Ensino Profissional Teresa Sobrinho Simões Maria Alexandra Queirós Maria Otilde Simões Química Física e Química Módulos Extensões Q1 Q2 Q6 E.Q1 E.Q2 Módulo Q1 Estrutura Atómica. Tabela Periódica. Ligação Química Extensão E.Q1 Modelo Quântico para o Átomo Módulo Q2 Soluções Extensão E.Q2 Coloides e Suspensões Módulo Q6 Estado Físico das Substâncias e Interações Moleculares. Estado Gasoso Oo
ÍNDICE MÓDULO Q1 ESTRUTURA ATÓMICA. TABELA PERIÓDICA. LIGAÇÃO QUÍMICA 1. ESTRUTURA ATÓMICA 10 1.1. Elementos químicos: constituição, isótopos e massa atómica relativa 10 1.2. Modelo atómico atual simplificado 16 2. TABELA PERIÓDICA 17 2.1. Tabela Periódica: evolução e organização dos elementos 17 2.2. Localização dos elementos na Tabela Periódica: período e grupo 17 2.3. Variação do raio atómico e da energia de ionização dos elementos da Tabela Periódica 20 2.4. Propriedades dos elementos e propriedades das substâncias elementares 24 3. ESTRUTURA MOLECULAR LIGAÇÃO QUÍMICA 25 3.1. Ligação química: modelo da ligação covalente 25 3.2. Ligação química: modelo da ligação iónica 38 3.3. Ligação química: modelo da ligação metálica 39 EXTENSÃO E.Q1 MODELO QUÂNTICO PARA O ÁTOMO 1. ESPETROS, RADIAÇÃO E ENERGIA 41 1.1. Espetro eletromagnético 41 1.2. Energia, frequência e comprimento de onda de uma radiação eletromagnética 41 1.3. Radiações visíveis cor e energia 42 1.4. Espetros de emissão e espetros de absorção 45 1.5. Interação radiação-matéria 45 1.6. Efeito fotoelétrico 47 2. ÁTOMO DE HIDROGÉNIO E ESTRUTURA ATÓMICA 50 2.1. Espetro do átomo de hidrogénio 50 2.2. Quantização da energia do eletrão 50 2.3. Modelo quântico 53 2.4. Números quânticos 53 2.5. Orbitais (s, p, d) 54 2.6. Princípio da energia mínima; regra de Hund; princípio de exclusão de Pauli 55 2.7. Configurações eletrónicas dos átomos dos elementos até Z = 23 56 MÓDULO Q2 SOLUÇÕES 1. DISPERSÕES 60 1.1. Dispersão, disperso e dispersante 60 1.2. Dispersão sólida, líquida e gasosa 60
2. SOLUÇÕES 62 2.1. Composição qualitativa de soluções 62 2.2. Composição quantitativa de soluções Unidades SI e outras 66 2.3. Fator de diluição 67 Atividade experimental 1 76 Atividade experimental 2 77 Atividade experimental 3 78 EXTENSÃO E.Q2 COLOIDES E SUSPENSÕES 1. COLOIDES 80 1.1. Classificação dos coloides 80 2. OS COLOIDES E SUAS PROPRIEDADES 83 2.1. Movimento browniano 83 2.2. Efeito Tyndall 84 2.3. A importância dos coloides nos ambientes naturais e industriais 84 3. SUSPENSÕES 87 3.1. A matéria particulada 87 3.2. O impacte da matéria em suspensão na saúde e no ambiente 87 Atividade experimental 1 88 Atividade experimental 2 88 Atividade experimental 3 91 Porto Editora MÓDULO Q6 ESTADO FÍSICO DAS SUBSTÂNCIAS E INTERAÇÕES MOLECULARES. ESTADO GASOSO 1. INTERAÇÕES MOLECULARES 94 1.1. O que são e como se caracterizam 94 1.2. Tipos de interações moleculares 96 1.3. As ações intermoleculares e os estados físicos da matéria 99 2. ESTADO GASOSO 104 2.1. Variáveis de estado: pressão, P, temperatura, T, volume, V e quantidade de substância, n 104 2.2. A equação de estado dos gases ideais 106 2.3. Gases ideais versus gases reais 110 2.4. Mistura de gases lei de Dalton ou lei das pressões parciais 114 SOLUÇÕES DOS DESAFIOS 116 ANEXOS 121
60 Módulo Q2 1. Dispersões 1.1. Dispersão, disperso e dispersante ALERTA As dispersões podem existir em qualquer dos estados, sólido, líquido ou gasoso, o que é determinado pelo estado físico do meio dispersante. Os materiais naturais, sintéticos e artificiais e os materiais processados que foram objeto de estudo até este momento foram genericamente classificados em substâncias e misturas (dispersões), de acordo com o diagrama. Misturas (dispersões) Materiais Substâncias Homogéneas Heterogéneas Elementares Compostas Soluções Dispersões coloidais Suspensões Dispersão é, genericamente, uma mistura de duas ou mais substâncias, em que as partículas de uma fase (fase dispersa) se encontram distribuídas no seio de outra (fase dispersante). 1.2. Dispersão sólida, líquida e gasosa Se a dispersão for uma solução ± Solvente Gás Líquido Sólido Soluto Gás Líquido Sólido Solução gasosa Ex.: ar e outras misturas gasosas Solução líquida Ex.: bebida gaseificada, oxigénio no sangue Solução sólida Ex.: hidrogénio em paládio Solução gasosa Ex.: vapor de água no ar (humidade) Solução líquida Ex.: etanol em água Solução sólida Ex.: amálgama de mercúrio Classificação de soluções em função do estado físico do solvente. Solução gasosa Ex.: ar com iodo sublimado Solução líquida Ex.: água salgada, água açucarada Solução sólida Ex.: ligas metálicas, plásticos pigmentados Se a dispersão for um coloide ± Meio dispersante Gás Líquido Sólido Meio disperso Nenhum (todos os gases são solúveis) Gás Líquido Sólido Espuma Ex.: espuma de cerveja, claras em castelo Espuma sólida Ex.: creme, glacé, espumas isolantes Aerossol líquido Ex.: nevoeiro, sprays Emulsão Ex.: leite, maionese, cremes, sangue Gel Ex.: gelatina, gel, queijo Classificação de coloides em função dos meios dispersante e disperso. Aerossol sólido Ex.: fumo, pó Sol Ex.: tintas Sol sólido Ex.: pedras preciosas como o rubi e a safira
SOLUÇÃO 61 Critérios para a classificação de dispersões em soluções, dispersões coloidais (coloides) e suspensões As semelhanças e as diferenças entre os diferentes tipos de dispersões são muitas, como as que se podem identificar no quadro seguinte. Misturas homogéneas Misturas heterogéneas Soluções Coloides Suspensões Tamanho das partículas: < 1 nm Podem ser átomos, iões, moléculas. Ex.: água salgada Não se separam por sedimentação nem por filtração. Não produz espalhamento da luz transparente. Tamanho das partículas: 1 nm 1 mm Podem ser conjuntos de átomos, iões, moléculas, macromoléculas ou iões gigantes. Ex.: leite, água com areia em pó SiO 2 x H 2 O Não se separam por sedimentação normal, mas apenas por ultracentrifugação e por ultrafiltração, entre outros. Produz espalhamento da luz visível em coloides transparentes (efeito Tyndall). Tamanho das partículas: > 1 mm Podem ser grandes partículas ou agregados. Ex.: água com areia fina As partículas sedimentam e podem ser separadas por filtração. Pode produzir espalhamento difuso da luz (farinha com água). Solução. Coloide. Suspensão. Desafios 1. Assinale a alternativa correta. (A) Nevoeiro, champô e leite são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como aerossóis. (B) Leite, maionese e pedra-pomes são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como emulsões. (C) Geleia, champô e chantilly são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como espumas. (D) Gelatina, queijo e geleia são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como géis. (E) Ligas metálicas, fumo e asfalto são exemplos de substâncias no estado coloidal, classificadas como sóis. 2. Muitas dispersões coloidais não podem ser identificadas apenas pela aparência. Uma dispersão coloidal bastante curiosa é a formada por partículas de ouro em água, que, contrariando a nossa lógica, apresenta-se como um líquido bonito e límpido, sem nenhum traço de turvação e na cor vermelha, azul ou roxa, dependendo do tamanho das partículas de ouro. Para mostrar facilmente que tal sistema é uma dispersão coloidal, basta usar o efeito Tyndall. 2.1. Dê uma explicação sobre o que é o efeito Tyndall. 2.2. Justifique se as soluções também apresentam este efeito. 3. Os coloides são característicos de muitos processos importantes em nosso quotidiano. Um coloide espuma é uma das classificações dadas. Dê alguns exemplos do seu quotidiano onde pode encontrar este tipo de coloide.
88 Extensão E.Q2 ATIVIDADE EXPERIMENTAL 1 Preparação de um gel Problema > Preparação de um gel por adição de uma solução saturada de acetato de cálcio a etanol Procedimento 1. Preparação de uma solução saturada de acetato de cálcio Pesar 3 g de acetato de cálcio num copo de 250 ml. Medir 10 ml de água e adicionar ao acetato de sódio. Agitar para dissolver a maior parte do sólido (nem todo o sólido se dissolverá). 2. Preparação do gel Usando uma proveta graduada, medir 75 ml de álcool etílico e transferir o álcool para o copo que contém a solução de acetato. O gel forma-se logo que o álcool é adicionado. Não agitar a mistura. Usar uma espátula para transferir o gel para um vidro de relógio. Colocar o vidro de relógio em cima de uma placa cerâmica, afastando-a de materiais combustíveis. Acender um fósforo e aproximá-lo cuidadosamente do gel. Apagar a luz para evidenciar mais a chama. Notar a formação de carbonato de cálcio na parte interior do vidro de relógio. Manusear com cuidado o vidro de relógio uma vez que irá ficar extremamente quente. Lavar as mãos, a área onde trabalhou e todo o equipamento. Nota: as fotografias foram retiradas de jchemed.chem.wisc.edu/ /MAIN/CANHEAT/PAGE1.HTM ATIVIDADE EXPERIMENTAL 2 Observação do efeito Tyndall O efeito Tyndall ocorre quando as dimensões das partículas que causam a dispersão da luz são maiores que os comprimentos de onda da radiação que é dispersa. Este fenómeno é causado pela reflexão da radiação incidente na superfície das partículas e pelas refração e difração da radiação quando esta passa através das partículas.
COLOIDES E SUSPENSÕES 89 Problema > Preparação de uma dispersão coloidal a partir da solução de tiossulfato de sódio Material Tina retangular de 500 ml Fonte de luz Ecrã Proveta de 25 ml Vareta de vidro Reagentes Na 2 S 2 O 3 (aq) 0,030 mol dm - 3 HCL 1,0 mol dm -3 Procedimento 1. a parte Preparação de 50,0 cm 3 de uma solução aquosa de tiossulfato de sódio 0,030 mol dm - 3 O tiossulfato de sódio é um sal sólido que existe no laboratório na forma de sal hidratado de fórmula química Na 2 S 2 O 3.5H 2 O. Usa-se como agente fixador-padrão para filmes e papéis fotográficos, na remoção de cloro de águas, têxteis, polpas, na purificação de gases de chaminés, em curtumes, aditivo para lubrificantes de grafite, sabões e champôs. A solução obtida deste modo não tem uma concentração rigorosa de 0,030 mol dm - 3, visto a substância Na 2 S 2 O 3.5H 2 O não ser primária. Material/Equipamento Balança de precisão 0,01 g Espátula 2 balões volumétricos de 50 ml Pipeta volumétrica de 25 ml Copo de 100 ml Proveta de 25 ml Esguicho com água desionizada Reagentes Na 2 S 2 O 3.5H 2 O Cálculo da massa de soluto a pesar 1. Determinar a massa molar correspondente ao tiossulfato de sódio penta-hidratado. n 2. Determinar a quantidade de soluto (n) na solução a preparar a partir da definição de concentração c =. m V 3. Calcular a massa de soluto a partir da relação n =. M Cálculo da massa molar M: M (Na 2 S 2 O 3.5H 2 O) = 248,20 g mol - 1 n n Cálculo de n: c = ±0,030 = ±n = 1,5 * 10-3 mol V 50,0 * 10-3 Cálculo da massa de sal a utilizar: m = n * M ± m = 1,5 * 10-3 * 248,20 g ± m ) 0,37 g Procedimento A. Pesagem do sal 1. Com a ajuda de uma espátula colocar o sal, pouco a pouco, no copo sem deixar cair no prato da balança. 2. Tentar obter um valor próximo do pretendido. 3. Não retirar o excesso de sólido, a não ser para um novo recipiente, com a indicação tiossulfato de sódio técnico. 4. Registar o valor exato da massa. B. Dissolução do sal 1. Adicionar cerca de 25 ml de água desionizada ao copo que contém o sal; agitar até completa dissolução. 2. Transferir a solução para o balão volumétrico; lavar a vareta, o copo e o funil com pequenas porções de água desionizada e transferir estas águas de lavagem para o balão. 3. Adicionar água desionizada até ao traço de referência; agitar para homogeneizar. 4. Transferir a solução para um frasco de vidro devidamente lavado e passado pela solução recém-preparada. 5. Rolhar e rotular indicando a concentração exata da solução, calculada a partir da massa utilizada, o nome da solução e da sua preparação.