Reacções químicas. Aspectos qualitativos e quantitativos de uma reacção química. O que é uma reacção química

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1 Reacções químicas Aspectos qualitativos e quantitativos de uma reacção química Prof. Luís Perna 2010/11 O que é uma reacção química Uma reacção química é uma transformação da matéria na qual ocorrem mudanças qualitativas na composição química de uma ou mais substâncias reagentes, resultando em um ou mais produtos. 1

2 O que é uma reacção química Transformações físicas Uma transformação física consiste numa transformação em que não há formação de novas substâncias pois não ocorre qualquer alteração das propriedades características das substâncias iniciais (reagentes). Exemplos: - Cromatografia. - A água ferve numa chaleira ou condensa num copo frio. - O ouro funde ou solidifica. - A areia mistura-se com sais do mar. - O vidro parte-se. - Um pedaço de ferro magnetiza-se. 2

3 Transformações químicas As transformações químicas ocorrem, quando existe a formação de novas substâncias, isto é, substâncias com propriedades diferentes das substâncias iniciais. Exemplos: - A fruta que amadurece na fruteira. - Um fósforo que arde. - A fotossíntese realizada pelas plantas. - O enferrujamento do ferro. A equação duma reacção química Podemos traduzir o que ocorre numa determinada reacção química, simbolicamente, por uma equação química e nesta temos: Equação química: Reagentes: Produtos da reacção: 3

4 Regras de escrita duma equação química Representação das substâncias Todas as substâncias são representadas simbolicamente por fórmulas químicas. Nas fórmulas químicas, além dos símbolos dos elementos, figuram índices numéricos que traduzem o número de átomos de cada elemento que constitui a unidade estrutural da substância representada. Molécula de amoníaco - NH 3 (g) 4

5 Informações dadas pelas fórmulas químicas Qualitativas - quais os elementos que entram na sua constituição. Quantitativas - quantos átomos de cada elemento entram na constituição da unidade estrutural da substância. Molécula de amoníaco - NH 3 (g) Os elementos que entram na sua constituição são o azoto (N) e o hidrogénio (H) - informação qualitativa. A proporção de combinação é de 1 átomo de azoto (N) para 3 átomos de hidrogénio (H) - informação quantitativa. Informações dadas pelas fórmulas químicas de diferentes substâncias Fórmulas químicas de compostos moleculares São fórmulas que traduzem a relação que existe entre os átomos de cada elemento químico que compõe a unidade estrutural a molécula. Exemplo: CH 4 Metano Os compostos moleculares são constituídos por conjuntos de átomos não metálicos e a molécula é electricamente neutra. CH 4 5

6 Informações dadas pelas fórmulas químicas de diferentes substâncias Fórmulas químicas de compostos iónicos Traduzem a relação de proporção que existe entre os iões positivos e negativos que constituem a substância. O conjunto dos iões é electricamente neutro (átomos metálicos e átomos não metálicos); a sua escrita tem de respeitar algumas regras: - o ião positivo figura sempre em primeiro lugar; - a carga eléctrica total tem de ser neutra; - em linguagem escrita (não simbólica), o ião negativo lê-se antes do ião positivo. NaCl Informações dadas pelas fórmulas químicas de diferentes substâncias Fórmulas químicas dos metais São iguais ao respectivo símbolo químico devido a não existir um número definido de unidades estruturais mas sim uma "rede metálica". 6

7 Nomenclatura IUPAC de compostos inorgânicos Nomenclatura IUPAC de compostos inorgânicos 7

8 Nomenclatura IUPAC de compostos inorgânicos Nomenclatura IUPAC de compostos inorgânicos 8

9 Nomenclatura IUPAC de compostos inorgânicos Nomenclatura IUPAC de compostos inorgânicos 9

10 Nomenclatura IUPAC de compostos inorgânicos Exercícios 10

11 Leitura de uma equação química Considere-se a combustão do etano, que se pode traduzir pela seguinte equação química: 2 C 2 H 6 (g) (g) 4C0 2 (g) + 6 H 2 0(g) Os dois lados da equação estão separados por uma seta [ ] quando se trata de uma reacção completa. ou por duas semi-setas [ ]quando se trata de uma reacção incompleta reversível. O lado esquerdo da equação representa o conjunto dos reagentes e o lado direito o conjunto dos produtos da reacção. Leitura de uma equação química 2 C 2 H 6 (g) (g) 4C0 2 (g) + 6 H 2 0(g) Cada fórmula é precedida por um número [se não houver nenhum número significa que é 1]. Por exemplo, 2 C 2 H 6 (g) Estes números representam a proporção de combinação em que os reagentes reagem e em que os produtos se formam. 11

12 Leitura de uma equação química 2 C 2 H 6 (g) (g) 4C0 2 (g) + 6 H 2 0(g) Cada fórmula é precedida por um número [se não houver nenhum número significa que é 1]. Por exemplo, 2 C 2 H 6 (g) Estes números representam a proporção de combinação em que os reagentes reagem e em que os produtos se formam. Nota: A escrita de uma equação química não implica que todos os reagentes são consumidos no processo químico. A existência de um reagente limitante determina até que ponto a reacção pode continuar. Leitura de uma equação química 2 C 2 H 6 (g) (g) 4C0 2 (g) + 6 H 2 0(g) A informação do estado físico das substâncias que intervêm numa reacção química é de grande importância uma vez que permite identificar as fases envolvidas ou seja, se o sistema é homogéneo (uma só fase) ou heterogéneo! (mais que uma fase). As siglas atribuídas aos diferentes estados físicos ficam entre parêntesis e sem espaço à frente da espécie química em questão e são: (s), (c) sólido, cristal, (l) - líquido, (g) - gasoso e (aq) - aquoso (para substâncias que se encontrem dissolvidas em água). 12

13 Leitura de uma equação química 2 C 2 H 6 (g) (g) 4C0 2 (g) + 6 H 2 0(g) Leitura em termos de moléculas e átomos Duas moléculas de etano no estado gasoso reagem com (+) sete moléculas de oxigénio no estado gasoso dando origem ( ) a quatro moléculas de dióxido de carbono no estado gasoso e (+) seis moléculas de água no estado gasoso. Leitura de uma equação química 2 C 2 H 6 (g) (g) 4C0 2 (g) + 6 H 2 0(g) Leitura em termos do número de moles de moléculas, do número de moles de átomos, do número de moles de iões Duas moles de moléculas de etano no estado gasoso reagem com (+) sete moles de moléculas de oxigénio no estado gasoso dando origem ( ) a quatro moles de moléculas de dióxido de carbono no estado gasoso e (+) seis moles de moléculas de água no estado gasoso. 13

14 Na escrita de uma equação química é necessário não esquecer: Cada substância que entra na reacção tem uma fórmula que não pode ser alterada (Lei das proporções definidas). As substâncias que entram na reacção (reagentes e produtos) são identificadas por fórmulas químicas intercaladas pelo sinal (+) e uma seta ( ) ou duas ( ) que separa(m) o(s) reagente(s) (à esquerda) do(s) produto(s) (à direita). Se um reagente ou um produto for sólido, deve colocar-se o símbolo (s) ou (c) a seguir à respectiva fórmula química, (g) se for gás, (l) se for líquido e (aq) se estiver em solução aquosa. Na escrita de uma equação química é necessário não esquecer: Uma equação química deve estar acertada em relação a cada espécie de átomo presente: colocam-se coeficientes (designados coeficientes estequiométricos) antes das fórmulas químicas, de forma a assegurar o mesmo número de átomos de cada espécie, tanto nos reagentes como nos produtos (Lei da Conservação da Massa ou Lei de Lavoisier). 14

15 Alguns tipos de reacções químicas Reacção de síntese - (também designada por combinação) é uma reacção onde duas ou mais substâncias se combinam directamente para formar um novo composto químico. Exemplos: 1- Síntese do amoníaco 3 H 2 (g) + N 2 (g) 2 NH 3 (g) 2- Síntese da água 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(g) Alguns tipos de reacções químicas Reacção de decomposição - é uma reacção em que um composto químico se decompõe em duas ou mais substâncias. Exemplos: 1- Decomposição da água-oxigenada 2 H 2 O 2 (l) 2 H 2 O(l) + O 2 (g) 2- Decomposição térmica do carbonato de zinco ZnCO 3 (s) ZnO(s) + CO 2 (g) 15

16 Alguns tipos de reacções químicas Reacção de simples troca - é uma reacção em que um elemento substitui um outro num composto químico de forma a produzir um novo composto e o elemento deslocado. Exemplos: 1- Reacção entre o ferro sólido e uma solução aquosa de sulfato de cobre(ii) Fe(s) + CuSO 4 (aq) FeSO 4 (aq) + Cu(s) 2- Reacção entre o cobre sólido e uma solução aquosa de nitrato de prata Cu(s) + 2 AgNO 3 (aq) 2 Ag(s) + Cu(NO 3 ) 2 (aq) Alguns tipos de reacções químicas Reacção de dupla troca - é uma reacção em que dois compostos trocam os seus radicais para formar dois novos compostos. Exemplos: 1. Reacção entre as soluções aquosas de cloreto de potássio e de nitrato de prata KCl(aq) + AgNO 3 (aq) KNO 3 (aq) + AgCl(s) 2. Reacção entre as soluções aquosas de ácido sulfúrico e de cloreto de bário H 2 SO 4 (aq) + BaCl 2 (aq) BaSO 4 (s) + 2 HCl(aq) 16

17 Exercício (A) - Síntese (B) - Dupla troca (C) - Síntese (D) - Simples troca (E) - Dupla troca Lei das proporções definidas ou lei de Proust Joseph Louis Proust ( ) 17

18 Lei de Lavoisier Antoine Lavoisier ( ) Acerto de uma equação química 18

19 Exercícios Exercícios 19

20 Exercícios (A)- II (B)- IV (C)- III (D)- I Exercícios 2 Al(l) + 3 BaO(s) 3 Ba(l) + Al 2 O 3 (s) 20

21 Exercícios 2 Na(s) + 2 H 2 O(l) 2 NaHO(aq) + H 2 (g) Mg(s) + 2 H 2 O(l) Mg(HO] 2 (s) + H 2 (g) Exercícios (A) C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 4 H 2 O(g) + 3 CO 2 (g) (B) CH 3 OH(l) + 3/2 O 2 (g) 2 H 2 O(g) + CO 2 (g) (C) CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) 21

22 Factores que intervêm na velocidade das reacções Natureza dos reagentes - certas reacções são naturalmente mais lentas do que outras. Os reagentes gasosos reagem, normalmente, mais rapidamente que os líquidos e estes mais rapidamente que os sólidos. Concentração dos reagentes - o aumento da concentração dos reagentes aumenta o número de colisões efectivas, aumentando, consequentemente, a velocidade da reacção. Factores que intervêm na velocidade das reacções Temperatura ao aumentar a temperatura ocorre um aumento de energia cinética (agitação das moléculas e, consequentemente, o número de colisões efectivas, resultando um aumento na velocidade da reacção. Pressão - influencia consideravelmente a velocidade de reacções em que pelo menos um dos reagentes está no estado gasoso. O aumento da pressão diminui o volume, aumentando o número de choques efectivos e, consequentemente, a velocidade da reacção. 22

23 Factores que intervêm na velocidade das reacções Superfície de contacto - ao aumentar a superfície de contacto (triturar, por exemplo, um sólido (um reagente sólido)), aumenta o número de colisões efectivas, que tem como consequência um aumento na velocidade de reacção. Catalisadores - são substâncias químicas que aumentam ou retardam a velocidade de uma determinada reacção e não se consomem durante a mesma (catalisadores positivos ou promotores e catalisadores negativos ou inibidores). Quantidade de substância As substâncias químicas apresentam diferentes unidades estruturais nas quais se incluem átomos, moléculas, iões e radicais. Um conjunto de milhares ou de milhões destas unidades constitui uma amostra dessas substâncias. Para contabilizar, de modo mais cómodo, estas unidades estruturais os químicos introduziram o conceito de mole. Wilhelm Ostwald ( ) 23

24 Definição do conceito de mole Pode, então, afirmar-se que: Número de Avogadro N A = 6,022 x mol -1 Constante de Avogadro 24

25 Massa molar Numa mole de diferentes substâncias há exactamente o mesmo número de partículas, no entanto, as suas massas são diferentes. Assim, também podemos utilizar uma outra forma de quantificar uma substância pela massa de uma mole, ou massa molar. Massa molar A massa molar (M) exprime-se em gramas por mol (g mol -1 ) e relaciona a massa (m) de uma amostra de uma dada substância com a quantidade de matéria (n), presente nessa amostra, do seguinte modo: 25

26 Volume molar Tal como falamos em massa molar também podemos falar em volume molar. Nos seus estudos nesta área, Avogadro, chegou à Lei de Avogadro, que nos diz: Volume molar Pode definir-se o volume molar de um gás como: Em determinadas condições de pressão e temperatura, o volume molar de um gás relaciona-se com a respectiva quantidade de matéria (n) e com o volume (V) que ele ocupa, do seguinte modo: 26

27 Relações entre n, N, m e V nas condições PTN Exercícios 27

28 Exercícios Determine o nº total de átomos existentes nas 20,0 g de amoníaco. R: 6,82 x átomos Exercícios 28

29 Exercícios Reagente limitante e reagente em excesso Há inúmeros factores que condicionam as mais variadas situações do dia-a-dia. Do mesmo modo, também há factores que condicionam as reacções químicas que ocorrem em laboratório. Por exemplo, poderá haver reagentes que não se encontrem em proporções estequiométricas e que condicionem as quantidades de produtos que se poderão formar. 29

30 Reagente limitante e reagente em excesso Reagente limitante e reagente em excesso EM RESUMO Numa reacção química, em sistema aberto, o(s) reagente(s) dá(ão) origem ao(s) produto(s) da reacção. O consumo total de um reagente determina o finalizar da reacção. Se um dos reagentes é o reagente limitante, o(s) outro(s) ficará(ão) em excesso. Como determinar qual dos reagentes é o limitante? 30

31 Exemplo: Reagente limitante e reagente em excesso Considere-se a reacção entre 80 g de cobre e 50 g de dioxigénio, traduzida pela equação química: 2 Cu(s) + O 2 (g) 2 CuO(s) Dados: A r (Cu) = 63,5; A r (O) = 16,0 Qual será o reagente limitante nesta reacção? Exemplo: Reagente limitante e reagente em excesso 31

32 Exercícios a) Reagente limitante NO b) O 2 por reagir = 0,90 mol Rendimento de uma reacção química O rendimento de uma reacção, (η), é muito importante na indústria química, pois é uma medida da extensão dessa reacção. O rendimento é uma grandeza adimensional, exprime-se em percentagem e pode ser calculado usando a massa, a quantidade de matéria (número de moles) ou o volume ocupado (no caso dos gases) pela substância. 32

33 Rendimento de uma reacção química O rendimento poderá ser: igual a 100%, quando a reacção é completa; inferior a 100% quando a reacção é incompleta. Um rendimento inferior a 100 % deve-se: à reversibilidade de alguns processos; ou à ocorrência de reacções secundárias em que um dos reagentes é comum à reacção principal. Rendimento de uma reacção química O rendimento de uma reacção, (η), pode ser expresso em função de diferentes grandezas. Valor real a quantidade química, o volume (gases) ou massa real que se obtém, em determinadas condições, que têm de ser explicitadas. Valor Teórico a quantidade química, o volume (gases) ou massa teórica obtida de acordo com a estequiometria da reacção, a partir do reagente limitante se o houver. 33

34 Rendimento de uma reacção química Exercícios (%) = 63,5 % 34

35 Exercícios A equação química que traduz a combustão do octano (C 8 H 18 ) [composto que entra na composição de todas as gasolinas] é a seguinte: 2 C 8 H 18 (l) + 25 O 2 (g) 16 CO 2 (g) + 18 H 2 O(g) 1. Calcule a massa de CO 2 formada num ambiente muito rico em oxigénio quando se queimam 100 g de octano. 2. Numa outra situação, a combustão de 100 g de octano originou 92 g de CO 2. Calcule o rendimento da reacção nesta situação. 1. m (CO 2 ) = 308,8 g 2. (%) = 29,8 % Exercícios Na combustão de 67,2 dm 3 de propano (C 3 H 8 ) com excesso de oxigénio, em condições PTN, obtiveram-se 30,0 g de dióxido de carbono. 1. Escreva a equação química que traduz a combustão do propano. 2. Determine o rendimento da reacção. (7,6%) Fizeram-se reagir 19,62 g de zinco metálico com ácido clorídrico em excesso, tendo-se obtido 0,280 mol de cloreto de zinco e uma determinada quantidade de hidrogénio gasoso. 1. Escreva a equação química da reacção em causa. 2. Qual o rendimento da reacção? 3. Determine o volume de hidrogénio formado, em condições PTN ,3% 3. 6,3 dm 3 35

36 Exercícios A combustão de uma determinada amostra de metano numa reacção química com 90% de rendimento deu origem a 13,44 dm 3 de dióxido de carbono, em condições PTN. 1. Escreva a reacção química da combustão do metano. 2. Determine a massa de metano que reagiu. m(ch 4 ) = 10,7 g 36