Energia de ionização, cátions, ânions e simuladores

Transcrição

1 Projeto Embuá Unidade de Aprendizagem: ENERGIA Energia de ionização, cátions, ânions e simuladores Existe um conceito físico-químico chamado energia de ionização ou potencial de ionização, correspondendo à energia mínima necessária para retirar um elétron de um átomo ou íon no estado gasoso. Assim, o átomo ou íon só perderá elétron(s) se ele receber energia suficiente, que é a energia de ionização. Saliente-se que há diferenças energéticas para arrancar mais de um elétron de um mesmo átomo. Por exemplo, o átomo de sódio possui como primeira energia* de ionização o valor de 496 kj/mol. Já sua segunda energia de ionização é de 4560 kj/mol. Perceba que isso é muito maior que a primeira, mostrando que é necessário fornecer muito mais energia ao sódio para retirar dois elétrons do que apenas um. É por isso que na natureza é mais comum encontrar átomos de sódio com a carga +1, isto é, cátion sódio (Na 1+ ). Por outro lado, certos elementos (como os não-metais e principalmente gases nobres) apresentam alta energia de ionização, mesmo para a retirada do primeiro elétron. Na mini tabela que segue, podemos verificar que as menores energias** de ionização pertencem aos elementos/átomos localizados à esquerda e, as maiores, à direita. É por isso que se diz que os não-metais não tendem a perder elétrons, pois isso envolve gasto de muita energia. Na verdade, os não-metais, apresentam tendência contrária, isto é, recebem elétron(s), tornando-se negativos. É o caso, para exemplificar, do átomo de cloro com carga 1. Significa que possui um elétron a mais do que o átomo neutro original. O cloro, então, torna-se íon (Cl 1 ) e denomina-se cloreto. Por sua vez, os gases nobres tendem a permanecer neutros, ou seja, sem ganho nem perda de elétron(s). Costuma-se atribuir a estabilidade/neutralidade desses átomos do grupo 18 da T.P. à camada de valência completa (oito elétrons***). Analisando o posicionamento do átomo/elemento na tabela periódica, pode-se avaliar a sua energia de ionização. Há crescimento da esquerda para a direita e de baixo para cima. * 11 Na o kj/mol 11Na 1+ + e - **kj/mol. ***O gás nobre He possui apenas dois elétrons.

2 Interação entre cátions e ânions: força eletrostática Quando átomos, moléculas ou íons (cátions e ânions) aproximam-se entre si, dois fenômenos podem acontecer: 1. Podem reagir; 2. Podem interagir. Note que reagir e interagir são palavras que podem gerar certa confusão quanto aos seus significados. Será que há diferenças tão significativas entre elas, quanto aos seus sentidos? Do ponto de vista da Química, sim. Uma importante diferença: reagir pressupõe que espécies químicas existentes sejam desfeitas e novas sejam formadas, ao passo que interagir significa que átomos (ou moléculas ou íons) se aproximam, ocorrendo atração ou repulsão. Outra diferença importante: reagir envolve quantidades de energia bem mais elevadas do que interagir. Trataremos, presentemente, apenas de um dos processos de interação, a saber, aquela que ocorre entre íons. É bom esclarecer que os outros tipos de interação são igualmente importantes e serão priorizados oportunamente. O mesmo vale para as reações químicas, pois são provavelmente um dos principais objetos de estudo da Química. Os compostos onde este tipo de interação (no caso atração) é predominante são ditos compostos iônicos. Como exemplos, podemos citar os listados abaixo: Na 1+ Cl 1 (cloreto de sódio, sal de cozinha) Na 1+ HCO 3 1 (bicarbonato de sódio) Al 3+ Al 3+ SO 4 SO 4 SO 4 (sulfato de alumínio) As interações deste tipo (carga-carga), como vimos, podem ser atrativas ou repulsivas. Em resumo, as cargas de sinais diferentes atraem-se e de sinais iguais, repelemse. A força eletrostática associada com este tipo de interação é descrita matematicamente como (Lei de Coulomb): q.q 1 2 F= K 2 r Onde: q 1 e q 2 são as cargas das partículas (cátions ou ânions) que interagem; r é a distância que separa essas cargas; K é a constante dielétrica*** do meio. Cabe destacar ainda que essa interação (de atração) entre cargas positivas e negativas costuma ser denominada ligação iônica e que a soma das cargas deverá ser igual a zero. Por isso, no exemplo do sulfato de alumínio, são necessários dois cátions Al 3+ para três SO 4 para neutralizar o agregado iônico. ****Esta constante reflete a tendência do meio em blindar uma carga da outra, isto é, uma carga irá "sentir" com maior ou menor intensidade a presença da outra. 2

3 Representando compostos iônicos: uso de simuladores I. As águas minerais são assim chamadas por serem ricas em minerais. Esses minerais, na verdade, são normalmente cátions e ânions dissolvidos na água, podendo variar bastante dependendo da fonte. Abaixo, encontramos representado um rótulo de determinada marca de água mineral, o qual deverá ser analisado e, com auxílio da tabela de cátions e ânions (ANEXO) para completar a tabela 1. Tabela 1: cátions e ânions presentes na água mineral DOURAGUA. ESPÉCIE QUÍMICA FÓRMULA CLASSIFICAÇÃO CÁTION ÂNION VALÊNCIA**** Bário Ba 2+ X Bivalente ****Adotamos o conceito para valência como sendo capacidade de combinação. 3

4 II. Considerando-se os cátions e ânions presentes na água mineral DOURAGUA, simule (fórmula e nome) diferentes compostos iônicos possíveis. Os simuladores inorgânicos podem facilitar o trabalho. Observar esquema e exemplo. Fórmula química de (nome do ânion) (nome do cátion) Fórmula química: K 2 SO 4 Nome químico: sulfato de potássio III. A seguir, selecionamos duas questões do ENEM, as quais deverão ser resolvidas com base em conhecimentos adquiridos em nossas aulas de Biologia e de Química, Projeto Embuá. Além disso, referenciando-se nessas mesmas questões, são propostos complementos para serem resolvidos utilizando os simuladores de compostos inorgânicos. 1. ENEM A água do mar pode ser fonte de materiais utilizados pelo ser humano, como os exemplificados no esquema abaixo. Os materiais I, II, III e IV existem como principal constituinte ativo de produtos de uso rotineiro. A alternativa que associa corretamente água sanitária, fermento em pó e solução fisiológica com os materiais obtidos da água do mar é: água sanitária Fermento em pó Solução fisiológica (A) II III IV (B) III I IV (C) III IV I (D) II III I (E) I IV III 4

5 2. COMPLEMENTO considerando a questão 1, utilizando os simuladores de compostos inorgânicos e realizando consulta na Internet, representar as fórmulas químicas de cada um dos compostos citados anteriormente. Todos são compostos iônicos? Justificar. 3. ENEM Suponha que um agricultor esteja interessado em fazer uma plantação de girassóis. Procurando informação, leu a seguinte reportagem: Solo ácido não favorece o plantio. Alguns cuidados devem ser tomados por quem decide iniciar o cultivo do girassol. A oleaginosa deve ser plantada em solos descompactados, com ph acima de 5,2 (que indica menor acidez da terra). Conforme as recomendações da Embrapa, o agricultor deve colocar, por hectare, 40 kg a 60 kg de nitrogênio, 40 kg a 80 kg de potássio e 40 kg a 80 kg de fósforo. O ph do solo, na região do agricultor, é de 4,8. Dessa forma, o agricultor deverá fazer a calagem. (Folha de S. Paulo, 25/09/1996) Suponha que o agricultor vá fazer calagem (aumento do ph do solo por adição de cal virgem CaO). De maneira simplificada, a diminuição da acidez se dá pela interação da cal (CaO) com a água presente no solo, gerando hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 ), que reage com os íons H + (dos ácidos), ocorrendo, então, a formação de água e deixando íons Ca 2+ no solo. (A) I e II. (B) I e IV. (C) II e III. (D) II e IV. (E) III e IV. Considere as seguintes equações: I. CaO + 2H 2 O Ca(OH) 3 II. CaO + H 2 O Ca(OH) 2 III. Ca(OH) 2 + 2H + Ca H 2 O IV. Ca(OH) 2 + H + CaO + H 2 O O processo de calagem descrito acima pode ser representado pelas equações: 4. COMPLEMENTO considerando a questão 3, utilizando a tabela de cátions e ânions (ANEXO), escreva os nomes dos compostos equacionados (I, II, III e IV). Os compostos, sem exceção, foram representados corretamente? Todos são iônicos? Por que a calagem é dita reação de neutralização? 5

6 ANEXO CÁTION: ESPÉCIE QUÍMICA QUE PERDEU ELÉTRON(S) SÍMBOLO NOME SÍMBOLO NOME H + Hidrogênio Cu 2+ Cobre(II) (H 3 O) + Hidrônio Hg 2+ Mercúrio(II) (NH 4 ) + Amônio Fe 2+ Ferro(II) Li + Lítio Ni 2+ Níquel(II) Na + Sódio Cr 2+ Cromo(II) K + Potássio Sn 2+ Estanho(II) Rb + Rubídio Pb 2+ Chumbo(II) Cs + Césio Mn 2+ Manganês(II) Fr + Frâncio Pt 2+ Platina(II) Ag + Prata Al 3+ Alumínio Cu + Cobre(I) Bi 3+ Bismuto + Hg 2 Mercúrio(I) Au 3+ Ouro(III) Au + Ouro(I) Fe 3+ Ferro(III) Be 2+ Berílio Co 3+ Cobalto(III) Mg 2+ Magnésio Ni 3+ Níquel(III) Ca 2+ Cálcio Cr 3+ Cromo(III) Sr 2+ Estrôncio Sn 4+ Estanho(IV) Ba 2+ Bário Pb 4+ Chumbo(IV) Ra 2+ Rádio Mn 4+ Manganês(IV) Zn 2+ Zinco Pt 4+ Platina(IV) ÂNION: ESPÉCIE QUÍMICA QUE GANHOU ELÉTRON(S) SÍMBOLO NOME SÍMBOLO NOME SÍMBOLO NOME F Fluoreto BrO Hipobromito SnO 3 Estanato Cl Cloreto BrO 2 Bromato SiO 3 Metassilicato Br Brometo IO Hipoiodito SiF 6 Fluorsilicato I Iodeto IO 3 Iodato CrO 4 Cromato H Hidreto IO 4 Periodato Cr 2 O 7 Dicromato HCO 2 Formiato AlO 2 Aluminato PbO 2 Plumbito NO 2 Nitrito HCO 3 Bicarbonato PbO 3 Plumbato NO 3 Nitrato O Óxido N 3 Nitreto PO 3 Metafosfato S Sulfeto P 3 Fosfeto H 2 PO 2 Hipofosfito Se Seleneto 3 Fe(CN) 6 Ferricianeto OH Hidróxido HPO 3 Fosfito 3 PO 4 Fosfato CN Cianeto SO 4 Sulfato 3 AsO 3 Arsenito CNO Cianato SO 3 Sulfito 3 AsO 4 Arseniato CNS Tiocianato S 2 O 3 Tiossulfito 3 SbO 3 Antimonito CH 3 COO Acetato S 2 O 4 Hipossulfito 3 SbO 4 Antimoniato MnO 4 Permanganato S 2 O 8 Perssulfato 3 BO 3 Borato ClO Hipoclorito MnO 4 4 Manganato Fe(CN) 6 Ferrocianeto ClO 2 Clorito MnO 3 Manganito 4 P 2 O 7 Pirofosfato ClO 3 Clorato CO 3 Carbonato 4 P 2 O 6 Hipofosfato ÍON MONOVALENTE ÍON BIVALENTE ÍON TRIVALENTE ÍON TETRAVALENTE