 490

Retculos Cristalinos e Celas Unitrias 49013.7 Qumica do Estado Slido: Estruturas

e Frmulas de Slidos Inicos 496

13.8 Outros Tipos de Materiais Slidos 498

Slidos Moleculares 498

Slidos Reticulares 500

Slidos Amorfos 500

13.9 As Propriedades Fsicas dos Slidos 501

13.10 Diagramas de Fase 504

14As Solues e Seu Comportamento 511

14.1 Unidades de Concentrao 513

14.2 O Processo de Dissoluo 516

Lquidos Dissolvendo-se em Lquidos 517

Slidos Dissolvendo-se em Lquidos 519

Calor de Dissoluo 519

14.3 Fatores Que Afetam a Solubilidade: Pressoe Temperatura 525

Dissolvendo Gases em Lquidos: A Leide Henry 525

14.4 Propriedades Coligativas 528

Mudanas na Presso de Vapor: A Lei

de Raoult 528 Elevao do Ponto de Ebulio 531

Depresso do Ponto de Congelamento 532

Propriedades Coligativas e a Determinaoda Massa Molar 533

Propriedades Coligativas de SoluesQue Contm ons 534

Osmose 536

14.5 Colides 540

Tipos de colides 541

Surfactantes 542

A Algumas Operaes Matemticas 552

B Alguns Conceitos Fsicos Importantes 560

C Abreviaturas e Fatores de Converso teis 563

D Constantes Fsicas 567

E Nomenclatura de Compostos Orgnicos 569

F Valores das Energias de Ionizao e AfinidadesEletrnicas dos Elementos 573

G Presso de Vapor da gua em DiversasTemperaturas 574

H Constantes de Ionizao de cidos Fracosa 25 C 575

I Constantes de Ionizao de Bases Fracas a 25 C 577

J Constantes de Produto de Solubilidade de AlgunsCompostos Inorgnicos a 25 C 578

K Constantes de Formao de Alguns ons Complexosem Soluo Aquosa 580

L Valores Termodinmicos Selecionados 581

M Potenciais Padro de Reduo em SoluoAquosa a 25 C 587

N Respostas dos Exerccios 590

O Respostas das Questes de Estudo 601

ndice Remissivo / Glossrio 629

Caderno Colorido* 657

Apndices

*NE: Por questes de ordem pedaggica, estamos repetindo algumas ilustraes no caderno colorido ao final deste livro.


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XVIIKOTZETREICHEL Sumrio

FILOSOFIA E ABORDAGEM DO LIVRO

Desde a primeira edio em ingls, este livro teve dois objetivos principais, porm interdependentes. O primeiro con-

sistia em elaborar uma obra que os estudantes gostassem de ler e que oferecesse, com razovel nvel de rigor, qumica e

princpios qumicos em formato e organizao tpicos dos cursos universitrios atuais. O segundo consistia em transmitir

a utilidade e a importncia da qumica pela introduo das propriedades dos elementos, de seus compostos e de suas

reaes o mais cedo possvel e pela focalizao da discusso nesses assuntos.

Uma observao dos textos introdutrios de qumica disponveis atualmente revela que h um ordenamento

comum utilizado pelos educadores no tratamento de princpios qumicos. Com algumas pequenas variaes, neste livro

seguiu-se essa ordem tambm, o que no significa que os captulos no possam ser usados em ordem diversa.1Por exem-

plo, o Captulo 12, sobre as propriedades dos gases, foi disposto junto com captulos sobre lquidos, slidos e solues,

porque logicamente se encaixa nesses tpicos. Esse captulo, no entanto, pode tambm ser facilmente lido e compreen-

dido mesmo aps a leitura dos primeiros quatro ou cinco captulos.

Em livros de qumica, a discusso sobre qumica orgnica (Captulo 11) normalmente disposta nos captulos

finais. A importncia dos compostos orgnicos na bioqumica e na indstria qumica levou-nos a apresent-lo antes na

seqncia dos captulos. Assim, ele foi colocado depois dos captulos sobre estrutura e ligao, porque a qumica org-

nica ilustra a aplicao dos modelos de ligao qumica e de estrutura molecular.

A ordem dos tpicos no texto foi tambm planejada de modo a introduzir, to cedo quanto possvel, os conheci-

mentos necessrios s experincias de laboratrio feitas em cursos de qumica geral. Por esse motivo, os captulos sobre

propriedades qumicas e fsicas, os tipos comuns de reao e a estequiometria encontram-se no incio do volume 1.

Alm disso, em razo da importncia de se compreender a energia no estudo da qumica, a termoqumica introduzida

no Captulo 6.

A American Chemical Society (Associao Norte-americana de Qumica) tem incitado educadores a recolocar

a qumica nos cursos introdutrios dessa matria. Como qumicos inorgnicos, concordamos plenamente. Por conse-

qncia, freqentemente tentamos descrever os elementos, seus compostos e suas reaes o mais cedo possvel, de diver-

sas maneiras. Primeiro, h numerosas fotografias das reaes que ocorrem, dos elementos e dos compostos comuns, de

operaes comuns no laboratrio e de processos industriais. Segundo, procuramos introduzir os assuntos relacionados s

propriedades dos elementos e dos compostos o quanto antes nos Exerccios e nas Questes de Estudo e apresentar

novos princpios usando situaes qumicas reais. Por fim, assuntos relevantes so apresentados nos captulos 21 e 22

como complemento aos princpios descritos previamente.Finalmente, textos intitulados Um Exame Mais Detalhado descrevem idias que fornecem o pano de fundo

para o assunto em discusso ou uma abordagem diferente dele. Por exemplo, no Captulo 11 sobre qumica orgnica

os textos intitulados Um Exame Mais Detalhado so voltados discusso dos aspectos estruturais de molculas de

importncia bioqumica, como aminocidos e protenas. Em outros captulos mergulhamos em modelagem molecular e

em espectrometria de massa.

Prefcio

1

NE: Esta edio em portugus est organizada em dois volumes (captulos 1 a 14, vol. 1, e captulos 15 a 23, vol. 2).


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XVIII Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSONXVIII Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON

ORGANIZAO DO LIVRO

Qumica Geral e Reaes Qumicasapresenta dois temas que se sobrepem: Reatividade Qumica e Ligao e

Estrutura Molecular. Os captulos que tratam dos Princpios de Reatividade (vol. 2) apresentam ao leitor fatores que con-duzem a reaes qumicas bem-sucedidas na formao de produtos. Assim, neste tpico o leitor estudar tipos comuns

de reaes, a energia nelas envolvida e os fatores que afetam a velocidade de uma reao. Um dos fatores responsveis

pelos enormes avanos em qumica e em biologia molecular nas ltimas dcadas foi a compreenso da estrutura mole-

cular. Assim, as sees do livro sobrePrincpios deLigao e da Estrutura Molecular fornecem as bases que permitem

compreender esses desenvolvimentos. Uma ateno especial dada compreenso dos aspectos estruturais de molculas

biologicamente importantes como o DNA.

Os captulos que tratam dosPrincpios de Reatividadeso organizados em cinco sees, e cada uma delas agrupa

um tema em comum.

Parte 1: As Ferramentas Bsicas da Qumica

Certos mtodos e certas idias bsicas que formam a espinha dorsal da qumica so introduzidos na Parte 1 (vol. 1),

em que se definem termos importantes, alm de apresentar uma reviso das unidades e dos mtodos matemticos. Os

captulos 2 e 3 trazem idias bsicas sobre os tomos, as molculas e os ons, e no Captulo 2 se introduz um dos dis-

positivos organizacionais mais importantes da qumica: a Tabela Peridica. Nos captulos 4 e 5 comea-se a discutir os

princpios da reatividade qumica e a se introduzir os mtodos numricos usados pelos qumicos para extrair informao

quantitativa das reaes qumicas. O Captulo 6 uma introduo energia envolvida em processos qumicos.

Parte 2: A Estrutura dos tomos e das Molculas

O objetivo desta parte fornecer um esboo das teorias atuais que tratam do arranjo dos eltrons nos tomos e

alguns dos desenvolvimentos histricos que conduziram a essas idias (captulos 7 e 8). Com essa base, pode-se com-

preender por que os tomos e seus ons tm propriedades qumicas e fsicas diferentes. Essa discusso est ligada ao

arranjo dos elementos na Tabela Peridica, de modo que essas propriedades possam ser relembradas e predies possam

ser feitas. No Captulo 9, discute-se pela primeira vez como os eltrons dos tomos em uma molcula levam formao

de ligaes qumicas e as propriedades dessas ligaes. Alm disso, mostra-se como derivar a estrutura tridimensio-

nal de molculas simples. Finalmente, o Captulo 10 considera de forma mais detalhada as principais teorias de liga-o qumica.

Ao final desta parte h uma discusso sobre qumica orgnica (Captulo 11), inicialmente de um ponto de vista

estrutural. A qumica orgnica uma rea extensa da qumica que no se pode abranger em detalhe neste livro. Conseqente-

mente, focalizam-se os compostos de especial importncia, incluindo polmeros sintticos, e as estruturas desses materiais.

Parte 3: Estados da Matria

O comportamento dos trs estados da matria gases, lquidos e slidos descrito nessa ordem nos captu-

los 12 e 13. A discusso dos lquidos e dos slidos est vinculada aos gases por meio da descrio das foras intermole-


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XIXKOTZETREICHEL Sumrio XIXKOTZETREICHEL Prefcio

culares, com ateno especial dada gua lquida e slida. O Captulo 13 considera tambm o estado slido, uma rea da

qumica que atualmente atravessa um processo de renascimento. No Captulo 14, trata-se das propriedades das solues,

misturas ntimas de gases, lquidos e slidos.

Parte 4: O Controle de Reaes Qumicas

Esta parte se concentra exclusivamente nos Princpios de Reatividade. No Captulo 15, examina-se a importante

questo das velocidades dos processos qumicos e dos fatores que as controlam. Com isso em mente, avana-se para os

captulos 16 a 18, conjunto de captulos que descreve as reaes qumicas no equilbrio. Aps uma introduo ao equil-

brio no Captulo 16, destacam-se as reaes que envolvem cidos e bases em gua (captulos 17 e 18) e as reaes que

formam sais insolveis (Captulo 18). Para alinhavar a discusso sobre os equilbrios qumicos, explora-se novamente a

termodinmica no Captulo 19. Como tpico final desta parte descreve-se no Captulo 20 a classe principal de reaes

qumicas, aquelas que envolvem a transferncia de eltrons e o uso dessas reaes em clulas eletroqumicas.

Parte 5: A Qumica dos Elementos

Embora a qumica dos vrios elementos seja descrita durante todo o livro at esta parte, aqui se considera este

tpico de forma mais sistemtica. O Captulo 21 est voltado qumica dos elementos representativos, enquanto o

Captulo 22 apresenta uma discusso dos elementos de transio e de seus compostos. Finalmente, no Captulo 23 h

uma breve discusso da qumica nuclear.

Objetivos do Captulo

Uma lista de quatro a seis objetivos para cada captulo apresentada no incio de cada um deles.

Disposio dos Problemas-exemplo

Todos os problemas-exemplo no livro so divididos em trs ou quatro sees. A questo formulada to

sucintamente quanto possvel na apresentao do Problem. Em seguida, a seo Estratgia descreve de maneira geral

como a questo deve ser abordada, quais dados so relevantes e em que parte do texto o estudante pode conseguir ajuda.

A terceira seo esboa a Soluo do problema. Finalmente, caso seja necessrio, h um Comentrio sobre a natureza dasoluo. Isso representa a maneira de abordagem das questes que colocamos aos estudantes.

Organizao das Questes de Estudo

As questes de estudo ao final de cada captulo so divididas basicamente em questes de reviso, em questes

organizadas de acordo com a seo relevante do captulo e em uma lista de questes gerais sem nenhuma indicao de

tipo. Entretanto, mais informao fornecida para as questes organizadas de acordo com a seo do captulo. Para

questes em uma seo ou em uma dada subseo do captulo, destacamos quais as questes ou os exerccios do exemplo

so relevantes.


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XX Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON

Apresentao Adiantada do pH

Em muitas universidades, os estudantes cursam qumica geral apenas no primeiro semestre. Um tpico inicialmente

estudado na parte final do volume 2, mas que til a esses estudantes, o pH. Conseqentemente, a definio do pH e osexemplos de seu uso so apresentados no Captulo 5 como parte da discusso sobre a concentrao das solues.

Equilbrios Qumicos

Este assunto apresentado em trs captulos, reduzindo ligeiramente o estudo de compostos insolveis e incor-

porando o tpico no Captulo 18, volume 2. Este captulo apresenta solues-tampo, titulaes cido-base e a solubili-

dade dos compostos.

Agradecimentos

Queramos agradecer nossas famlias, amigos, colegas e estudantes pelo apoio e encorajamento.

Publicar um livro um processo complexo, exigindo uma grande equipe para realizar a tarefa. Ao menos um dos

membros de nossa equipe merece agradecimentos especiais: Katie Kotz.

O sucesso deste livro se deve, em grande parte, qualidade dos revisores do manuscrito. Queremos expressar

nossa gratido aos esforos de todos aqueles listados a seguir. Entretanto, merecem meno especial: Gary Riley e Steve

Lnaders, que resolveram todos os problemas surgidos. Os revisores de provas Susan Young, Larry Fishel e Marie Nguyen

foram inestimveis. Em razo dos milhares de palavras e de nmeros a serem verificados, leitores de provas cuidadosose competentes so fundamentais.

David W. Ball, Cleveland State University

Roger Barth, West Chester University

John G. Berberian, Saint Josephs University

Don A. Berkowitz, University of Maryland

Simon Bott, University of Houston

Wendy Clevenger Cory, University of Tennessee atChattanooga

Richard Cornelius, Lebanon Valley College

James S. Falcone, West Chester University

Martin Fossett, Tabor Academy

Michelle Fossum, Laney College

Sandro Gambarotta, University of Ottawa

Robert Garber, California State University, Long Beach

Michael D. Hampton, University of Central Florida

Paul Hunter, Michigan State University

Michael E. Lipschutz, Purdue University

Shelley D. Minteer, Saint Louis University

Jessica N. Orvis, Georgia Southern UniversityDavid Spurgeon, University of Arizona

Stephen P. Tanner, University of West Florida

John Townsend, West Chester University

John A. Weyh, Western Washington University

Marcy Whitney, The University of Alabama

Sheila Woodgate, The University of Auckland


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1Matria e Medio

Reconhecer elementos, substncias elementares, tomos, compostos emolculas.

Identificar propriedades e mudanas fsicas e qumicas. Aplicar a teoria cintico-molecular s propriedades da matria.

Usar unidades mtricas e algarismos significativos de forma correta.

A s F e r r a m e n t a s B s i c a s d a Q u m i c a

O b j e t i v o s d o C a p t u l o


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1F o c o d o C a p t u l oPensando sobre a Matria.A qumica o estudo danatureza da matria e de suas interaes. A matria essen-cialmente composta por elementos qumicos e seus compostose sua maior parte pode existir em um dos trs estados: slido,lquido e gs.

Embora os qumicos faam observaes em nvel ma-croscpicos, ns nos preocupamos com as propriedades da mat-ria nas escalas microscpica e submicroscpica.

Fe

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pirita

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ferro,

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Goo

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Science,

vol.

258

,1992

,p.

788

.


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3KOTZETREICHEL Captulo 1 Matria e Medio

Imagine um copo alto cheio de um lquido lmpido. A luz solar de uma janela prxima fazcom que o lquido cintile, e o copo est fresco ao toque. Um gole de gua seria bom, masser que voc deve arriscar? Se o copo estivesse em sua cozinha, voc poderia responderque sim. E se essa cena ocorresse em um laboratrio qumico? Como voc poderia saberque o copo contm gua pura? Formulando a pergunta de forma mais qumica: como vocdemonstraria que o lquido realmente gua?

Em geral, consideramos a gua que bebemos como pura, mas isso no estrita-mente verdade. Em alguns casos, matria pode estar suspensa nela ou bolhas de algum gs,como o oxignio, podem ser visveis. s vezes, a gua da torneira pode apresentar umaligeira colorao, em razo do ferro dissolvido. Na verdade, a gua potvel quase sempreuma mistura de substncias, algumas dissolvidas e outras no. Para qualquer mistura, po-deramos fazer muitas perguntas: quais so seus componentes (partculas de poeira, bolhasdo oxignio, sais dissolvidos de sdio, clcio ou ferro) e quais so suas quantias relativas?Como podem essas substncias ser separadas umas das outras, e como as propriedades deuma substncia variam quando ela misturada com outra?

Este captulo o incio de nossa discusso de como os qumicos pensam sobre a

matria. Exploraremos algumas idias bsicas a respeito dos elementos, tomos, compos-tos e molculas, o foco da qumica. Em seguida, perguntaremos como os qumicos caracte-rizam esses blocos de construo da matria e comearemos a ver como podemos utilizara informao numrica.

1.1 SUBSTNCIASELEMENTARESETOMOSA passagem de uma corrente eltrica atravs da gua pura pode provocar sua decomposi-o em hidrognio e oxignio gasosos (veja a Figura 1.1a). Substncias como o hidrognioe o oxignio, que so compostas por apenas um tipo de tomo, so classificadas comosubstncias elementares1.Cerca de 113 elementos so atualmente conhecidos, e, desses,

Pensando sobre a matria. Isto umcopo de gua pura? Como se pode provarque a gua realmente pura? (CharlesD. Winters)

Figura 1.1 Substncias elementares. (a) A passagem de uma corrente eltrica atravs da gua produz as substncias elementares hidrognio (tubo deensaio direita) e oxignio ( esquerda). (b)Substncias elementares podem freqentemente ser identificadas por sua cor e pelo estado fsico temperaturaambiente. (Charles D. Winters)

(a) (b)

1 NTT: No original: elements. Na lngua inglesa, essa palavra define uma substncia constituda por apenas um tipo de tomo (uma substncia elementar) etambm serve para designar um determinado tipo de tomo. Em portugus, elemento e substncia elementar tm significados diferentes. O elemento o

tipo de tomo, enquanto a substncia elementar aquela formada por apenas um tipo de elemento.


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4 Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON

aproximadamente 90 so encontrados na natureza; o restante foi criado por cientistas. O nomee o smbolo de cada elemento esto listados ao final do livro. O carbono (C), o enxofre (S), oferro (Fe), o cobre (Cu), a prata (Ag), o estanho (Sn), o ouro (Au), o mercrio (Hg) e o chumbo(Pb) eram conhecidos em formas relativamente puras na Antiguidade pelos gregos e romanose pelos alquimistas da China antiga, do mundo rabe e da Europa medieval. Entretanto, muitosoutros como o alumnio (Al), o silcio (Si), o iodo (I) e o hlio (He) no eram conhecidosat os sculos XVII e XVIII (algumas dessas substncias elementares so mostradas na Figura1.1b). Finalmente, os elementos artificiais, como o tecncio (Tc), o plutnio (Pu) e o amercio(Am), foram criados no sculo XX utilizando-se tcnicas da fsica moderna.

Muitos elementos tm nomes e smbolos com origens no latim ou no grego al-guns exemplos incluem o hlio (He), cujo nome vem da palavra grega que significa sol,helios, e o chumbo, cujo smbolo, Pb, vem da palavra em latim plumbum, que significapesado. Os elementos recentemente descobertos, porm, foram nomeados em homenagema seu lugar de descoberta ou a uma pessoa ou um lugar importante alguns exemplos soo amercio (Am), o califrnio (Cf) e o crio (Cm).

A tabela ao final deste livro, em que o smbolo e outras informaes sobre todos

os elementos, com exceo dos mais recentes, so includos em um boxe, chamada deTabela Peridica. Descreveremos essa ferramenta importante da qumica de forma maisdetalhada no Captulo 2.

Um tomo a menor partcula de um elemento que retm as propriedades carac-tersticas desse elemento. A qumica moderna se baseia na compreenso e na exploraoda natureza em nvel atmico. Muito mais ser dito sobre os tomos e as propriedadesatmicas nos captulos 2, 7 e 8 (especialmente).

Elementos

Usando a Tabela Peridica ao final deste livro:

(a) encontre os nomes dos elementos que tm os smbolos Na, Cl e Cr.(b) encontre os smbolos dos elementos zinco, nquel e potssio.

1.2 COMPOSTOSEMOLCULAS

Uma substncia pura como acar, sal ou gua, que composta por duas ou mais subs-tncias elementares diferentes, chamada de composto qumico.Apesar de conhecermosapenas 113 elementos, parece no haver nenhum limite para o nmero dos compostosconstitudos a partir desses elementos. Mais de 20 milhes de compostos so atualmente

conhecidos, e aproximadamente 500 mil so adicionados lista a cada ano. Quando os elementos tornam-se parte de um composto, suas propriedades ori-ginais, como a cor, a dureza e o ponto de fuso, so substitudas pelas propriedades ca-ractersticas do composto. Considere o sal de cozinha comum (cloreto de sdio), que composto por duas substncias elementares (veja a Figura 1.2).

O sdio um metal brilhante que interage violentamente com a gua. compos- to por tomos de sdio arranjados de forma compacta.

O cloro um gs amarelo-claro que tem um odor caracterstico sufocante e um forte irritante dos pulmes e de outros tecidos. A substncia elementar composta por unidades de Cl2, em que dois tomos de cloro so fortemente ligados.

O cloreto de sdio, ou o sal de cozinha, um slido cristalino com propriedades

completamente diferentes das duas substncias elementares que o compem

Escrevendo os Smbolos dosElementos

Note que apenas a primeira letra dosmbolo de uma substncia elementar maiscula. Por exemplo, cobalto Coe no CO. A notao CO representa ocomposto monxido de carbono.

Resposta aos Exerccios

Em cada captulo do livro voc encon-trar um ou mais exerccios ao final decada seo, ou dentro de uma seo.O objetivo desses exerccios ajud-loa verificar o seu conhecimento do as-sunto discutido naquela seo. As solu-es desses exerccios encontram-se noApndice N.

A pirita de ferro um composto qu-mico formado por ferro e enxofre. freqentemente encontrada na naturezana forma de cubos dourados perfeitos.(Charles D. Winters)

Exerccio 1.1


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(veja a Figura 1.2). O sal composto por sdio e cloro intimamente ligados umao outro. (O significado de frmulas qumicas do tipo NaCl explorado nas

sees 3.3 e 3.4.)

importante fazer uma distino cuidadosa entre uma mistura de substnciaselementares (veja a Seo 1.5) e um composto qumico de dois ou mais elementos. O ferrometlico puro e o enxofre amarelo em p (veja a Figura 1.1b) podem ser misturados empropores variadas. No composto qumico conhecido como pirita de ferro, entretanto,esse tipo de variao no pode ocorrer. A pirita de ferro no somente exibe propriedadesespecficas e diferentes daquelas do ferro ou do enxofre, ou uma mistura dessas substnciaselementares, como tambm apresenta uma composio percentual em massa invarivel(46,55% de Fe e 53,45% de S, ou 46,55 g de Fe e 53,45 g de S em 100,00 g de amostra).Assim, existem duas principais diferenas entre misturas e compostos qumicos: os com-postos tm caractersticas diferentes de seus elementos de origem e tm uma composio

percentual fixa (em massa) de seus elementos constituintes. Alguns compostos como o sal, NaCI so constitudos porons, que so to-mos ou grupos de tomos eletricamente carregados [ Captulo 3]. Outros compostos como a gua e o acar consistem emmolculas, as menores unidades discretas queretm as caractersticas qumica e de composio do composto.

A composio do composto pode ser representada por suafrmula qumica. Nafrmula para a gua, H2O, por exemplo, o smbolo para o hidrognio, H, seguido por um2 subscrito, que indica que dois tomos de hidrognio ocorrem em uma nica molculade gua. O smbolo para o oxignio aparece sem algarismo subscrito, o que indica quesomente um tomo de oxignio ocorre na molcula de gua.

Conforme ser visto durante todo este livro, as molculas podem ser represen-tadas por modelos que descrevem sua composio e sua estrutura. A Figura 1.3 ilustra os

nomes, as frmulas e os modelos das estruturas de algumas molculas comuns.

Figura 1.2 Formao de um composto qumico. Cloreto de sdio, o sal de cozinha, pode ser preparado pelacombinao de sdio metlico (Na) e do gs amarelo cloro (Cl2). O resultado um slido cristalino. (Charles D.Winters)


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6 Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON

1.3 PROPRIEDADESFSICASVoc reconhece seus amigos pela aparncia fsica: altura, peso e cor dos olhos e dos cabe-los. O mesmo vale para as substncias qumicas. Pode-se diferenciar entre um cubo de geloe um cubo de chumbo de mesmo tamanho no apenas por sua aparncia (um transparentee incolor, o outro um metal lustroso), mas tambm por um deles ser muito mais pesado(chumbo) do que o outro (gelo) (veja a Figura 1.4). Propriedades como essas, que podemser observadas e medidas sem alterar a composio de uma substncia, so chamadas de propriedades fsicas. As substncias qumicas elementares nas figuras 1.1 e 1.2, por exem-

plo, diferem claramente na cor, na aparncia e no seu estado, isto , se so slidas, lquidasou gs. As propriedades fsicas permitem que classifiquemos e identifiquemos substnciasdo mundo da matria. Na Tabela 1.1 listam-se algumas propriedades fsicas da matria queos qumicos geralmente utilizam.

Identifique, na Tabela 1.1, o mximo de propriedades fsicas que puder para as seguintessubstncias comuns: (a) ferro, (b) gua, (c) sal de cozinha (cujo nome qumico cloreto desdio) e (d) oxignio.

Propriedade Utilizao da Propriedade para Diferenciar Substncias

Cor A substncia colorida ou incolor?Qual a cor e qual sua intensidade?

Estado da matria um slido, um lquido ou um gs?Se um slido, qual a forma das partculas?

Ponto de fuso A que temperatura o slido se funde?

Ponto de ebulio A que temperatura o lquido ferve?

Densidade Qual sua densidade (massa por unidade de volume)?

Solubilidade Que massa da substncia pode ser dissolvida em umdeterminado volume de gua ou em outro solvente?

Condutividade eltrica Trata-se de um condutor eltrico ou de um isolante?

Maleabilidade Qual a facilidade de se deformar o slido?

Ductibilidade Com que facilidade o slido pode ser transformado em um fio?

Viscosidade Qual a suscetibilidade de um lquido ao escoamento?

DensidadeA densidade, razo entre a massa de um objeto e seu volume, uma propriedade fsica til

para identificar as substncias.

Figura 1.3Nomes, frmulas e modelosdas estruturas de algumas molculas co-muns. Modelos de molculas so ampla-mente utilizados, e muitos aparecem aolongo de todo o livro. Nesses modelos,

os tomos de C so representados em corcinza, os tomos de H, em branco, os deN, em azul, e os de O, em vermelho. Esseesquema de cores geralmente usadoem qumica. (Veja o caderno colorido aofinal do livro.)

Figura 1.4 Propriedades fsicas. Umcubo de gelo e um pedao de chumbopodem ser facilmente diferenciadospor meio de suas propriedades fsicas(como densidade, cor e ponto de fuso).(Charles D. Winters)

Propriedades Fsicas

Algumas Propriedades Fsicas

Exerccio 1.2

Tabela 1.1


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(1.1)

Seu crebro usa inconscientemente a densidade de um objeto que voc queira levantar

estimando o volume visualmente e preparando seus msculos para levantar a massa pre-vista. Por exemplo, pode-se instantaneamente dizer a diferena entre um cubo do gelo e umcubo de chumbo de tamanhos idnticos (veja a Figura 1.4). O chumbo tem uma densidadeelevada, 11,35 g/cm3(11,35 gramas por centmetro cbico), ao passo que a densidade dogelo ligeiramente menor que 0,917 g/cm3. Um cubo de gelo com um volume de 16,0 cm3tem uma massa de 14,7 g, enquanto um cubo de chumbo com o mesmo volume tem umamassa de 180 g.

A densidade de uma substncia relaciona sua massa e seu volume. Se duas dastrs grandezas massa, volume e densidade forem conhecidas para uma amostra dematria, a terceira pode ser calculada. Por exemplo, a massa de um objeto o produtode sua densidade por seu volume:

Essa abordagem usada para encontrar a massa de 24 cm3[ou 24 mL (mililitros)] de mer-crio na proveta na foto ao lado. Um manual2de qumica lista a densidade do mercriocomo 13,534 g/cm3(a 20 C).

Usando a Densidade

Densidade =massavolume

Massa (g) = volume densidade = volume (cm ) massa (g)v

3

oolume (cm )3

Qual a massa de 24 mL de mercrio?Veja o texto para a resposta. (CharlesD. Winters)

Massa (g) = 24 cmg

cmg

3

3 =

13 534

1325

,

56 0001 11

162 000

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,.cm

g

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3 =

ExemploExemplo 1 11.1

Exerccio 1.3

Problema O etilenoglicol, C2H6O2, largamente usado em fluidos anticonge-lantes para radiadores de automveis. Ele possui uma densidade de 1,11 g/cm3(ou 1,11 g/mL). Qual a massa, em gramas, de 56 litros (56.000 mL = 56.000cm3) de etilenoglicol?

Estratgia Voc conhece a densidade e o volume da amostra. J que a den-sidade a relao entre a massa de uma amostra e seu volume, ento massa =volume densidade. Conseqentemente, para encontrar a massa da amostra,multiplique o volume pela densidade.

Soluo

Comentrio Observe que unidades de cm3cancelam-se no clculo.

Densidade

2NTT: No Brasil, geralmente nos referimos a esses compndios de informao por seu nome em ingls:Handbook.

A densidade do ar seco 1,18 103g/cm3(= 0,00118 g/cm3; veja o Apndice A sobrecomo usar a notao cientfica). Que volume do ar, em centmetros cbicos, tem uma massade 15,5 g?

química geral i vol 1

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