Manual Quimica 3590

Química-3590

Introdução à química

Química é a ciência que trata y y y y y

y

das substâncias da natureza, dos elementos que a constituem, das suas características, propriedades combinatórias,  processos de obtenção, as suas aplicações e a sua identificação. studa a maneira pela qual os elementos elementos se ligam e reagem rea gem entre si, bem como a energia desprendida ou absorvida durante d urante estas transformações.

E

ctividade dos químicos:

A

- Identificar e caracterizar materiais, descobrindo como são constituídos; - Estudar as propriedades dos materiais e, em especial, as transformações de uns noutros.

O que é a matéria?

Matéria: é tudo o que tem massa e ocupa lugar  no espaço. A matéria nem sempre é visível. O ar é um exemplo disso. Transformações da matéria

s transformações podem ser classificadas em dois grupos:

A

y

y

Transformações físicas - transformações da matéria em que não há mudanças de umas substâncias noutras; ex. mudanças de estado físico. Transformações químicas ± as transformações da matéria em que há mudanças de umas substâncias noutras. Também se chamam reacções químicas ex. combustão de um fósforo.

Mudanças de estado físico

1 Formadora_Sónia Formadora_Sónia Valente

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Variedade de materiais Materiais que são uma única substância - mercúrio de um termómetro - açúcar(sacarose) Materiais que são misturas de substâncias - ouro de ourivesaria- mistura com cobre que lhe confere mais resistência ± ouro puro têm 24 quilates

Tipos de misturas Mistura homogénea é uma mistura onde no final do processo de união de substâncias, estas já não  podem ser identificadas como no início. A aparência da mistura é uniforme a olho nu. Ex .álcool étilico 85%. Mistura heterogénea é aquela em que a união de dois elementos resulta em uma mistura em que  podemos reconhecer visualmente as duas substâncias e, na maioria das vezes,  podemos manualmente separar o soluto do solvente. Em outra definição, o solvente não consegue dissolver o soluto. Ex. água e azeite.

São imiscíveis

Misturas coloidais ± não são mistura homogéneas nem heterogéneas

Emulsão é uma mistura de dois líquidos imiscíveis, um dos quais está disperso no outro na forma de gotículas líquidas. Ex. leite (gotas de gorduras em suspensão).

Substâncias Químicas

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Constituídas por átomos e moléculas.

Átomo y

A

matéria é constituída por corpúsculos muito pequenos chamadosátomos.

O que é um átomo ? Um Átomo é a partícula mais pequena que é possível obter, de um determinado elemento químico, e que ainda caracteriza esse elemento químico. Ele apresenta um núcleo com carga positiva que apresenta quase toda sua massa (mais que 99,9%) e um determinado número de eletrões em volta desse núcleo. É também importante saberes que, num átomo, o número de protões é sempre igual ao número de eletrões. Assim, os átomos são eletricamente neutros ! Até ao final do século XIX, era considerado a menor porção em que se poderia dividir a matéria. Mas nas duas últimas décadas daquele século, as descobertas do protão e do eletrão revelaram que essa ideia estava errada. Posteriormente, o reconhecimento do neutrão e de outras partículas subatómicas reforçou a necessidade de revisão do conceito de átomo.

Representação de um átomo de Lítio

 A constituição do átomo Actualmente sabemos que os átomos são constituídos por três tipos diferentes de partículas fundamentais:

protões, neutrões e eletrões . No

núcleo (centro) do átomo estão os protões e os neutrões, enquanto que os eletrões giram em seu redor. Na figura ao lado está representada a nuvem eletrónica de um átomo. Esta nuvem representa a probabilidade de encontrar os eletrões num determinado local do espaço. 3 Formadora_Sónia Valente

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Os

eletrões de um átomo ocupam determinados níveis de energia (o número de eletrões em cada nível de energia é expressa pela distribuição eletrónica). As três partículas fundamentais do átomo têm as seguintes propriedades: Partículas fundamentais do átomo Partícula

Carga eléctrica

Massa

Neutrão

neutra

aproximadamente igual à do protão

Protão

positiva

aproximadamente igual à do neutrão

Eletrão

negativa

1840 vezes inferior à do protão (ou do neutrão)

É o número de protões (número atómico) que diferencia um elemento químico (tipo de átomo) de outro. Um átomo que tenha 10 protões pertence a um elemento químico diferente de um outro que tenha 11 protões. Quando um átomo ganha ou perde um ou mais eletrões, deixa de ter carga elétrica neutra e passa a ser um ião. No caso de ganhar um ou mais eletrões passa a ser anião (ião negativo). Se o átomo perder um ou mais eletrões passa a ser um catião (ião positivo). Quando os átomos se combinam entre si, dão origem a moléculas.

 A  Tabela

periódica dos elementos

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Dmitri Mendeleiev nasceu na Sibéria e destacou-se na história da Química pois resolveu ordenar os elementos químicos então conhecidos, numa tabela, após verificar  que as suas propriedades se repetiam de forma periódica. Esta tabela de Mendeleiev tinha algumas vantagens sobre outras tabelas ou teorias antes apresentadas, mostrando semelhanças numa rede de relações vertical, horizontal e diagonal. A classificação de Mendeleiev deixava ainda espaços vazios, prevendo a descoberta de novos elementos. A tabela de Mendeleiev serviu de base para a elaboração da actual tabela periódica, que além de catalogar os 118 elementos conhecidos, fornece inúmeras informações sobre o comportamento de cada um.

Dmitri

Mendeleiev  (1834 - 1907)

Mais de metade dos elementos hoje conhecidos foram descobertos entre 1800 e 1900. Durante esse período, os químicos verificaram que certos elementos apresentavam grandes semelhanças. constatação da existência de regularidades periódicas nas propriedades físicas e químicas, aliada à necessidade de sistematizar toda a informação já disponível, levou ao desenvolvimento da chamada Tabela Periódica dos Elementos. A

tabela periódica dos elementos, na sua versão moderna apresenta o seguinte aspecto: A

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Os elementos encontram-se ordenados pelo seu número atómico (indicado nesta tabela por cima do respectivo símbolo) em sequências horizontais que se chamam períodos, e ao mesmo tempo em sequências verticais que se chamam grupos ou famílias. Alguns grupos mantêm nomes próprios, como se pode ver através da figura.

Os períodos da Tabela periódica, são constituídos da seguinte forma: y y y y y

O primeiro período é formado por dois elementos - Hidrogénio (H) e Hélio (He) O segundo e o terceiro períodos contêm oito elementos cada um. O quarto e o quinto períodos contêm dezoito elementos cada um. O sexto período contém trinta e dois elementos. O sétimo período é actualmente constituido por 31 elementos. Deve conter também 32 elementos, mas está ainda incompleto porque ainda não se sintetizaram todos os elementos (os últimos elementos que constam desta tabela, têm sido preparados pelo homem, em laboratório). 6

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Os grupos, ou famílias da Tabela periódica, são constituidos da s eguinte forma: y

y y y y y y y y

y

O primeiro grupo é designado por grupo dos metais alcalinos (com excepção do Hidrogénio (H)). O segundo grupo denomina-se grupo dos metais alcalino-terrosos. O conjunto dos grupos, entre o grupo 3 e o grupo 12 chamam-se metais de transição. O grupo 13 é designado por família do Boro. O grupo 14 é designado por família do Carbono. O grupo 15 também se pode chamar família do Azoto. O grupo 16 pode denominar-se família dos Calcogéneos. O grupo 17 é designado usualmente por família dos Halogéneos. O grupo 18 muito conhecido, apresenta os nomes de família dos gases raros, gases inertes ou ainda gases nobres . As duas últimas linhas da tabela periódica são também designadas por família dos lantanídeos e dos actinídeos, como se pode observar na primeira figura apresentada.

Os elementos químicos podem também classificar-se em três categorias: METAIS NÃO - METAIS

SEMI - METAIS

Bons condutores de calor e de Maus condutores de calor e de Propriedades intermédias entre electricidade electricidade os metais e os não-metais Geralmente sólidos à Menor uniformidade nas suas temperatura ambiente propriedades do que os metais  Na tabela periódica, dispõem-se da seguinte forma:

 A s

regularidades na tabela periódica

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De um modo geral, o tamanho dos átomos aumenta ao longo de um grupo, à medida que o seu número atómico aumenta. Mas, o tamanho dos átomos também diminui ao longo de um período. Os átomos dos elementos do primeiro grupo (grupo dos metais alcalinos) têm um electrão de valência (isto é, um electrão no último nível de energia preenchido). Por isso, têm tendência a formar  iões monopositivos. Os átomos dos elementos do segundo grupo possuem dois electrões de valência, pelo que, originam iões dipositivos. Os átomos dos elementos do grupo 16, apresentam seis electrões de valência, pelo que dão origem a iões dinegativos (iões com duas cargas negativas). Os átomos que pertencem ao grupo 17 (família dos halogéneos) têm sete electrões de valência, pelo que originam iões mononegativos . Os átomos que pertencem ao grupo 18, denominados gases raros, são átomos estáveis, apresentam os seus níveis de energia completamente preenchidos, e por isso não originam iões. A parecem na natureza sob a forma de átomos isolados.

Principais elementos químicos

O hidrogénio é o mais abundante dos elementos químicos, constituindo aproximadamente 75% da massa elementar do Universo

É muito abundante na natureza, encontrado no sal marinho

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Potássio é um elemento químico essencial para o homem, encontrado em muitas hortaliças, e essencial para o crescimento das plantas.

É empregado principalmente como elemento de liga com o alumínio. Outros usos incluem flashes fotográficos, pirotecnia e bombas incendiárias.

O cálcio é o metal mais abundante no corpo humano, especialmente na forma de compostos como o carbonato de cálcio. De aproximadamente 1200 gramas de cálcio encontrados em um adulto, 1110 gramas estão nos tecidos ósseos. Os 90 gramas restantes são utilizados para diversas funções, tais como: atividades das membranas celulares, contrações musculares, impulsos nervosos, controle de acidez do sangue, divisão celular e controle hormonal

Há diferentes proteínas que contêm o grupo hemo, que consiste na ligação da  porfirina com um átomo de ferro. A hemoglobina . que transporta oxigénio, O2.. A hemoglobina localiza-se dentro de células chamadas hemáceas ou glóbulos vermelhos, células essas constituintes do sangue e, pelo fato de ter átomos de ferro, a cor do sangue é vermelha.

 Normalmente utilizado em instrumentos de medidas (termómetros e barómetros) e lâmpadas fluorescentes.

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O alumínio é um metal leve, macio e resistente. Possui um aspecto cinza prateado e fosco, devido à fina camada de óxidos que se forma rapidamente quando exposto ao ar.

É o pilar básico da química orgânica e forma parte de todos os seres vivos.

O Azoto é usado como fator refrigerante, para o congelamento e transporte de alimentos, conservação de corpos e células reprodutivas sexuais, masculinas e femininas ou quaisquer outras amostras biológicas.

Os compostos de fósforo intervêm em funções vitais para os seres vivos, sendo considerado um elemento químico essencial. O fósforo tem relevante papel na formação molecular do ADN e do AR  N, bem como do ATP, adenosina tri-

fosfato.

epresenta aproximadamente 20% da composição da atmosfera terrestre. É um dos elementos mais importantes da química orgânica, participando de maneira relevante no ciclo energético dos seres vivos, sendo essencial na respiração celular dos organismos. R 

O oxigénio respirado pelos organismos aeróbicos, liberado pelas plantas no  processo de fotossíntese, participa na conversão de nutrientes em energia intracelular.

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É utilizado em fertilizantes, além de ser constituinte da pólvora, de medicamentos laxantes, de palitos de fósforos e de insecticidas.

O flúor é um elemento químico essencial para o ser humano.

O cloro é aplicado principalmente na purificação de águas, no branqueamento durante a produção de papel e na preparação de diversos compostos clorados

O iodo é um elemento químico essencial. Uma das funções conhecidas do iodo é como parte integrante das hormonas da tiróide. O défice de iodo conduz ao Hipotiroidismo de que resultam o bócio.

Processo de formação de iões 11 Formadora_Sónia Valente

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m determinadas circunstâncias, os átomos podem perder ou ganhar electrões. Há transferência de electrões de um átomo para o outro formando iões. E

Por isso os iões são corpúsculos electricamente carregados. y

y

Ião positivo (catião) ± se um átomo perde electrões, fica com deficiência de electrões ou com excesso de protões. Ião negativo (anião) ± se um átomo ganha electrões, fica com excesso de electrões ou com carência de protões.

Ligações Química

Como se ligam os átomos?

Covalente igação química

Iónica

L

Metálica

igação covalente ± entre átomos de não metais.

L

igação iónica ± entre átomos de metais e de alguns não metais.

L

igação metálica ± entre átomos de metais.

L

igação covalente

L

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igação química é feita por partilha de pares de electrões entre os núcleos dos átomos constituintes da molécula. L

Os electrões de valência, são os intermediários no «acasalamento» entre átomos.

igações entre átomos

L

Os gases nobres são formados por átomos estáveis, ou seja, por átomos que muito dificilmente estabelecem ligações com outros átomos. Mas a maioria dos átomos não é estável, necessitando assim de estabelecerem ligações u ns com os outros. stas ligações são devidas a forças eléctricas, que condicionam assim a propriedade das substâncias. E

epresentação das ligações numa molécula

R 

Para se representar as ligações numa molécula, utiliza-se a notação de Lewis.  Neste diagrama apenas participam os electrões de valência, pois só estes é que podem estabelecer as ligações químicas covalentes. O par electrónico compartilhado pertence aos dois átomos que estão ligados. Cada electrão desemparelhado que o átomo possuir representará uma ligação covalente q ue deverá ocorrer.

Ligações covalentes Simples Apenas partilham um par de electrões

Mas também há ligações covalentes duplas , que partilham dois pares de electrões e ligações triplas que partilham três pares de electrões

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Ligação covalente dupla - quando há partilha de 2 pares de electrões.

Ligação covalente tripla ± quando há partilha de 3 pares de electrões.

igação iónica

L

Os átomos dos metais têm uma certa tendência a perder os seus electrões de valência para ficar mais estáveis. Formam iões positivos. Os átomos dos não-metais têm tendência a completar o seu último nível, ganhando electrões. Formam iões negativos.

Formam-se assim substâncias iónicas, cujas unidades estruturais são iões.

igação Metálica

L

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Os átomos metálicos tem poucos electrões de valência. stes electrões de valência são partilhados pelos outros átomos, formando assim uma espécie de ³mar de electrões´. É pois este ³mar de electrões´ que assegura a ligação entre os átomos. E

Os metais são formados por iões positivos mergulhados num ³mar de electrões´ livres.

Modelo do ³mar de electrões´

Moléculas y y y

São corpúsculos formados por agregados de átomos. São electricamente neutros Têm formas e tamanhos muito diferentes

Molécula mais simples - molécula do hidrogénio

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Molécula de água

Molécula de dióxido de carbono

Como se transformam as substâncias.

A

transformação de uma substância em duas (ou mais) exige, normalmente, alguma energia.

sta energia pode ser fornecida por:

E

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y y y

quecimento Electricidade Luz A

Transformações por aquecimento temperaturas próximas dos milhares de graus, o vapor de água transforma-se em dois gases - oxigénio e hidrogénio - que podem formar uma mistura altamente explosiva. Fenómeno que ocorre em vulcões. A

Podemos então escrever: vapor de água H2O (g)

por aquecimento

oxigénio O2(g)+ hidrogénio H2(g)

Ocorre então uma reacção que se chama de termólise - palavra que significa ³partir por acção térmica.

Transformações por efeito da electricidade decomposição pela corrente eléctrica dá-se o nome de electrólise. É o caso da própria água, que com a ajuda da electricidade, decompõe-se em oxigénio e hidrogénio. Por ação da electricidade Água (H2O) oxigénio (O2)+hidrogénio (H2) A

Transformações por efeito da luz O fenómeno que ocorre quando as roupas perdem as cores quando expostas ao sol, é um exemplo de uma transformação química pela ação da luz. Dá-se o nome de transformações fotoquímicas. O ozono da estratosfera funciona como filtro solar, retendo os raios ultravioletas d e maior  energia e transformando-se em oxigénio: Ozono (O2)

luz UV

Oxigénio (O2)

 No entanto em certos casos para transformar duas ou mais substância noutras, basta por vezes juntalas. Transformações por simples junção de substâncias s substâncias de que se parte são designadas por reagentes e as substâncias novas que surjam como resultado de reacção são os produtos de reacção. A

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A + B (reagentes)

C (produtos de reacção)

Conservação da massa: Lei de Lavoisier ei de Lavoisier- a massa dos reagentes transformados é igual à massa dos produtos de reacção formados. L

H2O

H2 + O2

 Não temos o mesmo número de átomos dos reagentes e nos produtos, por isso é necessário acertar a equação. 2H2O

2H2 + O2

Reacções de oxidação - redução

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