CAPÍTULO 2 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS QUE COMPÕEM A QUÍMICA

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1 CAPÍTULO 2 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS QUE COMPÕEM A QUÍMICA O QUE VOCÊ JÁ SABE? Antes de iniciar o conteúdo referente aos conceitos fundamentais que compõem a Química, reflita sobre as seguintes questões: Do que é composto o ar? Será que tudo que existe no universo é matéria? Quais são as formas de energia que existem? Do que são feitas as substâncias? O mundo em que vivemos Qualquer que seja a cultura e desde os tempos mais remotos, o ser humano vem procurando tornar sua vida mais confortável. Assim, aprendeu a extrair os recursos de que necessita de todos os locais acessíveis da Terra, mesmo dos oceanos e da atmosfera. Como os diferentes materiais utilizados pelo ser humano estão distribuídos em nosso planeta? Observando a imagem acima da Terra notamos nuvens, que correspondem às manchas brancas, regiões verdes que correspondem aos

2 continentes, e azuis, que correspondem aos oceanos. O nosso planeta é constituído por materiais que se apresentam nas formas sólida, líquida e gasosa. Os continentes compõem a parte sólida da Terra, a litosfera. A hidrosfera é constituída pelas geleiras e por toda a água do planeta, em sua maior parte líquida, nos oceanos, rios, lagos e lençóis freáticos. A parte gasosa que envolve a Terra é a atmosfera. Essas três partes fornecem todos os recursos para a atividade humana. Atmosfera A atmosfera não é uma camada uniforme, os materiais que compõem não estão distribuídos homogeneamente. De acordo com a altitude, ela é dividida em troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera. Na atmosfera, além dos gases, estão presentes gotículas de água e diferentes tipos de partículas sólidas. Analisando a atmosfera isenta de vapor de água e de poluentes, verificamos que ela apresenta a seguinte composição:

3 O gás ozônio, embora pouco abundante na atmosfera, desempenha um papel biologicamente fundamental quando encontrado na estratosfera. A 30 km da superfície, absorve a maior parte da radiação ultravioleta solar prejudicial à vida, funcionando como um filtro protetor. No entanto, quando é encontrado na baixa atmosfera, na troposfera, é prejudicial às plantas e aos animais, sendo considerado um poluente. De maneira geral, os poluentes concentram-se na troposfera, onde ocorrem os chamados fenômenos meteorológicos, que tanto influem em nossa vida. Litosfera A litosfera, palavra que vem do grego lithos, que significa pedra, é o nome dado à crosta terrestre, notamos grande variedade de rochas. Algumas são formadas por camadas; outras apresentam granulações. Há rochas claras e escuras. Independentemente do tipo e da origem, elas são misturas de minerais, sólidos cristalinos de composição definida. Os elementos químicos presentes na crosta terrestre se distribuem de maneira bem menos uniforme que os encontrados na atmosfera e nos oceanos. Concentram-se em certas regiões, em rochas denominadas minérios. Assim, muitos elementos que existem em pequena porcentagem na litosfera podem ser explorados graças a formação de depósitos minerais. Esse fenômeno permitiu que o ser humano, desde a Antiguidade, retirasse da crosta terrestre os mais

4 diversos elementos. Alguns minérios e metais obtidos a partir deles estão apresentados a seguir: O oxigênio e o silício são os elementos mais abundantes da litosfera: respondem por 80,9% de sua massa. Formam grande variedade de silicatos substâncias presentes em todas as rochas da crosta terrestre. Assim, o granito é constituído pelos minerais mica, feldspato e quartzo. Estes contêm o elemento silício. Veja a seguir a distribuição dos elementos na litosfera: Está na litosfera a maior parte dos recursos utilizados pelo ser humano. Além dos minérios, retiramos dela petróleo, carvão e gás natural, fontes importantes de matéria-prima e energia.

5 As reservas conhecidas de petróleo são suficientes para mais um ou dois séculos. O consumo crescente, a poluição causada pela queima de combustível e a pequena probabilidade de que novas jazidas ricas em petróleo sejam descobertas indicam a necessidade de fontes alternativas de energia, como o álcool, a energia solar, a energia nuclear, etc. No século XII, descobriu-se na Inglaterra certa rocha negra que queimava fornecendo maior quantidade de calor que a madeira, o nosso primeiro combustível. O carvão mineral, como ficou conhecido, é um combustível muito utilizado até hoje. O gás natural é encontrado em depósitos subterrâneos, associado ou não ao petróleo. Além de sua eficiência como combustível, apresenta a vantagem de não ser poluente. Nos países desenvolvidos, sua participação como fonte energética está em cerca de 20%, o que demonstra sua importância. Hidrosfera Aproximadamente 97,2% de toda a água da terra está nos oceanos. As geleiras e calotas polares contribuem com 2,1%; as águas subterrâneas (lençóis freáticos), com 0,62%; os lagos, com 0,01%; e os rios, com 0,0001%. O restante está na atmosfera em forma de vapor. Para termos ideia desses valores, vamos supor que toda a água existente nos oceanos coubesse em uma caixa d água de 1000L (1m 3 ). Nesse caso, as geleiras ocupariam pouco mais que o volume de uma lata de tinta de 18 L; toda a água subterrânea corresponderia ao volume de 6 L (três garrafas de refrigerante de 2,0L); os lagos a 100 ml (aproximadamente, o volume de dois copinhos descartáveis de café); o vapor de água existente na atmosfera a 4 ml (duas colheres de chá); e a água dos rios ao volume de 1 ml. Os oceanos cobrem a maior parte da superfície terrestre e são os grandes reservatórios de água do nosso planeta. As águas subterrâneas, os lagos e os rios fornecem a maior parte da água utilizada pelo ser humano. O consumo de água potável aumenta cada vez mais e a sua escassez será um dos problemas

6 que deveremos enfrentar em um futuro relativamente próximo. Mesmo no Brasil, país rico em bacias hidrográficas, o problema já se faz sentir. Nas águas dos oceanos se encontram dissolvidas muitas substâncias. O cloreto de sódio (comumente chamado sal de cozinha), presente em maior quantidade, é o seu principal componente. O mar possui grandes reservas de sódio (Na), potássio (K), magnésio (Mg), cálcio (Ca), estrôncio (Sr), cloro (Cl), bromo (Br), iodo (I), flúor (F), enxofre (S), boro (B) e fósforo (P). Apesar dessa grande variedade de elementos, apenas quatro são extraídos comercialmente: sódio, cloro, magnésio e bromo. A razão de muitos elementos não serem explorados está na necessidade de utilizar volumes enormes de água do mar para extraí-los, o que dificulta e encarece o processo, tornando a exploração economicamente inviável, pelo menos enquanto novos métodos não forem desenvolvidos. Muitos minérios estão se esgotando rapidamente. Um dos desafios da ciência e da tecnologia é desenvolver técnicas capazes de extrair, de forma econômica, metais de jazidas de baixo teor e explorar as riquezas dos oceanos. No oceano Pacífico, estima-se que haja 1,6 bilhões de toneladas dos mais diversos metais. Biosfera A biosfera é a camada que apresenta condições favoráveis ao desenvolvimento da vida animal e vegetal. Sua espessura varia de aproximadamente 7000 m acima do nível do mar até cerca de m abaixo do nível do mar, no fundo dos oceanos. Embora haja grande diversidade de seres vivos, todos são constituídos pelos mesmos elementos existentes na atmosfera, na hidrosfera e na litosfera. O ser humano utiliza recursos provenientes da biosfera desde a Pré- História. Os alimentos vegetais e animais e também os microrganismos utilizados na produção de coalhadas, queijos, vinhos, álcool, pão e antibióticos são recursos provenientes da biosfera.

7 Matéria Prof. : Drielle Caroline A mesa, a cadeira, as nossas roupas e o nosso organismo são exemplos de matéria. Todos os seres e objetos que fazem parte do nosso mundo são feitos de matéria. Matéria é tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço. A matéria nem sempre é visível. O ar é um exemplo disso. Podemos, através de experimentos simples, constatar que o ar ocupa lugar no espaço. Observe um deles: Usamos massa de modelar para prender um funil em um frasco de vidro e, ao mesmo tempo, vedar o frasco, impedindo a saída de ar por pequenos orifícios. Assim, o ar só entra ou sai através do funil. Se tentarmos colocar um líquido colorido no frasco (água com groselha, por exemplo), verificaremos que o líquido não consegue entrar, impedido pelo ar contido no frasco. Veja na Figura 1. Figura 1 Representação de um funil com líquido em um fraco de vidro vedado. Podemos também determinar a massa de uma certa quantidade de ar mediante a utilização de balanças. Um litro de ar apresenta massa aproximada de 1,3 gramas. Energia Na verdade, não existe uma definição satisfatória para energia. Porém, pode-se afirmar que o conceito de energia está diretamente relacionado à realização de trabalho, ao fato de provocar modificações na matéria e de ser interconversível em suas várias formas.

8 Uma das formas de energia mais utilizadas é a elétrica, que pode ser obtida de várias maneiras. Vejamos algumas delas: Fonte: Química no cotidiano volume 1 Fonte: Química no cotidiano volume 1

9 Ao chegar em sua casa ou em instalações industriais, a energia elétrica é transformada em outros tipos de energia. Estados físicos da matéria A Terra, os mares, o sol, a Lua, o vento, o barro, as plantas, ou seja, tudo o que forma o universo é matéria. Ela pode ser dura como o diamante, macia como o algodão ou invisível como o ar atmosférico. Portanto, pode existir em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Algumas propriedades desses estados estão descritas a seguir: Observe que os estados físicos da matéria apresentam propriedades diferentes. Porque os sólidos mantêm sua forma, enquanto gases e líquidos assumem a forma do recipiente que os contém? Porque os gases são facilmente compressíveis e os sólidos e os líquidos não? Para responder a essas questões, ou seja, para explicar a existência dos estados sólido, líquido e gasoso e as propriedades que apresentam, vamos recorrer ao modelo de Boyle: O postulado fundamental desse modelo é: a matéria é formada por átomos que estão em constante movimento. Isso pode ser ilustrado pela

10 observação do comportamento de partículas sólidas extremamente pequenas suspensas no ar ou em líquidos. É o que acontece com a poeira em suspensão no ar atmosférico ou pó de giz na superfície da água em um copo. O movimento das partículas da matéria também pode ser ilustrado pela adição de uma substância sólida em um recipiente com água. Mesmo que o líquido não seja agitado, após certo tempo todo o líquido estará colorido por causa do espalhamento da substância. Observe: Aos postulados do modelo de Boyle foram incorporados outros relacionados ao movimento dos átomos e às forças de atração entre eles. Esse novo conjunto de postulados originou o modelo cinético da matéria ou teoria cinético-molecular: Toda matéria é formada por partículas: átomos isolados ou agregados de átomos. As partículas estão em movimento constante e ao acaso. Quanto maior a temperatura, maior o movimento das partículas, isto é, maior agitação térmica. As partículas podem atrair-se ou repelir-se. Colisões entre partículas provocam transferência de energia da partícula mais energética para a menos energética.

11 Esses postulados permitem explicar a existência dos três estados físicos da matéria: As partículas de um sólido se atraem intensamente. Dizemos que elas estão dispostas em posições fixas, tendo pequeno movimento de vibração em relação a posição que ocupam. O estado sólido é aquele em que as partículas estão mais ordenadas. As partículas de um líquido embora consigam movimentar-se umas em relação as outras, ainda se atraem. A ordenação das partículas, nesse caso, é maior que nos gases, mas menor que nos sólidos. As partículas de um gás praticamente não se atraem. Elas se movimentam ao acaso em todas as direções e sua desordem é total. O modelo também explica algumas propriedades da matéria: Forma e volume Sólidos apresentam forma própria e volume próprios porque a força de atração entre suas partículas é intensa e elas permanecem em posições praticamente fixas. Líquidos apresentam a forma do recipiente e volume próprio porque as partículas que os constituem, embora não sejam totalmente independentes, estão livres o bastante para se movimentarem e

12 adquirirem a forma do recipiente, mas não o suficiente para se separarem completamente umas das outras. Gases não possuem forma própria e ocupam o volume do recipiente porque a força de atração entre suas partículas é desprezível. Assim, as partículas movimentam-se em todas as direções, ocupando todo o espaço disponível. Compressibilidade Sólidos são praticamente incompressíveis porque as partículas estão muito próximas e um aumento de pressão não consegue aproximá-las mais. Líquidos dificilmente são comprimidos porque as partículas estão relativamente próximas umas das outras e somente pressões muito elevadas conseguem aproximá-las mais. Gases são facilmente compressíveis porque as partículas estão muito distantes umas das outras e pequenas variações de pressão podem aproximá-las mais. Os postulados do modelo cinético da matéria também explicam porque um estado físico pode converter-se em outro, ou seja, porque um sólido pode converter-se em um líquido e este em um gás. Unidades de medida Em Química, para realizar qualquer experimento, além dos conceitos básicos de matéria e energia, também é necessário conhecer algumas unidades de medida. A medida de uma grandeza é um número que expressa uma quantidade, comparada com um padrão previamente estabelecido. Os múltiplos e submúltiplos do padrão são indicados por prefixos. Massa Massa (m): a quantidade de matéria que existe num corpo.

13 Importante: Essa definição é simplificada, pois o conceito de massa não é absoluto. De acordo com 2ª Lei de Newton, a massa de um corpo está relacionada com a medida da sua inércia, ou seja, medida da dificuldade que um corpo tem para variar a sua velocidade (massa inercial). Há também outra definição a de massa gravitacional, cuja medida depende da existência de força gravitacional. Neste caso, a massa de um corpo pode ser medida, por exemplo, mediante o uso de balanças. A determinação da massa de um corpo é feita pela comparação da massa desconhecida desse corpo com outra massa conhecida, um padrão. Para esta determinação usa-se um aparelho chamado balança. A Figura 2 apresenta alguns tipos de balanças. Figura 2 à esquerda tem-se uma balança de pratos e à direita tem-se uma balança moderna. No Sistema Internacional (SI), a unidade-padrão de massa é o quilograma (kg). Volume

14 Volume (V): é a extensão de espaço ocupado por um corpo. O volume de um corpo com a forma de um cubo é determinado multiplicando-se seu comprimento por sua altura e por sua largura. Veja: No SI, a unidade-padrão de volume é o metro cúbico (m 3 ). No entanto, a unidade mais usada em Química é o litro (L). Num laboratório, os volumes dos líquidos podem ser obtidos de várias maneiras, usando-se diferentes aparelhos, em função do volume de líquido a ser determinado. Veja:

15 Fonte: Química no cotidiano volume 1 de líquidos. Esses equipamentos são utilizados na obtenção de medidas volumétricas Importante: Quando usamos aparelhagem de medida de volume, devemos manter os olhos no mesmo nível da superfície do líquido, conforme mostra a imagem abaixo. Fonte: Química no cotidiano volume 1 Temperatura Temperatura (T): relaciona-se com o estado de agitação das partículas que formam um corpo e com a capacidade desse corpo de transmitir ou receber calor. Os valores de temperatura são determinados por um aparelho chamado termômetro, que consiste de um fino tubo de vidro graduado e parcialmente cheio de mercúrio ou álcool colorido. À medida que a temperatura aumenta, o líquido se expande e se move ao longo do tubo. A graduação do tubo indica a variação de

16 temperatura do líquido. Essa graduação é a escala termométrica do aparelho (existem várias escalas em uso, atualmente). A escala de graduação mais comumente usada nos trabalhos científicos é a escala Celsius. Ela possui dois pontos de referência: o congelamento e a ebulição da água ao nível do mar, que correspondem, respectivamente, a 0 ºC e 100 ºC. Existem outras escalas centígrados, como a Kelvin, recomendada pelo SI e conhecida como escala absoluta. Veja: Pressão Pressão (P): a relação entre a força exercida na direção perpendicular, sobre uma dada superfície, e a área dessa superfície. A Terra está envolvida por uma camada de ar que tem espessura aproximada de 800 km. Essa camada de ar exerce pressão sobre os corpos: a pressão atmosférica.

17 A diminuição do número de partículas do ar em grandes altitudes pode ser a causa de problemas para pessoas desacostumadas a essa condição. Pelo Sistema Internacional (SI), a unidade-padrão é o pascal (Pa), que se relaciona com a unidade atmosfera na seguinte proporção: Densidade Densidade (d): é a relação (razão) entre a massa de um material e o volume por ele ocupado. A expressão que permite calcular a densidade é dada por: Para sólidos e líquidos, a densidade geralmente é expressa em gramas/centímetros cúbicos (g/cm 3 ); para gases, costuma ser expressa em gramas/litro (g/l). Veja outro exemplo: Comparando os valores de densidades na figura abaixo temos:

18 dágua = 1 g/cm 3, dcortiça = 0,32 g/cm 3, dchumbo = 11,3 g/cm 3 Concluímos que: dcortiça < dágua < dchumbo A cortiça flutua na água porque é menos densa que ela e o chumbo afunda porque é mais denso que esse líquido. 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 (d = 2,7 g/cm 3 ) e um pedaço de isopor (d = 0,03 g/cm 3 ) sejam colocados num frasco com azeite de oliva (d = 0,92 g/cm 3 ). 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. Alguns fatores que afetam a densidade A densidade depende, em primeiro lugar, do material considerado. Em segundo lugar, a densidade de um mesmo material depende da temperatura. Um aquecimento, por exemplo, provoca a dilatação do material (aumento de volume), e isso interfere no valor da densidade. No caso de gases, cujo volume é muito sensível a variações de pressão, a densidade, além de depender da temperatura, depende também da pressão. Constituição da matéria Atualmente não há dúvidas de que toda matéria seja formada por minúsculas partículas, denominadas átomos. Essa ideia, como vimos na aula anterior, foi proposta pelos filósofos gregos Leucipo e Demócrito (400 a.c.). Em 1808, baseado em fatos experimentais, o cientista britânico John Dalton ( ) formula uma teoria atômica para explicar a constituição da matéria.

19 Teoria atômica de Dalton Essa teoria possibilitaria, posteriormente, a criação do primeiro modelo do átomo, a qual expressa, em termos gerais, o seguinte: 1. A matéria é constituída de pequenas partículas esféricas maciças e indivisíveis denominadas átomos. 2. Um conjunto de átomos com as mesmas massas e tamanhos apresenta as mesmas propriedades e constitui um elemento químico. 3. Elementos químicos diferentes apresentam átomos com massas, tamanhos e propriedades diferentes. 4. A combinação de átomos de elementos diferentes, numa proporção de números inteiros, origina substâncias diferentes. 5. Os átomos não são criados nem destruídos: são simplesmente rearranjados, originando novas substâncias. Para melhor representar sua teoria atômica, Dalton substituiu os antigos símbolos químicos da alquimia por novos e criou símbolos para outros elementos que não eram conhecidos pelos alquimistas. Representação dos elementos químicos

20 Até 1808, quando surgiu a teoria atômica de Dalton, eram conhecidos aproximadamente 50 elementos químicos. Por volta de 1810, o químico sueco Berzelius ( ) organizou a notação química utilizada até essa data, que era bastante confusa, introduzindo como símbolo dos elementos as iniciais de seus nomes em latim. Para indicar a proporção com que cada elemento entra na formação de determinada substância, Dalton associou um índice numérico aos símbolos. A representação gráfica de uma substância em que são utilizados os símbolos e os índices numéricos é denominada fórmula e representa a constituição de cada unidade formadora da substância. Essas unidades são denominadas moléculas.

21 Em foco... John Dalton John Dalton é considerado o pai da Química teórica. Com apenas 12 anos de idade iniciou sua brilhante carreira lecionando em uma escola da comunidade Quaker, da qual era membro. Além de ter elaborado a teoria atômica, Dalton descobriu uma importante lei da Física a Lei das Pressões Parciais dos Gases. Uma curiosidade sobre a sua vida profissional: ele também atuou como meteorologista, tendo feito cerca de 200 mil anotações. Dalton foi o primeiro cientista a descrever uma deficiência visual da qual sofria cujo portador não consegue distinguir algumas cores, entre elas, o vermelho e o verde. O seu trabalho sobre essa deficiência foi tão importante que hoje ela é conhecida por daltonismo. Atualmente, sabe-se que o daltonismo afeta 5% dos homens e 0,5% das mulheres. John Dalton, membro da comunidade Quaker com seus trajes característicos do final do século XIX. Fonte: Química no cotidiano volume 1 O QUE VOCÊ APRENDEU? A distribuição dos elementos em nosso planeta não é uniforme. A atmosfera, a hidrosfera, a litosfera e a biosfera apresentam composição diferente e são delas que o ser humano retira todo os recursos de que necessita. Matéria é tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço. Podendo não ser visível, como o caso do ar. Ainda podem existir em

22 três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Esses estados podem ser explicados pelos postulados do modelo cinético da matéria. Tudo que é formado por partículas que estão em constante movimento. A força de atração entre as partículas determina o estado físico do material. O conceito de energia está diretamente relacionado à realização de trabalho, ao fato de provocar modificações na matéria e de ser interconversível em suas várias formas. Toda a matéria é constituída por átomos, podendo ser representada quimicamente por meio de fórmulas químicas. Referências Bibliográficas: NÓBREGA, Olívio Salgado; SILVA, Eduardo Roberto; SILVA, Ruth Hashimoto. Química - Volume único. Ed. Ética, São Paulo, PERUZZO, Francisco Miragaia; CANTO, Eduardo Leite. Química na abordagem do cotidiano. Ed. Moderna, v.2, São Paulo, SANTOS, Wildson; MOL, Gerson. Química Cidadã. Ed. Nova Geração, v.1, São Paulo, USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Química Volume único. Ed. Saraiva, São Paulo, 2013.