APOSTILA 2015 QUÍMICA. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 0

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1 APOSTILA 2015 QUÍMICA QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 0

2 QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 1

3 Soluço es Soluções são misturas de duas ou mais substâncias que apresentam aspecto uniforme, ou seja, são sistemas homogêneos formados por uma ou mais substâncias dissolvidas (solutos) em outra substância presente em maior proporção na mistura (solvente). Nesses tipos de soluções, a água é o solvente mais utilizado, sendo conhecida por solvente universal. Essas soluções são denominadas soluções aquosas. Em uma mesma quantidade de solvente, se comparar dois solutos diferentes pode se perceber que cada soluto terá um limite de solubilidade. Portanto, diferentes solutos se dissolvem em diferentes proporções. Existem três tipos de solução: Solução saturada: contém a máxima quantidade de soluto numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura. Solução não-saturada ou insaturada: Uma solução com quantidade de soluto inferior ao limite de solubilidade é denominada. Solução supersaturada: Submetendo uma solução saturada a aquecimento, ao adicionar maior quantidade de solvente (que a solução suportaria a temperatura ambiente) aumenta-se a solubilidade do soluto, tornando a solução supersaturada. Mas ao resfria-la ela volta a ser uma solução saturada, agora com corpo de fundo. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 2

4 Exercícios 1) O gráfico representa as curvas de solubilidade das substâncias A, B e C: Determine a massa em gramas desse sal, nessa temperatura, necessária para satura 80 g de H2O. 3) O brometo de potássio apresenta a seguinte tabela de solubilidade: Com base no diagrama, responda: a) Qual das substâncias tem sua solubilidade diminuída com a elevação da temperatura? b) Qual a máxima quantidade de A que conseguimos dissolverem 100 g de H 2 O a 20 C? c) Considerando apenas as substâncias B e C, qual delasé a mais solúvel em água? d) Considerando apenas as substâncias A e B, qual delasé a mais solúvel em água? e) Qual é a massa de C que satura 500 g de água a100 C? Indique a massa da solução obtida (massado soluto + massa do solvente). f) Uma solução saturada de B com 100 g de água, preparadaa 60 C, é resfriada até 20 C. Determine a massade B que irá precipitar, formando o corpo de fundo a20 C. 2) O coeficiente de solubilidade de um sal éde 60 g por 100 g de água a 80 C. Qual a massa de brometo de potássionecessária para saturar: a) 100 g de água a 50 ºC; b) 200 g de água a 70 ºC. 4) Usando as informações do exercício anterior responda: Uma solução foi preparada, a 30 C, dissolvendo-se 40 g de brometo de potássio em100 g de água. Essa solução é saturada? 5) (Unicamp-SP) "Os peixes estão morrendoporque a água do rio está sem oxigênio, masnos trechos de maior corredeira a quantidade de oxigênio aumenta. Ao ouvir esta informaçãode um técnico do meio ambiente, umestudante que passava pela margem do rioficou confuso e fez a seguinte reflexão: "Estou vendo a água no rio e sei que a águacontém, em suas moléculas, oxigênio; entãocomo pode ter acabado o oxigênio do rio?". a) Escreva a fórmula das substâncias mencionadaspelo técnico. b) Qual a confusão cometida pelo estudanteem sua reflexão? QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 3

5 Concentração das Soluções Para facilitar o trabalho, adotaremos o índice 1 para indicarmos o soluto, o índice 2 paraindicarmos o solvente, e os dados relacionados à solução não conterão índices. Assim: Concentração comum (C) É a relação entre a massa do soluto e o volume da solução: Densidade da solução (d) É a relação entre a massa da solução e o seu volume: Concentração em mol/l ou concentração molar ou molaridade QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 4

6 Observações: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 5

7 Exercícios Concentração comum 1) Uma solução foi preparada adicionando-se40 g de NaOH em água suficiente para produzir400 ml de solução. Calcule a concentraçãoda solução em g/ml e g/l. 2) Considere o texto: Uma solução que apresenta concentração60 g/l apresenta... gramas de soluto, porlitro de solução. Portanto, em 10 litros dessasolução devem existir... gramas de soluto. Identifique as palavras que preenchem aslacunas corretamente. 3) Ao chorar convulsivamente, uma pessoa eliminou 5mL de lágrima. Considerando que essa solução apresenta concentração de sais iguala 6 g/l, determine a massa de sais eliminadosna crise de choro. 4) Considere o esquema a seguir, do qual foramretiradas três alíquotas A,B,C, a partir de umamesma solução aquosa. Responda às seguintes questões: a) Qual a massa de soluto existente no recipiente A? b) Calcule a concentração em g/ml da solução contida no recipiente B. c) Forneça a concentração em mg/cm3 da solução contida no recipiente C. d) Se toda a água presente na solução original, após a retirada das três amostras, fosse evaporada, qual seria a massa de soluto obtida? Densidade da solução 5) Considere o texto: Uma solução aquosa apresenta densidadeigual a 1,2 g/ml. Logo, a massa de cada mililitrodessa solução é igual a.... Assim, umlitro dessa solução apresenta uma massade.... Identifique as palavras que preenchem corretamenteas lacunas. 6) Uma solução foi preparada misturando-se 20 gde um sal em 200 g de água. Considerando-seque o volume da solução é igual a 200 ml,determine sua densidade em g/ml e g/l. 7) Uma solução cuja densidade é g/l foipreparada dissolvendo-se 160 g de NaOH em760 cm 3 de água. Determine a massa dasolução obtida e seu volume.(dado: densidade da água = 1,0 g/cm 3 ) Concentração em mol/l 8) Considere o texto: "Uma solução 2,0 mol/l, ou 2,0 M, de NaOHapresenta... mol de soluto para cada litrode solução. Assim, em 10 L dessa soluçãoencontramos... mol de soluto." Identifique as quantidades que preenchem corretamente as lacunas. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 6

8 9) Calcule a concentração em mol/l ou molaridadede uma solução que foi preparada dissolvendo-se 18 gramasde glicose em águasuficiente para produzir 1 litro da solução.(dado: massa molar da glicose = 180 gmol 1 ) 10) Observe o frasco abaixo que contém uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4), utilizada em laboratório, e responda às questões a seguir, sabendo que o volume da solução contida no frasco é 2,0 L. I Qual o número de mol do soluto presente nessa solução? II Determine a massade soluto presentenessa solução. III Qual é o volumedessa solução que contém 0,01 molde H2SO4? IV Calcule a massa de soluto presente em500 ml dessa solução.(dado:massa molar do H2SO4 = 98 g mol 1 ) 11) (Cesgranrio-RJ) O metal mercúrio (Hg) é tóxico,pode ser absorvido, via gastrintestinal,pelos animais e sua excreção é lenta. Aanálise da água de um rio contaminado revelouuma concentração molar igual a 5,0 x 10 5 M de mercúrio. Qual é a massaaproximada, em mg, de mercúrio ingerida porum garimpeiro, ao beber um copo contendo250 ml dessa água? (Dado: massa molar do Hg = 200 g mol 1 ) 12) (UFV-MG) Em 100 ml de um soro sanguíneohumano, há 0,585 g de cloreto de sódio(nacl). A concentração em quantidade dematéria deste sal no sangue é, em mol/l: (Dado: NaCl = 58,5 g/mol) a) 0,5 b) 0,4 c) 0,3 d) 0,2 e) 0,1 13) Calcule as concentrações molares dos íons presentes nas soluções 0,002 mol/l das seguintes substâncias: HClO4, Ba(OH)2, Al(NO3)3. Relações entre os diferentes tipos de concentração 14) (UFCE) Qual é a molaridade de uma solução aquosa de etanol (C2H6O) de concentração igual a 4,6 g/l? (massa molar do etanol = 46 g mol 1 ) a) 4,6 b) 1,0 c) 0,50 d) 0,20. e) 0,10 15) (UFRS) O formol é uma solução aquosa de metanal (HCHO) a 40%, em massa, e possui densidade de 0,92 g/ml. Essa solução apresenta: a) 920 g de metanal em 1 L de água. b) 40 g de metanal em 100 ml de água. c) 4 g de metanal em 920 g de solução. d) 4 g de metanal em 10 g de solução. e) 9,2 g de metanal em 100 ml de água. 16) (PUC-MG) Num refrigerante do tipo "cola", a análise química determinou uma concentração de ácido fosfórico igual a 0,245 g/l. A concentração de ácido fosfórico em mol/l, nesse refrigerante, é igual a: a) 2,5 x 10 3 b) 5,0 x 10 3 c) 2,5 x 10 2 d) 5,0 x 10 2 e) 2,5 x 10 1 QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 7

9 Diluição de soluções Uma solução pode ser preparada adicionando-se solvente a uma solução inicialmente mais concentrada. Este processo é denominado diluição. A adição de mais solvente provoca aumento no volume da solução; a quantidade de soluto, porém, permanece constante. Como: Quantidade inicial de soluto = Quantidade final de soluto Podemos ter as seguintes relações entre a solução inicial e a final: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 8

10 Exercícios 1. (UFPI) A uma amostra de 100 ml de NaOH de concentração 20 g/l foi adicionada água suficiente para completar 500 ml. A concentração, em g/l, dessa nova solução é igual a: a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 8 2. (Unicamp-SP) Um dos grandes problemas das navegações do século XVI referia-se à limitação de água potável que era possível transportar numa embarcação. Imagine uma situação de emergência em que restaram apenas 300 litros (L) de água potável (considere-a completamente isenta de eletrólitos). A água do mar não é apropriada para o consumo devido à grande concentração de NaCl(25 g/l), porém o soro fisiológico (10 g NaCl/L) é. Se os navegantes tivessem conhecimento da composição do soro fisiológico, poderiam usar a água potável para diluir água do mar de modo a obter soro e assim teriam um volume maior de líquido para beber. a) Que volume total de soro seria obtido com a diluição se todos os 300 litros de água potável fossem usados para este fim? b) Considerando-se a presença de 50 pessoas na embarcação e admitindo-se uma distribuição equitativa do soro, quantos gramas de NaClteriam sido ingeridos por cada pessoa? c) Uma maneira que os navegadores usavam para obter água potável adicional era recolher água de chuva. Considerando-se que a água da chuva é originária, em grande parte, da água do mar, como se explica que ela possa ser usada como água potável? 3. (Fuvest-SP) Se adicionarmos 80 ml de água a 20 ml de uma solução 0,1 molar de hidróxido de potássio, obteremos uma solução de concentração molar igual a: a) 0,010 b) 0,020 c) 0,025 d) 0,040 e) 0, (UERJ) Diluição é uma operação muito empregada no nosso dia-a-dia, quando, por exemplo, preparamos um refresco a partir de um suco concentrado. Considere 100 ml de determinado suco em que a concentração do soluto seja de 0,4 mol/l. O volume de água, em ml, que deverá ser acrescentado para que a concentração do soluto caia para 0,04 mol/l, será de: a) b) 900 c) 500. d) 400 QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 9

11 Termoquí mica Vamos estudar as trocas de energia, na forma de calor, envolvidas nas reações químicas e nas mudanças de estado físico das substâncias. Esse estudo é denominado termoquímica. São dois os processos em que há troca de energia na forma de calor: o processo exotérmico e o endotérmico. Processo exotérmico é aquele que ocorre com liberação de calor. Processo endotérmico é aquele que ocorre com absorção de calor. Não se conhece nenhuma maneira de determinar o conteúdo de energia térmica (entalpia = H) de uma substância. Na prática, o que conseguimos medir é a variação da entalpia ( H) de um processo. Essa variação corresponde à quantidade de energia liberada ou absorvida durante o processo, realizado a pressão constante. O cálculo da variação da entalpia é dado pela expressão genérica: Nas reações exotérmicas, como ocorre liberação de calor, a entalpia dos produtos (HP) é menor do que a entalpia dos reagentes (HR). Genericamente, temos: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 10

12 Logo, a reação pode ser representada por: Nas reações endotérmicas, como ocorre absorção de calor, a entalpia dos produtos (HP) é maior do que a entalpia dos reagentes (HR). Genericamente, temos: Logo, a reação pode ser representada por: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 11

13 Entalpia Padrão A variação de entalpia de uma reação depende da temperatura, da pressão, do estado físico, do número de mol e da variedade alotrópica das substâncias envolvidas. Por esse motivo foi criado um referencial para fazermos comparações: a entalpia padrão. Dessa maneira, as entalpias serão sempre avaliadas em relação a uma mesma condição (condição padrão ou estado padrão). O estado padrão de uma substância corresponde à sua forma mais estável, a 1atm, a 25 C. A entalpia padrão de uma substância é indicada por H. Por convenção foi estabelecido que: Toda substância simples, no estado padrão e na sua forma alotrópica mais estável (mais comum), tem entalpia (H) igual a zero. As substâncias simples H2(g), O2(g), Fe(s), Hg(l), Cl2(g), no estado padrão (25 ºC a 1atm), apresentam entalpia H = 0. Os gráficos a seguir nos mostram as diferenças de entalpia encontradas em algumas variedades alotrópicas. Equação termoquímica A entalpia de um elemento ou de uma substância varia de acordo com o estado físico, a pressão, a temperatura e a variedade alotrópica do elemento. Logo, numa equação termoquímica, devemos indicar: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 12

14 a variação de entalpia ( H); os estados físicos de todos os participantes e, também, as variedades alotrópicas, caso existam; a temperatura e a pressão nas quais a reação ocorreu; o número de mol dos elementos participantes. 1º exemplo: Veja dois exemplos e suas respectivas interpretações: A interpretação dessa equação termoquímica é dada por: a 25 ºC e 1 atm, 1 mol de carbono grafite (Cgraf) reage com 1 mol de gás oxigênio (O2), produzindo 1 mol de gás carbônico (CO2) e liberando 394 kj. Normalmente, não são indicadas a pressão e a temperatura em que a reação se realizou, pois se admite que ela ocorreu no estado padrão, ou seja, à pressão constante de 1 atm e a 25 ºC. 2º exemplo: A interpretação dessa equação é: a 25 ºC e 1 atm, 1 mol de gás amônia (NH3) se decompõe, originando 1/2 mol de gás nitrogênio (N2) e 3/2 mol de gás hidrogênio (H2) e absorvendo 46,1 kj. A quantidade de energia liberada ou consumida é proporcional à quantidade das substânciasenvolvidas. Na queima de 1 mol de C3H8, por exemplo, são liberados 2046 kj: Portanto, se efetuarmos a combustão de 10 mol de C3H8, ocorrerá a liberação de kj( kj). QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 13

15 Exercícios Entalpia de formação São denominadas reações de formação aquelas em que ocorre a formação (síntese) de 1 mol de uma substância a partir de substâncias simples, no estado padrão. A variação de entalpia ( H) nessas reações pode receber os seguintes nomes: entalpia de formação, calor de formação, H de formação ou entalpia padrão de formação. Entalpia de formação é o calor liberado ou absorvido na formação de 1 mol de uma substância a partir de substâncias simples, no estado padrão, com H = 0. Para estudarmos a entalpia dessas reações, convém lembrar que a 25 ºC e 1 atm: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 14

16 Agora, vamos representar as equações termoquímicas que caracterizam a formação de algumas substâncias bastante comuns, indicando os valores dos H determinados experimentalmente: Água líquida H2O(l) Ácido sulfúrico líquido H2SO4(l) Conhecendo a equação de formação de uma substância e o valor do H dessa reação, podemos estabelecer um novo conceito. Para isso vamos analisar a formação do gás carbônico [CO2(g)]: Como já sabemos que tanto o Cgraf como o O2(g) apresentam no estado padrão H0 = 0, podemos representar a reação de acordo com o gráfico abaixo. Como a entalpia de formação do CO2(g) é 394 kj/mol, a análise do gráfico permite concluir que esse valor corresponde à entalpia do CO2: Generalizando, temos: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 15

17 1. O resultado negativo não significa que o CO2(g) tem energia negativa, mas sim que seu conteúdoenergético (entalpia) é menor do que as entalpias do Cgraf e do O2(g), as quais, por convenção,são iguais a zero. 2. Qualquer outra reação em que ocorra a formação de CO2(g), de modo diferente do que foi apresentado,não indica a entalpia de formação do CO2(g). Veja, por exemplo: Note que o ΔH (395,9 kj/mol) desta reação é diferente do ΔH de formação (394 kj/mol). Os valores das entalpias de formação normalmente são apresentados em tabelas: Esse tipo de tabela é muito útil, pois permite calcular a entalpia de muitas outras substâncias, assim como o ΔH de um grande número de reações. Para efetuarmos corretamente esses cálculos, devemos lembrar que: a) ΔH de formação = H da substância b) ΔH = HP HR Vamos ver um exemplo de cálculo da entalpia de uma substância, ou seja, da sua entalpia de formação, a partir de uma equação termoquímica. A equação de decomposição do mármore pode ser representada por: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 16

18 Na tabela, encontramos as entalpias: HCaO(s) = 635,5 kj/mol HCO2(g) = 394 kj/mol No entanto, não encontramos a entalpia de HCaCO3(s), que pode ser determinadada seguinte maneira: Entalpia de combustão São classificadas como reações de combustão aquelas em que uma substância, denominada combustível, reage com o gás oxigênio (O2), denominado comburente. Por serem sempre exotérmicas, as reações de combustão apresentam ΔH < 0. Veja alguns exemplos: Combustão completa do gás hidrogênio (H2) Combustão completa do gás butano (C4H10) QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 17

19 Quando os combustíveis são formados por carbono, hidrogênio e oxigênio, os produtos das reações (combustões completas) serão sempre CO2(g) e H2O(l). A variação de entalpia na combustão completa pode ser denominada entalpia de combustão, H de combustão, calor de combustão ou entalpia padrão de combustão. Entalpia de combustão é a energia liberada na combustão completa de 1 mol de uma substância no estado padrão. Vejamos um exemplo: Combustão completa do álcool etílico (C2H6O): Pela equação, podemos concluir que na combustão completa de 1 mol de C2H6O(l) ocorre a liberação de 1368 kj: entalpia de combustão do C2H6O(l) = kj/mol Exercício Resolvido (Fuvest-SP) Considere a reação de fotossíntese e a reação de combustão da glicose representadas a seguir: Sabendo que a energia envolvida na combustão de um mol de glicose é 2, J, ao sintetizar meio mol de glicose, a planta irá liberar ou absorver energia? Determine o calor envolvido nessa reação. Solução: A reação de combustão de um mol de glicose pode ser representada por: Já a sua síntese (reação inversa) pode ser representada por: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 18

20 Podemos perceber que, para sintetizar 1 mol de C6H12O6, a planta absorve 2, J. Assim, temos: Exercícios QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 19

21 LEI DE HESS Para irmos do acampamento A ao acampamento B, a distância a ser percorrida depende do caminho escolhido, mas a diferença de altitude depende, exclusivamente, das altitudes dos dois acampamentos, ou seja, dos estados inicial e final. Da mesma maneira, a variação de entalpia ( H) numa dada reação só depende dos estados inicial e final e independe dos estados intermediários. A entalpia de muitas reações químicas não pode ser determinada experimentalmente em laboratórios. Não é possível, por exemplo, determinar a entalpia de formação do álcool comum (etanol ou álcool etílico C2H6O), pois não conseguimos sintetizá-lo a partir da combinação entre carbono, hidrogênio e oxigênio. Assim, a entalpia desse tipo de reação pode ser calculada a partir da entalpia de outras reações, utilizando-se uma lei estabelecida pelo químico suíço G. H. Hess, em 1840: Lei de Hess: para uma dada reação, a variação de entalpia é sempre a mesma, esteja essa reação ocorrendo em uma ou em várias etapas. Um exemplo simples da aplicação da lei de Hess consiste na passagem de 1 mol de H2O(l) para o estado gasoso nas condições do estado padrão. Isso pode ser feito em uma única etapa: Poderíamos também obter H2O(g) em duas etapas: a) decomposição de 1 mol de H2O(l): b) formação de 1 mol de H2O(g): Como a reação global corresponde à soma dessas duas reações, o H da reação globaltambém corresponde à soma dos H das reações envolvidas: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 20

22 A lei de Hess permite concluir que o valor do H do processo direto é a soma de todos os H intermediários. H = H1 + H Esse mesmo processo pode ser representado das seguintes maneiras: 1. Quando uma equação termoquímica é multiplicada por um determinado valor, seu ΔH tambémserá multiplicado pelo mesmo valor. 2. Quando uma equação termoquímica for invertida, o sinal de seu ΔH também será invertido. Exercício Resolvido (Fuvest-SP) De acordo com os dados: Qual é o calor em kcal envolvido na vaporização de 120 g de Cgraf?(massa molar do C = 12 g mol 1 ) Solução: A equação que representa a entalpia de vaporização do Cgraf é: Para determinarmos o ΔH da reação devemos: a) manter a equação I; b) inverter a equação II. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 21

23 Exercícios QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 22

24 Eletroquí mica Eletroquímica é o estudo das reações químicas que produzem corrente elétrica ou sãoproduzidas pela corrente elétrica. Na formação de uma ligação iônica, um dos átomos cede definitivamenteelétrons para o outro. Por exemplo: Dizemos, então, que o sódio sofreu oxidação(perda de elétrons) e o cloro sofreu redução(ganhode elétrons). Evidentemente, os fenômenos de oxidação e redução são sempre simultâneose constituema chamada reação de oxi-redução ou redox. São exatamente essas trocas de elétrons que explicamos fenômenos da Eletroquímica. Assim, dizemos, resumidamente, que: Oxidação é a perda de elétrons. Redução é o ganho de elétrons. Reação de oxi-redução é quando há transferência de elétrons. No exemplo dado (Na + +Cl - NaCl), a oxidação do sódio foi provocada pelo cloro, por isso chamamos o cloro de agente oxidante ou simplesmente oxidante. A redução do cloro foicausada pelo sódio, que é denominado agente redutor ou simplesmente redutor. Oxidante é o elemento ou substância que provoca oxidações (ele próprio irá reduzir-se). QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 23

25 Redutor é o elemento ou substância que provoca reduções (ele próprio irá oxidar-se). Número de oxidação (Nox) O número de oxidação nos ajuda a entender como os elétrons estão distribuídos entre os átomos que participam de um composto iônico ou de uma molécula. Nos compostos iônicos, o Nox corresponde à própria carga do íon. Essa carga equivale ao número de elétrons perdidos ou recebidos na formação do composto. Nos compostos moleculares, não existe transferência definitiva de elétrons. Assim,o Nox corresponde à carga elétrica que o átomo iria adquirir se a ligação fosse rompida. Números de oxidação usuais a. o número de oxidação de um elemento ou substância simples é zero; b. nos compostos, temos os seguintes valores usuais: o número de oxidação do hidrogênio é sempre +1 (exceto nos hidretos metálicos, como NaH,CaH 2, etc., nos quais é -1); o número de oxidação do oxigênio é sempre -2 (exceto nos peróxidos, como H 2 O 2, Na 2 O 2,etc., nos quais é -1); o número de oxidação dos elementos das colunas A da classificação periódica dos elementos pode ser deduzido do próprio número da coluna, de acordo com o esquema a seguir: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 24

26 É fácil calcular o número de oxidação de um elemento que aparece numa substância, lembrando que a soma dos números de oxidação de todos os átomos, numa molécula, é zero. Vamos, por exemplo, calcular o número de oxidação do fósforo, na substância H3PO4. Lembre-se de que o Nox do hidrogênio é +1 e o Nox do oxigênio é-2. Chamando de x o Nox do fósforo e considerando o número de átomos de cada elemento, teremos a seguinte equação algébrica: Para calcular o número de oxidação de um elemento formador de um íon composto, devemos lembrar que a soma dos números de oxidação de todos os átomos, num íon composto, é igual à própria carga elétrica do íon. Por exemplo: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 25

27 Exercícios 1. O que é oxidação? 2. O que é redução? 3. O que é agente oxidante? 4. O que é agente redutor? 5. Quais são os números de oxidação do cloro nas substâncias Cl2, NaCl, KClO e HClO4? 6. (Ufac) O número de oxidação do átomo de nitrogênionos compostos: N 2 O 5 ; NO; HNO 3 e NaNO 2 é, respectivamente: 7. (Cesgranrio-RJ) Identifique, entre as opções abaixo, a fórmulado composto no qual o fósforo está no maior estadovde oxidação. a) H 3 PO 3 b) H 2 PO 3 c) H 3 PO 2 d) H 4 P 2 O 5 e) HPO 3 8. (Unifor-CE) O átomo de cromo apresenta número deoxidação +3 em qual espécie? a) Cr 2 O 3 b) CrO c) Cr 2- d) CrO 4 2- e) Cr 2 O 7 9. O enxofre participa da constituição de váriassubstâncias e íons, tais como: S 8, H 2 S, SO 2,H 2 SO 3, SO 3, H 2 SO 4, SO 4 2, Na 2 S 2 O 3 eal 2 (SO 4 ) 3. Determine o Nox do enxofre em cadauma dessas espécies químicas. Variação do nox nas reações de óxi-redução Tomando como exemplo a reação entre o cobre e a solução aquosa de nitrato de prata e associando-o ao conceito de Nox, temos: A semi-reação em que ocorre perda de elétrons é denominada reação de oxidação. A semi-reação em que ocorre ganho de elétrons é denominada reação de redução. Neste exemplo, o cobre (Cu) sofre oxidação e é denominado agente redutor, pois, ao ceder elétrons aos íons prata (Ag + ), provoca sua redução. Os íons prata (Ag + ) sofrem redução e agem como agente oxidante, pois, ao receberemelétrons do cobre (Cu), provocam sua oxidação. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 26

28 Para esta reação, temos: Exercícios 1. (Fuvest-SP) Na reação: H2S + I2 S + 2 HI as variações dos números de oxidação do enxofre e do iodo são, respectivamente: a) +2 para zero e zero para +1. b) zero para +2 e +1 para zero. c) zero para 2 e 1 para zero. d) zero para 1 e 1 para zero. e) 2 para zero e zero para (UFRS) Por efeito de descargas elétricas, o ozônio pode ser formado, na atmosfera, a partir da sequência de reações representadas a seguir: Considerando as reações no sentido direto, pode-seafirmar que ocorre oxidação do nitrogênio: a) apenas em I. b) apenas em II. c) apenas em I e II. d) apenas em I e III. e) em I, II e III. Balanceamento de reações redox Como nas reações de óxido-redução ocorre transferência de elétrons, para balanceá-las devemos igualar o número de elétrons perdidos e recebidos. Para isso, devemos inicialmente determinar o número de elétrons perdidos ou recebidos para cada espécie química, que corresponde à variação do Nox ( Nox). A seguir devemos igualar o número de elétrons: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 27

29 Esses números de átomos correspondem aos coeficientes dessas espécies; a partir deles determinamos os coeficientes das outras espécies, obtendo a equação balanceada: Exercícios 1. (UFV-MG) No processo de obtenção do aço, ocorre a reação representada por: Fe2O3 + CO CO2 + Fe I - Qual elemento sofre redução? II - Qual elemento sofre oxidação? III - Qual substância é o agente redutor? IV - Qual substância é o agente oxidante? V - Acerte os coeficientes da equação. 2. (UC-GO) Dada a reação: MnO2+ HCl MnCl2 + H2O + Cl2 Após o balanceamento, qual será o coeficiente do agente oxidante? 3. Dada a equaçãoresponda: MnO 4 + H + + C 2 O 4 2 Mn 2+ + CO 2 + H 2 O I Qual elemento se oxida? II Qual elemento se reduz? III Qual o agente oxidante? IV Qual o agente redutor? V Determine os menores coeficientesinteiros para a reação devidamentebalanceada. Células eletroquímicas Existem dois tipos de células eletroquímicas, as pilhas (ou células galvânicas) e a eletrólise (ou células eletrolíticas). Ambas envolvem reações de oxirredução, onde há produção ou consumo de energia elétrica. Nestas células ocorrem diferentes transformações de energia: Na pilha há transformação de energia química em energia elétrica. As pilhas são dispositivos que produzem energia elétrica a partir de reações químicas que liberam energia, também são chamadas de células galvânicas. A pilha mais conhecida no meio da química é a pilha de Daniell que está ilustrada abaixo. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 28

30 Na pilha de Daniell os dois eletrodos metálicos são unidos externamente por um fio condutor, e as duas semicelas unidas por uma ponte salina, contendo uma solução saturada de K2SO4(aq). Os elétrons fluem, no circuito externo, do eletrodo de zinco para o eletrodo de cobre, ou seja, os elétrons, por apresentarem carga negativa, migram para o eletrodo positivo (pólo positivo), que, nesse caso, é a lâmina de cobre. A equação global dos processos ocorridos nessa pilha pode ser obtida pela soma das duas semi-reações: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 29

31 Exercícios Questões de 1 a 15: Considere o esquema referente à pilha a seguir: 16. (EFOA-MG) Considere a pilha esquematizadana figura a seguir, montada com barrasmetálicas de mesmas dimensões. 1. O eletrodo B está sofrendo uma oxidação ouuma redução? 2. O eletrodo B é denominado cátodo ou ânodo? 3. O eletrodo B é o pólo positivo ou o negativo? 4. Escreva a semi-reação que ocorre no eletrodo B. 5. A concentração (quantidade) de íons B 3+ aumentaou diminui? 6. Ocorre deposição sobre o eletrodo B ou suacorrosão? 7. O eletrodo A está sofrendo uma oxidação ouuma redução? 8. O eletrodo A é denominado cátodo ou ânodo? 9. O eletrodo A é o pólo positivo ou o negativo? 10. Escreva a semi-reação que ocorre no eletrodoa. 11. A concentração (quantidade) de íons A 2+ aumenta ou diminui? 12. Ocorre deposição sobre o eletrodo A ou suacorrosão? 13. Escreva a equação que representa a reaçãoglobal da pilha. 14. Escreva a notação oficial que representa apilha. 15. A pilha é um processo espontâneo ou nãoespontâneo? O interruptor I foi fechado e, após algum tempo de funcionamento do circuito, observou-se a diminuição da massa da lâmina de zinco e o aumento da massa da lâmina de cobre. a) Explique, através de reações químicas, por que ocorrem variações das massas das duas lâminas. b) Qual é o sentido do fluxo de elétrons pelo circuito externo que liga as lâminas de zinco e cobre? Justifique. 17. (Fuvest-SP) Deixando funcionar a pilha esquematizadana figura a seguir, a barra de zinco vaise desgastando e a de chumbo fica maisespessa, em conseqüência da deposição deátomos neutros de Pb.No início do experimento, as duas barras apresentavamas mesmas dimensões. Represente,através de equações, o desgaste da barra dezinco e o espessamento da barra de chumbo.indique o sentido do fluxo de elétrons no fiometálico. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 30

32 Na eletrólise ocorre transformação de energia elétrica em energia química. Na eletrolise, uma reação química não espontânea é forçada a ocorrer com introdução de energia elétrica. Uma fonte arranca elétrons do ânodo que agora é o pólo positivo, e introduz no cátodo que agora é o pólo negativo. Existem dois tipos de eletrólise, a primeira é a eletrólise ígnea, que ocorre geralmente com sais fundidos como eletrólitos. A segunda é a eletrólise aquosa, onde o eletrólito é uma solução aquosa de um sal. Espontaneidade de uma reação Nas pilhas, os elétrons fluem do eletrodo emque ocorre oxidação (ânodo) para o eletrodo emque ocorre redução (cátodo), através do fioexterno. Se colocarmos, nesse fio, um aparelhodenominado voltímetro, conseguiremos medir aforça eletromotriz (femou E) da pilha. O valor indicado pelo voltímetro, em volts(v), corresponde à força eletromotriz da pilha.nas pilhas comuns, este valor aparece indicadona embalagem externa da pilha. O Ede uma pilha corresponde à diferença entre os potenciais de redução ou de oxidação das espécies envolvidas, e seu cálculo pode ser feito pelas equações a seguir: E = Ecátodo Eânodo Todas as pilhas são reações espontâneas, e seu Esempre apresenta valor positivo. No caso das reações com E negativo as reações não são espontâneas, e para que ocorram é necessário o uso de uma célula eletrolítica, ou seja, o uso de uma eletrólise, que forneça uma energia superior ao potencial negativo da reação, por exemplo uma reação que tem E= -1,0V, para que ela QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 31

33 ocorra é necessário fornecer um potencial superior a 1,0V, ou seja, 1,1V seria suficiente. Para calcular o E de uma reação, é necessário conhecer o E das semireações, para isso pode-se consultar a tabela de potenciais que está apresentada a seguir. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 32

34 Exercícios 1. (PUC-MG) Calcule o valor do E para a célula representada pela equação: 2 Ag + (aq) + Mg (s) 2 Ag (s) + Mg 2+ (aq) conhecendo-se os potenciais-padrão de redução: Ag + + e Ag (s) E = +0,80V Mg e Mg (s) E = 2,37V 2. (IME-RJ) Dadas as reações de meia célula: Cu 2+ + e Cu + E = + 0,153 V I e 2 I E = + 0,536 V pede-se: a) escrever a equação que representa a reação global da célula; b) calcular o potencial de eletrodo global (E). 3. Conhecidos os potenciais de redução: Mn e Mn E = 1,18 V Zn e Zn E = 0,76 V Qual a reação global e a ddp da pilha? Equilí brio Quí mico Muitas reações ocorrem completamente, ou seja, até que pelo menos um dosreagentes seja totalmente consumido. Um exemplo desse tipo de reação é a que acontecequando queimamos um palito de fósforo. Existem sistemas, no entanto, em que as reações direta e inversa ocorrem simultaneamente.esses sistemas são denominados reversíveis e representados por. Essa situação acontece tanto em processos químicos como em processos físicos.um exemplo de processo reversível é o que ocorre com a água líquida contida numfrasco fechado. Nesse sistema, temos moléculas de água passando continuamente doestado líquido para o de vapor e do de vapor para o líquido. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 33

35 Quando a velocidade de vaporização (vd) se iguala à de condensação (vi), dizemos que o sistema atingiu o equilíbrio. Graficamente, podemos representar esse e outros equilíbrios por: Uma conseqüência importante do fato de as duas velocidades serem iguais na situação de equilíbrio é que as quantidades dos participantes são constantes, porém não obrigatoriamente iguais. Nas reações químicas reversíveis, a velocidade inicial (t = 0) da reação direta é máxima, pois a concentração em mol/l do reagente também é máxima. Com o decorrer do tempo, a velocidade da reação direta diminui ao passo que a velocidade da inversa aumenta.ao atingir o equilíbrio, essas velocidades se igualam. Para um equilíbrio homogêneo genérico representado por: a expressão da constante de equilíbrio (Kc) é dada por: Em equilíbrios heterogêneos em que existam participantes sólidos, eles não devem ser representados na expressão da constante de equilíbrio (Kc), pois suas concentrações são sempre constantes. Logo, nos equilíbrios a seguir, temos: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 34

36 Kc> 1 a concentração dos produtos (indicados no numerador) é maior que a dos reagentes (indicados no denominador), informação que nos permite observar que a reação direta prevalece sobre a inversa. Kc< 1 a concentração dos reagentes (denominador) é maior que a dos produtos (numerador), o que nos indica que a reação inversa prevalece sobre a direta. O quociente de equilíbrio (Qc) é a relação entre as concentrações em mol/l dos participantesem qualquer situação, mesmo que o equilíbrio ainda não esteja estabelecido.é expresso da mesma maneira que a constante de equilíbrio (Kc). Se estabelecermos uma relação entre Qce Kc, podemos ter: Vamos considerar o equilíbrio a seguir, a 100 ºC e o valor da sua constante igual a 0,2: Considerando três experimentos realizados à temperatura de 100 ºC, temos: Analisando os experimentos, vamos calcular o quociente de equilíbrioe relacionar seus valores com Kc. QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 35

37 Podemos então concluir que: no experimento II, o sistemaestá em equilíbrio (Kc= Qc); no experimento I, o sistemanão está em equilíbrio; paraatingi-lo, o valor de Qc= 2deve igualar-se ao do Kc; isso ocorrerá com a diminuição da [NO2] e o aumento da [N2O4]; no experimento III, o sistema também não está em equilíbrio; para este ser atingido,o valor de Qc= 0,1 deve igualar-se ao do Kc= 0,2; isso ocorrerá com o aumento da[no2] e a diminuição da [N2O4]. Até agora, a expressão do equilíbrio foi dada em termos de concentração em mol/l(kc). No entanto, em equilíbrios nos quais pelo menos um dos participantes é um gás,a constante de equilíbrio pode ser expressa em termos de pressões parciais dos gasesenvolvidos e, nesse caso, será representada por Kp. Assim, as expressões de Kce Kppara os equilíbrios a seguir são dadas por: QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 36

38 Exercício Resolvido QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 37

39 Exercícios QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 38

40 QUÍMICA 2º ANO DO ENSINO MÉDIO TÉCNICO Página 39