Química. A matéria, suas transformações e a energia Unidade 2

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1 Química A matéria, suas transformações e a energia Unidade 2

2 Matéria (p.23) É tudo aquilo que tem massa, volume e, por isso, ocupa um lugar no espaço. Não é possível compartilhar o espaço com outra porção da matéria. Exemplos de matéria: o ar que respiramos, o local onde estamos e até o nosso próprio corpo são alguns exemplos.

3 Massa e volume são propriedades gerais da matéria. Unidades de massa: grama (g) quilograma (kg) miligrama (mg) toneladas (t) Unidades de volume: litro (L) mililitro (ml) centímetro cúbico (cm 3 ) metro cúbido (m 3 ) decímetro cúbico (dm 3 )

4 Estados Físicos da Matéria Sólido: moléculas permanecem em posições fixas, compactadas; o corpo possui tanto forma quanto volume definidos. Líquido: moléculas não se encontram compactadas; se movimentam com certa liberdade; o corpo possui apenas volume definido. Gasoso: as moléculas se movimentam em todas as direções, com alta velocidade e grande liberdade; o corpo não apresenta nem forma nem volume definidos.

5 Mudanças de estados físicos (p. 19) A influência de fatores externos, como pressão e temperatura faz com que a matéria se apresente ora em um, ora em outro estado físico. Se você resfriar a água contida em um recipiente ela pode transformar-se em gelo, por outro lado, se a aquecer, pode se transformar em vapor. As mudanças de um estado físico para outro recebem denominações específicas:

6 Sublimação Fusão Vaporização Sólido Líquido Gasoso (vapor) Solidificação Liquefação (condensação) Sublimação ou ressublimação

7 Organizando as idéias A vaporização (passagem do estado líquido para o vapor) pode ocorrer de maneiras diferentes: Evaporação: é a passagem de líquido a vapor de forma lenta, à temperatura ambiente, e sem a formação de bolhas no interior do líquido. Ela ocorre na superfície do líquido. Exemplo: a evaporação da água de uma roupa molhada estendida no varal, sob a ação do vento e do sol.

8 Ebulição: e a passagem violenta de líquido a vapor, que ocorre com a formação de bolhas no interior do líquido. É conhecida popularmente como fervura. Exemplo: a água de uma panela levada ao fogo, após certo tempo, ferve violentamente, formando bolhas no interior do líquido.

9 Ponto de fusão e ponto de ebulição Ponto de fusão (PF): a temperatura constante na qual uma espécie de matéria passa do estado sólido para o estado líquido. Ponto de ebulição (PE): a temperatura constante na qual uma espécie de matéria para do estado líquido para o estado de vapor. Substância PF (ºC) PE (ºC) Água Mercúrio Alumínio

10 Representação gráfica dos PF e PE Temperatura (ºC) F TE D Ebulição (l + v) E vapor TF B Fusão (s + l) C líquido sólido A Tempo

11 O trecho AB indica que a substância sólida está sendo aquecida. No ponto B, existe somente substância sólida (início da fusão). O trecho BC indica a presença de sólido misturado com líquido. À medida que caminhamos de B para C, a quantidade de sólido diminui e a de líquido aumenta, porém a temperatura permanece inalterada. No ponto C, temos apenas líquido, indicando o final da fusão.

12 O trecho CD indica que o líquido está sendo aquecido. No pondo D, existe apenas líquido; temos o início da ebulição. O trecho DE indica a presença de líquido misturado com vapor. À medida que caminhamos de D para E, a quantidade de líquido diminui e a de vapor aumenta; porém a temperatura permanece inalterada. No ponto E, existe somente substância no estado de vapor, indicando o fim da ebulição.

13 Densidade (p. 25) Conceito que informa quanto de massa existe em um certo volume de matéria. Matematicamente, representa-se a densidade da seguinte forma: d = m/v d = densidade da substância (g/cm 3 ; g/ml; g/l ou kg/l); m = massa; V = volume. Exemplo: d água = 1 g/cm 3 (Num volume igual a 1 cm 3 a massa de água é igual a 1 g)

14 Densidade e flutuação A comparação entre as densidades permite prever se um corpo irá afundar ou flutuar em um certo líquido. Imagine, por exemplo, que uma bolinha de gude, densidade 2,7 g/ml e um pedaço de isopor com densidade igual a 0,03 g/ml sejam colocados num frasco com azeite de oliva, cuja densidade é 0,92 g/ml. O que se pode prever? O pedaço de isopor, menos denso que o azeite, irá flutuar nele. E a bolinha de gude, mais densa que ele, irá afundar. isopor (0,03 g/cm 3 ) azeite de oliva (0,92 g/cm 3 ) bola de gude (2,7 g/cm 3 )

15 Alguns fatores que afetam a densidade Material considerado. Alguns valores considerados aparecem na tabela a seguir: Matéria Densidade (g/cm 3 ) 25ºC Isopor 0,03 Cortiça 0,32 Azeite de oliva 0,92 Água 1,00 Chumbo 11,3

16 Alguns fatores que afetam a densidade A densidade varia com a temperatura, pois o volume de um corpo muda de acordo com a temperatura, embora a massa permaneça a mesma. Por isso, é importante que, em informações científicas, se expresse, por exemplo, que a densidade do chumbo é 11,34 g/cm 3 a 20 ºC. Mudanças de estado físico provocam mudanças na densidade de uma substância. Exemplo: água líquida (d = 1 g/cm 3 ) e a água sólida (d = 0,92 g/cm 3 )

17 Na prática: Densidade de líquidos Densímetro: Trata-se de um tubo de vidro com uma certa quantidade de chumbo na base, responsável pelo seu corpo. Na parte de cima do tubo há uma escala desenhada. Ao mergulhar o densímetro no líquido, ele afunda até deslocar um volume de fluido cujo peso se iguale ao dele. A superfície do líquido indica determinado ponto na escala, isto é, sua densidade. Esses instrumentos são muito usados em postos de gasolina para verificar por meio da densidade o grau de pureza do álcool usado como combustível.

18 Densidade de sólidos Deslocamento Material necessário: proveta (100 ml) e balança analítica. Pesa-se o sólido e anota-se sua massa. Acrescenta-se 50 ml de água na proveta e anota-se esse volume. Coloca-se dentro da proveta o sólido e anota-se o volume de água deslocado. Calcula-se o volume do sólido: V sólido = V final V inicial Calcula-se a densidade do sólido: d = m/v

19 Fenômenos físicos e químicos Fenômenos físicos (transformações físicas): quaisquer transformações sofridas por um material sem que haja alteração de sua constituição íntima, ou seja, a matéria é a mesma antes e após a transformação. Exemplos: Um pedaço de fio de cobre pode ser dobrado e não se transforma em outra substância; o ferro fundido ainda é ferro; a dilatação de um metal pelo calor; a dissolução de uma substância em um líquido; a expansão de um gás.

20 Fenômenos químicos (transformações químicas ou reações químicas): são mais significativas do que as transformações físicas. Nestas transformações, substâncias são destruídas e outras, novas, são formadas. As substâncias que desaparecem durante estas transformações são chamadas reagentes, e aquelas formadas são chamadas de produto. Exemplos: A exposição de um prego de ferro ao ar livre e à chuva, causa uma transformação química, porque o ferro é combinado quimicamente com o oxigênio e à água da atmosfera. Se esta exposição for longa, este desaparece e em seu lugar é encontrada uma nova substância, a ferrugem.

21 Outros exemplos: queima da madeira, a acidez do leite, a explosão de dinamite, o cozimento do pão. Devemos ainda acrescentar que a própria vida dos animais e vegetais é resultado de uma série de reações químicas: Nos animais, a digestão dos alimentos é uma série de reações químicas; Os vegetais crescem à custa das reações que envolvem os minerais e a água e a energia solar e o gás carbônico absorvido pelas suas folhas.

22 É fácil reconhecer uma transformação química? Liberação de energia (calor, luz, explosão) queima do carvão Liberação de gases efervescência de um comprimido antiácido na água; mau cheiro de ovo podre.

23 Mudança de cor folha de árvore amarelecendo, um fruto apodrecendo, uma grade de ferro enferrujando. Formação de um precipitado (aparecimento de um sólido ou turvação de uma solução líquida) nitrato de chumbo + iodeto de potássio.

24 Sistemas Quando estudamos uma determinada porção de matéria, essa porção é denominada sistema. O que estiver ao redor, até mesmo o recipiente que contém tal porção de matéria, é chamado ambiente ou meio ambiente. Classificação dos sistemas sistemas: a) de acordo com o número de sustâncias que compõe o sistema: substância pura ou mistura b) De acordo com a constância ou não das propriedades do sistema: sistema homogêneo ou sistema heterogêneo.

25 Substância Pura Uma única substância com composição característica e definida e com um conjunto definido de propriedades. Entre essas propriedades estão o ponto de fusão, o ponto de ebulição, a densidade, o fato de ser inflamável ou não, a cor, o odor, etc. Exemplo: água, sal, enxofre, ferro. Água, líquido incolor com PF 0ºC e PE = 100 ºC, d = 1 g/cm 3 Cloreto de sódio, sólido branco com PF = 801 ºC, PE = 1465 ºC, d = 2,7 g/cm 3

26 Misturas Consiste em duas ou mais substâncias fisicamente misturadas. Exemplo: água com açúcar (H 2 O + C 12 H 22 O 11 ); ar atmosférico (N 2 + O 2 ). Algumas misturas podem ser identificadas por simples observação visual (ex.: granito). Outras requerem o uso de lupas ou microscópios para individualização dos seus componentes (ex.: leite). Outras são difíceis de serem caracterizadas (água salgada).

27 Exemplos Mistura Leite Madeira Aço Álcool hidratado Amalgama Ouro 18 quilates Ar atmosférico Composição Água, gorduras, proteínas, açúcares Celulose e muitos outros compostos orgânicos Ferro e carbono Álcool e água Mercúrio e outro metal Ouro e cobre Nitrogênio e oxigênio

28 Características das substâncias puras Apresentam composição fixa; não podem ser desdobradas por processos físicos. Temperatura (ºC) TE Ebulição (l + g) vapor Apresentam temperatura constante durante uma mudança de estado. TF sólido Fusão (s + l) líquido SUBSTÂNCIA PURA Tempo

29 Características das misturas Apresentam composição variável. Exemplo: salmoura 10% de sal; 90% de água. salmoura 5% de sal; 95% de água. Não podem ser representadas por uma única fórmula química. Podem ser desdobradas por processos físicos. Apresentam temperatura variável durante uma mudança de estado.

30 Exemplo: Temperatura (ºC) final da ebulição início da ebulição final da fusão início da fusão S L intervalo de fusão G intervalo de ebulição MISTURA Tempo

31 Casos Especiais de Misturas Mistura Azeotrópica: apresenta temperatura de ebulição constante. Exemplo: etanol (96%) + água (4%), TE = 78,15 ºC TE TF S Fusão L Ebulição G Mistura eutética: Apresenta temperatura de fusão constante. Exemplo: cádmio (60%) e bismuto (40%), TF = 140 ºC TE TF S MISTURA AZEOTRÓPICA G Ebulição L Fusão Tempo MISTURA EUTÉTICA Tempo

32 Sistemas Homogêneo Apresenta as mesmas propriedades em toda a sua extensão é visualmente uniforme. Água Água + sal

33 Sistema heterogêneo Não apresenta as mesmas propriedades em toda a sua extensão não é visualmente uniforme. Água e gelo Água e óleo

34 Fases e Componentes Fases: cada parte homogênea de um sistema. Todo sistema homogêneo é monofásico (1 fase). Todo sistema heterogêneo é polifásicos (duas ou mais fases) As fases podem ser: sólida, líquida ou gasosa. Não é necessário que uma fase seja contínua. Exemplo: vários cubos de gelo constituem uma única fase. Componentes: cada substância pura que participa de um sistema. O número de fases não é obrigatoriamente igual ao número de componentes. Exemplo: água, gelo e óleo (3 fases e 2 componentes)

35 Sistema Exemplos: Número de fases Número de componentes Água 1 1 Água salgada 1 2 (água e sal) Água e areia 2 2 (água e areia) Óleo, água líquida e gelo 3 2 (água e óleo) Oxigênio, Nitrogênio, Gás carbônico 1 3 (O 2, N 2, CO 2 ) Água, gelo, vapor 3 1 componente (água) Óleo, gelo, água salgada e granito 6 6 (água, óleo, sal, quartzo, feldspato, mica)

36 Análise dos sistemas de acordo com o estado físico Sistema formado por gases sempre homogêneo Sistema formado por sólidos geralmente heterogêneo. Exemplo: granito (feldspato, quartzo e mica). Alguns são homogêneos. Exemplo: ouro 18 quilates (ouro e cobre). Sistema formado por líquidos depende da solubilidade dos líquidos. Exemplos: água e álcool (homogêneo); água e gasolina (heterogêneo)