Livro não-consumível

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1 Fronts Quimica FELTRE 2 LA.fh :33 Page 1 C M Y CM MY CY CMY K Ricardo Feltre Engenheiro Químico pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Doutor em Engenharia Química pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Professor de Química em cursos pré-vestibulares e em cursos superiores. 2 Volume Físico-Química OTTO ROGGE / CORBIS STOCK PHOTOS Livro não-consumível Componente curricular: Química Ilustrações: Adilson Secco, Alessandro Passos da Costa, Nelson Matsuda 6ª - edição São Paulo, 2004 Composite

2 Título original: QUÍMICA Ricardo Feltre, 2004 Coordenação editorial: José Luiz Carvalho da Cruz Edição de texto: Alexandre da Silva Sanchez, Flávia Schiavo, Regina Gimenez Colaboradora: Soraya Saadeh (Manual do Professor) Revisão técnica: Murilo Sérgio da Silva Julião, Soraya Saadeh Revisão editorial: Cláudia Bortolado Preparação de texto: Regina Gimenez Assistência editorial: Joel de Jesus Paulo, Rosane Cristina Thahira, Regiane de Cássia Thahira Coordenação de design e projetos visuais: Sandra Botelho de Carvalho Homma Projeto gráfico: Marta Cerqueira Leite, Sandra Botelho de Carvalho Homma Capa: Luiz Fernando Rubio Foto: Navio enferrujado Otto Rogge/Corbis-Stock Photos Coordenação de produção gráfica: André Monteiro, Maria de Lourdes Rodrigues Coordenação de revisão: Estevam Vieira Lédo Jr. Revisão: Lápis Litteris Denise de Almeida Editoração, Lumi Casa de Edição Ltda. Coordenação de arte: Wilson Gazzoni Agostinho Edição de arte: Wilson Gazzoni Agostinho Editoração eletrônica: Setup Bureau Editoração Eletrônica Coordenação de pesquisa iconográfica: Ana Lucia Soares Pesquisa iconográfica: Vera Lucia da Silva Barrionuevo As imagens identificadas com a sigla CID foram fornecidas pelo Centro de Informação e Documentação da Editora Moderna. Coordenação de tratamento de imagens: Américo Jesus Tratamento de imagens: Luiz C. Costa Saída de filmes: Helio P. de Souza Filho, Marcio H. Kamoto Coordenação de produção industrial: Wilson Aparecido Troque Impressão e acabamento: Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Feltre, Ricardo, Química /Ricardo Feltre. 6. ed. São Paulo : Moderna, Obra em 3 v. Conteúdo: V. 1. Química geral v. 2. Físico-química v. 3. Química orgânica Bibliografia. 1. Química (Ensino médio) 2. Físico-química (Ensino médio) Problemas, exercícios etc. I. Título CDD Índices para catálogo sistemático: 1. Química : Ensino médio Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei de 19 de fevereiro de Todos os direitos reservados EDITORA MODERNA LTDA. Rua Padre Adelino, Belenzinho São Paulo - SP - Brasil - CEP Vendas e Atendimento: Tel. (0 11) Fax (0 11) Impresso no Brasil Ficha QUIMICA 2-PNLEM-LA , 14:36

3 APRESENTAÇÃO Em seus três volumes, esta obra procura contribuir para o ensino da Química entre os alunos do Ensino Médio. Nela são apresentados os conhecimentos básicos da Química e suas aplicações mais importantes. Continuamos nos guiando para a simplificação da teoria, na articulação desta com os fatos do cotidiano e na diversificação dos exercícios. Para atingir essa finalidade, cada capítulo da obra foi dividido em tópicos que visam tornar a exposição teórica gradual e didática. No final de cada tópico, propusemos algumas perguntas cuja finalidade é a revisão das idéias principais aí desenvolvidas, seguindo-se também uma série de exercícios sobre o que foi discutido. Em todos os capítulos foram colocados, em muitas oportunidades, boxes com curiosidades e aplicações da Química, pequenas biografias de cientistas, sugestões de atividades práticas e leituras. A intenção dessas seções foi proporcionar maior articulação dessa ciência com outras, como a Matemática, a Física e a Biologia, e também com os avanços tecnológicos. Agradecemos aos professores e aos alunos que prestigiam nossa obra e reiteramos que críticas e sugestões serão sempre bem recebidas. O autor Sumario-QF2-PNLEM 3 29/6/05, 11:25

4 SUMÁRIO 2 VOLUME Capítulo 1 SOLUÇÕES 1. Dispersões, Introdução, Classificação das dispersões, Principais características dos sistemas dispersos, 3 2. Soluções, Introdução, Classificações das soluções, Mecanismo da dissolução, Regra de solubilidade, O fenômeno da saturação de uma solução, Curvas de solubilidade, Solubilidade de gases em líquidos, 9 Box: Mergulho submarino, 11 Atividades práticas, 11 Revisão, 12 Exercícios, 12 Exercícios complementares, Concentração das soluções, Concentração comum ou, simplesmente, concentração ( C ), 17 Revisão, 19 Exercícios, 19 Exercícios complementares, Título ou fração em massa ( T ), 21 Revisão, 22 Exercícios, Concentração em mols por litro ou molaridade ( M ), 24 Revisão, 25 Exercícios, 25 Exercícios complementares, 27 Exercícios, 28 Exercícios complementares, Fração em mols ou fração molar ( x ), 29 Revisão, 29 Exercícios, Concentração molal ou molalidade ( W ), 30 Revisão, 31 Exercícios, Outros tipos de concentração, 32 Revisão, 32 Exercícios, 33 Sumario-QF2-PNLEM 4 4/6/05, 20:50

5 4. Diluição das soluções, 33 Revisão, 35 Exercícios, 35 Exercícios complementares, Misturas de soluções, Mistura de duas soluções de um mesmo soluto, 39 Revisão, 40 Exercícios, 40 Exercícios complementares, Mistura de duas soluções de solutos diferentes que não reagem entre si, 42 Exercícios, Mistura de duas soluções de solutos diferentes que reagem entre si, 43 Exercícios, 45 Exercícios complementares, Análise volumétrica ou volumetria, 46 Atividades práticas, 48 Revisão, 48 Exercícios, 48 Exercícios complementares, 51 Capítulo 2 Leitura, 52 Questões sobre a leitura, 53 Desafios, 54 PROPRIEDADES COLIGATIVAS 1. A evaporação dos líquidos puros, Pressão máxima de vapor de um líquido puro, Influência da temperatura na pressão máxima de vapor, 60 Box: A umidade do ar, Influência da natureza do líquido, Influência da quantidade de líquido ou de vapor presentes, 61 Revisão, 61 Exercícios, A ebulição dos líquidos puros, Introdução, A influência da pressão externa na temperatura de ebulição, Comparando líquidos diferentes, 64 Revisão, 65 Exercícios, O congelamento dos líquidos puros, O congelamento da água pura, As mudanças de estado das substâncias puras, 68 Revisão, 69 Exercícios, 69 Sumario-QF2-PNLEM 5 4/6/05, 20:50

6 4. Soluções de solutos não-voláteis e não-iônicos, 70 Box: O caso do café requentado, A Lei de Raoult, 72 Atividades práticas, 73 Revisão, 73 Exercícios, 74 Exercícios complementares, Osmometria, Conceitos gerais, Leis da osmometria, Classificação das soluções, Determinação de massas moleculares, A pressão osmótica e os seres vivos, Conclusões, 83 Atividades práticas, 83 Revisão, 83 Capítulo 3 Exercícios, 84 Exercícios complementares, As propriedades coligativas nas soluções iônicas, 85 Revisão, 87 Exercícios, 87 Exercícios complementares, 89 Leitura, 90 Questões sobre a leitura, 92 Desafios, 92 TERMOQUÍMICA 1. A energia e as transformações da matéria, Conceitos gerais, Calorimetria, 96 Box: Alimentação e obesidade, 98 Atividades práticas Pesquisa, 99 Revisão, 99 Exercícios, 99 Exercícios complementares, Por que as reações químicas liberam ou absorvem calor?, Energia interna, Entalpia, 102 Box: Latas inteligentes, 104 Revisão, 105 Exercícios, 105 Exercícios complementares, Fatores que influem nas entalpias (ou calores) das reações, Influência das quantidades de reagentes e de produtos, Influência do estado físico dos reagentes e dos produtos da reação, 107 Sumario-QF2-PNLEM 6 4/6/05, 20:50

7 3.3. Influência do estado alotrópico, Influência da dissolução/diluição, 110 Box: Compressas de emergência, Influência da temperatura na qual se efetua a reação química, Influência da pressão, Equação termoquímica, 111 Revisão, 112 Exercícios, 112 Exercícios complementares, Casos particulares das entalpias (ou calores) das reações, Estado padrão dos elementos e dos compostos químicos, Entalpia (ou calor) padrão de formação de uma substância ( H o f ), Entalpia (ou calor) de combustão de uma substância, 117 Box: Hidrogênio Combustível do futuro?, Entalpia (ou calor) de neutralização, Energia de ligação, Generalizações, 121 Atividades práticas, 122 Capítulo 4 Revisão, 122 Exercícios, 123 Exercícios complementares, Lei de Hess, Conseqüências da lei de Hess, 129 Revisão, 130 Exercícios, 131 Exercícios complementares, 135 Leitura, 137 Questões sobre a leitura, 139 Desafios, 140 CINÉTICA QUÍMICA 1. Velocidade das reações químicas, Introdução, Conceito de velocidade média de uma reação química, A velocidade e a estequiometria das reações, Conceitos de velocidade instantânea e cinética química, 147 Revisão, 148 Exercícios, 148 Exercícios complementares, Como as reações ocorrem?, Condições fundamentais, A teoria das colisões, 150 Revisão, 151 Exercícios, O efeito das várias formas de energia sobre a velocidade das reações químicas, O efeito da temperatura na velocidade das reações, O efeito da eletricidade na velocidade das reações, 156 Sumario-QF2-PNLEM 7 4/6/05, 20:50

8 3.3. O efeito da luz na velocidade das reações, 156 Box: Fotoquímica, 157 Revisão, 158 Exercícios, 158 Exercícios complementares, O efeito da concentração dos reagentes na velocidade das reações químicas, Introdução, A lei cinética da velocidade das reações, O mecanismo das reações, Ordem e molecularidade das reações, 164 Revisão, 164 Exercícios, 165 Exercícios complementares, O efeito dos catalisadores nas velocidades das reações químicas, Introdução, Conceitos fundamentais, Mecanismo da catálise, Ação do catalisador, 171 Capítulo Principais catalisadores, 172 Atividades práticas, 173 Revisão, 174 Exercícios, 174 Exercícios complementares, 175 Leitura, 176 Questões sobre a leitura, 177 Desafios, 177 EQUILÍBRIOS QUÍMICOS HOMOGÊNEOS 1. Estudo geral dos equilíbrios químicos, Conceito de reações reversíveis, Conceito de equilíbrio químico, Equilíbrios homogêneos e equilíbrios heterogêneos, Grau de equilíbrio, Constante de equilíbrio, 185 Revisão, 189 Exercícios, 189 Exercícios complementares, Constante de equilíbrios em termos de pressões parciais, 197 Box: O controle das reações químicas, 198 Revisão, 198 Exercícios, 199 Exercícios complementares, Deslocamento do equilíbrio, Introdução, Influência das concentrações dos participantes do equilíbrio, Influência da pressão total sobre o sistema, 204 Box: O deslocamento que se vê, 205 Box: O deslocamento que se sente, 206 Sumario-QF2-PNLEM 8 4/6/05, 20:50

9 2.4. Influência da temperatura, Influência do catalisador, Resumo, 208 Atividades práticas, 208 Revisão, 209 Exercícios, 209 Exercícios complementares, 212 Leitura, 214 Questões sobre a leitura, 215 Desafios, 215 Capítulo 6 EQUILÍBRIOS IÔNICOS EM SOLUÇÕES AQUOSAS 1. Equilíbrios iônicos em geral, Conceitos iniciais, Lei da diluição de Ostwald, Efeito do íon comum, Efeito de íons não comuns, 222 Revisão, 223 Exercícios, 223 Exercícios complementares, Equilíbrio iônico na água/ph e poh, Introdução, Equilíbrio iônico na água/produto iônico da água, 226 Revisão, 228 Exercícios, Os conceitos de ph e de poh, 228 Box: Revisão matemática logaritmos, 229 Revisão, 231 Exercícios, 232 Exercícios complementares, A medida do ph na prática, 237 Atividades práticas, 239 Revisão, 239 Exercícios, Solução-tampão, 240 Box: Um tampão vital Nosso sangue, 242 Atividade prática, 242 Revisão, 243 Exercícios, Hidrólise de sais 3.1. Conceitos fundamentais, Casos fundamentais, Grau e constante de hidrólise, Curvas de titulação, 247 Revisão, 248 Exercícios, 248 Exercícios complementares, 251 Leitura, 253 Questões sobre a leitura, 253 Desafios, 254 Sumario-QF2-PNLEM 9 4/6/05, 20:50

10 Capítulo 7 EQUILÍBRIOS HETEROGÊNEOS 1. Introdução, Aplicação da lei da ação das massas aos equilíbrios heterogêneos, 259 Revisão, 260 Exercícios, 260 Exercícios complementares, Deslocamento do equilíbrio heterogêneo, Influência da temperatura, Influência da pressão total sobre o sistema, Influência da adição ou retirada de um participante do equilíbrio, 263 Revisão, 264 Exercícios, 265 Exercícios complementares, 267 Capítulo 8 4. Produto de solubilidade ( K PS ), Introdução, O conceito de produto de solubilidade, 268 Box: Um erro em um exame clínico, Previsão das reações de precipitação, Efeito do íon comum, 270 Revisão, 271 Exercícios, 271 Exercícios complementares, 274 Leitura, 275 Questões sobre a leitura, 277 Desafios, 278 ELETROQUÍMICA OXI-REDUÇÃO E PILHAS ELÉTRICAS 1. Introdução, Reações de oxi-redução, Conceitos de oxidação, redução, oxidante e redutor, Conceito de número de oxidação ( N ox. ), Números de oxidação usuais, Cálculo dos números de oxidação, 285 Revisão, 286 Exercícios, O acerto dos coeficientes ou balanceamento das equações de oxiredução, 287 Revisão, 291 Exercícios, 291 Exercícios complementares, A pilha de Daniell, Introdução, A montagem e o funcionamento da pilha de Daniell, Outras montagens da pilha de Daniell, 297 Box: O nascimento das pilhas elétricas, 298 Atividades práticas, 299 Revisão, 300 Exercícios, 300 Exercícios complementares, 301 Sumario-QF2-PNLEM 10 4/6/05, 20:50

11 5. A força eletromotriz (fem) das pilhas, A natureza dos metais formadores da pilha, As concentrações das soluções empregadas, A temperatura da pilha, Eletrodo-padrão de hidrogênio, Tabela dos potenciais-padrão de eletrodo, Cálculo da força eletromotriz (fem) das pilhas, 306 Revisão, 308 Exercícios, 308 Exercícios complementares, Previsão da espontaneidade das reações de oxi-redução, 311 Revisão, 313 Exercícios, 313 Exercícios complementares, As pilhas em nosso cotidiano, Introdução, Acumulador ou bateria de automóvel ou bateria de chumbo, Pilha de Leclanché, Pilhas alcalinas, Pilha de mercúrio, Pilha de níquel-cádmio, Pilha de lítio ou pilha de lítio-iodo, 319 Box: O perigoso descarte das pilhas e baterias, Pilha ou célula de combustível, 321 Revisão, 322 Exercícios, 322 Exercícios complementares, Corrosão, As reações de oxi-redução e os fenômenos biológicos, 326 Atividades práticas, 327 Revisão, 327 Exercícios, 327 Leitura, 328 Questões sobre a leitura, 329 Desafios, 330 Capítulo 9 ELETROQUÍMICA ELETRÓLISE 1. Introdução, Eletrólise ígnea, Eletrólise em solução aquosa com eletrodos inertes, Prioridade de descarga dos íons, Eletrólise em solução aquosa com eletrodos ativos (ou reativos), Comparando o funcionamento das pilhas com a eletrólise, 346 Atividades práticas, 347 Revisão, 347 Exercícios, 348 Exercícios complementares, Aplicações da eletrólise, 351 Sumario-QF2-PNLEM 11 4/6/05, 20:51

12 Capítulo A estequiometria das pilhas e da eletrólise, 352 Box: Um pouco de física, 353 Revisão, 354 Exercícios, 355 Exercícios complementares, 359 Leitura, 360 Questões sobre a leitura, 361 Desafios, 362 REAÇÕES NUCLEARES 1. O início da era nuclear/a descoberta da radioatividade, Os efeitos das emissões radioativas, Recordando alguns conceitos sobre a estrutura atômica, A natureza das radiações e suas leis, As emissões α, As emissões β, As emissões γ, Conclusões, 371 Revisão, 372 Exercícios, 372 Exercícios complementares, Cinética das desintegrações radioativas, 374 Revisão, 375 Exercícios, 375 Exercícios complementares, Famílias radioativas naturais, Reações artificiais de transmutação, Histórico, Tipos de reação de transmutação, Elementos transurânicos, 380 Revisão, 382 Exercícios, 382 Exercícios complementares, Fissão nuclear, Histórico, A produção do urânio, A bomba atômica, Reatores atômicos ou nucleares, Fusão nuclear, 390 Revisão, 391 Exercícios, 391 Exercícios complementares, Aplicações das reações nucleares, Perigos e acidentes nucleares, O acidente de Three-Mile Island, O acidente de Chernobyl, O acidente de Goiânia, 395 Revisão, 395 Exercícios, 395 Exercícios complementares, 396 Leitura, 396 Questões sobre a leitura, 398 Desafios, 398 Sumario-QF2-PNLEM 12 4/6/05, 20:51

13 Respostas, 401 Lista de siglas, 410 Sugestões de leitura para os alunos, 413 Museus brasileiros ligados à Ciência, 414 Bibliografia, 417 ÍNDICE DAS LEITURAS A escassez e a poluição das águas (capítulo 1), 52 Osmose reversa (capítulo 2), 90 A produção e o consumo de energia (capítulo 3), 137 Catalisadores automotivos (capítulo 4), 176 A síntese de Haber-Bosch (capítulo 5), 214 Acidez estomacal (capítulo 6), 253 A formação de estalactites e estalagmites (capítulo 7), 275 O carro elétrico (capítulo 8), 328 A história do alumínio (capítulo 9), 360 O lixo nuclear (capítulo 10), 396 ÍNDICE DAS BIOGRAFIAS François Marie Raoult (capítulo 2), 72 Jacobus Henricus Vant Hoff (capítulo 2), 80 Germain Henry Hess (capítulo 3), 128 Cato Maximilian Guldberg e Peter Waage (capítulo 5), 187 Henry Louis Le Chatelier (capítulo 5), 202 Wilhelm Ostwald (capítulo 6), 220 Michael Faraday (capítulo 9), 353 Robert Andrews Millikan (capítulo 9), 353 Pierre Curie e Marie Sklodowska Curie (capítulo 10), 366 Jean-Frédéric Joliot Curie e Irène Joliot Curie (capítulo 10), 379 Glenn Theodore Seaborg (capítulo 10), 381 Enrico Fermi (capítulo 10), 383 Sumario-QF2-PNLEM 13 4/6/05, 20:51

14 ELEMENTOS QUÍMICOS (As massas atômicas entre parênteses são dos isótopos mais estáveis dos elementos radioativos.) (De acordo com as últimas recomendações da IUPAC.) Elemento Símbolo Número Atômico Massa Atômica Actínio Ac 89 (227) Alumínio A l 13 26,9815 Amerício Am 95 (243) Antimônio Sb ,75 Argônio Ar 18 39,948 Arsênio As 33 74,9216 Astato At 85 (210) Bário Ba ,34 Berquélio Bk 97 (247) Berílio Be 4 9,0122 Bismuto Bi Bóhrio Bh 107 (262,1) Boro B 5 10,811 Bromo Br 35 79,909 Cádmio Cd ,40 Cálcio Ca 20 40,08 Califórnio Cf 98 (251) Carbono C 6 12,01115 Cério Ce ,12 Césio Cs ,905 Chumbo Pb ,19 Cloro Cl 17 35,453 Cobalto Co 27 58,93 Cobre Cu 29 63,55 Criptônio Kr 36 83,80 Cromo Cr 24 51,996 Cúrio Cm 96 (247) Darmstácio Ds 110 (269) Disprósio Dy ,50 Dúbnio Db 105 (262) Einstêinio Es 99 (252) Enxofre S 16 32,064 Érbio Er ,26 Escândio Sc 21 44,956 Estanho Sn ,69 Estrôncio Sr 38 87,62 Európio Eu ,96 Férmio Fm 100 (257) Ferro Fe 26 55,847 Flúor F 9 18,9984 Fósforo P 15 30,9738 Frâncio Fr 87 (223) Gadolínio Gd ,25 Gálio Ga 31 69,72 Germânio Ge 32 72,59 Háfnio Hf ,49 Hássio Hs 108 (265) Hélio He 2 4,0026 Hidrogênio H 1 1,00797 Hólmio Ho ,930 Índio In ,82 Iodo I ,9044 Irídio Ir ,2 Itérbio Yb ,04 Ítrio Y 39 88,905 Lantânio La ,91 Elemento Símbolo Número atômico Massa atômica Laurêncio Lr 103 (260) Lítio Li 3 6,941 Lutécio Lu ,97 Magnésio Mg 12 24,312 Meitnério Mt 109 (269) Manganês Mn 25 54,9380 Mendelévio Md 101 (258) Mercúrio Hg ,59 Molibdênio Mo 42 95,94 Neodímio Nd ,24 Neônio Ne 10 20,183 Netúnio Np 93 (237) Nióbio Nb 41 92,906 Níquel Ni 28 58,69 Nitrogênio N 7 14,0067 Nobélio No 102 (259) Ósmio Os ,2 Ouro Au ,967 Oxigênio O 8 15,9994 Paládio Pd ,4 Platina Pt ,09 Plutônio Pu 94 (244) Polônio Po 84 (209) Potássio K 19 39,098 Praseodímio Pr ,907 Prata Ag ,870 Promécio Pm 61 (145) Protactínio Pa 91 (231) Rádio Ra 88 (226) Radônio Rn 86 (222) Rênio Re ,2 Ródio Rh ,905 Roentgênio Rg 111 (272) Rubídio Rb 37 85,47 Rutênio Ru ,07 Rutherfórdio Rf 104 (261) Samário Sm ,35 Seabórgio Sg 106 (263,1) Selênio Se 34 78,96 Silício Si 14 28,086 Sódio Na 11 22,9898 Tálio T l ,37 Tantálio Ta ,948 Tecnécio Tc 43 (98) Telúrio Te ,60 Térbio Tb ,924 Titânio Ti 22 47,90 Tório Th ,0 Túlio Tm ,934 Tungstênio W ,85 Urânio U Vanádio V 23 50,942 Xenônio Xe ,38 Zinco Zn 30 65,38 Zircônio Zr 40 91,22 Sumario-QF2-PNLEM 14 4/6/05, 20:51

15 Capítulo 1 SOLUÇÕES CID Tópicos do capítulo 1 Dispersões 2 Soluções 3 Concentração das soluções 4 Diluição das soluções 5 Misturas de soluções 6 Análise volumétrica ou volumetria Leitura: A escassez e a poluição das águas A água do mar é um bom exemplo de uma solução de vários sais. Apresentação do capítulo Por que vamos estudar as soluções? Porque são muito comuns e importantes em nosso cotidiano. O ar que respiramos é uma solução de vários gases, em que predominam N 2 e O 2. A água do mar (que cobre 3 da superfície terrestre) é uma solução de vários sais. As águas 4 dos mares, dos rios e dos lagos contêm ar dissolvido, sem o qual os peixes morreriam (veja que nos aquários existem borbulhadores, para manter a aeração da água). Muitos de nossos alimentos são soluções o leite, o café, o chá, etc.; além disso, freqüentemente procuramos melhorar o sabor dos alimentos, dissolvendo açúcar no café, sal no molho das saladas, etc. Um aspecto muito importante a conhecer em uma solução é a proporção entre a quantidade da substância dissolvida (soluto) e a quantidade da que a está dissolvendo (solvente). No dia-a-dia, você pode preparar um molho para salada mais salgado ou menos salgado ; pode preparar um café mais forte ou mais fraco (na Química, um café mais forte seria chamado de mais concentrado). Capitulo 01A-QF2-PNLEM 1 4/6/05, 14:28

16 1 DISPERSÕES 1.1. Introdução Ao se misturarem duas substâncias, pode resultar ou em uma mistura homogênea ou em uma mistura heterogênea. Por exemplo: Água e sal comum (mistura homogênea) Água e areia (mistura heterogênea) Dizemos que o sal se dissolveu, enquanto a areia não se dissolveu na água. No entanto, entre o caso extremo de dissolução perfeita (como a do sal na água) e o de separação total (como a areia da água), existem casos intermediários importantes. Imagine que você recolha um pouco de água de enxurrada em um copo e deixe esse sistema em repouso por um certo tempo. O que irá ocorrer? Água bastante turva Tempo Água pouco turva Partículas pequenas Partículas grandes Lentamente, as partículas de terra vão se depositando no fundo do copo; sedimentam primeiro as partículas maiores e, em seguida, as partículas de tamanhos gradativamente menores; mesmo assim, a água poderá ficar turva durante vários dias indicando, nesse caso, que partículas ainda menores permanecem em suspensão nessa água. Desse fato resulta a seguinte definição: Dispersões são sistemas nos quais uma substância está disseminada, sob a forma de pequenas partículas, em uma segunda substância. A primeira substância chama-se disperso ou fase dispersa ; e a segunda, dispersante, dispergente ou fase de dispersão Classificação das dispersões É feita de acordo com o diâmetro médio das partículas dispersas: Nome da dispersão Soluções verdadeiras Soluções coloidais Suspensões Diâmetro médio das partículas dispersas Entre 0 e 1 nm (nanometro) Entre 1 e nm Acima de nm Lembramos que, no Sistema Internacional de Unidades (SI), o prefixo nano ( n ) significa Assim: 1 nm (nanometro) 10 9 m (metro) 2 Capitulo 01A-QF2-PNLEM 2 4/6/05, 14:28

17 Esquematicamente, temos: Soluções verdadeiras Soluções coloidais Suspensões 0 1 nm nm Diâmetro das partículas Os sistemas dispersos são muito comuns em nosso cotidiano: KINO MATTON. BILD, S.L. / CID EPITÁCIO PESSOA / AE O ar sempre contém umidade (vapor de água), que não é vista à luz do farol de um carro porque forma, com o ar, uma solução verdadeira Principais características dos sistemas dispersos Exemplos Natureza das partículas dispersas Tamanho médio das partículas Visibilidade das partículas (homogeneidade do sistema) Sedimentação das partículas Separação por filtração Comportamento no campo elétrico Soluções verdadeiras Açúcar na água Átomos, íons ou moléculas De 0 a 1 nm A neblina, porém, pode ser vista sob a ação da luz, porque as gotículas de água, no ar, constituem uma solução coloidal. As partículas não são visíveis com nenhum aparelho ( sistema homogêneo) As partículas não se sedimentam de modo algum A separação não é possível por nenhum tipo de filtro Quando a solução é molecular, ela não permite a passagem da corrente elétrica. Quando a solução é iônica, os cátions vão para o pólo negativo, e os ânions para o pólo positivo, resultando uma reação química denominada eletrólise Soluções coloidais Gelatina na água Aglomerados de átomos, íons ou moléculas ou mesmo moléculas gigantes ou íons gigantes De 1 a nm As partículas são visíveis ao ultramicroscópio ( sistema heterogêneo) As partículas sedimentam-se por meio de ultracentrífugas As partículas são separadas por meio de ultrafiltros A queima incompleta do óleo diesel, no motor de ônibus e caminhões, produz partículas de carvão que ficam em suspensão no ar, formando a fumaça negra. As partículas de um determinado colóide têm carga elétrica de mesmo sinal; por isso todas elas migram para o mesmo pólo elétrico Suspensões Terra suspensa em água Grandes aglomerados de átomos, íons ou moléculas Acima de nm As partículas são visíveis ao microscópio comum ( sistema heterogêneo) Há sedimentação espontânea ou por meio de centrífugas comuns As partículas são separadas por meio de filtros comuns (em laboratório, com papel de filtro) As partículas não se movimentam pela ação do campo elétrico Capítulo 1 SOLUÇÕES 3 Capitulo 01A-QF2-PNLEM 3 4/6/05, 14:29

18 2 SOLUÇÕES 2.1. Introdução De acordo com o que foi visto no item anterior, as soluções verdadeiras (que de agora em diante chamaremos simplesmente de soluções) podem ser assim definidas: Soluções são misturas homogêneas de duas ou mais substâncias. Nas soluções, o componente que está presente em menor quantidade recebe o nome de soluto (é o disperso), enquanto o componente predominante é chamado de solvente (é o dispersante). Por exemplo, quando dissolvemos açúcar em água, o açúcar é o soluto, e a água, o solvente. Açúcar (soluto) Água (solvente) Solução de açúcar em água CID As soluções são muito importantes em nosso dia-a-dia: o ar que respiramos é uma solução (mistura) de gases; a água do mar (que cobre 3 da superfície terrestre) é uma solução que contém vários sais; 4 muitos produtos, como bebidas, materiais de limpeza, remédios, etc. são soluções; muitas reações químicas, feitas em laboratórios e em indústrias, são realizadas em solução; em nosso corpo (que contém cerca de 65% em massa de água), o sangue, o suco gástrico, a urina são líquidos que contêm em solução um número enorme de substâncias que participam de nosso metabolismo. As soluções, enfim, têm grande importância científica, industrial e biológica Classificações das soluções Há várias classificações para as soluções. Por exemplo, algumas soluções podem ser eletrolíticas e nãoeletrolíticas, conforme conduzam ou não a corrente elétrica. No momento, o que mais nos interessa é classificar as soluções segundo o seu estado físico. Fala-se então em soluções sólidas, líquidas e gasosas. ISA CODINA DE PEDRO / CID JUAN DE DIOS LEBRÓN / CID Muitas ligas metálicas são soluções sólidas. É o caso do ouro comum, que é uma liga de ouro e cobre. 4 As soluções líquidas são muito comuns. O vinagre, por exemplo, é uma solução de ácido acético em água. Os gases sempre se misturam perfeitamente entre si, resultando uma solução (ou mistura) gasosa. O ar é uma mistura em que predominam N 2 e O 2. Das soluções líquidas, estudaremos neste capítulo as que são mais importantes para a Química, a saber: soluções de sólidos em líquidos e soluções de gases em líquidos Mecanismo da dissolução Por que certas substâncias se misturam tão intimamente, a ponto de formar soluções, enquanto outras não se misturam? Exemplo: por que a água se mistura com o álcool comum, e não com a gasolina? Isso ocorre devido às forças intermoleculares que unem as partículas formadoras de cada substância. Acompanhe a problemática da dissolução nos três exemplos importantes dados a seguir. Capitulo 01A-QF2-PNLEM 4 4/6/05, 14:29

19 1 o exemplo Caso da água (H 2 O), do álcool comum (C 2 H 5 OH) e da gasolina (C 8 H 18 ) Na água pura existem moléculas H 2 O, polares: No álcool comum há moléculas C 2 H 5 OH, também polares: Na gasolina há moléculas C 8 H 18, apolares: H O H H O H O H H C 2 H 5 O H C 2 H 5 O H O C 2 H 5 H As moléculas de H 2 O estão ligadas por fortes pontes de hidrogênio. As moléculas de C 2 H 5 OH estão ligadas por pontes de hidrogênio mais fracas que as da água. Entre as moléculas de C 8 H 18 existem ligações de Van der Waals, que são bem mais fracas do que as pontes de hidrogênio. Misturando-se água e álcool e água e gasolina, teremos duas situações: Juntando-se água e álcool, forma-se uma solução; as ligações entre as moléculas de água e as ligações entre as moléculas de álcool se rompem, permitindo, assim, novas ligações, também do tipo pontes de hidrogênio: Juntando água e gasolina, não se forma uma solução; as moléculas de água não encontram pontos de polaridade nas moléculas de gasolina, onde possam se unir; conseqüentemente, as moléculas de água continuam reunidas entre si e separadas das de gasolina: H O H C 2 H 5 O H As moléculas de água e de álcool ficam ligadas por pontes de hidrogênio. O H H Água e álcool O C 2 H 5 H H O H H O H A água e a gasolina formam duas camadas, e a água, que é mais densa, fica na camada inferior. O H H O Gasolina Água H H 2 o exemplo Dissolução do sal comum em água Na + C l Na + (representação sem escala e com uso de cores-fantasia) C l C l Na + C l Na + C l Na + Na + C l H + O H O cloreto de sódio é uma substância sólida, formada pelos íons Na e C l. A água é uma substância líquida, formada por moléculas de H 2 O, muito polares. Colocando-se sal de cozinha na água, a extremidade negativa de algumas moléculas de água tende a atrair os íons Na do reticulado cristalino do sal; e a extremidade positiva de outras moléculas Capítulo 1 SOLUÇÕES 5 Capitulo 01A-QF2-PNLEM 5 29/6/05, 11:28

20 de água tende a atrair os íons C l do reticulado. Desse modo, a água vai desfazendo o reticulado cristalino do NaCl, e os íons Na e C l entram em solução, cada um deles envolvido por várias moléculas de água. Esse fenômeno é denominado solvatação dos íons. H H O Na + C l Na + C l Na + C l O H H H O H H H O Na + O H H O H H O H H Na + C l Na + C l Na + C l H O H Note na representação (sem escala e com uso de cores-fantasia) que há um confronto entre as forças de coesão dos íons Na e C l no estado sólido e as forças de dissolução e solvatação dos íons, exercida pela água. Evidentemente, se as forças de coesão predominarem, o sal será menos solúvel; se as forças de dissolução e solvatação forem maiores, o sal será mais solúvel. É interessante notar que muitas soluções são coloridas e isso se deve aos seus íons. Assim, por exemplo, são coloridas as soluções com os cátions: Cu 2 (azul), Fe 3 (amarelo), Ni 2 (verde), etc.; e também as soluções com os ânions: MnO 4 (violeta), Cr 2 O 2 7 (laranja), etc. 3 o exemplo Dissolução do gás clorídrico em água O H H O gás clorídrico é uma substância gasosa formada por moléculas polares (HCl ). Ao serem dissolvidas em água, as moléculas de HCl são atraídas pelas moléculas de água e se rompem, de acordo com o esquema abaixo: H O H C l H H H O H O H O H H H C l H H O H H C l H O H O Isso significa que há uma reação química, pois se formam novas partículas: H 3 O e C l. Essas partículas vão se dispersando pela solução, rodeadas por moléculas de água, como foi explicado no exemplo da dissolução de sal comum em água. Note que também aqui ocorre o fenômeno da solvatação dos íons. Nesse exemplo encontramos também um confronto entre as forças de ligação dentro de cada molécula e as forças de atração entre as moléculas; quanto mais fortes forem estas últimas, maior número de moléculas do soluto se romperá, o que equivale a dizer que o soluto fica mais ionizado ou também que se trata de um eletrólito mais forte. Note ainda uma diferença importante: no exemplo da dissolução do NaCl, a água apenas separa os íons Na e C l já existentes; esse fenômeno é chamado de dissociação iônica do NaCl ; no exemplo da dissolução do HCl, a água reage quimicamente com o HCl, provocando a formação dos íons H 3 O e C l ; esse fenômeno recebe o nome de ionização do HCl. 6 Capitulo 01A-QF2-PNLEM 6 29/6/05, 11:32

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