Química Aplicada. 1º Ano, 2ºSemestre 2006/2007. Ortoprotesia

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1 Química Aplicada Ortoprotesia 1º Ano, 2ºSemestre 2006/2007 1

2 Programa das aulas teóricas 1. Estrutura Atómica 2. Ligação química 3. Propriedades físicas das soluções 4. Reacções químicas e cálculos estequiométricos 5. Termodinâmica 6. Equilíbrio químico 7. Equilíbrio ácido-base 8. Equilíbrio de solubilidade 9. Electroquímica 2

3 Bibliografia Química, R. Chang, 5ª Edição, Mc Graw Hill, Lisboa, Chemistry- the Study of Matter and its Changes, J. E. Brady and J. R. Holum, John Wiley & Sons, Inc, New York, Chemistry the central science, T. L. Brown, H. E. LeMay Jr. and B. E. Bursten, 6 th Edition, Prentice-Hall, Inc.,

4 Avaliação Serão realizados dois testes de avaliação durante o semestre (frequências). A classificação final será a média das classificações dos dois testes ou a classificação do exame final. Frequências: de Abril 4-8 de Junho 4

5 Objectivos da cadeira de QG I Dotar os alunos dos conhecimentos básicos em Química Fornecer conhecimento da estrutura atómica e molecular que abre caminho à discussão das propriedades, das relações químicas e da reactividade. 5

6 Tópicos a ser estudados (I) Introdução (revisão) Estrutura da matéria: átomos, moléculas e iões Elementos, Compostos, Misturas Teoria atómica de Dalton A moderna estrutura atómica A tabela periódica Metais, não metais e metalóides Reacção dos elementos: formação de compostos moleculares e iónicos Propriedades de compostos iónicos e moleculares Nomenclatura química inorgânica 6

7 Tópicos a ser estudados (II) Estrutura atómica Radiação electromagnética e espectros atómicos Modelo de Bohr e átomo de hidrogénio Propriedades ondulatórias da matéria e mecânica quântica Estrutura electrónica dos átomos Configuração electrónica e a tabela periódica Forma das orbitais atómicas Variação das propriedades atómicas com a estrutura electrónica. 7

8 O que é a Química? Química: é a ciência que se ocupa do estudo da matéria, ou seja, qual é a sua composição, as suas propriedades e como se relacionam com as transformações (reacções químicas) por ela sofrida. Matéria: é tudo o que ocupa espaço e possui massa. Pode ser de origem natural ou manufacturada. A matéria tanto é aquilo que nós podemos tocar e sentir (ex: água, terra, árvores) como aquilo que não se presta a tal (ex: ar). ASSIM TUDO O QUE VEMOS OU USAMOS TEM SEMPRE ALGO DE QUÍMICO. 8

9 Classificação da matéria Matéria Misturas Substâncias Puras Misturas Homogéneas Misturas Heterogéneas Compostos Elementos 9

10 Espécies de matéria Elemento: é uma substância que não pode ser decomposta em materiais mais simples através de reacções químicas. Representam-se por símbolos compostos por uma ou duas letras. Ex: Na, Cl, Br, H, Mg, etc. Podem combinar-se formando os compostos. Substância: é uma forma de matéria com composição definida e propriedades próprias. Podem ser identificadas por: aspecto, cheiro, paladar, etc. Composto: é uma substância formada a partir de dois ou mais elementos na qual estes são sempre combinados proporcionalmente de forma fixa (i.e. constante) em termos de massa. Os compostos só são separados nos componentes puros por processos químicos. Ex: H 2 O, CCl 4, etc. Mistura: é uma combinação de duas ou mais substâncias em que estas mantêm a sua identidade própria. Têm composição variável. Podem ser desfeitas por meios puramente físicos, mantendo os seus constituintes a identidade inicial. Ex: Ar, refrigerantes, leite, cimento. 10

11 Classificação das misturas As misturas podem ser: 1- Homogéneas: têm as mesmas propriedades em toda a amostra. Também se chamam soluções (Cap 3). 2- Heterogéneas: consiste em duas ou mais regiões chamadas fases, as quais diferem nas propriedades. Ex: gasolina/água; gelo/água líquida (têm a mesma composição química, mas estão em diferentes estados físicos). 11

12 Propriedades da Matéria Propriedades físicas: pode ser medida ou observada sem que a composição ou integridade da substância respectiva seja afectada. Ex: ponto de fusão; ponto de ebulição, densidade, etc. Ex: Gelo Água Propriedades químicas: ex: combustão do hidrogénio gasoso em atmosfera de oxigénio 12

13 Representação química da matéria Símbolo químico: é a forma abreviada de representar o elemento. Ex:. Na, K, F, etc. Fórmulas químicas: é uma forma abreviada de representar o elemento ou do composto. Indica a composição da substância química. Ex:. H 2 O, F 2, CO 2, etc. Temos 3 tipos de fórmulas: a fórmula molecular, a fórmula empírica e a fórmula estrutural. 13

14 Fórmulas químicas Fórmulas Moleculares: indica o número exacto de átomos de cada um dos elementos presentes na molécula. Moléculas diatómicas (H 2, N 2, O 2, etc.) Moléculas poliatómicas Diferentes formas do mesmo elemento dá-se o nome de formas alotrópicas ou alótropos (ex: O 2, O 3 ) Fórmulas Empíricas:indica os elementos presentes e qual a proporção entre eles, na forma do menor número possível de átomos. Ex: H 2 O 2 HO N 2 H 4 NH 2 Fórmulas estruturais: indica os elementos presentes, os tipos de ligações existentes entre eles e qual a sua distribuição no espaço. 14

15 Átomos, moléculas e reacções químicas Átomo: é a partícula mais pequena constituinte da matéria Moléculas: resultam da junção de átomos, formando partículas estáveis. Equações químicas: descreve o que acontece quando ocorre uma reacção química. Ex:. Zn + S ZnS 4C4H10( g) + 13O2 ( g) 8CO2( g) + 10H 2O( l) Lei da conservação de massa: numa reacção química não há ganho nem perda de massa. A massa conservase. Coeficientes: são os números em frente às formulas químicas. Servem para acertar a equação. Isto acontece quando o número de átomos de cada elemento é o mesmo em ambos os lados da seta. Indicar o estado físico dos reagentes e produtos 15

16 Do que é feita a matéria? Demócrito (séc. V a.c.) toda a matéria é composta por partículas muito pequenas e indivisíveis a que chamou átomos (indivisível) John Dalton (1808) estabelece a teoria atómica que marca o inicio da era moderna da Química. 1. Elementos são constituídos por átomos; 2. Átomos de um dado elemento são idênticos, tendo o mesmo tamanho, massa e propriedades químicas; 3. Átomos de diferentes elementos diferem entre si em pelo menos uma propriedade; 4. Compostos são constituídos por átomos de mais de um elemento; 5. A razão entre o número de átomos de dois elementos no mesmo composto, é um número inteiro, ou então uma fracção simples; 6. Reacções químicas consistem na separação, combinação ou rearranjo de átomos mas nunca na criação ou destruição destes séc. XX: estudos demonstraram a existência de uma estrutura interna do átomo, ou seja ele é constituído por partículas subatómicas, que são de 3 tipos: electrões, protões e neutrões. 16

17 Qual a estrutura do átomo? 1- protões: têm carga positiva e formam o núcleo 2- neutrões: não têm carga e formam o núcleo 3- electrões: têm carga negativa e localizam-se em torno do núcleo. Número atómico, Z = número de protões Número de massa, A = número de protões + número de neutrões A Z X Isótopos: são átomos do mesmo elemento que diferem no número de neutrões. Portanto têm o mesmo número atómico e diferem no número de massa. 17

18 Massa dos átomos Massa atómica: é impossível pesar só um átomo, mas podemos determinar experimentalmente a relação entre as massas de 2 átomos, i.e. massa relativa. Por convenção utiliza-se como massa padrão a massa de um isótopo carbono-12 (tem 6 protões + 6 neutrões) tem exactamente 12 unidades de massa atómica (u.m.a.) Massa atómica média: resulta de na natureza os elementos possuirem vários isótopos com diferentes percentagens daí a massa indicada ser a massa média da mistura de isótopos. Massa molar dos elementos e número de Avogadro: no laboratório ou noutras situações concretas lidamos com amostras compostas com um grande número de átomos. Os químicos têm por isso uma unidade especial para exprimir esses grandes números que é a mole. Mole é a unidade de quantidade de matéria que contém tantas unidades elementares átomos, moléculas ou outras partículas- quantos os atómos de carbono existentes em exactamente 12 g de carbono mole = 12 g de carbono-12 = 6,023 x partículas 18

19 Estrutura atómica e electrónica (I) J.J. Thomson (1900): o átomo era uma esfera de matéria positiva uniformemente distribuída, na qual se encontravam dispersos o electrões. Ernest Rutherford (1910): defende que a maior parte do átomo era espaço vazio, a carga positiva estaria centrada na zona central do átomo, o núcleo. As partículas de carga positiva que o constituem são os protões. James Chadwick (1932): demonstra a existência de partículas neutras no núcleo, os neutrões. 19

20 Estrutura atómica e electrónica (II) Estrutura electrónica: entende-se o arranjo dos electrões nos átomos, ou seja o número de electrões, onde podem ser encontrados e que energia possuem. O conhecimento da estrutura electrónica dos átomos provém da análise da luz emitida ou absorvida por a substância. Para compreender a base para o nosso modelo de estrutura electrónica temos que saber um pouco mais ácerca da luz. A luz que é vista aos nossos olhos chama-se, luz visível e é um tipo de radiação electromagnética. Esta também pode ser conhecida por por energia radiante pois carrega energia através do espaço. 20

21 Radiações electromagnéticas - têm uma velocidade 3,00x10 8 m/s; - têm características de onda e como tal podem ser caracterizadas por parâmetros: -Periodo (T): é o intervalo de tempo entre 2 picos sucessivos; exprime-se em segundos -Frequência (ν): é o número de comprimentos de onda, ou ciclo, que passa num dado ponto por segundo. Expressa-seem hertz (Hz). -Comprimento de onda (λ): é a distância entre dois picos sucessivos; exprime-se em metros (m) ou angstrons A 0 ( ). -Velocidade de propagação: é o espaço percorrido pela onda em cada unidade de tempo. Exprimese em ms -1. v = λ/t. -Número de ondas: é o número de comprimentos de onda por unidade de comprimentos. Representa-se por ν. Exprime-se em cm -1. A luz tem características de onda e de partículas em simultâneo. 21

22 Como se distribuem os electrões no espaço Max Planck (1900): ao estudar a radiação emitida por sólidos aquecidos a várias temperaturas descobriu que átomos e moléculas emitiam ou absorvem energia em quantidades fixas, a que chamou quantum. 1905, Albert Einstein ( ): quantifica e energia E = hν h = é a constante de Planck = 6,63 x Js; ν é a frequência (Hz) 22

23 O Átomo de Bohr Estas teorias de Planck e de Einstein servem de base ao físico dinamarquês Niels Bohr (1913) para elaborar um modelo do átomo. Utiliza o H como exemplo e assume que os electrões circulam em orbitas à volta do núcleo adoptando a ideia de Planck que têm energia quantificada. Portando os electrões circulam à volta do núcleo, que é carregado positivamente, em orbitas com um determinado raio a que lhe correspondem determinadas energias. A energia do átomo de hidrogénio é dada pela expressão: E n 1 = RH 2 n R H constante de Rydberg = 2,18x10-18 n Número quântico principal 23

24 Experiência de Bohr No espectro atómico do H existem 5 séries de riscas que tomam o nome dos investigadores que as estudaram: As teorias de Planck e de Einstein servem de base a Niels Bohr (1913) para explicar o espectro de linhas do H 24

25 A dupla natureza do electrão Louis de Broglie ( ) propôs que o electrão do H no seu movimento circular em volta do núcleo está associado um determinado comprimento de onda: = λ h mv 25

26 Principio de incerteza de Heisenberg ( ) A natureza dupla (ondulatória e corpuscular) da matéria é uma limitação fundamental para determinar a posição e o momento linear de cada partícula. Estipula que é impossível conhecer simultâneamente e com exactidão o momento linear (definido como massa multiplicada pela velocidade) e a posição de uma partícula (x). x p h/4π Se medirmos o momento linear de uma partícula ( p- incerteza no momento linear o mais pequena possível) o nosso conhecimento da posição da partícula torna-se menos preciso; Se a posição da partícula é conhecida com precisão, então a medição do seu momento tem de ser menos precisa. 26

27 O modelo da Mecânica Quântica 1926, Erwin Schrödinger propôs a equação de onda, que engloba o comportamento ondulatório e corpuscular do electrão. Da resolução dessa equação resulta as funções de onda, representadas pelo símbolo ψ. Contudo apenas o quadrado desta função, ψ 2 fornece informação sobre a localização do electrão ou seja representa a probabilidade de encontrar o electrão num determinado ponto. Ψ 2 é chamado a probabilidade da densidade. Orbital: é a função de onda (ψ) de um electrão num átomo. Caracteriza-se pela energia e pela forma. 27

28 Distribuição electrónica (I) O modelo do átomo de Bohr introduz o número quântico principal e o modelo quântico tem 3 números quânticos, n, l, m l ; Número quântico principal, n tem valores inteiros que vão de 1, 2, 3 etc; à medida que n aumenta a orbital torna-se maior e o electrão passa mais tempo afastado do núcleo tem mais energia e está menos ligado ao núcleo. Número quântico secundário ou azimutal, l Tem valores que vão de 0 a n-1; Define a forma do orbital; Designa-se por letras s, p, d e f. Valores de l Letra usada s p d f g h 28

29 Distribuição electrónica (II) Número quântico magnético, m l Tem valores que vão de l a l, incluindo 0 Descreve a orientação da orbital no espaço A colecção de orbitais com o mesmo valor de n é chamada de camada electrónica; Uma ou mais orbitais com o mesmo n e l chama-se subcamada. Ex: 1ª camada (n=1) tem apenas uma subcamada; 2ª camada (n=2) tem 2 subcamadas: 2s e 2p; 3ª camada (n=3) consiste em 3 subcamadas 3s, 3p e 3d. Cada subcamada está dividida em orbitais: cada camada s tem 1 orbital; cada subcamada p tem 3 orbitais; cada subcamada d tem 5 orbitais; 29

30 Configuração electrónica Configuração Electrónica: diz-nos a forma como os electrões estão distribuídos pelas várias orbitais atómicas. Notação simplificada: (n, l, m e, m s ) Ex: 1s 2 2s 2 2p 6 Regras de preenchimento de orbitais: Principio de energia mínima: num átomo no estado fundamental, primeiro preenchem-se as orbitais vazias de mais baixa energia. A energia de um electrão é igual ao somatório do nº quântico principal e do nº quântico azimutal. Ex: orbitais 4s e 3d têm níveis energéticos muito próximos. Mas a energia total de um átomo depende não só do somatório dos Nºs quânticos, mas também das repulsões entre os electrões nessas orbitais A energia do átomo será inferior se preenchermos primeiro a orbital 4s e depois a 3d Principio de exclusão de Pauli: nenhum par de electrões pode ter os quatro números quânticos iguais = apenas dois electrões estão na mesma orbital atómica e estes têm spins opostos Regra de Hund: o arranjo mais estável dos electrões em subcamadas é aquele que contém o maior número de spins paralelos. 30

31 Ordem de preenchimento 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 31

32 Representação dos orbitais 32

33 Periodicidade Química 33

34 Tabela Periódica Mandeleev estabelece a lei periódica: as propriedades físicas e químicas dos elementos variam de uma forma periódica com o peso atómico. 34

35 Classificação periódica dos elementos (I) A tabela periódica é constítuida por grupos e períodos; Quando nos movemos ao longo do grupo, aumenta o número quântico principal, n, das orbitais da camada de valência; e se nos movermos ao longo de periodo aumenta o número de electrões; Se analisarmos a distribuição electrónica dos átomos dispostos na tabela periódica e de acordo com o tipo de subcamada que estão a ser preenchidas, podemos dividir em categorias os elementos em elementos representativos, os gases nobres, os elementos de transição (ou metais de transição), os lantanídeos e os actinídeos. 35

36 Classificação periódica dos elementos (II) Elementos representativos têm as subcamadas s ou p de maior número quântico principal incompletamente preenchidas; Os gases nobres (elementos do grupo 8A) têm todos uma subcamada p completamente preenchida excepção do hélio cuja configuração electrónica é 1s 2. Os metais de transição são os elementos dos grupos 1B e 3B até 8B, que têm subcamadas d não completamente preenchidas. Os elementos do grupo 2B são o Zn, o Cd e o Hg, que nem são elementos representativos nem metais de transição. Os lantanídeos e actinídeos são por vezes denominados elementos de transição do bloco f porque têm subcamadas f não completamente preenchidas. 36

37 Variações periódicas das propriedades físicas Raio Atómico: é metade da distância entre os dois núcleos de dois átomos metálicos adjacentes. 37

38 Raio Iónico: Raio Iónico: é o raio de um catião ou de um anião. Quando um átomo neutro é convertido num anião o seu tamanho (ou raio) aumenta, visto que a carga nuclear permanece a mesma mas a repulsão resultante do(s) electrão(ões) adicional(ais) aumenta a extensão da nuvem electrónica. Já o catião é menor do que o átomo neutro, visto que a remoção de um ou mais electrões reduz a repulsão electrão-electrão mas a carga nuclear permanece igual, pelo que a nuvem electrónica se contrai. 38

39 Iões isoelectrónicos Considerando os iões isoelectrónicos, verificamos os catiões são menores do que os aniões; Ex: Na + «F - Em catiões isoelectrónicos: os raios de iões tripositivos (3+) são menores do que os iões dipositivos (2+) que por sua vez são menores do que os iões monopositivos(1+); Ex: Al 3+ «Mg 2+ «Na +. Aniões isoelectrónicos, verificamos que a carga mononegativa para iões dinegativos e assim sucessivamente. 39

40 Energia de ionização Energia de Ionização: é a energia mínima necessária para remover um electrão de um átomo gasoso no seu estado fundamental. A grandeza da energia de ionização é uma medida do esforço necessário para forçar um átomo a libertar um electrão, ou da força com que o electrão está preso no átomo. energia ) + + X ( g) X ( g + e energia + X(g) X+(g) + e - I 1 energia + X + (g) X 2+ (g) + e - I 2 energia + X 2+ (g) X 3+ (g) + e - I 3 I 1 < I 2 <I 3 40

41 Afinidade electrónica Afinidade electrónica: é a variação de energia que ocorre quando um electrão é captado por um átomo no estado gasoso. É a capacidade para aceitar um ou mais electrões. X ( g) + e X ( g) 41

42 Variações das propriedades químicas H (1s 1 ) -Tem um electrão na camada; -H + : está hidratado em solução; -H - : é demasiado reactivo para existir em água mas que existe nalgum composto iónico. Elementos do Grupo 1A (ns 1, n 2) : -baixas energias de ionização -encontram-se sob a forma de iões monopositivos nos seus compostos -não se encontram na natureza na forma livre, pois são muito reactivos -reage com a água para produzir hidrogénio gasoso e o correspondente hidróxido metálico -formam com o oxigénio óxidos 4Li(s) + O 2 (g) 2Li 2 O(s) 2Na(s) + O 2 (g) Na 2 O 2 (s) (), potássio, rubídio, césio -óxidos são compostos iónicos, e a estabilidade depende da força com que aniões e catiões se atraem mutuamente. 42

43 Elementos do Grupo 2A (ns 2, n 2) : Variações das propriedades químicas -tendência para formar iões M 2+, carácter metálico aumenta quando se desce no grupo -compostos de Be encontram-se sob a forma molecular e não iónica. -só Ca, Sr e o Ba reagem com a água fria -reactividade com o oxigénio aumentam também do Be para o Ba; Be e Mg só formam óxidos a elevadas temperaturas -Ca, Sr, Ba reage com ácidos para produzir hidrogénio gasoso: Mg(s) + 2H + (aq) Mg 2+ (aq) + H 2 (g) Elementos do Grupo 3A (ns 2 np 1, n 2) : -boro é um metalóide, os restantes são metais -boro não forma compostos iónicos binários e não reage com O 2 e com a H 2 O -Al forma óxido de Al; forma iões tripositivos, reage com o H + -formam iões monopositivos e tripositivos, embora os primeiros sejam mais estáveis -elementos formam compostos moleculares. 43

44 Variações das propriedades químicas Elementos do Grupo 4A (ns 2 np 2, n 2) : -carbono é não-metal, Si e Ge são metalóides. Não formam compostos iónicos -estanho e chumbo são metais, reagem com a água, ácido libertando hidrogénio gasoso. -C 4+, Si 4+ mais estável -Pb 2+ é mais estável que a forma 4+ ; o Sn é o intermédio entre estes estados de oxidação. Elementos do Grupo 5A (ns 2 np 3, n 2) : -N, P são não metais; As e o Sb são metalóides e o Bi é um metal -existe na forma N 2 forma os óxidos NO, N 2 O, NO 2, N 2 O 4, N 2 O 5 (s). Têm tendencia a formaro ião nitrilo N 3-. Li 3 N e Mg 3 N 2 são compostos iónicos. -P forma moléculas P 4 e forma dois óxidos sólidos o P 4 O 6 e P 4 O 10. -As, Sb, Bi têm estruturas tridimensionais extensas. Elementos do Grupo 6A (ns 2 np 4, n 2) : -O, S, Se, são não metais, Te e Po são metalóides. - existem nas formas, O 2, S 8, Se 8 ; Te e o Po têm estruturas tridimensionais mais extensas -O 2-, S 2-,Se 2-, Te 2- ; formam um grande nº de compostos moleculares com não-metais. 44

45 Variações das propriedades químicas Elementos do Grupo 7A (ns 2 np 5, n 2) : -Todos os elementos são não-metais; fórmula geral X 2 -formam aniões do tipo X - -formam compostos moleculares entre eles ex: ICl e BrF 3 e com elementos não-metálicos de outros grupos PCl 5 e NF 3. -H 2 (g) + X 2 (g) 2HX(g) X=F (reacção violenta), Cl e I (reacção menos violenta) Elementos do Grupo 8A (ns 2 np 6, n 2) : -Existem na forma monoatómica, pouco reactivos -Energias de ionização muito elevada Grupo 1B -Cu, Ag, Au: são pouco reactivos; têm energias de ionização elevadas. Os electrões d não são eficientes na blindagem. 45

46 Compostos iónicos e moleculares Os átomos combinam-se entre si de 2 formas: 1- partilhando electrões entre si formam moléculas dando origem a compostos moleculares; 2- transferência de um ou mais electrões de um átomo para outro formando iões,e dando origem a compostos iónicos. Ligação Química (Cap. 2) 46