Ciências Físico-químicas - 8º ano de escolaridade Unidade 2 Reações Químicas - Natureza corpuscular da matéria - Estado gasoso - Átomos e moléculas dois tipos de corpúsculos das substâncias - Substâncias elementares, substâncias compostas e misturas - A linguagem dos químicos - Iões outros corpúsculos das substâncias - Objetivos Inferir sobre a natureza corpuscular da matéria a partir da experimentação. distinguir estados físicos da matéria em termos da agregação corpuscular. Interpretar qualitativamente as variações de pressão de um gás com o volume e a temperatura em termos cinético-corpusculares. Distinguir os três tipos de corpúsculos constituintes das substâncias: átomos, moléculas e iões. Compreender o significado da representação simbólica de elementos, substâncias moleculares e substâncias iónicas. Interpretar as reações químicas como rearranjos de átomos. Compreender a representação de reações químicas por equações químicas. Reconhecer as informações fornecidas pelas equações químicas. 2 Natureza Corpuscular da matéria Demócrito, filósofo grego, sugeriu que a matéria era constituída por partículas de pequeníssimas dimensões indivisíveis que designou por átomos( palavra grega que significa não divisível). Na época não era possível provar que os átomos existiam devido à não existência da tecnologia avançada de que hoje dispomos, e, por isso, a teoria de Demócrito não tinha nenhum suporte experimental, tendo sido abandonada por muitos anos, até aos inícios do séc. XIX, quando o cientista inglês John Dalton conseguiu comprovar experimentalmente a teoria de Demócrito. Demócrito (460 a.c. - 370 a.c.) Teoria Corpuscular da matéria A matéria é constituída por pequenos corpúsculos. Entre os corpúsculos existem espaços vazios. Os corpúsculos estão em constante movimento. Quanto maior a temperatura, maior é a agitação dos corpúsculos. John Dalton (1766-1844) 3 1
Natureza Corpuscular da matéria O ar contido numa seringa tapada é facilmente comprimido quando empurras o êmbolo para a frente. Os corpúsculos das substâncias que formam o ar, inicialmente bastante separados uns dos outros, vão ficando sucessivamente mais próximos à medida que empurras o êmbolo. A mesma porção de ar passa a ocupar um espaço menor porque os corpúsculos, que não se alteram, passam a ficar mis próximos uns dos outros.- 4 Estados Físicos, agregação e movimentos corpusculares Sublimação Fusão Vaporização Solidificação Condensação Sublimação 5 Estados Físicos, agregação e movimentos corpusculares À temperatura ambiente existem materiais no estado sólido, no estado líquido e no estado gasoso. A existência de materiais em diferentes estados físicos é explicada em termos de agregação corpuscular, ou seja, como se encontram organizados os corpúsculos constituintes da matéria, que depende da forma como os corpúsculos estabelecem forças de coesão mais ou menos intensas entre si. A liberdade dos movimentos dos corpúsculos é tanto maior quanto menor for a intensidade das forças que se estabelecem entre eles. Estas são menores nos gases, pelo que os corpúsculos apresentam uma maior liberdade de movimentos. ARREFECIMENTO ARREFECIMENTO sólido líquido gasoso AQUECIMENTO AQUECIMENTO 6 2
Estados Físicos, agregação e movimentos corpusculares Os materiais podem-se encontrar em três estados físicos diferentes: Estado sólido / Estado líquido / Estado gasoso Quando se aumenta a temperatura de uma substância no estado sólido, a agitação dos seus corpúsculos aumenta; as forças de atração entre os corpúsculos diminuem, passando estes a ter maior liberdade de movimento. Assim, a substância passa do estado sólido ao estado líquido FUSÃO. Quando se aumenta a temperatura a substância no estado líquido, a agitação dos seus corpúsculos aumenta. As forças de atração entre os corpúsculos diminuem passando estes a ter maior liberdade de movimento. Assim, a substância passa do estado líquido ao estado gasoso VAPORIZAÇÃO. Sublimação Fusão Vaporização 7 Estados Físicos, agregação e movimentos corpusculares Quando se diminui a temperatura de uma substância no estado gasoso, a agitação dos seus corpúsculos diminui; as forças de atração entre os corpúsculos aumentam, passando estes a ter menor liberdade de movimento. Assim, a substância passa do estado gasoso ao estado líquido CONDENSAÇÃO. Quando se diminui a temperatura a substância no estado líquido, a agitação dos seus corpúsculos diminui. As forças de atração entre os corpúsculos aumentam passando estes a ter menor liberdade de movimento. Assim, a substância passa do estado líquido ao estado sólido SOLIDIFICAÇÃO. Solidificação Condensação Sublimação 8 Estados Físicos, agregação e movimentos corpusculares Estado Sólido Líquido Gasoso Propriedades macroscópicas -Forma definida. -Volume constante. -Não compressível. -Forma variável (a do recipiente). -Volume constante (a temperatura constante) -Dificilmente compressível. -Forma variável (a do recipiente). - Volume variável -Facilmente compressível Propriedades microscópicas - As forças de atração entre corpúsculos são muito fortes. - A liberdade de movimentos é muito pequena, os corpúsculos apenas podem vibrar em torno da mesma posição. - Os corpúsculos encontram-se muito próximos uns dos outros; os espaços vazios entre eles são muito pequenos e, como tal, dispõem-se ordenadamente. - As forças de atração entre os corpúsculos são mais fracas do que nos sólidos. - A liberdade dos movimentos é maior do que nos sólidos; os corpúsculos apresentam movimentos de vibração, rotação e translação. - Os corpúsculos encontram-se afastados uns dos outros: os espaços vazios entre eles é maior, estando menos ordenados do que nos sólidos. - As forças de atração entre os corpúsculos são muito fracas. - A liberdade de movimentos é muito grande; os corpúsculos apresentam maior amplitude de movimentos de vibração, rotação e translação do que nos líquidos. - Os corpúsculos encontram-se muito afastados uns dos outros; os espaços vazios entre eles são muito grandes, estando muito desordenados. 9 3
Estado gasoso FORÇAS DE PRESSÃO E PRESSÃO DOS GASES Quando um gás está encerrado num recipiente ocupa todo o volume do recipiente. Como os corpúsculos constituintes do gás estão em constante movimento, existem choques entre eles e entre as paredes interiores do recipiente. A intensidade da força com que os corpúsculos chocam contra as paredes de um recipiente é designado por força de pressão ou pressão intensidadeda força Pressão área de superfície F P A UNIDADES SI: Força: Newton(N) Área: metro quadrado (m 2 ) Pressão: pascal (Pa) Quanto maior for o volume ocupado por um gás, menor é a pressão por ele exercida e vice-versa. 10 Estado gasoso PRESSÃO E NÚMERO DE PARTÍCULAS Quando enches um balão, o volume deste aumenta e a borracha fica mais esticada. Caso se insista em continuar a encher o balão, este acaba por rebentar. Antes de se encher o balão, a pressão que os corpúsculos do ar exercem sobre as paredes internas e externas do balão é igual. À medida que se começa a encher o balão, aumenta o número de corpúsculos no interior do balão o que provoca um maior número de colisões entre eles e choques contra as paredes internas do balão. 11 Estado gasoso A PRESSÃO DOS GASES DEPENDE DA TEMPERATURA Quando um balão com gás é colocado em água fria, o volume do balão diminui. Quando um balão com gás é colocado em água quente, o volume do balão aumenta. Diminui a temperatura do gás. Os corpúsculos agitam-se mais lentamente. Diminui o número de choques entre os corpúsculos e entre eles e as paredes do balão. Diminui a pressão. Diminui o volume. Aumenta a temperatura do gás. Os corpúsculos agitam-se mais rapidamente. Aumenta o número de choques entre os corpúsculos e entre eles e as paredes do balão. Aumenta a pressão. Aumenta o volume. 12 4
Estado gasoso Resumindo Todas as substâncias são constituídas por corpúsculos, separados uns dos outros por espaços vazios e em constante movimento. Quanto maior é a temperatura de uma substância, maior é a agitação dos seus corpúsculos. Existem forças de interação entre as partículas constituintes da matéria, que as mantém a determinadas distâncias. Quanto mais intensa (ou forte) as forças de interação dos corpúsculos menor a mobilidade dos corpúsculos. A matéria no estado gasoso não tem forma própria e o seu volume é variável, adaptando-se à forma e volume do recipiente que a contém. A matéria no estado líquido não tem forma própria mas possui volume constante. A matéria no estado sólido possui forma própria e volume constante. Quanto maior for o volume ocupado por um gás, menor é a pressão por ele exercida e vice-versa. 13 Átomos e moléculas dois tipos de corpúsculos das substâncias Os átomos são partículas microscópicas constituídas por partículas subatómicas: protões, neutrões e eletrões. Os protões são partículas de carga positiva(+); Os neutrões não têm carga. Os eletrões são partículas de carga negativa (-). Os protões e os neutrões formam o núcleo dos átomos. Os eletrões movem-se num espaço em volta do núcleo nuvem eletrónica. Os átomos são eletricamente neutros, isto é, o número de protões é igual ao número de eletrões (nº de cargas (+) = nº de cargas (-). Todos os átomos com o mesmo número de protões têm as mesmas caraterísticas, são átomos do mesmo elemento químico. A cada elemento químico corresponde um nome e um símbolo químico. Nós não vemos os átomos nem as moléculas, por isso, recorremos a modelos moleculares. 14 Átomos e moléculas dois tipos de corpúsculos das substâncias Carga total positiva = Carga total negativa N.º de protões = N.º de electrões Todos os átomos do mesmo elemento têm o mesmo n.º de protões; Átomos de elementos diferentes têm n.º atómico diferente; Os átomos são partículas globalmente neutra; Os átomos são pequeníssimos corpúsculos constituintes da matéria; As moléculas são grupos de átomos; Os átomos e as moléculas são unidades estruturais da matéria; Cada tipo de átomo define um elemento químico. 15 5
Átomos e moléculas dois tipos de corpúsculos das substâncias Cada substância tem os seus próprios corpúsculos, que são iguais ao longo da sua extensão. Substâncias Corpúsculos todos iguais Substâncias atómicas Substâncias moleculares Os corpúsculos destas substâncias são átomos. Os corpúsculos destas substâncias são moléculas. 16 Átomos e moléculas dois tipos de corpúsculos das substâncias As unidades estruturais da matéria são partículas, ou conjuntos de partículas, que se repetem em qualquer porção de uma dada substância. Atualmente são conhecidos cerca de 116 elementos químicos, que se podem combinar de forma diversa, com inúmeras combinações possíveis entre eles. Uma molécula é um grupo de dois ou mais átomos ligados entre si, que constitui a unidade estrutural da maioria das substâncias. As moléculas podem-se classificar quanto ao número de átomos que as constituem. Substância Modelo Constituição Classificação hidrogénio 2 átomos de Diatómica hidrogénio oxigénio 2 átomos de Diatómica oxigénio ozono 3 átomos de Triatómica oxigénio água 1 de oxigénio e Triatómica 2 de hidrogénio enxofre 8 átomos de Poliatómica enxofre 17 Substâncias elementares, substâncias moleculares e misturas As substâncias que nos rodeiam podem ser classificadas de acordo com o número de elementos químicos que entram na sua constituição Substâncias elementares Substâncias compostas Misturas São todas as substâncias cujos corpúsculos são átomos do mesmo elemento químico. Oxigénio (O 2) Di-hidrogénio (H2) São todas as substâncias formadas por moléculas nas quais existem átomos de dois ou mais elementos químicos diferentes. Água (H2O) Amoníaco (NH3) Dióxido de carbono (CO 2) As unidades estruturais que se repetem são diferentes. Existem tantos tipos de unidades estruturais quantas as substâncias que constituem a mistura. O ar que respiramos é composto por O 2; CO 2; H 2O; N 2;CH 4. 18 6
Átomos e moléculas dois tipos de corpúsculos das substâncias Unidades estruturais da matéria São partículas, ou conjuntos de partículas, que se repetem em qualquer poção de uma dada substância. Algumas substâncias têm como unidades estruturais, apenas um determinado tipo de Molécula: É um grupo de dois ou mais átomos ligados quimicamente entre si, constitui a unidade estrutural da matéria das substâncias. Tipos de Modelos moleculares moléculas Diatómicas Hidrogénio (H (2 átomos) 2) átomos existe uma enorme diversidade de materiais são inúmeras as combinações possíveis entre esses átomos. As unidades estruturais numa substância também poderão ser constituídas por grupos de átomos ligados entre si moléculas Triatómicas (3 átomos) Poliatómicas (4 átomos) Ozono (O 3) Metano (CH 4) Os átomos não têm cor nem são esféricos. 19 Substâncias elementares, substâncias compostas e misturas Substâncias Elementares Substâncias compostas Misturas de substâncias Substâncias cujas unidades estruturais são átomos iguais ou moléculas constituídas por átomos iguais (um só elemento químico) Grafite; cloro; enxofre São aquelas cujas unidades estruturais são moléculas constituídas por átomos diferentes. Água, álcool etílico; dióxido de carbono Comportam tanto substâncias elementares como compostas. Ar atmosférico Substâncias Substâncias Elementares Substâncias Compostas Moléculas ou átomos iguais Dois ou mais elementos diferentes 20 Substâncias elementares, substâncias moleculares e misturas Materiais Substâncias Misturas de substâncias Substâncias elementares Substâncias compostas 21 7
A linguagem dos químicos Tal como noutras áreas do saber, a utilização de símbolos facilita a comunicação. Estes devem ser simples e reconhecidos a nível internacional, de modo a poderem ser usados por todos, independentemente da nacionalidade. Por exemplo o elemento químico prata, de acordo com a língua, escreve-se: Prata (em português), silver (em inglês), argent (em Quando escrevemos o símbolo químico de um elemento também se está a representar um átomo desse elemento. francês), silber(em alemão), mas o seu símbolo químico é o mesmo em todo o Mundo Ag. O representa um átomo de oxigénio O 2 representa uma molécula de oxigénio 2 O representa dois átomos de oxigénio 2 O2 representa duas moléculas de oxigénio 22 A linguagem dos químicos John Dalton começou por usar símbolos gráficos para representar os átomos dos elementos químicos conhecidos até então. Simbologia era pouco prática à medida que o número de elementos químicos conhecidos foi aumentando. Símbolos dos elementos têm uma, duas ou três letras: 1ª letra em maiúsculas; 2ª e 3ª letras em minúsculas. Berzelius (1779-1848) Médico e químico sueco Um símbolo químico representa: -Um elemento; -Um átomo desse elemento. Símbolos químicos utilizados por Dalton. 23 A linguagem dos químicos As iniciais dos nomes dos elementos químicos advém dos seus nomes em latim: Sódio (Na) Natrium, Enxofre (S) Sulphur; Prata (Ag) Argentum; Ouro (Au) Aurium. Símbolos de alguns elementos químicos Nome do elemento Símbolo Nome do elemento Símbolo Alumínio Al Enxofre S Azoto N Hidrogénio H Cálcio Ca Iodo I Carbono C Oxigénio O Cloro Cl Prata Ag Cobre Cu Sódio Na Francês - fer Português - ferro Espanhol - Hierro Inglês - iron Fe Símbolo químico Linguagem universal 24 8
Fórmulas químicas de substâncias moleculares As substâncias moleculares têm como unidade estrutural moléculas; As substâncias moleculares representam-se por fórmulas químicas, que constituem uma maneira simples e universal de representar as substâncias elementares e as substâncias compostas. No caso das substâncias moleculares, a fórmula química indica: Os elementos que constituem a substância informação qualitativa; O número de átomos de cada elemento que entram na constituição das moléculas dessa substância informação quantitativa. A fórmula química de uma substância molecular representa uma molécula dessa substância. Exemplo: Fórmula química do oxigénio molecular: O 2; uma molécula de oxigénio é constituída por dois átomos de oxigénio; Fórmula química da água; H 2O; uma molécula de água é formada pro dois átomos de hidrogénio e 25 Fórmulas químicas de substâncias moleculares Regras para a escrita de fórmulas químicas de substâncias moleculares 1. Cada elemento químico é representado pelo seu símbolo; 2. A ordem pela qual os símbolos são escritos não é indiferente; existem regras que indicam essa ordem; 3. O número de átomos de cada elemento é indicado depois do símbolo, em índice; 4. Quando é um só átomo de um elemento que intervém na formação da molécula, omite-se o índice 1. Exemplo: Molécula de glicose: C 6H 12O 6 6 átomos de carbono; 12 átomos de hidrogénio; 6 átomos de oxigénio 26 Fórmulas químicas de substâncias moleculares Para representar várias moléculas da mesma substância, escreve-se o número de moléculas antes da sua fórmula química, na mesma linha Exemplo: 2H 2 O: duas moléculas de água; cada uma com dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio; 3NH 3 : três moléculas de amoníaco; cada uma com um átomo de azoto e três átomos de hidrogénio, 4 O 2 : quatro moléculas de oxigénio, cada uma com dois átomos de oxigénio. 27 9
Fórmulas químicas de substâncias moleculares Há substâncias elementares, como os metais, que não formam moléculas. Neste caso, os químicos representam estas substâncias pelos seus símbolos químicos: Ferro (Fe); Cobre (Cu); Zinco (Zn). Há também substâncias compostas, como os sais, em que unidades estruturais não são átomos nem moléculas, mas sim iões. Os átomos e as moléculas são, na verdade, constituídos por cargas positivas e cargas negativas; Os átomos e moléculas são eletricamente neutros, ou seja, o número de cargas negativas é igual ao número de cargas positivas; Mas os átomos ou as moléculas, podem ganhar ou perder carga elétrica (eletrões), formando os iões. 28 Iões outros corpúsculos constituintes das substâncias Os iões são partículas com carga elétrica que se formam a partir de átomos ou moléculas e podem ser positivos (catiões) ou negativos(aniões). Também podem constituir unidades estruturais de certas substâncias (substâncias iónicas) Iões Catião ou ião positivo Se átomo perde eletrões torna-se uma partícula positiva; Ao perder eletrões, fica com mais protões do que eletrões Nº protões > nº eletrões Anião ou ião negativo Se átomo ganha eletrões torna-se uma partícula negativa; Ao ganhar eletrões, fica com menos protões do que eletrões Nº protões < nº eletrões Exemplo: magnésio, perde dois eletrões, forma um ião dipositivo. Exemplo: Flúor, ganha um eletrão, forma um ião mononegativo. 29 Fórmulas químicas de substâncias iónicas Já vimos que iões são partículas com carga elétrica positiva/negativa. A fórmula química de cada ião corresponde à representação do átomo ou da molécula que lhe deu origem, seguida da carga de ião escrita como índice superior. Exemplo: Na + : ião sódio, é monopositivo, resulta de um átomo que perde um eletrão. Cl - : ião cloreto, é mononegativo, resulta de um átomo de cloro que ganha um eletrão. SO4 2- : ião sulfato é dinegativo,; é formado por um átomo de enxofre e quatro átomos de oxigénio. Na + :,é um catião; Cl - e SO4 2- são aniões; Na + e Cl - são iões monoatómicos (um só átomo) SO4 2- é um ião poliatómico (mais do que um átomo) Importante estudar tabela de iões!!!! 30 10
Fórmulas químicas de substâncias iónicas 31 Fórmulas químicas de substâncias iónicas Substância iónica Substância cujas unidades estruturais são iões (positivos e negativos) Como escrever a fórmula química de uma substância iónica? A escrita da fórmula química de uma substância iónica obedece às seguintes regras: 1. Os iões que constituem a substância devem combinar-se de modo a que o número de cargas positivas e negativas seja o mesmo (fórmula resulta eletricamente neutra); 2. Escreve-se em primeiro lugar a fórmula química do ião positivo seguido da do ião negativo; 3. Os iões representam-se sem indicação da sua carga; 4. Os números que indicam a proporção em que os iões se combinam escrevem-se a seguir à fórmula química do ião, como índice inferior. 5. Ao indicar o nome da substância iónica, refere-se primeiro a designação do ião negativo, seguida da do ião positivo, ligados pela partícula de. 32 Fórmulas químicas de substâncias iónicas A fórmula química de uma substância iónica traduz a proporção de combinação dos iões que a formam de modo a resultar eletricamente neutra. 33 11
Como já vimos, as reações químicas são transformações em que uma ou mais substâncias dão origem a substâncias diferentes. As substâncias iniciais designam-se por reagentes e as substâncias formadas designam-se por produtos de reação. Uma reação química pode ser esquematizada por uma equação de palavras: Reagente(s) Produto(s) de reação e que o conhecimento deste esquema químico permite saber que substâncias estão presentes antes da reação ocorrer e quais as novas substâncias formadas a partir delas Os produtos de reação têm propriedades diferentes das dos reagentes porque no decurso da reação química há rutura de ligações químicas entre os átomos dos reagentes e formação de novas ligações. Nos produtos da reação os átomos são os mesmos, apenas se encontram agrupados de outra forma, daí dizermos que as reações químicas se devem a rearranjos de átomos. Nas reações químicas os átomos não se criam nem se destroem, apenas de rearranjam. 34 Exemplo 1: Combustão do carbono Os químicos explicam o que acontece aos corpúsculos durante a combustão do carbono do seguinte modo: Quando uma molécula de carbono e uma molécula de oxigénio chocam, os átomos da molécula de oxigénio separam-se um do outro e vão-se ligar ao átomo de carbono, formando uma molécula de dióxido de carbono. 35 Exemplo 2: Eletrólise da água Os químicos explicam o que acontece aos corpúsculos durante a combustão do carbono do seguinte modo: Assim: - Quando duas moléculas de água chocam, todos os átomos se separam; -Os dois átomos de oxigénio, um de cada molécula, ligam-se um ao outro e formam uma molécula de oxigénio; -Os quatro átomos de hidrogénio ligam-se dois a dois, formando duas moléculas de hidrogénio. 36 12
Como escrever uma equação química? Para escrever uma equação química é necessário: Conhecer os reagentes e os produtos de reação; Conhecer as respetivas fórmulas químicas; Acertar a equação química de acordo com a Lei de Lavoisier. 37 Para o exemplo da combustão do carbono podemos escrever a seguinte equação de palavras que traduz a reação: Se substituirmos o nome dos reagentes e dos produtos de reação pelas respetivas fórmulas químicas, obtemos: Para verificar se o número de átomos de carbono e oxigénio é igual nos reagentes e nos produtos de reação devemos contar os respetivos átomos: 38 39 13
Para o exemplo da eletrólise da água podemos escrever a seguinte equação de palavras que traduz a reação: Se substituirmos o nome dos reagentes e dos produtos de reação pelas respetivas fórmulas químicas, obtemos: Para verificar se o número de átomos de carbono e oxigénio é igual nos reagentes e nos produtos de reação devemos contar os respetivos átomos: 40 Após a contagem do número de átomos de oxigénio, é possível verificar que este não é o mesmo nos reagentes nem nos produtos, sendo por isso necessário acertar a equação. Como acertar equações químicas? Para acertar uma equação química é preciso acrescentar moléculas nos reagentes e/ou nos produtos de reação até que o número de átomos de cada elemento seja igual antes e depois da seta. Temos, portanto, de procurar coeficientes que tornem o número de átomos de cada elemento igual nos dois membros da equação química. Esses coeficientes são colocados atrás das fórmulas químicas. Não podemos alterar as fórmulas químicas das substâncias. 41 Retomando o exemplo da eletrólise da água, se acrescentarmos uma molécula de água nos reagentes para aumentar o número de átomos de oxigénio: - passamos a ter nos reagentes duas moléculas de água, 2H 2O, as quais correspondem a 2 átomos de oxigénio e 4 átomos de hidrogénio; - o número de átomos de oxigénio tornou-se igual nos reagentes e nos produtos, como pretendíamos, mas o número de átomos de hidrogénio tornou-se diferente. Se acrescentarmos agora uma molécula de di-hidrogénio nos produtos de reação passamos a ter nos produtos duas moléculas de di-hidrogénio, 2H 2, as quais correspondem a 4 átomos de hidrogénio como pretendíamos. 42 14
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