QUIMICA_ALTAOK

SÉRIE PETRÓLEO E GÁS

QUÍMICA APLICADA A PETRÓLEO E GÁS



CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Robson Braga de Andrade

Presidente DIRETORIA DE EDUCAÇÃO E TECNOLOGIA – DIRET Raael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti

Diretor de Educação e Tecnologia SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL – SENAI Conselho Nacional Robson Braga de Andrade

Presidente SENAI  Departamento Nacional Raael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti

Diretor Geral Gustavo Leal Sales Filho

Diretor de Operações



© 2012. SENAI  Departamento Nacional © 2012. SENAI  Departamento Regional do Rio de Janeiro Reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, otocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI. Esta publicação oi elaborada pela equipe do Núcleo de Educação a Distância do SENAI do Rio de Janeiro, com a coordenação do SENAI – Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância. SENAI  Departamento Nacional Unidade de Educação Proissional e Tecnológica – UNIEP SENAI  Departamento Regional do Rio de Janeiro Núcleo de Educação a Distância – NUCED

FICHA CATALOGRÁFICA Catalogação-na-Publicação (CIP) – Brasil Biblioteca Artes Gráficas – SENAI-RJ S491q SENAI/DN. Química aplicada a petróleo e gás / SENAI/DN [e] SENAI/RJ. – Brasília : SENAI/DN, 2012. 138 p. : il. ; 29,7 cm. – (Série Petróleo e Gás). ISBN

978-85-

1. Indústria petroquímica. 2. Química. I. SENAI/RJ. II. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. III. Título. IV. Série. CDD: 665.5

SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional

Sede Setor Bancário Norte • Quadra 1 • Bloco C • Ediício Roberto Simonsen • 70040-903 • Brasília – DF • Tel.: (0xx61) 3317-9001 Fax: (0xx61) 3317-9190 • http://www.senai.br

Lista de ilustrações Figura 1 – Na Química, a transormação Figura 2 – Representação molécular da EDTA Figura 3 – Linha do tempo Figura 4 – Modelo atômico de Dalton Figura 5 – Modelo atômico de Thomson Figura 6 – Modelo atômico de Bohr Figura 7 – Tabela periódica Figura 8 – Ligação iônica entre o sódio (Na) e o Cloro (Cl) Figura 9 – Ligação iônica entre o alumínio e o oxigênio Figura 10 – Representação simbólica da ligação metálica (nuvem eletrônica) Figura 11 – Caso1: Ligação covalente entre dois átomos de nitrogênio Caso 2: Ligação covalente entre o carbono e o oxigênio Figura 12 – Ligação covalente dativa Figura 13 – Ligação covalente entre berílio e hidrogênio Figura 14 – Ligação de ormação do hexafuoreto de enxore Figura 15 – Tabela periódica Figura 16 – Mistura de água e óleo Figura 17 – Aspecto da mistura entre a água e o óleo Figura 18 – Demonstração das três ases (óleo, gelo e água) Figura 19 – Curva de solubilidade de uma substância hipotética Figura 20 – Curva de solubilidade de diversas substâncias Figura 21 – Diluição de uma solução Figura 22 – Gelo futuando quando em água Figura 23 – Demonstração da viscosidade Figura 24 – Fluidos e não fuidos Figura 25 – Resistência ao escoamento Figura 26 – Maça oxidada Figura 27 – Material corroído Figura 28 – Alguns exemplos de materiais corroídos Figura 29 – Corrosão na indústria petrolíera Figura 30 – Dissociação do ácido clorídrico Figura 31 – Dissociação do hidróxido de sódio Figura 32 – Soda caústica Figura 33 – Limão Figura 34 – Leite de magnésia Figura 35 – Carbonato de cálcio Figura 36 – Estrutura de Lewis para o carbono Figura 37 – Representação da molécula de metano

13 17 17 18 19 20 22 23 24 25 26 26 27 27 28 36 36 37 38 38 41 42 43 43 44 47 47 50 52 53 56 58 59 60 62 64 64

Figura 38 – Relação entre as grandezas de pressão Figura 39 – Curva dos pontos de usão e ebulição da água Figura 40 – Densímetro de posto de combustíveis Figura 41 – Página do INMETRO na internet Figura 42 – Ciclo do gás carbônico Figura 43 – Representação de meio ambiente e sustentabilidade Figura 44 – Opções de armazenamento do petróleo e gás Figura 45 – Esquema simplicado dos componentes dos óleos brutos Figura 46 – Percentual dos componentes do óleo cru Figura 47 – Representação da torre de destilação Figura 48 – Representação esquemática das indústrias petrolíeras Figura 49 – Normas técnicas são as bases para auxiliar a amostragem e conservação Figura 50 – Representação proporcional de uma amostra Figura 51 – Exemplo de recipientes de coleta de amostras Figura 52 – Curva de distribuição normal Figura 53 – Curva de distribuição normal Figura 54 – Curva normal X 6 sigmas Figura 55 – Comprimento de onda eletromagnética Figura 56 – Representações de periculosidade de substâncias químicas (NBR 14725)

82 83 84 91 97 98 99 101 109 109 106 111 113 114 116 117 119 123 126

Sumário 1. Introdução

13

2. Fundamentos de Química

17

2.1 Química geral

17

2.1.1 Introdução à Química aplicada

17

2.1.2 Ligações químicas

20

2.1.3 Polaridade

27

2.1.4 Forças intermoleculares

29

2.1.5 Balanceamento de reações

30

2.1.6 Estequiometria

32

2.1.7 Misturas homogêneas e heterogêneas

35

2.1.8 Soluções

37

2.1.9 Concentração das soluções

39

2.1.10 Densidade

42

2.1.11 Viscosidade

43

2.1.12 Conceitos undamentais de eletroquímica (corrosão)

44

2.2 Química Inorgânica

53

2.2.1 Ácidos

53

2.2.2 Bases

55

2.2.3 Sais

60

2.2.4 Óxidos

62

2.3 Química Orgânica

64

2.3.1 Classicação das cadeias carbônicas

65

2.3.2 Hidrocarbonetos

68

2.3.3 Funções oxigenadas

74

2.3.4 Compostos nitrogenados

79

2.4 Estudo dos gases

81

2.4.1 Variáveis de estado de um gás

82

2.4.2 Transormações com massa gasosa xa

85

2.4.3 Condições normais de temperatura e pressão (CNTP)

87

2.4.4 Equação de Clapeyron

87

2.4.5 Hipótese de Avogadro

88

2.4.6 Mistura de gases

88

2.4.7 Densidade dos gases, diusão e eusão de gases

89

3. Petróleo, gás e seus derivados

97

3.1 Geologia do petróleo

98

3.2 Composição do petróleo

100

3.3 Derivados do petróleo e gás

103

3.4 Indústria do petróleo (produtos de primeira, segunda e terceira geração)

105

4. Técnicas de amostragem e conservação 4.1 Técnicas de amostragem e de conservação de amostra para área de petróleo e gás

111 112

4.1.1 Medidas de centralização

115

4.1.2 Medidas de dispersão

115

4.1.3 Distribuição normal

116

4.2 Técnicas de análise para a área de petróleo e gás

121

4.2.1 Densidade

121

4.2.2 Viscosidade

121

4.2.3 Potenciometria

122

4.2.4 Cromatograa

122

4.2.5 Espectroscopia

123

4.3 Interpretação das chas de inormação de produtos químicos (FISPQ)

124

4.4 Boas práticas de laboratório

125

Reerências

133

Introdução

1

e t i e L a m i L n o s y m r e h l i W

Figura 1 – Na Química, a transormação

O processo de transormação química e energética que ocorre na ormação geológica do petróleo gera inúmeras inormações, que são utilizadas para determinação das características qualitativas e quantitativas dos produtos ormados. A elaboração de melhores ormas do aproveitamento da exploração permite a segurança dos envolvidos e a sustentabilidade, não gerando assim problemas ambientais e de processo. A Química permite o estudo e pesquisa dos mais diversos problemas do dia a dia. Ela relaciona a complexidade de temas como: alimentação, saúde, energia, transporte, água, petróleo e também investigação cientíca aplicada a temas relevantes da sociedade, em que o macro e o micro relacionam-se em suas proporcionalidades dentro dos desaos impostos por ela. A ciência, a tecnologia, o meio ambiente e a sociedade são avaliados hoje como aces de uma mesma dinâmica, em que a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico orjam uma sociedade empreendedora, sem colocar em risco a qualidade de vida e compreendendo que todos pertencem a um mesmo ciclo natural. O respeito a todos os ecossistemas existentes qualica e dinamiza essa mesma sociedade.

14


Procuramos abordar neste livro, no capítulo 2, inicialmente os conceitos undamentais de Química, acilitando a compreensão utura de termos básicos utilizados durante as etapas de exploração, obtenção e processo do petróleo e seus derivados, permitindo assim uma ormação prossional baseada no dinamismo necessário aos alicerces dos conteúdos posteriores. A aplicabilidade desses conceitos tem como principal unção os aspectos qualitativos, pois é gerando conhecimento que o prossional poderá se desenvolver cada vez mais. O capítulo 3 desta unidade envolve as principais características do petróleo, gás e seus derivados, relacionando-os a conceitos iniciais e undamentando-os de orma inseparável da Química aplicada. O reno e os produtos gerados pelas indústrias de primeira, segunda e terceira geração baseiam-se no tipo de óleo bruto inicialmente extraído, infuenciando, portanto, na quantidade e qualidade esperadas nos processos, seja como matéria-prima ou como produto acabado. As técnicas de amostragem apresentadas no capítulo 4 evidenciam que não é possível gerar avaliações signicativas de processos tão expressivos sem o aproveitamento das erramentas estatísticas. A avaliação química aplicada a petróleo, gás e derivados só tem valor quando a amostra é retirada corretamente e apresenta-se signicativa de toda a produção, muitas vezes, dada em milhares de toneladas em que as variáveis de processo (pressão, nível, temperatura, volume e outros) são controladas a partir dos dados estatísticos estipulados da amostragem realizada. Abordamos aqui a grande importância relacionada à orma de conservação de amostras, o reconhecimento da leitura de rótulos de reagentes químicos e de suas chas de segurança, permitindo que durante a ormação prossional o aluno tenha a dinâmica e refexão dos limites dados por esses reagentes e produtos, permitindo a avaliação da sua segurança e dos prossionais envolvidos durante os processos de produção e análise da matéria-prima e do produto acabado. As erramentas de qualidade são apresentadas apenas para uma amiliarização inicial. Seu aproundamento se dará nos módulos seguintes, mas undamenta a Química aplicada a petróleo e gás, amarra a relação entre os conceitos da ormação prossionalizante e evidencia a necessidade de uma gestão pela qualidade total. Nos módulos seguintes você verá, com mais proundidade, o desenvolvimento do nosso tema central: QUÍMICA APLICADA A PETRÓLEO E GÁS .

Na página ao lado está a matriz curricular do curso para acilitar seu entendimento sobre o percurso que terá que realizar.

INTRODUÇÃO

Química Aplicada a Petróleo e Gás COMPONENTES CURRICULARES

CARGA HORÁRIA

Fundamentos Técnicos e Científcos de Petróleo e Gás Comunicação/Inormática – 32h Fundamentos da Indústria de Petróleo e Gás – 60h QSMS – 24h Módulo Básico

Metrologia e Instrumentação Aplicadas a Petróleo e Gás – 80h

356h

Química Aplicada a Petróleo e Gás – 80h

Física Aplicada a Petróleo e Gás – 80h Operação de Sistema Produtivo na Cadeia de Petróleo e Gás Módulo Específco Profssional 1ª Etapa

Exploração On-shore e Of-shore – 160h Tecnologias do Sistema Produtivo On-shore e Of-shore – 160h

484h

Processamento de Petróleo e Gás – 100h Logística e Manutenção da Cadeia de Petróleo e Gás – 64h Manutenção em Sistemas Produtivos na Cadeia de Petróleo e Gás Manutenção Industrial – 100h Planejamento e Atividade na Cadeia de Petróleo e Gás

Módulo Específco Profssional 2ª Etapa

Gestão de Pessoas – 40h Gestão da Produção – 80h Controle da Qualidade de Insumos, Produtos e Processos na Cadeia de Petróleo e Gás Ensaios Analíticos na Cadeia de Petróleo e Gás – 80h Avaliação de Desempenho de Insumos, Produtos e Processos – 60h CARGA HORÁRIA TOTAL: TÉCNICO EM PETRÓLEO E GÁS: 1.200H

360h

15

Fundamentos de Química

2

a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

Figura 2 – Representação molécular da EDTA, substância utilizada na Química analítica e de processos

2.1 QUÍMICA GERAL

2.1.1 INTRODUÇÃO À QUÍMICA APLICADA A Química geral é um instrumento de estudo necessário para a resolução de problemas em muitas áreas de atuação. Pode ser utilizada na agricultura, oceanograa, na engenharia, no campo alimentício e na produção de novas tecnologias, entre outros. A evolução química teve o apoio de diversos cientistas. Pode-se dizer que por meio de várias experiências oi possível denir conceitos até então desconhecidos para a sociedade da época. A descoberta do átomo em 450 a.C. por Demócrito causou grandes mudanças na sociedade de modo geral, trazendo alguns conceitos que oram aprimorados ao longo do tempo (Figura 3).

450 a.C. Definição do átomo

1803

1850

1886

1911

Modelo de Thomson

Figura 3 – Linha do tempo

1913

Reformulação do modelo atômico por Bohr

1932

Descoberta do nêutron

a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

18


Para Demócrito, o átomo constitui toda e qualquer matéria, e esses átomos seriam caracetrizados como qualitativamente iguais, dierenciando-se apenas na orma, no tamanho e na massa. No século XIX, mais precisamente em 1803, um cientista chamado John Dalton utilizando as leis da conservação de massa e da composição denida, sugeriu uma teoria que explicava este e outros conceitos químicos. Dalton utilizou o antigo conceito de Demócrito sobre a existência dos átomos e manteve esse conceito com evidências experimentais. Suas principais evidências ormularam conceitos como:


Figura 4 – Modelo atômico de Dalton

Toda e qualquer matéria é composta por átomos (Figura 4). Os átomos não podem ser criados nem destruídos. Um dado elemento é caracterizado por seus átomos sendo todos os seus

átomos idênticos em todos os aspectos.

Os átomos de dierentes elementos têm propriedades dierentes. Compostos químicos são ormados de átomos de dois ou mais elementos

em uma razão xa.

Todas as transormações químicas consistem em combinação, separação ou

rearranjo de átomos.

VOCÊ SABIA?

Dalton nasceu em Eaglesield, Crumbria, em 6 de setembro de 1766, oi considerado o químico e ísico inglês undador da teoria atômica moderna.

Em 1850, o conceito de Dalton sobre a indivisibilidade do átomo começou a ser repensado. Um cientista chamado Willian Crookes demonstrou um experimento com tubos de descarga de gás, geralmente chamados de tubos Crookes. Esse experimento conseguiu explicar a existência de partículas carregadas negativamente, partículas estas que receberam o nome de elétrons. Em 1886, Goldstein reormulou o experimento de Crookes explicando a existência de partículas positivas denominadas prótons. Após essas descobertas, o conceito de Dalton sobre a indivisibilidade do átomo começou a ser questionado.

2 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA

Após 48 anos do surgimento do modelo de Dalton, o cientista J. J. Thomson sugeriu que o átomo poderia consistir em uma esera carregada positivamente contendo alguns elétrons incrustados nessa esera positiva.

VOCÊ SABIA?

Joseph John Thomson, nascido em 1856, icou também conhecido por J. J. Thomson; recebeu o Nobel de Física em 1906 pela descoberta do elétron.

Esse modelo de átomo cou conhecido como “pudim de passas”. Conra na Figura 5, abaixo.


Figura 5 – Modelo atômico de Thomson

Seguindo a linha do tempo da atomística, em 1911 o modelo de Thomson oi substituído por um modelo em que o átomo consiste em um pequeno núcleo rodeado por um grande volume no qual os elétrons estão distribuídos. Esse modelo nuclear oi criado pelo cientista Rutherord. Em 1913, esse modelo oi reormulado pelo então cientista Niels Bohr. Seguido a ormulação do modelo de Rutherord, em 1932, houve a descoberta da terceira partícula atômica pelo ísico inglês J. Chadwick. Essa partícula não possui carga elétrica e possui a mesma massa de um próton. Essa partícula recebeu o nome de nêutron, devido à sua característica eletricamente neutra.

VOCÊ SABIA?

Ernest Rutherord oi um ísico e químico neozelandês que se tornou conhecido como o pai da Física Nuclear. Niels Henrick David Bohr oi um ísico dinamarquês cujos trabalhos contribuíram decisivamente para a compreensão da estrutura atômica e da Física Quântica.

19

20


O novo modelo atômico introduziu alguns conceitos revolucionários que conduziram nalmente ao desenvolvimento do modelo moderno da estrutura atômica. O modelo de Bohr pode ser visualizado na Figura 6.

K = 1a L = 2a M = 3a N = 4a O = 5a P = 6a Q = 7a

Núcleo positivo


Figura 6 – Modelo atômico de Bohr

Para Bohr, os elétrons giravam ao redor de um núcleo positivo, de orma que esses elétrons estavam distribuídos em camadas ou órbitas bem denidas. Ao girar em uma mesma órbita, o elétron não perde nem ganha energia. Ao saltar para outra órbita, o elétron adquire energia e emite essa energia adquirida ao retornar para a sua órbita de origem. O modelo de Bohr oi comparado ao sistema solar, sendo o núcleo o Sol e os elétrons, os planetas.

2.1.2 LIGAÇÕES QUÍMICAS Todas as substâncias estão unidas de alguma orma. Das substâncias mais simples, como o sal de cozinha (cloreto de sódio), até as substâncias mais complexas, como o petróleo, por exemplo. A união entre os elementos que compõem as substâncias chama-se ligação química. Cada elemento possui uma quantidade de elétrons. Um átomo de um mesmo elemento possui sempre a mesma quantidade de elétrons. Por exemplo, todo e qualquer hidrogênio no seu estado undamental possui apenas um elétron, assim como todo oxigênio no seu estado undamental possui oito elétrons. De acordo com Bohr, esses elétrons estão divididos em órbitas, ou seja, em camadas, comportando um número máximo de elétrons. As sete camadas eletrônicas são: K, L, M, N, O, P e Q.


Distribuição em camadas eletrônicas CAMADAS

QUANTIDADE DE ELÉTRONS

K

2

L

8

M

18

N

32

O

32

P

18

Q

2

O oxigênio é um dos elementos encontrados no petróleo na orma de dierentes tipos de óxidos; ele é ormado de oito elétrons. Neste caso, sua distribuição em camadas eletrônicas seria: Exemplo 1

K = 2, L = 6

K suporta no máximo dois elétrons e L suporta no máximo oito elétrons. Ao atingir o máximo de uma camada, partimos para preencher a camada seguinte com os elétrons restantes e assim sucessivamente. O exemplo 2 representa o cloro, que possui 17 elétrons. Exemplo 2

K = 2, L = 8, M = 7

Observe que, neste caso, oi necessária uma terceira camada (M), pois a camada L suporta até oito elétrons.

ESTABILIDADE ELETRÔNICA Outro conceito importante é o da estabilidade eletrônica. Um elemento é considerável estável quando atinge oito elétrons na última camada (camada de valência). Esta teoria é chamada de regra do octeto.

21

22


Antes de dar continuidade ao conceito de ligações químicas, precisamos entender a orma com que os elementos estão agrupados. Sentindo a necessidade de agrupar os elementos e acilitar o entendimento sobre o seu comportamento, em 1913 criou-se a classiicação periódica moderna, em que se agrupavam os elementos químicos em ordem crescente de número atômico. A esse agrupamento de elementos em orma de tabela, chamamos tabela periódi VOCÊ ca (Figura 7). SABIA? A tabela periódica é dividida em amílias e períodos. As amílias são as colunas verticais e os períodos são as colunas horizontais. Observe que a tabela é ormada por sete períodos. Cada período indica a quantidade de camadas que o elemento possui. Por exemplo, os elementos no primeiro período possuem apenas uma camada, ou seja apenas a camada K, os elementos localizados no segundo período possuem duas camadas, ou seja K e L e assim sucessivamente.

Ao observar a tabela periódica (Figura 7), nota-se que apenas os gases nobres que estão localizados no grupo 18 possuem oito elétrons na sua última camada. Para que os outros elementos atinjam essa estabilidade, é necessário que doem, recebam ou compartilhem seus elétrons. Essa doação, recebimento ou compartilhamento ocorre por meio da união entre os átomos a qual chamamos de ligação química. Essas ligações ocorrem de acordo com as características dos elementos que estão se unindo.

1 1 2 3 4 5 6 7

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

2

3

4

11

12

19

20

21

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23

24

25

26

27

28

29

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

55

56

72

73

74

75

76

77

87

88

104

105

106

107

108

57

58

59

60

89

90

91

92

Na Sódio

Zr

Be Berílio

Ba Bário

Fr Ra Frâncio Rádio

15

16

17

18

6

7

8

9

10

13

14

15

16

17

18

30

31

32

33

34

35

36

47

48

49

50

51

52

53

54

78

79

80

81

82

83

84

85

86

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

Yb Itérbio

71

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

BBoro

Zircônio

CCarbono N O F Nitrogênio Oxigênio Flúor

Al Si Alumínio Silício Sc Ti Escândio Titânio

Rb Sr Y Rubídio Estrôncio Ítrio Cs Césio

14

5

Representação

Mg Magnésio

KPotássio Ca Cálcio

13

40

H He Hidrogênio Hélio Li Lítio

12

57 – 71

89 – 103

VVanádio Cr Cromo

Zr Nb Zircônio Nióbio Hf Háfnio

La Ce Latânio Cério Th Tório

Co Ni Cobalto Níquel

Mo Tc Ru Rh Ródio Molibdênio Tecnécio Rutênio

Ta W Re Tantálio Tungstênio Rênio

Rf Db Ruterfórdio Dúbio

Ac Actínio

Mn Fe Manganês Ferro

Sg Bh Seabórgio Bóhrio

Os Ósmio Hs Hássio

Ir Irídio

Cu Cobre

Pd Ag Paládio Prata Pt Au Platina Ouro

Zn Zinco

Cd In Cádmio Índio Hg Ti Mercúrio Tálio

Ge As Se Br Germânio Arsênio Selênio Bromo Sr Sb Te Estanho Antimônio Telúrio

IIodo

Pb Bi Po At Chumbo Bismuto Polônio Astato

Ar Argon Kr Criptônio Xe Xenônio Rn Radônio

Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Meitnério Darmstádio Roentgenium Ununbium Ununtrium Ununquadium Ununpentium Ununhexium Ununseptium Ununoctium

Nd Pm Sm Eu Gd Tb Pr Praseodímio Neodímio Promécio Samário Európio Gadolínio Térbio Pa U Protactínio Urânio

Ga Gálio

PFósforo SEnxofre Cl Cloro

Ne Neón

Np Pu Am Cm Netúnio Plutônio Amerício Cúrio

Figura 7 – Tabela periódica

Dy Ho Er Disprósio Hólmio Érbio

Tm Túlio

Bk Cf Es Fm Md Berquélio Califórnio Einstênio Férmio

Mendelévio

Lu Lutércio

No Lr Nobélio Laurêncio



LIGAÇÃO IÔNICA Este tipo de ligação ocorre entre um elemento metálico e outro elemento ametálico. Nesse caso há transerência denitiva do elétron de um elemento para o outro, conorme o exemplo abaixo. O sal de cozinha é um elemento muito comum, utilizado principalmente na culinária. O sal de cozinha de nome cloreto de sódio é ormado pela união do átomo de sódio (Na) com o átomo de cloro (Cl). O átomo de sódio possui 11 elétrons e o átomo de cloro, 17 elétrons. Fazendo a distribuição em camadas para esses elementos, temos:

Na K = 2, L = 8, M =1

Cl K = 2, L = 8, M = 7

Para que o átomo de cloro se torne estável, é necessário que ele ganhe um elétron. O sódio, por sua vez precisa, doar um elétron para que sua última camada que com oito elétrons. Neste caso, o sódio doa denitivamente o seu elétron da última camada para o cloro, conorme a Figura 8.

Na

Cl

Na+ Cl–


Figura 8 – Ligação iônica entre o sódio (Na) e o cloro (Cl)

Um exemplo mais complexo é o do óxido de alumínio, ou melhor, a união entre átomos de oxigênio com átomos de alumínio. O alumínio é um metal que possui 13 elétrons e o oxigênio, como já visto possui oito elétrons. Fazendo a distribuição por camadas desses elementos têm-se:

O K = 2, L = 6

Al K = 2, L = 8, M = 3

Note que o oxigênio precisa de dois elétrons para se tornar estável e o alumínio precisa doar 3 elétrons. Em uma ligação química não pode sobrar nem altar elétrons; portanto, teremos que utilizar mais elementos para ormar um composto estável. A Figura 9 demonstra como deve ser eita a união entre esses átomos.

23

24


Note que, ao doar dois elétrons para o primeiro oxigênio, ainda sobra um outro elétron no elemento alumínio. Nesse caso, pega-se um segundo átomo de oxigênio e doa-se esse elétron. Esse segundo átomo de oxigênio ca com sete elétrons, necessitando de mais um elétron para atingir a estabilidade. Então, pega-se mais um átomo de alumínio para que esse átomo doe um elétron, estabilizando esse segundo átomo de oxigênio. No entanto, sobram dois elétrons no segundo átomo de alumínio. Para que esse átomo se estabilize, pega-se um terceiro átomo de oxigênio e doam-se estes dois elétrons, estabilizando tanto o segundo átomo de alumínio como o terceiro átomo de oxigênio. Em resumo, tem-se um total de dois átomos de alumínio e três átomos de oxigênio, estando todos estabilizados.

Al

O O

Al

O

Portanto:

2Al+3 + 3O–2 Al2O3

Figura 9 – Ligação iônica entre o alumínio e o oxigênio

Íons Um átomo, quando ganha ou perde elétrons, adquire cargas, podendo ser positivas ou negativas. Quando um átomo doa elétron ele ica com carga positiva. Por exemplo: O sódio, ao doar um elétron, passa de Na para Na+; um elemento que perde dois elétrons adquire carga 2+. Por exemplo: VOCÊ O magnésio, ao doar dois elétrons, passa a Mg2+. SABIA? Os elementos da amília 3A, ao doarem seus três elétrons, icam com carga 3+. Estes íons com carga positiva são chamados de cátions. Quando um elemento recebe elétrons, ica com carga negativa. Por exemplo: quando o cloro recebe um elétron, ele passa de Cl para Cl. Quando um elemento recebe dois elétrons, ele ica com carga 2–. Quando um elemento recebe três elétrons, ele ica com carga 3–.



LIGAÇÃO METÁLICA Este tipo de ligação ocorre com elementos do tipo metálico. De acordo com a teoria da nuvem eletrônica, conhecida também como mar de elétrons, pode-se dizer que os elementos metálicos possuem elétrons “soltos”, ou seja, “livres”. Esta nuvem de elétrons mantém os átomos dos elementos metálicos unidos, ormando assim a ligação metálica.

Li, Na, K, ...

Mg, Ca, Sr, ...


Figura 10 – Representação simbólica da ligação metálica (nuvem eletrônica)

LIGAÇÃO COVALENTE A ligação covalente pode ser caracterizada como o tipo de união em que não há doação de elétrons e sim o compartilhamento de um ou mais pares de elétrons entre átomos, causando atração mútua. Essa ligação ocorre entre elementos iguais e elementos não metálicos. A Figura 11 demonstra dois casos de ligação covalente. No Caso 1, a primeira molécula expressa a união entre dois átomos de nitrogênio. O nitrogênio está na amília 15, portanto necessita de mais três elétrons para atingir a estabilidade. Como ambos os átomos são de nitrogênio, não é possivel que um doe elétrons para o outro. Nesse caso eles compartilham seus elétrons. Como cada nitrogênio precisa de três elétrons, oram necessários três compartilhamentos. No Caso 2, tem-se a molécula do gás carbônico (CO2). O carbono está localizado na amília 14 e o oxigênio, na amília 16. Portanto, para o carbono se estabilizar será necessário que o mesmo tenha mais quatro elétrons e o oxigênio, apenas dois elétrons. Para azer esta ligação, o primeiro oxigênio compartilha dois elétrons seus com dois elétrons do carbono. O oxigênio se estabiliza, porém o carbono ca com apenas seis elétrons. Neste caso, um segundo átomo de oxigênio compartilha dois elétrons seus com dois elétrons do carbono. Sendo assim, o segundo átomo de oxigênio atinge a estabilidade e o carbono também, estando todos os átomos com oito elétrons na camada de valência.

25

26


Caso 1

N

N

Caso 2

O

C

O


Figura 11 – Caso1: Ligação covalente entre dois átomos de nitrogênio Caso 2: Ligação covalente entre o carbono e o oxigênio

LIGAÇÃO COVALENTE DATIVA Observe a Figura 12. Nela é possível observar que o par de elétrons assinalado, que liga o enxore ao segundo oxigênio, inicialmente era apenas do enxore. Portanto, esse tipo de ligação não pode ser classicado apenas como uma ligação covalente, pois o par de elétrons é cedido por apenas um dos átomos, ou se ja, neste caso o segundo átomo de oxigênio não compartilha seus elétrons com o enxore.

O 2

S Figura 12 – Ligação covalente dativa

Confra que, na Figura 12, todos os átomos permanecem com oito elétrons ao seu redor. A esse tipo de ligação chamamos de ligação covalente dativa. Na página ao lado, veja o boxe com as exceções a regra do octeto.

O 1



Exceções à regra do octeto Existem alguns elementos que não obedecem à regra do octeto, ou seja, se estabilizam com menos ou com mais de oito elétrons. Um exemplo clássico de elemento que se estabiliza com menos de oito elétrons é o berílio (Be). A molécula de BeH2 evidencia que esse composto se estabiliza com apenas quatro elétrons (Figura 13).

H

Be

O

Figura 13 – Ligação covalente entre berílio e hidrogênio

Um caso em que o elemento apresenta estabilidade com mais de oito elétrons pode ser visto na união entre o enxore e o ósoro. A molécula deSF 6 (Figura 14) demonstra o elemento enxore com 12 elétrons ao seu redor.

xx

F

x x

x x

x x

x x

x o

F

x o

xx

x x

F

x x

x x

F

S

x o

xx

x o x x

x o x

F

x o

x

xx

x x

F

F

x x

S

x x

x x

x x

Figura 14 – Ligação de ormação do hexafuoreto de enxore

2.1.3 POLARIDADE A polaridade de uma molécula está relacionada com o valor de eletronegatividade envolvido na ligação química. A eletronegatividade é uma propriedade que caracteriza a capacidade que um átomo tem de atrair para si o par de elétrons que está sendo compartilhado em uma ligação do tipo covalente. Os elementos que apresentam maiores valores de eletronegatividade são os elementos da amília 17, também conhecidos como halogênios. As ligações podem ser denidas como polares ou apolares. As ligações do tipo apolar são aquelas em que a dierença de eletronegatividade é igual a zero. A Figura 15 apresenta uma tabela com os valores de eletronegatividade.


27

28


Escala de eletronegatividade de Pauling Grupo Período

1

1

H 2,1 Li 1,0 Na 0,9 K 0,8 Rb 0,8 Cs 0,7 Fr 0,7

2 3 4 5 6 7

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 He

Be 1,5 Mg 1,2 Ca 1,0 Sr 1,0 Ba 0,9 Ra 0,9

Sc 1,3 Y 1,2

Ti 1,5 Zr 1,4 Hf * 1,3 ** Rf

V 1,6 Nb 1,6 Ta 1,5 Db

Cr 1,6 Mo 1,8 W 1,7 Sg

Mn 1,5 Tc 1,9 Re 1,9 Bh

Fe 1,8 Ru 2,2 Os 2,2 Hs

Co 1,9 Rh 2,2 Ir 2,2 Mt

Ni 1,8 Pd 2,2 Pt 2,2 Ds

Cu 1,9 Ad 1,9 Au 2,4 Rg

B C N O F Ne 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Ai Si P S Cl Ar 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0 Zn Ga Ge As Se Br Kr 1,6 1,6 1,8 2,0 2,4 3,0 Cd In Sn Sb Te I Xe 1,7 1,7 1,8 1,9 2,1 2,5 Hg Ti Pb Bi Po At Rn 1,9 1,8 1,9 1,9 2,0 2,2 Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

Figura 15 – Tabela periódica

Linus Pauling (1901- 1994) é considerado até hoje um grande cientista, pois oi o único químico a receber o Prêmio Nobel duas vezes. Em 1962, por ter contribuído VOCÊ ativamente contra testes e usos de materiais nucleares. SABIA? Publicou vários trabalhos sobre a estrutura atômica, tendo como preocupação principal explicar e entender os enômenos atômicos.

Um exemplo de molécula apolar é a molécula de O2. Observando a Tabela de Eletronegatividade vericamos que o oxigênio possui um valor de eletronegatividade igual a 3,5. Calculando a dierença de eletronegatividade da molécula teremos:

⌬ = 3,5  3,5 ⌬ = 0 ligação covalente apolar

Uma ligação covalente é considerada polar quando a dierença de eletronegatividade é dierente de zero. A molécula de HCl é um exemplo disso. O valor de eletronegatividade do hidrogênio é 2,1 e do cloro 3. Calculando a dierença de eletronegatividade temos:



⌬ = 3  2,1 ⌬ = 0,9 Eletronegatividade dierente de

zero; logo, ligação covalente polar

2.1.4 FORÇAS INTERMOLECULARES As orças intermoleculares são as orças que mantêm as moléculas unidas umas às outras. As orças intermoleculares podem ser divididas em:

Van der Walls As orças de Van der Walls podem ser identicadas quando em uma ligação covalente polar verica-se em algum momento que a nuvem eletrônica tende para um dos polos da ligação.

DipoloDipolo É a orça de atração que acontece entre duas moléculas polares, ligando-as pelos seus respectivos polos, ou seja, o polo positivo de uma molécula se liga ao polo negativo da outra molécula. O exemplo abaixo representa um momento de dipolo entre a molécula de HF. Lembre que o hidrogênio apresenta eletronegatividade 2,1 e o lúor tem eletronegatividade 4.

H

F H

F

Momento de dipolo entre o fúor e o hidrogênio

Ou seja, o polo negativo da molécula lúor se liga ao polo positivo da molécula hidrogênio.

Pontes de hidrogênio Acontecem quando temos dentro das moléculas ligações de hidrogênio com elementos de eletronegatividade alta, como nitrogênio, oxigênio e fúor. Pode acontecer tanto entre duas moléculas dierentes, o caso da água, como dentro de uma mesma molécula – ocorre também em moléculas muito grandes, como uma proteína. A orça da ponte de hidrogênio varia de acordo com o átomo eletronegativo ligado a ele. Como o fúor é o que possui a maior eletronegatividade, a ponte de hidrogênio ligada a ele é a que possui mais orça.

29

30


2.1.5 BALANCEAMENTO DE REAÇÕES Balancear uma reação signica equilibrar os coecientes de uma reação, ou seja, a quantidade de um mesmo elemento no reagente deverá ser igual no produto. O exemplo abaixo demonstra uma reação balanceada.

2H2 + O2  2H2O Reação balanceada

Observe que os elementos que estão antes da seta ( ) representam os reagentes e o elemento que se encontra depois da seta é o produto. Uma reação pode ter um ou mais reagentes e um ou mais produtos.

O coeiciente é o número que antecede os elementos, e o índice é o número que está embaixo do elemento. Por exemplo:

VOCÊ SABIA?

2H2

Índice

Coefciente

De acordo com a reação, temos no reagente 4 hidrogênios e 2 oxigênios e no produto 4 hidrogênios e 2 oxigênios. O coeciente multiplica todos os elementos em uma molécula; por exemplo, 2H2O. O coeciente 2 está multiplicando o hidrogênio e o oxigênio. No caso do índice, ele multiplica apenas o elemento em que ele se encontra. Portanto, no caso da molécula de H2O, este 2 que está embaixo do hidrogênio está multiplicando somente o hidrogênio.

VOCÊ SABIA?

Em caso de moléculas que possuam parênteses, o número que está do lado de ora do parêntese está multiplicando todos os elementos que estão dentro dele. Por exemplo: a molécula de AlOH 3 signiica que temos 1 alumínio (Al), 3 oxigênios (O) e 3 hidrogênios (H). Observe que o alumínio não está dentro do parêntese; portanto, não deve ser multiplicado por 3.

É importante ressaltar que nem sempre as reações se encontram balanceadas, sendo necessário balanceá-las. Para azer o balanceamento correto, utilizamos algumas regras.


1 Observar o elemento que aparece apenas uma vez no primeiro membro (reagente) e uma vez no segundo membro (produto). 2  Começar o balanceamento pelo elemento que possui o maior índice. Lembre-se de que ele deverá aparecer apenas uma vez em ambos os lados. 3  Transerir o índice de um membro para o outro lado, utilizando-o como coeciente. 4  Prosseguir da mesma orma com os outros elementos até que todos este jam balanceados. 5  Apenas o índice pode tornar-se coeciente, e nunca o coeciente se tornar índice.

H2 + Cl2  HCl Veja a representação de uma reação de ormação do HCl. Analisando esta reação, verica-se que ela não se encontra balanceada. No primeiro membro, têm-se 2 hidrogênios e 2 cloros e no segundo membro apenas 1 hidrogênio e 1 cloro. Neste caso, é necessário balanceá-la. Veja que tanto o cloro quanto o hidrogênio aparecem apenas uma vez de cada lado. Observando o segundo passo, tanto o cloro quanto o hidrogênio possuem índice 2, o que torna indierente a escolha entre cloro e hidrogênio para transpor os índices. Supondo a escolha do hidrogênio para transpor o índice teríamos:

Reação 1

H2 + Cl2  HCl

Reação 2

H2 + Cl2  2 HCl

Observe que a reação 2 encontra-se balanceada. No primeiro membro têm-se 2 hidrogênios e 2 cloros e no segundo membro têm-se também 2 hidrogênios e 2 cloros.

31

32


2.1.6 ESTEQUIOMETRIA A estequiometria permite calcular a quantidade de uma determinada substância que está reagindo ou que está sendo produzida numa determinada reação. Para calcular a quantidade de uma determinada substância em uma reação química, é necessário que a equação mencionada esteja balanceada, ou seja, todos os elementos participantes da reação deverão estar equilibrados. O segundo passo para a estequiometria é azer uma regra de três entre os elementos participantes da reação. O coeciente de um elemento em uma reação química representa o seu número de mol (quantidade de matéria). Por exemplo, na reação:

C2D3  2C + 3D Temos: 1 mol de C2D3 2 mol de C 3 mol de D

O número de mol está sempre relacionado à massa atômica que o elemento possui. O hidrogênio possui massa atômica de 1g/mol, ou seja, cada 1 mol de hidrogênio possui 1g. Seguindo a proporção, 2 mol de hidrogênio têm 2g e assim sucessivamente. O mesmo ocorre com os demais elementos. Por exemplo A massa do sódio na tabela periódica é de 23g/mol, o que signica que a cada 1 mol de sódio (Na) temos 23g. Se tivéssemos 4 mol de sódio teríamos:

1 mol de sódio Na

23g

4 mol de sódio Na

x

1mol . X = 4mol . 23g 92g . mol X= 1mol

X = 92g de Na


Um exemplo mais complexo é quando temos uma molécula composta por mais de um elemento em uma reação. Supondo a reação 3 de neutralização de ormação do sal de cozinha (NaCl) pela junção de um ácido com uma base, temos:

Reação 3

HCl + NaOH  NaCl + H2O De acordo com a tabela periódica, temos os seguintes valores de massa para os elementos da reação:

H = 1g

Na = 23g

Cl = 35,5g

O = 16g

Imagine se quiséssemos calcular a massa de NaCl produzida em 365g de HCl. Observe que a relação está entre HCl e NaCl. A reação 3 a que se reere o exemplo está balanceada, pois temos no reagente 2 hidrogênios ( H), 1 sódio (Na), 1 oxigênio (O), 1 cloro (Cl) e, no produto, as mesmas quantidades. Os coecientes da reação são todos iguais a 1, ou seja temos 1 mol de cada molécula na reação; com isso, podemos concluir que para cada 1 mol de HCl temos 1 mol de NaCl produzido. A massa total de HCl será igual à massa do hidrogênio somada à massa do cloro, ou seja: (1 + 35,5)g, totalizando 36,5g. O mesmo ocorre com a molécula de NaCl, sendo sua massa total a soma da massa do sódio com a massa do cloro, (23 +35,5)g. Sabendo essas massas podemos estabelecer a regra de três.

1 . 36,5g de HCl

1 . 58,5g

365g de HCl

X

Resolvendo a regra de três: 36,5 X = 58,5 . 365 21352,5 X= 36,5

X = 585g de NaCl

33

34


REAGENTE LIMITANTE É o reagente que delimita a reação, ou seja, aquele que é consumido primeiro no processo. Suponha a reação 4 entre o hidróxido de cálcio e o ácido fuorídrico.

Reação 4

KOH + HF  KF + H2O Sabendo que oram misturados 560g de KOH com 180g de HF, calcule o reagente limitante e o excesso de reagente na reação. Observe que a reação acima encontra-se balanceada e temos 1mol para cada substância. Veja que a cada 1mol de KOH temos 1mol de HF. A tabela periódica, por sua vez, nos dá os seguintes valores de massa atômica para os elementos em questão:

K = 39

H = 1

F = 19

O = 16

Somando as massas temos para o KOH: Logo:

1 mol = 39 + 16 + 1 = 56g

Somando as massas temos para o HF: 1 mol = 1+19 = 20g  = Unidade de massa atômica

Para azer a regra de três, escolha um dos elementos.

PRIMEIRA HIPÓTESE

Suponha que o elemento escolhido seja o KOH. A regra de três seria: 56g de KOH

20g de HF

560g de KOH

X

Calculando: 56 X = 560 . 20 X=

11.200 56

X = 200g de HF


SEGUNDA HIPÓTESE

Suponha que o elemento escolhido seja o HF. A regra de três seria: 56g de KOH  20g de HF x  180g de HF Calculando: 20 X = 56 . 180 100800 X= 20

X = 504g de KOH

Na primeira hipótese vemos que, para gastar as 560g de KOH, teríamos que ter 200g de fúor e, no entanto, temos apenas 180g. Na segunda hipótese isso é conrmado, pois para gastar as 180g de fúor só seriam necessários 504g de KOH e, no entanto, temos 560g de KOH. Contudo, conclui-se que o ácido fuorídrico (HF) é o reagente limitante, pois ele é consumido totalmente primeiro, ou seja, é o que acaba primeiro durante a reação. Sabendo qual elemento é o reagente limitante podemos calcular o excesso. O reagente que se encontra em excesso é o KOH. O excesso é calculado subtraindo-se da massa inicial a massa realmente gasta até o término da reação. A massa inicial do KOH era 560g. Sabendo que a reação acaba quando todo reagente limitante (neste caso HF) é consumido, vimos que seriam necessários 504g de KOH. Logo, o excesso de KOH será 560-504, totalizando 56g de excesso de KOH.

2.1.7 MISTURAS HOMOGÊNEAS E HETEROGÊNEAS As misturas podem ser classicadas de acordo com o seu aspecto. Uma mistura homogênea é aquela que apresenta aspecto uniorme, ou seja, em qualquer ponto da solução suas propriedades são iguais. A mistura heterogênea, por sua vez, não apresenta aspecto uniorme e suas propriedades variam para cada ase. Fase Uma ase pode ser considerada toda a porção homogênea dentro de um sistema heterogêneo.

35

36


Por exemplo A Figura 16 apresenta a mistura de óleo e água. Observe que, ao colocar óleo em um copo com água, o óleo em nenhum momento se torna homogêneo com a água.

s n i t r a M s o l r a C é s o J / o i l ó F n I

Figura 16 – Mistura de água e óleo

A Figura 17 demonstra como ca o aspecto da mistura entre óleo e água. Note que a mistura não apresenta uniormidade; porém, ao analisar as substâncias separadamente, é possível observar que tanto o óleo quanto a água apresentam aspecto uniorme. A cada porção com aspecto uniorme chamamos de ase. Neste caso, a mistura água e óleo possui duas ases, ou seja o óleo representa uma ase e a água representa outra ase.


Figura 17 – Aspecto da mistura entre a água e o óleo


Observe a Figura 18. Veja que temos no recipiente uma mistura entre gelo, água e óleo. Neste caso temos três ases. O óleo representa a primeira ase (menos densa), seguido pela pedra de gelo (segunda ase) e a terceira representada pela água líquida.

Óleo Gelo Água s n i t r a M s o l r a C é s o J / o i l ó F n I

Figura 18 – Demonstração das três ases (óleo, gelo e água)

VOCÊ SABIA?

Apesar da existência de três ases no exemplo mostrado na Figura 18 acima, temos apenas duas substâncias, na qual uma delas (água) encontra-se em dois estados ísicos dierentes (líquido e sólido).

2.1.8 SOLUÇÕES Toda mistura homogênea ormada por duas ou mais substâncias é chamada de solução verdadeira. A maioria das reações químicas ocorre em solução aquosa, pois a água é conhecida como solvente universal, sendo de undamental importância o conhecimento das relações existentes em uma solução.

SOLUÇÃO = SOLUTO + SOLVENTE

O coefciente de solubilidade é a quantidade máxima de soluto para determinado solvente a uma dada temperatura. Em relação à solubilidade podemos classifcar as soluções assim:

INSATURADA

SATURADA

SUPERSATURADA

Menor quantidade de soluto que seu coefciente de solubilidade

É a quantidade máxima de soluto que o solvente pode diluir

Quantidade de soluto maior que seu coefciente de solubilidade


37

38


Quantidade de soluto 100g de água

Soluções saturadas Curva de solubilidade

Soluções supersaturadas Soluções insaturadas


Temperatura ºC

Figura 19 – Curva de solubilidade de uma substância hipotética

Cada substância possui curva de solubilidade dierente. VOCÊ Algumas substâncias aumentam a quantidade de soluto SABIA? com o aumento da temperatura, porém outras têm sua solubilidade reduzida com o aumento da temperatura. Solubilidade em gramas de substância por 100g de água

m1(g) 150 140

AgNO3

CaCl22H2O

KI

130 120

NaNO3

CaCl 24H2O

110

KBr

100 90

KNO3

CaCl 26H2O

80

NH4Cl

70 60

Na4SO4

50

KOH

40

NaCl

30

KCl

20

Na2SO410H2O

10 10

20

30

40

50

60

70

80

90 100

t (ºC)

Figura 20 – Curva de solubilidade de diversas substâncias



OUTRAS FORMAS DE CLASSIFICAÇÃO DAS SOLUÇÕES As substâncias podem ser classicadas de acordo com a condutividade elétrica: Eletrolíticas ou iônicas Condutividade elétrica Não eletrolíticas ou moleculares

De acordo com a proporção soluto/solvente: Diluida

Proporção soluto / Solvente

Concentrada

2.1.9 CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES A relação proporcional entre a quantidade de soluto e o solvente pode ser expressa por diversas ormas:

Concentração comum É a massa do soluto em gramas (g) por litro de solução (L).

C = g/L C=

m V

m=g V=L

Concentração em quantidade de matéria mol Corresponde ao número de mol do soluto por litro de solução. Mol é o nome da unidade de base do Sistema Internacional de Medidas (SI), que estabelece a proporcionalidade da quantidade de matéria e a massa molar da própria substância.

n=

m mol

m = mol/L n mol = V

m=g V=L

39

40


Título massa e volume É o quociente entre a (massa ou volume) de um determinado soluto em relação à massa ou volume de uma solução.

T=

msoluto msolução

ou

T=

Vsoluto Vsolução

ppm e ppb Em soluções muito diluídas, a relação entre a massa do soluto e o volume de solvente tende a se igualar. Chamamos de ppm a relação de uma parte do soluto para um milhão de partes do solvente e ppb uma parte do soluto para um bilhão de partes do solvente.

1ppm =

1 parte de soluto 106 partes de solução

Fração molar É a relação entre o número de mol do soluto e o número de mol totais da solução, podendo-se calcular também a ração correspondente de mol do solvente em relação ao número de mol totais da solução.

Fração molar do soluto

x1 =

n1 n1 + n2

Fração molar do solvente

x2 =

n2 n1 + n2


DILUIÇÃO DAS SOLUÇÕES Em processos em que ocorre a necessidade da adição de solventes para a diminuição de sua concentração, teremos a chamada diluição.

Retirada da alíquota

Diluição com solvente

Solução diluída Figura 21 – Diluição de uma solução

MISTURA DE SOLUÇÕES DE UM MESMO SOLUTO Para um mesmo soluto, o produto de uma concentração nal por seu volume nal será o somatório do produto das concentrações iniciais por seus respectivos volumes.

C f . V f = C1V1 + C2V2 MISTURA DE SOLUÇÕES COM REAÇÃO QUÍMICA Neste caso, só podemos estabelecer a concentração dos produtos após a vericação da estequiometria da reação. Exemplo

Um rasco contendo 200mL de uma solução aquosa de HCL 0,20 mol/L reagiu completamente com 50mL de uma solução aquosa de CaOH2. Qual a concentração em quantidade de matéria do hidróxido ormado? Temos, portanto, uma reação de neutralização

2HCl + Ca(OH)2  CaCl2 + 2H2O


41

42


Dois mol de ácido clorídrico reagem com 1 mol de hidróxido de cálcio, ormando 1 mol de cloreto de cálcio e 2 mol de água.

HCl V = 200mL m = 0,20mol/L

+

CaOH2 V = 50mL m=?

m x V L a = a a b mb x VbL 0,20 x 0,2 2 = 1 mb x 0,05

mb = 0,4mol/ L

2.1.10 DENSIDADE A densidade é uma medida importante, pois relaciona o volume de um determinado material com uma determinada temperatura. Para calcular a densidade basta dividir a massa do material pelo seu volume, conorme a órmula abaixo:

m d= V

d = Densidade g/cm 3 V = Volume cm 3 m = Massa m

É importante associar o conceito de densidade em unção da temperatura, pois um mesmo material tem dierentes valores de densidade em unção de dierentes estados ísicos. Por exemplo, a água no estado líquido possui densidade de 1g/cm3, já no estado sólido (gelo) possui densidade de 0,92g/cm3. Portanto, o gelo em um copo com água líquida irá futuar (Figura 22). O gelo futua porque possui menor densidade em comparação com a água líquida.


Figura 22 – Gelo futuando quando em água


2.1.11 VISCOSIDADE A viscosidade é uma propriedade associada aos fuidos e está relacionada à diculdade de escoamento da substância (Figura 23).


Figura 23 – Demonstração da viscosidade

Os fuidos possuem a característica de adquirir a orma dos seus recipientes. Observe que a Figura 24 apresenta três situações distintas.


Figura 24 – Fluidos e não fuidos

Para ser considerado um fuido, a substância deve adquirir a orma do recipiente em que or depositado. Entretanto, isso não ocorre em todas as situações. Na situação da direita temos uma pedra em um recipiente. Veja que a pedra não adquire a orma do recipiente em que ela está dierentemente do gás que está no balão e do líquido que está na garraa; ambos adquirem a orma do recipiente. Fazendo uma analogia entre as guras, verica-se que os componentes sólidos não são fuidos, pois não adquirem a orma do recipiente. Assim, apenas líquidos e gases podem ser considerado fuidos.

43

44


A viscosidade é a medida de quanto um fuido resiste ao escoamento (Figura 25), ou seja, é uma medida que se relaciona a tempo de escoamento. Assim, como a densidade, a viscosidade também depende da temperatura. Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade e assim o líquido escoa com maior acilidade.


Figura 25 – Resistência ao escoamento

2.1.12 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE ELETROQUÍMICA Veja esta representação:

K + HCl KCl

HCl + 1/2H2

H2O

K + + Cl–

Observe que o potássio (K) doou um elétron para o cloro (Cl). Neste caso dizemos que o potássio se oxidou. Oxidação é o nome dado à perda de elétrons. É importante ressaltar que, para existir oxidação, é necessário que ocorra a redução simultaneamente de outro elemento. A redução é caracterizada pelo ganho de elétrons. Na representação acima, observe que o cloro está recebendo o elétron doado pelo potássio. Logo, podemos dizer que o cloro está sorendo redução. Quando isso ocorre em uma reação, dizemos que essa reação é de oxirredução, porque nela há transerência de elétrons. Outro conceito importante é o de agente oxidante e agente redutor. Agente oxidante é aquele que promove a oxidação de algum elemento, az com que um elemento se oxide. Já sabemos que, para um elemento se oxidar, outro elemento terá que sorer redução, o elemento que é agente oxidante terá que sorer redução. O mesmo ocorre com o elemento que é agente redutor. Agente redutor é aquele que promove a redução de outro elemento. Neste caso ele terá que sorer oxidação.

Quem sore oxidação é agente redutor

Quem sore redução é agente oxidante


NÚMERO DE OXIDAÇÃO (NOX) O número de oxidação representa a carga que o elemento possui. Existem elementos que já possuem número de oxidação xo. Outros elementos podem ter NOX variáveis. Os elementos que possuem NOX xo são: O oxigênio possui NOX = –2, com exceção dos peróxidos e superóxidos. O hidrogênio possui NOX = +1, com exceção dos hidretos metálicos. Os elementos da amília 1 da tabela periódica possuem todos NOX = +1. Os elementos da amília 2 da tabela periódica possuem todos NOX = +2. O alumínio possui NOX = +3. Os elementos da amília 17 em compostos binários têm NOX = –1. Os elementos que não possuem NOX xo são os elementos da amília 15, 16 e 17.

Em uma molécula que não possui carga, a soma dos números de oxidação deve ser igual a zero.

Observe estes exemplos:

HCl O hidrogênio está localizado na amília 1. Portanto seu NOX = +1. Seguindo a regra de que as moléculas têm que ter soma de cargas igual a zero, temos:

+1 + X = 0

Logo X = 1

O número de oxidação do cloro é igual a 1.

H2SO4 O hidrogênio está localizado na amília 1

Logo, o seu NOX = +1; o oxigênio possui NOX = 2

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Agora temos que calcular o NOX para o enxore (S). Temos:

H = +1 S=X O = 2

Calculando: 2 . +1 + X + 4 . 2 = 0 +2+X8=0 X=+82 X=+6

Observe que o NOX do hidrogênio oi multiplicado por 2 porque na mesma molécula temos 2 átomos de hidrogênio. O mesmo acontece com o oxigênio, que na molécula tem 4 átomos. HClO2 Observe que nesta molécula o cloro não está em uma das pontas da molécula; portanto, não podemos denir seu NOX como –1. Neste caso temos que calcular, já que ele é o elemento intermediário na molécula.

H

amília 1

NOX = +1

Cl

amília 17

NOX = X

O

amília 16

NOX = 2

Logo: +1 + X + 2 . 2 = 0 X=41 X=+3

CORROSÃO Muitas reações químicas espontâneas ocorrem na natureza, como por exemplo a variação de cor dos produtos alimentícios, resultante na sua decomposição. Nos metais há também a decomposição, com a ormação de óxidos nas sua superícies. Conra nas Figuras 26 e 27.



Figura 26 – Maça oxidada

o h l e o C o t n i P s e r a o S o n a i r a M é s o J

Figura 27 – Material corroído

Para compreender a maioria dessas transormações, devemos lembrar que cada elemento químico é ormado por estruturas totalmente dierentes umas das outras, até mesmo tratando-se das partículas subatômicas que os compõem. Isso gera um comportamento dierente desses elementos na ormação dos compostos com maior estabilidade. Na busca pela estabilidade, os elementos podem perder ou ganhar elétrons, gerando alteração em seu número de oxidação. Esse potencial de perda ou ganho denomina-se potencial padrão de redução medido em volts. Podemos prever se uma reação química é espontânea ou não com o auxílio da Tabela 1, na página seguinte.

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Tabela1  Potencial de redução dos elementos químicos SEMI-REAÇÃO

E0(V)

Li+(aq) + e –  Li(s)

–3,05

K +(aq) + e –  K(s)

–2,93

Ba2+(aq) + 2e –  Ba(s)

–2,90

Ca2+(aq) + 2e –  Ca(s)

–2,87

Na+(aq) + e –  Na(s)

–2,71

Mg2+(aq) + 2e –  Mg(s)

–2,3

Al3+(aq) + 3e –  Al(s)

–1,66

Mn2+(aq) + 2e –  Mn(s)

–1,18

Zn2+(aq) + 2e –  Zn(s)

–0,76

Cr3+(aq) + 3e –  Cr(s)

–0,74

Fe3+(aq) + 2e –  Fe(s)

–0,44

Cd2+(aq) + 2e –  Cd(s)

–0,40

Co2+(aq) + 2e –  Co(s)

–0,28

Ni2+(aq) + 2e –  Ni(s)

–0,25

Sn2+(aq) + 2e –  Sn(s)

–0,14

Pb2+(aq) + 2e –  Pb(s)

–0,13

2H+(aq) + 2e –  H2(s)

–0,00

Sn4+(aq) + 2e –  Sn2+(s)

+0,13

Cu2+(aq) + e –  Cu(aq)

+0,15

Cu2+(aq) + 2e –  Cu(s)

+0,34

O2+ 2H2O + 4e –  4OH–(aq)

+0,40

I2(s) + 2e –  2I–(aq)

+0,53

O2(g) + 2H+(aq) + 2e – H2O2(aq)

+0,68

Fe3+(aq) + e–  Fe2+(aq)

+0,77

Ag+(aq) + e–  Ag(s)

+0,80

Hg2+2(aq) + 2e–  2Hg(l)

+0,85

2Hg2+(aq) + 2e–  Hg2+2(aq)

+0,92

Br2(l) + 2e–  2Br+(l)

+1,07

O2(g) + 4H+(aq) + 4e – 2H2O

+1,23

Cr2O2–7(aq) + 14H+(aq) + 6e – 2Cr3+(aq) + 7H2O

+1,33

Cl2(g) + 4e–  2Cl–

+1,36

Au3+(aq) + 3e – Au(s)

+1,50

MnO–4(aq) + 8H+(aq) + 5e – Mn2+(aq) + 4H2O

+1,51

PbO2(s) + 4H+(aq) + SP2–4 (aq) + 2e –  PbSO4(s) + 2H2O

+1,70

H2O2(aq) + 2H+ (aq) + 2e –  2H2O

+1,77

Co3+ (aq) + e –  Co2+(aq)

+1,82

O3(g) + 2H+(aq) + 2e –  O2(g) + H 2O(I)

+2,07

F2(g) + 2e –  2F– (aq)

+2,87


Grande parte dos materiais metálicos deteriora-se com o uso, quando expostos a ambientes oxidantes ou corrosivos. Como não é possível eliminar de todo a corrosão, a melhor maneira de garantir um bom projeto de engenharia está nos processos de controle da corrosão. A corrosão pode ser denida como uma deterioração dos metais provocada por uma reação de oxirredução. Veja novamente a Figura 27. A corrosão eletroquímica acontece, por exemplo, numa pilha do seu rádio ou lanterna. Vamos mostrar a corrosão que ocorre em uma barra de erro na presença de ácido clorídrico (HCl). Com auxílio da Tabela1 – potencial de redução dos elementos químicos, na página ao lado, acompanhe as reações:

Fe2+ + 2e Fe0 E0 =  0,44v

2H+ + 2e H2 E0 =  0,00v

Observe pelas reações que o valor do potencial do hidrogênio em solução (ácida) é maior que a do metal (erro). Logo quem possui maior potencial de redução vai reduzir a outra substância. No entanto, deverá fuir sua equação no sentido da oxidação. Oxidação

Redução

Fe0 Fe2+ + 2e E0 = + 0,44v (inverte a reação)

2H+ + 2e H2 E0 =  0,00v (permanece)

Anodo É o eletrodo no qual há oxidação. Ele perde elétrons (–). Catodo É o eletrodo no qual há redução. Ele recebe elétrons (+) Acompanhe os exemplos. Anodo

Redução

Fe0 Fe2+ + 2e E0 = + 0,44v (inverte a reação)

2H+ + 2e H2 E0 =  0,00v (permanece)

Equação global Fe0 + 2H+Fe2+ + H2

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Figura 28 – Alguns exemplos de materiais corroídos


Aqui ocorreu a corrosão de metal (erro). A ormação de seu íon correspondente indica que o metal passou para sua orma solúvel, ocorrendo portanto o desgaste do material. Veja alguns processos corrosivos de dierentes ormas:

Alveolar Uniorme Placas Esoliação Alveolar Quando a corrosão produz escavações na superície metálica. Uniorme Quando se processa em toda a extensão da superície, ocasionando perda uniorme da espessura do material. Placas Quando não ocorre em toda extensão da superície metálica e sim em regiões da superície, ormando placas com escavações. Esoliação É um tipo de corrosão subsupercial, que se inicia em uma superície limpa, mas se espalha abaixo dela. A corrosão, como oi descrita, ocorre pela a exposição do material em contato com a atmosera. Alguns atores que infuenciam no processo de corrosão são:

Umidade relativa. Substâncias poluentes, como materiais particulados e gases. Fatores como o clima, vento, insolação, chuvas e a temperatura em que se

encontra o material.

Para minimizar os eeitos ocasionados por esses atores, utilizam-se como orma de controle os revestimentos para proteção. Os revestimentos mais utilizados são:

Tintas Esmaltes vítreos Plásticos Películas protetoras Revestimentos metálicos

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As tintas são consideradas o revestimento mais importante, devido à sua impermeabilidade ao ar e à umidade. Geralmente as tintas são misturadas a pigmentos como zarcão, cromato de chumbo e cromato de zinco, que contribuem para a inibição da corrosão.

VOCÊ SABIA?

As indústrias químicas, petrolíeras, petroquímicas, naval, entre outras, devem estabelecer rigorosas ormas de controle dos processos corrosivos nos ambientes de produção, tendo como objetivo os seguintes parâmetros: Redução de custos nas substituições de peças ou equipamentos de produção (substituição de material corroído pode custar relativamente pouco em termos de perda de produção). Perdas do processo na ormação do produto acabado por motivo das diversas ormas de contaminação. Proteção dos uncionários envolvidos, com o objetivo de evitar paralisações acidentais. Perda energética do processo, exigindo maior esorço dos equipamentos e, consequentemente, maior custo do produto inal.


Figura 29 – Corrosão na indústria petrolíera


2.2 QUÍMICA INORGÂNICA A Química Inorgânica estuda os elementos químicos com exceção do carbono, que compete à Química Orgânica. As substâncias inorgânicas são originadas dos minerais, e o número desses compostos é muito grande, sendo, portanto, divididos em quatro unções conorme as suas características.

As quatro unções da Química Inorgânica são: ÁCIDOS

SAIS

BASES

ÓXIDOS


2.2.1 ÁCIDOS Os ácidos são substâncias que apresentam características como: sabor azedo; ormam substâncias aquosas que conduzem eletricidade e podem modicar a cor de certas substâncias. São várias as substâncias que contêm algum tipo de ácido. Um exemplo típico, voltado à área industrial, são as baterias automotivas. Elas são compostas de ácido sulúrico. Os ácidos na indústria química possuem papel undamental na produção de novos materiais. A denição de Arrhenius teoriza que um ácido, em presença de água, orma íons H+ (Veja a Figura 30).

HCI

água

H+ + Cl–


Figura 30 – Dissociação do ácido clorídrico

Os ácidos podem ser classicados de acordo com a presença ou não de oxigênio na sua molécula. Ácidos compostos de oxigênio são chamados de oxiácidos. Ácidos que não possuem oxigênio em sua composição são chamados de hidrácidos.

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H2SO4  Ácido sulúrico oxiácido HCl  Ácido clorídrico hidrácido

NOMENCLATURA DOS ÁCIDOS Hidrácidos Os hidrácidos, ou seja, ácidos que não possuem oxigênio em sua composição, são nomeados da seguinte maneira:

ácido + nome do ânion + ídrico HCl  ácido clorídrico HF  ácido uorídrico HBr  ácido bromídrico

Oxiácidos São ácidos que possuem o oxigênio na ormação de seu composto. Quando o elemento orma apenas um oxiácido, é nomeado da seguinte orma:

ácido + nome do ânion + ico

Quando o elemento orma dois oxiácidos, a nomenclatura é eita de acordo com o NOX do elemento. Quando o elemento está no seu maior NOX, utilizamos a terminação ico, como por exemplo, na molécula de H2SO4. Utilizando os conceitos de NOX previamente estudados, podemos dizer que o enxore (S) possui NOX 6. Neste caso, o enxore está no seu maior NOX, ele está alocado na amília 16, e portanto pode ter no máximo NOX = + 6 . Neste caso, a nomenclatura é:

Ácido sulúrico H2SO4


Quando o elemento está no seu menor NOX, utilizamos a terminação oso, como por exemplo, na molécula de H2SO3. Calculando o NOX do enxore nessa molécula, verica-se que ele apresenta valor igual a 4. Sabendo que o NOX máximo do enxore é 6, podemos concluir que na molécula de H2SO3 o enxore não está no seu maior NOX. Neste caso, a nomenclatura utilizada deverá ser dierente, empregando a terminação oso, conorme o exemplo abaixo:

Ácido suluroso H2SO3

Existem alguns elementos que ormam três ou mais oxiácidos. Neste caso, obedecem a uma nova regra. Observe a nomenclatura de acordo com o NOX. O primeiro exemplo mostra o NOX mais alto e assim sucessivamente.

VOCÊ SABIA?

Ácido + per (nome do ânion) + ico Ácido + nome do ânion + ico Ácido + nome do ânion + oso NOX

Ácido + hipo (nome do ânion) + oso

Os exemplos abaixo demonstram o uso dessas nomenclaturas: HClO4  Cloro no seu maior NOX, valor 7  ácido perclórico HClO3  Cloro no seu segundo maior NOX, valor 5  ácido clórico HClO2  Cloro no seu segundo menor NOX, valor 3  ácido cloroso HClO  Cloro no seu menor NOX, valor 1  ácido hipocloroso

2.2.2 BASES As bases são substâncias que apresentam algumas características essenciais na indústria química. Em geral as bases são tóxicas e corrosivas. Fazem algumas substâncias retornarem à sua cor natural, caso tenham sido alteradas por alguma substância ácida. As bases são condutoras de eletricidade, quando em solução aquosa.

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Para Arrhenius, uma base pode ser denida como um composto que em solução aquosa libera íons OH (hidroxila).

NaOH

H2O

+ Na

+

– OH


Figura 31 – Dissociação do hidróxido de sódio

Em relação à solubilidade em água, as bases podem ser classicadas como:

 Praticamente insolúveis

Pouco solúveis

Solúveis

As bases solúveis são as bases ormadas por metais alcalinos, ou seja, elementos da amília 1, com exceção do hidrogênio. As base pouco solúveis são aquelas compostas por metais da amília 2 ou pelos outros metais. As bases também podem ser classicadas de acordo com o seu grau de ionização, que é o seu grau de dissociação iônica em água. As bases com dissociação de praticamente 100% são chamadas de bases or tes e são compostas por metais da amília 1 e 2. As bases racas são aquelas que apresentam grau de ionização menor que 5% e são ormadas pelos demais metais da tabela periódica.

As bases podem ser classiicadas de acordo com o número de hidroxilas (OH ). O número de hidroxilas de uma base pode variar de um até quatro. Esse número depende do elemento ao qual a base está ligada. O valor do NOX (número de oxidação) para a hidroxila é igual a –1. Como as bases são elementos que não possuem carga, a soma do NOX dos elementos que a compõem tem que ser igual a zero. Observe o exemplo abaixo. VOCÊ SABIA? CaOH 2 Neste caso temos duas hidroxilas. O cálcio está na amília 2, portanto seu NOX é +2. Para que a soma dos NOX seja igual a zero temos que ter duas hidroxilas (OH), partindo do princípio de que cada uma tenha o valor de NOX -1. Logo temos: + 2 + 2 x 1 = 0


NOMENCLATURA DAS BASES Quando um elemento orma apenas uma base (monobásico), possui apenas uma hidroxila. A nomenclatura é eita da seguinte orma:

Hidróxido de + nome do elemento metálico

As monobases são aquelas ormadas por elementos da amília 1. Veja o exemplo abaixo:

NaOH  Hidróxido de sódio

Quando o elemento orma duas bases, (dibásico) utiliza-se a regra do maior e do menor NOX vista anteriormente para os elementos ácidos. Quando o metal estiver no seu maior NOX, utilizaremos o suxo ico; quando o elemento o metal estiver no seu menor NOX, utilizamos o suxo oso.

Maior NOX + ico Menor NOX + oso

O estanho orma duas bases, o SnOH4 e o SnOH2, e está localizado na amília 14, portanto o maior NOX que este elemento pode atingir é + 4. Na base SnOH4, o estanho possui valor de NOX igual a + 4; portanto, para nomeá-la utilizaremos o suxo ico. Observe:

SnOH 4  hidróxido estânico

O estanho na base SnOH 2 apresenta NOX igual a + 2; portanto, nesta molécula ele não está no seu maior NOX, sendo necessário o emprego do suxo oso na nomenclatura.


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A soda cáustica, também conhecida como hidróxido de sódio, é um sólido branco produzido industrialmente por VOCÊ eletrólise e apresenta características tóxicas e corrosivas. SABIA? No que diz respeito à indústria petrolíera, o hidróxido de sódio é utilizado na puriicação dos derivados do petróleo. Na indústria química, o hidróxido de sódio é utilizado na produção de sabão.


Figura 32 – Soda caústica

PROPRIEDADES DOS ÁCIDOS E DAS BASES Vamos vericar algumas dierenças entre os ácidos e as bases no quadro a seguir. PROPRIEDADES

ÁCIDOS

BASES

Estrutura

São moleculares

Família 1 e 2 iônicos e as demais bases moleculares

Solubilidade

Em grande parte são solúveis

Em grande parte insolúveis

Condutividade elétrica

Conduzem corrente em água

Conduzem corrente em água. Os hidróxidos alcalinos iônicos conduzem corrente elétrica quando undidos

Como indicadores

Quando um ácido modica a cor de uma substância, a base az com que aquela substância retome a sua cor inicial

União

A união de um ácido com uma base orma sal e água. A essa reação damos o nome de neutralização

REAÇÕES DE NEUTRALIZAÇÃO Uma reação de neutralização é uma junção entre um ácido e uma base. Os produtos resultantes dessa reação são sal e água. Conra no exemplo a seguir.


HCl + NaOH ácido base



NaCl + H2O sal água

A reação acima representa a união entre o ácido clorídrico (ácido) e o hidróxido de sódio (base). Esta reação tem como produto o sal, cloreto de sódio e uma molécula de água.

MEDIDA DE ACIDEZ E BASICIDADE Para medir a acidez ou a basicidade de uma solução utilizamos uma escala de pH. Essa escala varia de zero a quatorze. Substâncias que apresentam valor de pH menor que 7 são classicadas como ácidas. Substâncias que apresentam valor de pH igual a 7 são denominadas neutras. As que apresentam valor de pH maior que 7 são denominadas básicas. Medir o pH torna-se uma importante erramenta para a indústria. Por meio da aerição do pH podemos controlar o nível de acidez e basicidade das substâncias. Essas características estão diretamente ligadas ao sabor, cor e dissociação dos elementos, como os alimentos, por exemplo. O limão é um exemplo de alimento de características ácidas. Para medir o caráter ácido ou básico de uma substância utilizamos os indicadores de acidez e basicidade. Um teste muito utilizado em laboratório é o papel tornassol (azul e vermelho). O papel tornassol azul mede a acidez das substâncias. Caso as substâncias apresentem características características ácidas, o papel, ao entrar em contato com essas substâncias, torna-se de coloração avermelhada.


Figura 33 – Limão

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60


Um exemplo de substância básica é o leite de magnésia, muito conhecido por todos nós. Neste caso utilizamos o papel tornassol vermelho. Ele identica se a substância apresenta características características básicas. Em contato com a substância básica, o papel tornassol vermelho torna-se de cor azul.


Figura 34 – Leite de magnésia

Para medir o valor de pH utiliza-se uma ta que é comparada a um padrão de acordo com a sua coloração. Cada combinação de cores representa um valor de pH.

2.2.3 SAIS São substâncias em que sua molécula é ormada com pelo menos um cátion OH.. dierente de H+ e 1 ânion dierente de OH

FÓRMULA GERAL Todo sal é ormado por um cátion (X ( X) proveniente da base que o gerou e de um ânion (Y (Y) proveniente do ácido da reação de neutralização. Para colocar os índices embaixo dos elementos na molécula basta vericar o NOX do elemento ao lado. Por exemplo, o NOX do cátion será o índice do ânion e o NOX do ânion será o índice do cátion, conorme o esquema a seguir:

Xb

Ya

logo

Xa Yb


Exemplo

Ca2+

Cl –

CaCl2

Al+3

SO4–2

Al2(SO4 )3

NOMENCLATURA DOS SAIS A nomenclatura dos sais está relacionada com o ácido e a base que o ormaram. Observe o esquema abaixo:

ídrico ÁCIDO

eto

oso

ito

SAL

ico

ato


Todo sal proveniente de um ácido não oxigenado de nomenclatura ídrico terá na nomenclatura do sal correspondente a terminação eto. Sais ormados por ácidos oxigenados em que os ânions encontram-se no seu menor NOX (oso) serão nomeados com a terminação ito. Sais ormados por um ácido de nomenclatura ico, ou seja, que estão no seu maior NOX serão nomeados com a terminação ato. ato. A nomenclatura será eita da seguinte orma:

Nome do ácido de origem

Conra no exemplo ao lado

eto ito ato

de

Nome do cátion oriundo da base

HCl + NaOH  NaCl + H2O

Neste caso o sal (NaCl (NaCl)) é ormado por um ácido não oxigenado, portanto a terminação para o ânion do sal será eto. Observe que o ânion proveniente do sal é o cloro (Cl Cl)) e o cátion proveniente da base é o sódio (Na ( Na).). Assim a nomenclatura deverá ser:

NaCl  Cloreto de sódio


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Carbonato de cálcio CaCO3 O carbonato de cálcio é um importante sal. É comumente enconVOCÊ trado na orma de calcita, calcário e mármore. O uso mais coSABIA? mum na indústria para o carbonato de cálcio é na produção de cal virgem CaO e na produção do cimento. Na agricultura, o carbonato de cálcio é utilizado para reduzir a acidez do solo.


Figura 35 – Carbonato de cálcio

2.2.4 ÓXIDOS Os óxidos podem ser denidos como compostos binários em que o oxigênio é o elemento mais eletronegativo. Obrigatoriamente o oxigênio tem que estar presente para ser óxido. A estrutura de um óxido, ou seja, sua órmula geral é dada da mesma orma que a do sal. O valor do NOX do ânion será o índice do cátion e vice-versa.

Xb

Ya

logo

Xa Yb

CLASSIFICAÇÃO E NOMENCLATURA DOS ÓXIDOS Os óxidos podem ser classicados de acordo com suas características de reação e os produtos provenientes dessas reações. Óxidos básicos São aqueles que, ao reagir com a água, ormam uma base ou reagem com um ácido ormando sal e água.

Na2O + H2O  2 NaOH


A nomenclatura dos óxidos é eita assim:

1 Quando orma só um óxido: Óxido de + nome do elemento Na2O  Óxido de sódio

2 Quando orma mais de um óxido: Utilizase a terminação ico maior NOX e oso menor NOX. Veja os exemplos para o erro: Fe2O3  Óxido érrico

FeO  Óxido erroso


ÓXIDOS ÁCIDOS São óxidos que reagem com a água, produzindo um ácido, ou com uma base, produzindo sal e água.

SO3 + H2O  H2SO4 A nomenclatura dos óxidos ácidos é eita assim: Anidrido + nome do ânion + ico ou oso Veja os exemplos

SO3  Anidrido sulúrico

SO2  Anidrido suluroso

Existem alguns tipos de óxidos que se ormam ou reagem de maneira dierenciada dos óxidos ácidos e básicos: Óxidos neutros São óxidos que, ao contrário dos óxidos ácidos e dos ácidos básicos, não reagem com a água. Estes óxidos também não reagem com compostos ácidos nem com compostos básicos. Óxidos duplos VOCÊ SABIA? São óxidos que apresentam comportamento como se dois óxidos tivessem se unido ormando um só elemento. Peróxidos São óxidos que, ao reagir com a água ou com ácidos diluídos, produzem a água oxigenada.

Pb3O4  2PbO + PbO2

H2O2


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2.3 QUÍMICA ORGÂNICA A Química Orgânica é a parte da Química que estuda os compostos do carbono. Os compostos orgânicos podem ser divididos em orgânicos naturais e sintéticos. Os compostos orgânicos naturais são aqueles provenientes da natureza de orma vegetal ou animal, como o carvão mineral, o petróleo e o gás natural, entre outros. Já os compostos orgânicos sintéticos são aqueles produzidos pelas indústrias químicas, como os medicamentos, entre outros produtos. O carbono é um elemento de número atômico 6 e está localizado na amília 4 A, tendo, portanto, 4 elétrons na sua última camada. Seguindo a regra do octeto, o carbono precisará de 8 ligações para que se torne estável. A Figura 36 apresenta a estrutura de Lewis para o carbono. A Figura 37 apresenta a molécula do metano, em que o carbono encontra-se estabilizado.

Figura 36 – Estrutura de Lewis para o carbono

Figura 37 – Representação da molécula de metano

As quatro valências do carbono são iguais entre si. Somente dierentes tipos de ligante determinam os tipos de compostos ormados. Outras características importantes do carbono:

Forma dierentes tipos de ligação

LIGAÇÕES SIMPLES

LIGAÇÕES DUPLAS

LIGAÇÕES TRIPLAS


Ligase a vários elementos químicos Oxigênio, nitrogênio, enxore, ósoro, cloro, úor, iodo e outros

NO2 H

H

H CL

C

C

H

H H

C

H

H

H

H Br

C

C

H

H H

Forma cadeias

H

H

H

C

CH

CH

C

H

H

H

H

H H

C

C

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H H

C

H

H

H H C

C

C

C

H H

H

H H

H

2.3.1 CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS Veja como as cadeias carbônicas podem ser classicadas:

Aberta ou echada Normal ou ramicada Saturada ou insaturada Homogênea ou heterogênea

C

CH 3

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66


ABERTAS OU FECHADAS Cadeias abertas são aquelas que possuem pontas, também conhecidas como aliáticas. As cadeias echadas são aquelas que ormam ciclos.

Cadeia aberta

H

H H

H H

H H

C

C

C

C

H H

C

H H

C

H

H H

Cadeia echada

H

H

H

C

C

H

H

C

C

H

H

NORMAL OU RAMIFICADA As cadeias carbônicas normais são aquelas que apresentam uma única sequência. As cadeias ramicadas são aquelas que apresentam ramicações. Veja os exemplos:

Cadeia normal

H

H H

H

C

C

C

H H

H

H

Cadeia ramifcada

H

H

H

H

C

C

C

C

H H

H H

H

H


SATURADA OU INSATURADA As cadeias carbônicas classicadas como saturadas são aquelas que apresentam apenas ligações simples entre os carbonos. São insaturadas quando apresentam ligações duplas ou triplas. Observe que, no primeiro exemplo, a cadeia apresenta apenas ligações simples (−); portanto, será classicada como saturada. Já no segundo exemplo apresenta ligação dupla (=), portanto deverá ser considerada insaturada.

Cadeia saturada

H

H H

H

C

C

C

H H

H

H

Cadeia insaturada

H

H H

H

C

C

C

H

H H

HOMOGÊNEA OU HETEROGÊNEA As cadeias carbônicas homogêneas são aquelas em que não existe nenhum átomo dierente do carbono (heteroátomo) entre os carbonos. Na cadeia heterogênea existe um heteroátomo entre os carbonos.

Na página seguinte, conra nos exemplos que, quando o heteroátomo está na ponta da cadeia carbônica, ela será considerada homogênea. Veja que a representação mostra uma cadeia sem heteroátomos; portanto, é classicada como homogênea.


67

68


Cadeia homogênea

H

H H

H

C

C

C

H H

H

H

Cadeia heterogênea Aqui o oxigênio se encontra entre dois carbonos. É uma cadeia heterogênea.

H H

C

H O

H

C

H

H

Aqui o oxigênio está na ponta da cadeia, ele não está entre dois carbonos, é classicada então como cadeia homogênea.

VOCÊ SABIA?

H H H

C

C

O

H

H H

2.3.2 HIDROCARBONETOS São compostos ormados apenas por átomos de carbono, e hidrogênio. O nome hidrocarboneto é justicado:

hidro-hidrogênio

carboneto-carbono

Os hidrocarbonetos podem possuir cadeias abertas ou echadas, saturadas ou insaturadas e normais ou ramicadas. Para cada tipo existe uma nomenclatura e classicação.

ALCANOS E CICLOALCANOS Os alcanos são compostos de cadeia aberta que possuem apenas ligações simples. Os cicloalcanos são compostos de cadeia echada que também só possuem ligações simples, conorme as representações mostradas na página ao lado.


Cicloalcano

Alcano

H

H H

H H

H H

C

C

C

C

H H

C

H H

CH2

C

H

H H

H2C

CH2

H2C

CH2 CH2

NOMENCLATURA QUANTIDADE DE CARBONOS

PREFIXO

QUANTIDADE DE CARBONOS

PREFIXO

1

Met

6

Hex

2

Et

7

Hept

3

Prop

8

Oct

4

But

9

Non

5

Pent

10

Dec

De orma geral, a nomenclatura dos compostos orgânicos é eita utilizando-se um prexo para a quantidade de carbonos presentes na cadeia. Esses prexos são utilizados para todos os compostos orgânicos. O suxo será determinado de acordo com a classicação do composto. No caso dos alcanos utilizamos a terminação ano. Observe a gura.

H

H H

H

C

C

C

H H

H

H

Esta molécula é composta por três carbonos; portanto, seu prexo será prop. Como é composta apenas por ligações simples (alcano) sua terminação será ano, logo: Prop + ano = propano

69

70


No caso dos compostos cíclicos, é preciso colocar a palavra ciclo para indicar que é um composto de cadeia echada. A representação apresenta seis carbonos. Neste caso, por ser uma cadeia echada, a nomenclatura será ciclohexano. Ve ja a conguração:

CH2 2HC

CH2

2HC

CH2 CH2

ALCENOS Os alcenos são compostos de cadeia aberta que possuem ligações simples e ligação do tipo dupla. Sua nomenclatura é eita utilizando os prexos de acordo com a quantidade de carbonos e a terminação eno. A contagem dos carbonos é eita iniciando-se pela extremidade mais próxima da dupla ligação. É necessário que na nomenclatura seja descrito o número em que se encontra a insaturação =.

But1eno 4

3

2

1

C

C

C

CH2

H3 H2 H But2eno 1

C

2

C

3

C

4

CH 3

H3 H H Observe que a contagem em ambos os casos é eita pela extremidade mais próxima da dupla ligação. Todas as duas moléculas possuem quatro carbonos, portanto o prexo será but. No primeiro caso a insaturação está no carbono 1; portanto, but1eno, ou apenas buteno. No segundo caso, a insaturação se encontra no segundo carbono, portanto but2eno.


ALCINOS Os alcinos são compostos de cadeia aberta que possuem ligações simples e ligação do tipo tripla. Sua nomenclatura é eita utilizando os prexos de acordo com a quantidade de carbono e a terminação ino. A contagem dos carbonos é eita iniciando-se pela extremidade mais próxima à tripla ligação. É necessário que na nomenclatura seja descrito o número em que se encontra a insaturação ( ).

H H H

C

C

H C

C

H H

C

H

H

A contagem é eita pela extremidade mais próxima da insaturação. A tripla ligação encontra-se no segundo carbono (da direita para esquerda). Como temos no total cinco carbonos, o prexo será pent. Portanto temos pent2ino.

HIDROCARBONETOS RAMIFICADOS Os hidrocarbonetos, sejam eles alcanos, alcenos, alcinos ou compostos cíclicos, podem apresentar ramicações. Neste caso, é necessário evidenciá-las na nomenclatura; para tanto é necessário colocar o número onde se encontra a ramicação na cadeia carbônica. As ramicações podem ser: metil para um carbono, etil para dois carbonos, propil para três carbonos, butil para quatro carbonos e assim sucessivamente. A cadeia principal sempre será a maior cadeia carbônica, seja ela aberta ou echada. Em caso de haver insaturações além de ramicações, a contagem dos carbonos será eita a partir da extremidade mais próxima da insaturação. No caso dos alcanos, que possuem apenas ligações simples, a contagem deverá ser eita a partir da extremidade mais próxima da ramicação.

Caso existam ramicações iguais na mesma molécula, podemos utilizar para nomeá-las os prexos: di tri tetra Conra, a seguir, quatro exemplos.


71

72


Primeiro exemplo

A cadeia principal está em amarelo. É composta de cinco carbonos ligados apenas por ligações simples (alcanos). Portanto, teremos o prexo pent e a terminação ano. No caso das ramicações que precedem à nomenclatura, estão localizadas nos carbonos 2 e 3. Ambas são do tipo metil, pois são compostas apenas de um carbono cada. Neste caso, este composto será nomeado como 2,3 dimetil pentano. Observe que precisamos colocar os dois números em que estão localizadas as ramicações. O prexo di signica que possuímos duas ramicações do mesmo tipo.

1

2

3

4

5

C

C

C

C

C

H3 CH3 CH3 H2 H3 2,3 dimetil pentano Segundo exemplo

Revela uma cadeia principal composta por sete carbonos, todos com ligações do tipo simples. Portanto, a cadeia principal terá como prexo hept e o suxo ano. A contagem deverá ser eita da esquerda para a direita, pois as ramicações estão mais próximas da extremidade da esquerda. Temos duas ramicações do tipo metil nos carbonos 2 e 6 e uma ramicação do tipo etil localizada no carbono 3. Logo a nomenclatura cará assim:

2,6 dimetil3 etilheptano

C H3

CH3 H

H

H

CH3

C

C

C

C

C

C

HH

H

H

H

CH 3

CH3 Terceiro exemplo

Demonstra uma cadeia principal composta por seis carbonos e contendo uma ligação dupla = alceno. Portanto, a cadeia principal terá como prexo hex e como suxo eno, lembrando que a dupla ligação está no carbono 2. No caso das ramicações temos uma ramicação do tipo metil no carbono 2 e uma ramicação do tipo etil no carbono 4. Veja a ramicação:

1

4etil2metilhex2eno

C

2

C

3

C

H3 CH3 H

H C

4

5

C

CH2 H2 CH3

6

CH 3


Quarto exemplo

Demonstra uma cadeia principal com seis carbonos e uma insaturação dupla no carbono 2. A ramicação é do tipo metil e está localizada no carbono 5. Conra a nomenclatura ao lado:

73

5metilhex2eno

H C

C

C

H3 CH3 H2 H

H

H3

C

C

C

HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS São compostos que possuem em sua órmula estrutural pelo menos um anel benzênico na molécula.

H C H C

C H

H C

C H C H

A melhor orma de obtenção dos compostos aromáticos em produção industrial é por meio da hulha (variedade de carvão mineral) em processos especiais de destilação. Esses hidrocarbonetos não seguem uma norma xa em sua nomenclatura, sendo usualmente adotados os nomes comerciais. Os compostos aromáticos apresentam propriedades químicas semelhantes às dos hidrocarbonetos, possuindo seu ponto de usão um pouco mais elevado, já que suas moléculas são planas, o que permite maior interação intermolecular.

Aqui estão alguns exemplos de compostos aromáticos

Benzeno

Fenil benzeno Dienilo

CH3

Antraceno

1,2Dimetil benzeno Ortodimetil benzeno 2Metil tolueno

Fenantreno

H

CH3 H3C

Metil benzeno Tolueno

Nataleno

H3C H3C

C

H CH3

C

CH3

CH3

1,4Dimetil benzeno Paradimetil benzeno 4Metil tolueno

Isopropil benzeno Cumeno

Vinil benzeno Estireno


74


O PETRÓLEO E OS HIDROCARBONETOS O petróleo é uma substância ormada por uma mistura de diversos compostos orgânicos. Dentre eles estão compostos mais complexos, em que os elementos enxore e nitrogênio estão presentes e são responsáveis pela poluição liberada na queima de alguns combustíveis, como por exemplo a gasolina e o diesel. Os principais componentes do petróleo são os alcanos.

O GÁS NATURAL O gás natural é uma mistura de gases em que o metano (CH4) tem uma composição acima de 70%. Os demais gases que compõem o gás natural são H2S, CO2, NO2, entre outros. O gás natural, assim como o petróleo, são encontrados em locais subterrâneos denominados jazidas. No Brasil, as reservas de gás natural estão localizadas principalmente em Santos e em Campos.

Como combustível, o gás natural se destaca pelo seu alto poder caloríco e por ser menos poluente do que os combustíveis derivados do petróleo.


2.3.3 FUNÇÕES OXIGENADAS Dierentemente dos hidrocarbonetos, as unções orgânicas oxigenadas não possuem apenas carbono e hidrogênio em sua composição; possuem também átomos de oxigênio. Em relação à nomenclatura, podemos destacar que os prexos utilizados para os hidrocarbonetos são utilizados para todas as unções oxigenadas.

ÁLCOOL São compostos orgânicos que possuem uma ou mais hidroxilas (OH) ligadas a carbonos saturados, ou seja, que azem ligações simples. A nomenclatura destes compostos é dada de orma que numeramos a cadeia carbônica a partir da extremidade onde está ligado o grupo uncional. Numeramos apenas os carbonos. A terminação para o álcool é ol. Neste caso também é preciso indicar em qual carbono está ligada a hidroxila e evidenciá-la na nomenclatura. Conra nos exemplos 1 e 2.


Nesta molécula (exemplo 1) temos dois carbonos e a hidroxila está ligada ao primeiro carbono. O nome deste composto é etano1ol. É etano porque temos dois carbonos na cadeia, ano por ter apenas ligações simples entre carbonos e ol porque se trata de um álcool, que por sua vez está localizado no carbono 1.

Exemplo 1

H H H

C

C

OH

H H

Neste caso (exemplo 2) temos três carbonos e a hidroxila está ligada ao carbono 2. O nome deste composto é pro pano2ol. Prop porque se trata de uma molécula com três carbonos, ano porque as ligações entre os carbonos são do tipo simples e olporque se trata de um álcool OH, que por sua vez está ligado ao segundo carbono.

Exemplo 2

H

H H

H

C

C

C

H

H OH H


O grupo uncional que representa o álcool é ROH, em que R é uma cadeia carbônica saturada.

O etanol é o composto mais importante dos álcoois. Pode VOCÊ ser utilizado na limpeza doméstica, como solvente indusSABIA? trial e principalmente como combustível. No Brasil, o álcool é obtido pelo processo de ermentação da cana-de-açúcar.

FENOL São compostos orgânicos oxigenados em que a hidroxila OH está ligada diretamente ao anel aromático. A nomenclatura destes compostos é eita de orma dierente. Utilizamos à palavra hidroxi para designar a hidroxila.

Caso a molécula possua ramicações, a contagem de carbonos será eita a partir do carbono em que a hidroxila estiver diretamente ligada.


75

76


A molécula do exemplo 1 é chamada de hidroxibenzeno. Hidroxi devido à hidroxila e benzeno, pois o composto aromático é o benzeno. Na molécula do exemplo 2 temos uma ramicação do tipo metil. Neste caso, ela também ará parte da nomenclatura. A contagem dos carbonos é eita a partir do carbono a que a hidroxila (OH) está ligada. A nomenclatura é 2metil1hidroxibenzeno. Observe que a ramicação está ligada ao segundo carbono. Exemplo 1

Exemplo 2

OH

CH3 3 4

2

5

1

OH

6

ÉTER Os éteres são compostos orgânicos em que o oxigênio está ligado a duas cadeias carbônicas ao mesmo tempo, ou seja o oxigênio está entre dois carbonos. A nomenclatura é eita nomeando-se primeiro o menor grupo acrescentando a palavra oxi e depois se nomeia o segundo grupo utilizando a regra dos hidrocarbonetos. Acompanhe os exemplos 1 e 2. No exemplo 1, ambas as cadeias carbônicas são compostas de apenas um carbono. Neste caso, o prexo utilizado será met. A nomenclatura deste composto é metóximetano. Met por só ter um carbono, oxi por ser um éter e metano porque o segundo grupo é um hidrocarboneto de cadeia simples (alcano) composto por apenas um carbono. No exemplo 2, temos duas cadeias carbônicas, uma com um carbono e outra com dois carbonos. Seguindo a regra, temos a nomenclatura metóxietano. Menor grupo + oxi seguido do nome do segundo grupo. Prexo met porque o menor grupo possui apenas 1 carbono e prexo et para o segundo grupo por ter dois carbonos. A cadeia é saturada, por isso a terminação ano. Exemplo 1

H H

C H

Exemplo 2

H O

C H

H

H

H

H

C

C

H

H

O

CH 3

O grupo uncional que representa o éter é ROR’, em que R e R’ são cadeias carbônicas saturadas iguais ou dierentes.



ALDEÍDOS São compostos orgânicos em que um carbono da extremidade az uma dupla ligação com o oxigênio e uma ligação simples com o hidrogênio. No exemplo 1, a nomenclatura é eita contando os carbonos a partir do carbono do grupo uncional e a terminação utilizada é al. Caso a cadeia possua ramicações, é necessário que ela seja identicada na nomenclatura. Et porque só temos dois carbonos e al por ser uma molécula de aldeído. No exemplo 2, metil porque a ramicação só possui um carbono e está localizada no carbono 2, prop porque a cadeia principal possui três carbonos e al por ser um aldeído. Exemplo 1

H H

C

Exemplo 2

H C

H O

H

H

H

C

C

O grupo uncional que representa o aldeído é

H C

H H C H

H

O

CHO ou R C

em que R é uma cadeia carbônica.

H Etanal

O

2metilpropanal

CETONA São compostos que possuem uma carbonila C = O entre carbonos. A nomenclatura é eita contando os carbonos a partir do carbono que está na extremidade mais próxima do grupo uncional e a terminação utilizada é ona. Caso a cadeia possua ramicações, é necessário que ela seja identicada na nomenclatura. A molécula mostrada como exemplo é identicada como propan2ona; prop por ter três carbonos na cadeia principal e 2ona por ser cetona e se localizar no segundo carbono. Exemplo

Veja no exemplo ao lado. O grupo uncional que representa a cetona é C = O.


H

H

O H

C

C

H

C H

H


77

78


ÁCIDO CARBOXÍLICO Os ácidos carboxílicos são compostos orgânicos oxigenados que se caracterizam por conter em sua molécula o grupamento COOH na cadeia carbônica. A nomenclatura destes compostos é eita de orma que a contagem inicia-se pelo carbono do grupo uncional (carboxila). A terminação utilizada é oico. Caso haja ramicação, ela deve ser expressa na nomenclatura. Por ser um ácido, a palavra ácido também consta na nomenclatura. A seguir veja dois exemplos. No exemplo 1, a nomenclatura é assim descrita, pois ácido representa uma molécula de caráter ácido. O prexo pent corresponde à quantidade de cinco carbonos e oico por ser um ácido carboxílico.

Exemplo 1

H

O grupo uncional que representa o ácido carboxílico é O COOH ou

C

H

H

H

C

C

C

C

H

H H

H

O C OH

Ácido pentanoico

No exemplo 2, a palavra ácido caracteriza a molécula, 3 metil representa a ramicação que está ligada ao carbono 3 da cadeia principal e oico por ser um ácido carboxílico. a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

H

Exemplo 2

H H

C

4

H H 3

C

2

1

C

C

H CH3 H

H

O OH

Ácido 3metilbutanoico

OH

ÉSTERES Os ésteres são compostos orgânicos ormados por meio da troca do hidrogênio no grupamento carboxila por uma cadeira carbônica aberta ou echada.

A nomenclatura dos ésteres é assim representada: Primeiro grupo + ato + segundo grupo + ila Acompanhe o exemplo 1, Etanoato de metila e o exemplo 2, Benzoato de metila, mostrados na página ao lado.



Exemplo 1

H

H

H

C

C

H

H

O O

H C

H

H Etanoato de metila

Exemplo 2

O

H O

C

H

H Benzoato de metila

Veja no exemplo1: etano porque o primeiro grupo apresenta dois carbonos e apenas ligações simples entre os carbonos; + ato, que indica o éster, met por ter apenas um carbono no segundo grupo + ila que representa a nomenclatura do éster. No exemplo 2, benzoato porque o primeiro grupo é constituído pelo aromático benzeno + ato, que representa a nomenclatura do éster, met porque o segundo grupo apresenta apenas um carbono e ila, que também representa a nomenclatura do éster.

2.3.4 COMPOSTOS NITROGENADOS

AMINAS São compostos que possuem origem nos derivados da molécula de amônia (NH3), quando temos a substituição de um ou mais hidrogênios ligados à molécula por um hidrocarboneto.

Primárias

H

H

H

C

C

H

H

H AMINAS

Secundárias

Terciárias

H

H

NH2

H

H

C

N

C

C

H

H

H

H

H

H

C

C

H

H

H

H H N

C

C

H H

H


79

80


Segundo a IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada), a nomenclatura estabelecida, coloca como terminação a palavra amina. Veja os exemplos:

H

H H

H

H

H

C

C

H

H H

H

C

N

C

C

H

H

H

H

H

H

C

C

H

H

NH2

Etilamina

H

Etil-metilamina

H H N

C

C

H

Fenil-dietilamina

H H


AMIDAS São compostos derivados do ácido carboxílico por substituição do grupo oxidrila OH pelo grupo NH2. Sua nomenclatura recomenda colocar a palavra amida após o hidrocarboneto correspondente. Conra nos exemplos: Exemplo 1

Propanoamida

H

H

H

C

C

H

H

O C NH2

Exemplo 2

n,ndietilpropanoamida

H

H

H

C

C

H

H

O C N

H C

CH2 H CH3

CH3


NITRILOS Apresentam o grupo uncional  C N; sua nomenclatura; possui a terminação nitrilo com o hidrocarboneto correspondente. É também empregado o prexo cianeto em sua nomenclatura. Propanonitrilo ou Cianeto de etila

H

H

H

C

C

H

H

C

N

NITROCOMPOSTOS São ormados pelo grupo uncional denominado nitro (NO2). A IUPAC recomenda o emprego do prexo nitro na nomenclatura desses compostos. Exemplo 1

H

H

H

C

C

H

H

NO2

Nitro etano

2.4 ESTUDO DOS GASES O estudo dos gases possibilita a você compreender a relação desses gases e a aplicação correta das variáveis de processo como pressão, temperatura e nível. Permite também um entendimento maior das tecnologias atualmente aplicadas no processo de extração e produção de gás natural e de outras rações gasosas do petróleo.

O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos que têm origem na decomposição da matéria orgânica.


81

82


2.4.1 VARIÁVEIS DE ESTADO DE UM GÁS PRESSÃO É uma grandeza que relaciona a orça aplicada a uma superície. A colisão entre as moléculas do gás em determinado recipiente recipiente gera uma orça resultante derelativa, pois leva em consideração a pressão atmosérica lonominada pressão relativa, cal. Portanto, Portanto, a pressão medida de um gás em uma tubulação pode ser chamada de pressão relativa ou manométrica.

Pressão absoluta Grau de vácuo Pressão de vácuo

Pressão manométrica Pressão diferencial

Pressão diferencial

Vácuo perfeito


Pressão atmosférica Figura 38 – Relação entre as grandezas de pressão

atm,, centímetro de merA pressão de um gás pode ser medida em atmosera atm mmHg.. cúrio cmHg e milímetro de mercúrio mmHg CONVERSÃO DE UNIDADES – PRESSÃO Unidade

Símbolo

Equivelência

Pascal

Pa

= 1 N.m–2 = 1 kg.m–1.s–2

Atmosera

atm

= 101325 Pa = 101325 N.m–2

Bar

bar

= 105 Pa

Torricelli

Torr

= (101325/760) Pa ~ 133,323 Pa

Milímetro de mercúrio (convencional)

mmHg

= 1 torr

Libra por polegada quadrada

psi

~ 6,894 757 x 103 Pa

Milímetro de água

mmH2O

~ 9,859 503 Pa


TEMPERATURA É a medida da energia cinética ou grau de liberdade que as moléculas possuem em um sistema equilibrado. A transerência de energia térmica entre os corpos possibilita a elaboração de diversos tipos de escala, resultando nas mais variadas v ariadas ormas de medi-la: escalas Celcius, Fahrenheit, Fahrenheit, Kelvin, Rankine entre outras. Em trabalhos cientícos, o Kelvin é adotado de orma unânime, principalmenprincipalmente por apresentar teoricamente seu valor absoluto.

Corpo sem energia alguma = 0 K

VOCÊ SABIA?

Nem sempre o aumento da temperatura está diretamente relacionado ao aumento de energia, como, por exemplo, nas mudanças de estado ísico.

Temperatura F TE

D

E Quantidade de calor absorvido

TF

B

C

A


Figura 39 – Curva dos pontos de usão e ebulição da água

Cada trecho no diagrama indica: AB  Somente sólido BC  Sólido em usão + líquido CD  Líquido DE  Líquido em ebulição + vapor EF  Vapor TF  Temperatura de usão TE  Temperatura de ebulição

Neste caso vericamos a presença de calor sensível (com variação de temperatura) e calor latente (sem variação de temperatura, porém propiciando a mudança de estado ísico)


83

84


CONVERSÃO DE UNIDADES – TEMPERATURA

ºC 5

=

ºR 4

=

ºF  Graus Fahrenheit ºC  Graus Célsius ou Centígrados ºR  Graus Rankine ou Réaumur

ºF  32 = K  273 9

5

K  Kelvin

VOLUME Toda matéria ocupa lugar no espaço. Portanto, a medida da quantidade de espaço ocupado por um sólido, líquido ou gás poderá ser avaliada em unidades como cm3, m3, in3, entre outras unidades. A unidade de medida de volume no Sistema Internacional de Unidades é o metro cúbico (m (m3), sendo também aceito o litro (L). CONVERSÃO DE UNIDADES – VOLUME Unidade

Símbolo

Equivelência

metro cúbico

m3

= 1m3

litro

l, L, l

= dm³ = 10–3m3

lambda

λ

= μl = 10–6d87m3

barril (US)

US-bl

~ 158,987dm3

galão (US)

US-gal

= 3,78541dm3

galão (UK)

B-gal

= 4,546 09dm3

O aparelho utilizado para medir a densidade dos materiais é o densímetro. Esse aparelho pode ser VOCÊ encontrado SABIA? com acilidade nos postos de gasolina; tem a inalidade de medir a densidade do álcool que está sendo vendido.


Figura 40 – Densímetro de posto de combustíveis


2.4.2 TRANSFORMAÇÕES COM MASSA GASOSA FIXA Transormações gasosas podem ocorrer em uma massa constante, quando aplicamos valores dierentes às variáveis deste gás. Chamamos de gás ideal ou gás pereito o modelo teórico que obedece às equações:

Onde: p = pressão p.V = k T

V = volume e

p . V = n . R .T

T = temperatura K = constante n = número de mol R = constante geral dos gases

Na prática, temos gases reais. Um gás real tende para o gás ideal quando a pressão tende a zero e a temperatura se eleva. Submetendo um gás a qualquer variação, suas condições iniciais e nais serão dadas pelas equações:

P1 . V1 = k 1 T1

e

P2 . V2 = k 2 T2

Como a mesma quantidade de gás, as constantes k 1 e k 2 são iguais, temos:

k 1 = k 2



P1 . V1 P2 . V2 = T1 T2

Como você vericou, constatamos aqui que o volume é inversamente proporcional à pressão e diretamente proporcional à temperatura.


85

86


Transormações isotérmicas Ocorrem sem alteração da temperatura do respectivo gás (Lei de Boyle e Mariotte):

P1 . V1 = P2 . V2 = K

Transormações isobáricas Ocorrem sem alteração da pressão. É conhecida como a Lei de Charles e Gay-Lussac.

V1 V = 2 T1 T2

Transormações isocóricas Ocorrem sem alteração do volume. É conhecida como a Segunda Lei de Charles e Gay-Lussac.

P1 P = 2 T1 T2

As equações acima se aplicam somente para massas xas do respectivo gás e em condições ideais.


O ísico e químico inglês John Dalton (1766-1844), criador da teoria atômica, publicou o artigo Absorção de g ases pela água e outros líquidos , estabelecendo o princípio básico de sua teoria: A pressão total de uma mistura de gases é igual à soma VOCÊ das pressões parciais dos gases que a constituem SABIA? A pressão parcial, nesse caso, seria a pressão de cada gás individualmente. Com base nessa teoria, criou a Teoria de Dalton, na qual constatou que os átomos de determinado elemento eram iguais e de peso invariável, concluindo que átomos de dierentes elementos são dierentes entre si.


2.4.3 CONDIÇÕES NORMAIS DE TEMPERATURA E PRESSÃO (CNTP) Um gás encontra-se nas CNTP quando suas variáveis possuem os valores:

p = 1 atm

ou

760mmHg

T = 00C

ou

273K

2.4.4 EQUAÇÃO DE CLAPEYRON Podemos calcular uma constante universal para os gases ideais, sabendo que as transormações das variáveis do estado do gás geram um valor único para as unidades correspondentes.

R = 0,082

atm. L mol . K

R = 8,31

1 mol . K

R=

2cal mol . K

R = 62,3mmHg . L / K . mol Esta constante oi calculada relacionando uma massa fxa de gás 1 mol e justifcando o uso da expressão: P.V=n. R.T

Exemplo

Em uma bombona de 50 litros são colocados 5 mol de um gás pereito à temperatura de 300K. Qual a pressão exercida pelo gás nessas condições?

R = 0,082 atm . L / K . mol

Resolução n = 5 mol V = 50L

n.R.T p= V

T = 300 K p.V=n. R.T

p=

5 . 0,082 . 300 = 2,46 atm 50

Devemos aplicar a constante universal que corresponda a unidades usadas pelas variáveis de estado.

87

88


2.4.5 HIPÓTESE DE AVOGADRO Reconhecendo que dierentes tipos de moléculas gasosas possuem dierentes massas, Amedeo Avogadro elaborou a lei conhecida como Hipótese de Avogadro: Volumes iguais de dierentes gases, nas mesmas condições de temperatura e pressão, possuem a mesma quantidade de matéria Volume molar É o volume ocupado por 1 mol de qualquer gás nas CNTP (condições normais de temperatura e pressão), ou seja, na temperatura de 273K e 1 atm de pressão.

22,4L / mol

2.4.6 MISTURA DE GASES A maior parte dos sistemas gasosos naturais encontra-se na orma de misturas, principalmente por possuírem miscibilidade, independente da proporção dos ormadores da mistura. Pressão parcial Conhecida como Lei de Dalton das pressões parciais . A pressão de um sistema corresponde à soma das pressões exercidas pelos componentes da mistura Como a massa de um gás ocupa um volume constante, podemos relacionar a pressão total e parcial com a ração molar do respectivo gás.

PTotal = P1 + P2 + ...

P1 = PTotal . X1

Volume parcial É o volume que o gás ocuparia sob a infuência da pressão total da mistura gasosa e sob a mesma temperatura; é a Lei de Amagat .

VTotal = VA + VB + ... + V N

VA = XA . VT

XA =

nA nTotal

P . VT = nT . RT


O volume parcial de cada gás da mistura corresponde proporcionalmente à quantidade de matéria do gás (número de mol), sendo uma relação do volume ocupado por um dos componentes e o volume total. Temos a mesma relação de sua ração molar (XA).

Cálculo de combustíveis gasosos Quando uma combustão em que tanto os reagentes quanto os produtos de uma reação encontram-se em seu estado gasoso, temos maior acilidade para calcular por meio da estequiometria em volume, utilizando a equação dos gases pereitos.

P1 . V1 P2 . V2 = T1 T2

VOCÊ SABIA?

A combustão do gás propano obedece à estequiometria da reação para as mesmas condições de temperatura e pressão. C3H8 + 5O2  3CO2 + 4H2O

Nesta reação, as proporções molares 1:5 e 3:4 não dependem das condições de temperatura e pressão, pois utilizam a unidade química de quantidade de matéria (mol), ou seja, está diretamente relacionada a sua massa.

2.4.7 DENSIDADE DOS GASES, DIFUSÃO E EFUSÃO DE GASES DENSIDADE ABSOLUTA A densidade absoluta de um gás é o quociente entre a massa e o volume desse gás, avaliado segundo a sua temperatura e pressão. Podemos deduzir a densidade absoluta de um gás aplicando a equação de estado dos gases ideais:

Onde: P = Pressão V = Volume m = massa P.V=n. R.T

ou

P.V=

m R .T MM

R = Constante do gás T = Temperatura MM = Massa molecular n = Número de real

89

90


Em termos gerais, sendo a densidade a razão entre a massa e seu volume, temos:

Onde: P = Pressão PM m = RT V

MM = Massa molecular

A unidade usada é g / L

R = Constante dos gases

m = massa em gramas T = Temperatura V = Volume

DENSIDADE RELATIVA É dada pela relação entre suas densidades absolutas.

PMA dA = RT

PMB dB = RT

Onde: P = Pressão d = Densidade

dA PMA/RT = dB PMB/RT dA MA = dB MB

MM = Massa molecular R = Constante dos gases T = Temperatura

Podemos concluir, por estas relações, que quanto maior or a massa molar de um gás, maior será sua densidade.

DIFUSÃO E EFUSÃO DOS GASES Diusão Miscibilidade espontânea

Eusão Passagem de um gás por pequenos oriícios

Por meio de resultados experimentais, o ísico inglês Graham, em 1928, estabeleceu a seguinte relação matemática:

v1 = v2

d2 d1

Onde: v = Velocidade d = Densidade

A velocidade de diusão e eusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua densidade


Para a mesma pressão e temperatura, a relação entre as densidades de dois gases é igual à relação entre suas massas molares.

No Brasil, o I NMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia tem como uma de suas competências:

SAIBA MAIS

Veriicar a observância das normas técnicas e legais no que se reere às unidades de medidas, métodos de medição, medidas materializadas, instrumentos de medição e produtos pré-medidos O INMETRO possui um laboratório de análise de gases e atua no desenvolvimento de novas metodologias analíticas para o processo de certiicação de misturas gasosas a partir de padrões primários de reerência (Padrões Primários de Misturas Gasosas – PPMG), trabalhando em linhas de pesquisa e ensaios de proiciência.

Entre no site do INMETRO e aça sua pesquisa. www.inmetro.gov.br



Figura 41 – Página do INMETRO na internet

91

92


CASOS E RELATOS

SUSTENTABILIDADE APLICADA A água extraída em grandes campos petrolíeros durante muito tempo oi desperdiçada, não sendo possível aproveitar as suas inúmeras aplicabilidades nos processos industriais. A reutilização da água, hoje, é uma realidade, e seu aproveitamento na geração de vapor permite processos com melhor resultado, principalmente quando usadas para retirar o óleo altamente viscoso dos depósitos rochosos onde o encontramos. A qualidade da água usada nesses processos deve ser rigorosamente monitorada, a m de evitar problemas de incrustações provocados por sais insolúveis ormados principalmente por cálcio e magnésio e processos corrosivos devido à condutividade da água, acidez e outros parâmetros que devem ser controlados. Mesmo exigindo ormas de controle, o aproveitamento dessa água permite uma diminuição signicativa do uso da água que possui parâmetros de potabilidade (própria para consumo humano), o que gera beneícios para toda a sociedade, de orma a contribuir no ciclo de sustentabilidade no qual todos devem estar envolvidos com seu uso consciente de orma eciente, permitindo um uturo digno com água de qualidade para todos. Muitos estudos ainda são realizados para que seu aproveitamento possa ser eito em outras áreas, como por exemplo na agricultura, dependendo da avaliação completa de seu impacto sobre o ser humano, proporcionando um consumo com qualidade e segurança.

A QUÍMICA DA ÁGUA NOS PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Todas as indústrias que trabalham com calor, utilizando a água como veículo na transerência de energia, dependem diretamente que os parâmetros químicos dessa água atendam a especicações que evitem problemas. Esses problemas são: entupimento das tubulações de vazão, oxidação dos materiais metálicos dos equipamentos envolvidos no processo, condutividade elétrica e aumento ou redução descontrolada da condutividade gerada pelos equipamentos.


Esses problemas podem ocasionar acidentes perigosos em locais de trabalho como, plataormas de petróleo, indústrias de polímeros, entre outros.

Veja alguns exemplos de parâmetros de controle em água de processo em caldeiras e rerigeração:

Condutividade Dureza pH


Condutividade Alguns íons, como os cloretos (Cl) em solução aquosa, permitem o aumento do fuxo de elétrons em solução, tornando a solução mais condutora e aumentando os processos, como os de corrosão. Dureza Também chamada de água dura. Este controle é eetuado vericando-se a redução de íons de cálcio e magnésio em solução. Estes são responsáveis pela ormação de incrustações em tubulações, diminuindo a capacidade de fuxo de e aumentando o risco de explosão da caldeira em vale. pH O potencial hidrogeniônico (pH) é controlado evitando reações paralelas ou mesmo a solubilização dos metais que participam da instrumentação de análise e de processo. Outras importantes análises são eetuadas, como: alcalinidade, osatos, sílica entre outros, em que a compreensão desses parâmetros químicos pelo analista e pelo operador é de grande importância na redução dos riscos inerentes ao processo. Plataormas de petróleo, renarias e indústrias devem obrigatoriamente controlar a qualidade da água de seus processos. Isso evita acidentes que possam contaminar o meio ambiente e gerar prejuízo para a sociedade. Na página seguinte você vai encontrar o texto RECAPITULANDO , sobre o capítulo que você acabou de estudar.

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94


RECAPITULANDO

Partículas negativas  elétrons Partículas positivas  prótons Partículas sem cargas  nêutrons Ligação iônica Há transerência denitiva do elétron de um elemento para o outro. Ligação covalente Há o compartilhamento dos elétrons. Ligação metálica Os elementos metálicos possuem elétrons “soltos”, ou seja, “livres”. Esta nuvem de elétrons mantém os átomos dos elementos metálicos unidos, ormando assim a ligação metálica. Balanceamento de reação Balancear uma reação signica equilibrar os coecientes de uma reação. A quantidade de um mesmo elemento no reagente deve ser igual no produto. Reagente limitante É o reagente que delimita a reação. É aquele que é consumido primeiro no processo. Corrosão A corrosão pode ser denida como uma deterioração dos metais provocada por uma reação de oxirredução. Oxirredução Reação em que há perda e ganho de elétrons. Química orgânica A Química Orgânica é a parte da Química que estuda os compostos do carbono. Os compostos orgânicos podem ser divididos em orgânicos naturais e sintéticos. Alcanos São os hidrocarbonetos mais encontrados no petróleo.


Anotações:

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Petróleo, gás e seus derivados

3 O2 Fotosíntese

CO2 Atmosfera

Combustão

Difusão

Rochas sedimentares Petróleo


Figura 42 – Ciclo do gás carbônico

Na Química estudamos o amplo contexto das substâncias ormadoras da mistura de hidrocarbonetos (petróleo), desde a origem de seus compostos aos dierentes processos químicos de menor ou maior complexidade, sendo aplicado como matéria-prima ou mesmo como produto acabado. Para compreender de orma adequada o comportamento químico das diversas substâncias presentes no petróleo, sua origem, seu processo de reno e sua utilização em processos industriais, aremos uma introdução à Química do Carbono. Inicialmente oi chamada de Química Orgânica, pois seus compostos eram inicialmente encontrados em organismos vivos. Atualmente, mais de 9 milhões de substâncias orgânicas são conhecidas pelo homem, devido às inúmeras propriedades do carbono Milhares de compostos orgânicos e inorgânicos apresentam o elemento carbono em suas estruturas moleculares. É o composto mais abundante na atmosera, sendo solúvel em água na orma de CO2, atuando no ciclo do carbono por diusão (troca da água do mar com a atmosera).

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Nas atividades biológicas, os compostos orgânicos são quebrados, liberando CO2, que no processo de otossíntese é convertido novamente em carbono (C) inorgânico. A decomposição e oxidação dos organismos vivos, quando soterrados, geram a ormação de combustíveis ósseis (carvão ou petróleo), reinserindo-os no ciclo de ormação do carbono.

Ciclos biogeoquimicos Os processos naturais que envolvem dierentes substâncias químicas em processos ísicos, químicos e biológicos permiVOCÊ tem o equilíbrio da concentração deles na Terra e são unSABIA? damentais para a compreensão do nosso meio ambiente, e levam o homem a ter uma interação sem prejuízo, respeitando princípios de sustentabilidade. A água, o carbono, o oxigênio, o ósoro e outros elementos são exemplos de substâncias que participam desses processos naturais.


Figura 43 – Representação de meio ambiente e sustentabilidade

3.1 GEOLOGIA DO PETRÓLEO A aplicação conjunta dos procedimentos técnicos e cientícos da Geologia (ciência que estuda a Terra, sua composição, estrutura e propriedades ísico-químicas) com técnicas diversas relacionadas à busca do petróleo e seus derivados permite o estudo de aspectos particulares relacionados à exploração dos dierentes tipos de petróleo associados à origem dos reservatórios. As bacias sedimentares (depressões da superície terrestre) evidenciam que o petróleo pode ter sido ormado pela transormação da matéria orgânica proveniente da superície e depositada na orma de sedimentos em regiões onde não há a presença de oxigênio. Depois de milhares de anos após as reativações tectônicas ocorre a ascensão dos hidrocarbonetos, que, em presença de bactérias, interagem ormando os diversos tipos de óleos (leves e pesados).

3 PETRÓLEO, GÁS E SEUS DERIVADOS

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Confra os principais aspectos avaliados em bacias sedimentares para exploração do petróleo Rocha reservatório ou rocha onte Local de acúmulo ormado por rochas porosas e permeáveis, permitindo sua extração.

Selo ou rocha selante Unidade de baixa permeabilidade, que impede o fuxo de hidrocarbonetos da rocha reservatório.

Trapa Justaposição entre a rocha reservatório e a rocha selante que impede a uga do hidrocarboneto do reservatório de origem (característica estrutural).

Tempo Cronologia e histórico do processo.

Maturação Avaliação histórica termal da rocha onte, cronologia da geração e expulsão dos hidrocarbonetos existentes.

Migração Estudo do movimento dos hidrocarbonetos na rocha onte para uma área em particular.

Todas as características ísicas de um reservatório são de undamental importância na exploração dos hidrocarbonetos existentes. Elas permitem maior controle dos aspectos econômicos da exploração e principalmente avaliam os riscos ambientais inerentes ao processo, o que permite prever possíveis danos e minimizá-los. A Figura 52 mostra que a Geologia estudada exige dierentes ormas de trabalhar a extração de petróleo para um melhor aproveitamento.

1 Reservatório esgotado de

petróleo e gás

3

4

1

2

5

2 Uso orçado de gás carbônico na

recuperação de petróleo e gás 3 Formação de salinas proundas – ofshore 4 Formação de salinas proundas – onshore 5 Uso de gás carbônico na maior

recuperação de metano em leito de carvão Petróleo ou gás produzido a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

Injeção de gás carbônico Armazenamento de gás carbônico Figura 44 – Opções de armazenamento do petróleo e gás

100


3.2 COMPOSIÇÃO DO PETRÓLEO É um líquido escuro de composição indenida, em que a mistura de hidrocarbonetos está mais associada à sua ormação geológica. Quimicamente constitui-se de uma mistura de de compostos orgânicos (principalmente alcanos de cadeia linear), aliáticos, alicíclicos e aromáticos. Podemos expressar sua composição a partir dos elementos que são obtidos em sua destilação ou racionamento. Outras composições menores também podem ser encontradas, como enxore, nitrogênio, oxigênio e metais. A Tabela 1 mostra a composição média do petróleo cru típico em teor percentual com os elementos químicos correspondentes. Tabela 2  Composição química do petróleo Hidrogênio

11-14%

Carbono

83-87%

Enxore

0,06-8%

Nitrogênio

0,11-1,7%

Oxigênio

0,1-2%

Metais (Fe, Ni, V, entre outro)

até 0,3%

Fonte: Fundamentos do Reno de Petróleo – Tecnologia e Economia.

PRINCIPAIS COMPONENTES DO ÓLEO BRUTO Parafnas Hidrocarbonetos lineares ou ramicados, de órmula geral Cn H2n + 2, geralmente com até 20 átomos de carbono. Exemplo

Metano, etano, propano, butano, isobutano, pentano, hexano, heptano, n-octano, iso-octano, entre outros. Apresentam-se no estado líquido ou gasoso, de acordo com a temperatura. Cicloalcanos Hidrocarbonetos saturados de cadeia echada mas sem ligações duplas (CnH2n) e com um ou mais anéis por molécula. Exemplo

Ciclopentano; metilciclopentano; ciclohexano; metilciclohexano, entre outros. Estes compostos são normalmente líquidos. Aromáticos Hidrocarbonetos que apresentam anel aromático de seis carbonos com ligações duplas alternadas, podendo possuir mais de um anel na ormação de seus compostos.


101

Exemplo

Benzeno, tolueno, xileno, nataleno etc. Estes compostos são normalmente líquidos à temperatura ambiente. Alquenos Hidrocarbonetos lineares ou ramicados com ligações duplas (CnH2n). Exemplo

Etileno, buteno, isobuteno, entre outros. Estes compostos podem ser gases ou líquidos. Os alquenos raramente estão presentes no petróleo bruto, mas surgem durante o processo de renação. Resinas e asaltenos Substâncias de peso molecular elevado, não relacionadas com qualquer classe denida de compostos orgânicos, conhecidas como resinas (gomas), asaltenos, carbenos e carboides. Nelas estão presentes, além do carbono e hidrogênio, o oxigênio e o enxore. Em alguns casos, aparecem nitrogênio e metais. Os asaltenos pertencem à ração de compostos mais pesados e polares de óleos crus. São complexos contendo inúmeros grupos uncionais dierentes, estruturas moleculares e massa molecular relativamente elevada.

ÓLEO CRU HIDROCARBONETOS

OUTROS COMPOSTOS

ALIFÁTICOS

AROMÁTICOS

NAFTENOS

SULFURADOS

NITROGENADOS

OXIGENADOS

METÁLICOS

25%

17%

50%

< 8%

< 1%

< 3%

< 100ppm

C1 – C60

(C6 – C5 )1

Cicloalcanos O

SH NH

CO OH S

Figura 45 – Esquema simplicado dos componentes dos óleos brutos


102


CLASSIFICAÇÃO DO PETRÓLEO O petróleo está diretamente relacionado à sua rocha reservatória, ou seja, às condições geológicas de sua ormação, que permitem esta classicação:

Petróleo de base paraínica

Petróleo de base natênica

Petróleo de base aromática

A dierença entre estes óleos é perceptível durante o processo de destilação. O petróleo de base paraínica apresenta, como resíduo, substâncias ceráceas contendo principalmente elementos da série paraínica. tO petróleo de base natênica apresenta resíduo asáltico. O petróleo aromático apresenta, em seus componentes, derivados da cadeia do benzeno. O Instituto Americano do Petróleo (API, do inglês American Petroleum Institute) classica os óleos crus baseado em sua densidade. Atualmente essa classicação também é empregada no Brasil com a nalidade de denir parâmetros de qualidade para o respectivo óleo. A característica do petróleo em unção da gravidade API é denida por graus, conorme a Tabela 3: Tabela 3  Classifcação de grau API Faixa API

Descrição

Viscosidade

Cor

Componentes

0º – 22,3º

PESADO

Extrema

Escuro

Asalto

22,3º – 31,3º

MÉDIO

Média

Marrom

Gasolina e diesel

31,3º – 47º

LEVE

Fluido

Amarelo claro

Condensado/ gasolina

Fatores que podem aetar o ºAPI do petróleo

Idade geológica das rochas terciárias de origem do óleo Proundidade dos reservatórios Teor de enxore Tectonismo (tensões nas camadas geológicas) Salinidade dos poços de origem


Um óleo cru com uma gravidade API de 35 º pode ter esta composição:

Natenos – 50% Aromáticos – 7% Asálticos – 8% Outros – 10% Saturados – 25%


Figura 46 – Percentual dos componentes do óleo cru

3.3 DERIVADOS DO PETRÓLEO E GÁS Após a extração e transporte, o petróleo passa por um processo de separação e puricação de seus componentes, chamado de reno. O óleo bruto, após aquecimento (orno), começa a desprender vapores, que se elevam da base (área mais quente) para o alto da torre de destilação (área mais ria). A condensação em pratos correspondentes permite a separação de orma especíca de seus componentes. Observe a Figura 47.

Petróleo

Gás

Nafta Gasolina Retorta

Querosene Óleo diesel Óleo lubrificante Óleo combustível

Forno

Asfalto Figura 47 – Representação da torre de destilação


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104


A composição do óleo, como escrito anteriormente, pode variar signicativamente, o que irá impor sistemas complexos com múltiplas operações até a ormação dos produtos nais, que são: Combustíveis Gasolina, GLP, querosene e outros. Produtos acabados não combustíveis Solventes, lubricantes, graxas, asalto e coque (para produção de erro-gusa). Intermediários da indústria química Nata, etano, propano, butano, etileno, propileno, butilenos, butadieno e BTX (benzeno, tolueno e xileno). Algumas operações realizadas pelas renarias de petróleo, para obtenção dos produtos nais são: Topping

Destilação racionada. Craqueamento É a quebra de rações mais pesadas (moléculas maiores) do petróleo. Este processo é realizado com o uso de calor e/ou catalisadores para melhor aproveitamento nal dos produtos ormados. Combinação de hidrocarbonetos O processo envolve duas ou mais moléculas para a ormação de uma molécula maior, como por exemplo combinar dois combustíveis gasosos com o propósito de produzir um combustível líquido. Exemplo

Produção de gasolina de alta octanagem. Rearranjo de hidrocarbonetos  reforming Altera a estrutura da molécula original sem modicar o número de átomos de carbono da molécula, modicando, portanto, suas propriedades ísicas e químicas (ormação de isômeros). Tratamento e blending Remoção de substâncias indesejaveis na ormação do produto nal, como enxore, nitrogênio, metais pesados e outras impurezas. O blending corresponde à última etapa do tratamento, em que pode ocorrer a recuperação de parte do que oi removido (mistura a ormulação do produto), permitindo que o produto atenda as especicações desejadas.


3.4 INDÚSTRIA DO PETRÓLEO (PRODUTOS DE PRIMEIRA, SEGUNDA E TERCEIRA GERAÇÃO) Os produtos nais gerados pelas renarias de petróleo servem de matéria-prima para o segmentos indústriais e são organizados em produtos de primeira, segunda e terceira geração, de acordo com o destino ou nalidade.

INDÚSTRIAS DE PRIMEIRA GERAÇÃO Correspondem às indústrias petroquímicas básicas, também denominados de “craqueadores”. Essas empresas compram a nata da Petrobras para abricar produtos petroquímicos básicos, utilizados no segmento industrial. Exemplos

Olenas, principalmente eteno, propeno e butadieno Aromáticos, tais como benzeno, tolueno e xilenos

INDÚSTRIAS DE SEGUNDA GERAÇÃO Estas empresas processam os produtos petroquímicos básicos, gerando produtos intermediários utilizados como matérias-primas na abricação de plásticos e borrachas. Exemplos

Polietileno, poliestireno e EDC/PVC (produzidos a partir do eteno) Polipropileno e acrilonitrila (produzidos a partir do propeno) Cumeno e etilbenzeno (produzidos a partir do benzeno) Polibutadieno (produzido a partir do butadieno) Estes produtos intermediários são eitos na orma sólida (placas ou em pó) e transportados para as indústrias de terceira geração.

INDÚSTRIAS DE TERCEIRA GERAÇÃO Também chamados de transormadores, pois a partir da matéria-prima produzida pelas indústria de segunda geração a sua aplicabilidade torna-se diretamente voltada para o consumidor nal, na orma de utensílios como materiais de embalagem, garraas, tintas, autopeças, brinquedos e bens de consumo eletrônico.

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Exemplos

Plásticos (produzidos a partir de polietileno, polipropileno e PVC Fibras acrílicas (produzidas a partir de acrilonitrila) Náilon (produzido a partir de enol, no Brasil) Elastômeros (produzidos a partir de butadieno) Embalagens descartáveis (produzidas a partir de poliestireno e polipropileno)

R e fi n a r i a

PRIMEIRA GERAÇÃO

SEGUNDA GERAÇÃO

TERCEIRA GERAÇÃO

Pet roquím ic o básico

Resinas

Tra nsforma dores

Nafta/Gás

Gás natural Etano

Petroquímicos básicos

Resinas/Outros

PRIMEIRA GERAÇÃO

SEGUNDA GERAÇÃO

TERCEIRA GERAÇÃO

Eteno

Polietileno

Filmes, embalagens, garrafas, utensílios domésticos, fios e cabos

Cloro Buteno

Dicloretano/PVC

Tubos, conexões, filmes, calçados, frascos, fios e cabos

Polioropileno

Autopeças, sacarias e embalagens

Propeno Látex – SBR Petróleo Nafta

Butadieno

Borracha de estireno Butadieno

Eletrônicos e embalagens

Estireno Benzeno

Etilbenzeno

Poliestireno ABS

Paraxileno

Ácido tereftálico

Fibras sintéticas e borrachas para automóveis, eletroeletrônicos e telefones Embalagens e fibras têxteis de poliéster

DMT Gasolina automotiva

Borrachas, papel e celulose, auxiliar têxtil, calçados

PET

Figura 48 – Representação esquemática esquemática das indústrias petrolíeras



CASOS E RELATOS

APLICAÇÕES DO OURO NEGRO É comum imaginar que algo dourado tenha seu valor na própria palavra, ou seja, possui brilho; realmente as inúmeras aplicações do petróleo em diversos materiais contribuem com a qualidade que q ue vivemos em nosso dia a dia. Na prática, o petróleo, ao prover inúmeros combustíveis que são usados, seja na produção de eletricidade (Furnas), nos veículos automotivos, nas indústrias de polímeros e em outros segmentos, mostra que seu valor está além das percepções de um líquido escuro e viscoso, mas promove com brilhantismo os processos tecnológicos que melhoram a vida em sociedade. Os mais diversos segmentos industriais utilizam o petróleo como matéria-prima, sendo, portanto, um recurso mineral imprescindível para a sociedade por sua excelência. As indústrias de primeira, segunda e terceira geração de petróleo envolvem diversos processos ísicos e químicos que concorrem para a melhoria da vida em sociedade. As evoluções tecnológicas permitem o aprimoramento das técnicas utilizadas, diminuindo custos e seus impactos no meio ambiente. A mistura de compostos orgânicos orgânicos presentes no ouro negro nos ornece uma grande dede manda de possibilidades na criação de novos produtos, necessitando, necessitando, portanto, de pesquisa e desenvolvimento, gerando uma crescente necessidade de ormação de prossionais qualicados para as diversas áreas analíticas de produção e de qualidade.

Na página seguinte você vai encontrar o texto RECAPITULANDO sobre o capítulo PETRÓLEO, GÁS E SEUS DEVIRADOS.


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RECAPITULANDO

COMPONENTES DO ÓLEO BRUTO Parafnas Hidrocarbonetos lineares ou ramicados, de órmula geral C nH2n + 2 , geralmente com até 20 átomos de carbono. Cicloalcanos Hidrocarbonetos saturados de cadeia echada mas sem ligações duplas (CnH2n) e com um ou mais anéis por molécula. Aromáticos Hidrocarbonetos que apresentam anel aromático de seis carbonos com ligações duplas alternadas, podendo possuir mais de um anel na ormação de seus compostos. Alquenos Hidrocarbonetos lineares ou ramicados com ligações duplas (CnH2n). Exemplo

Etileno, buteno, isobuteno, entre outros. Resinas e asaltenos Substâncias de peso molecular elevado, elev ado, que não são relacionadas com qualquer classe denida de compostos orgânicos; conhecidas como resinas (gomas), asaltenos, carbenos e carboides. Petróleo de base aromática A dierença entre estes óleos é perceptível durante o processo de destilação, em que os petróleos de base paraínica apresentam, como resíduo, substâncias ceráceas contendo principalmente elementos da série paraínica. O petróleo natênico apresenta resíduo asáltico. O petróleo aromático apresenta, em seus componentes, derivados da cadeia do benzeno.


Anotações:

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Técnicas de amostragem e conservação

4


Figura 49 – Normas técnicas são as bases para auxiliar a amostragem e conservação

O emprego de normas técnicas para amostragem e conservação permite evidenciar o tempo necessário para estocar adequadamente, não modicando suas características que representam a composição da totalidade na área ou do tanque amostrado. Veja as normas mais utilizadas: ABNT NBR5725 Guia para inspeção por amostragem no controle e certicação de qualidade ABNT NBR5726 Plano de amostragem e procedimentos na inspeção por atributos ABNT NBR5727 Norma de utilização da norma NBR-5726 ABNT NBR5728 Procedimentos estatísticos para determinação de validade de inspeção por atributos eita pelos ornecedores ABNT NBR10007 Amostragem de resíduos sólidos

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ABNT NBR14883 Petróleo e produtos de petróleo – Amostragem manual Portaria ANP nº 238 Regulamento técnico que estabelece os procedimentos para a coleta de amostras de rocha e de fuidos de poços perurados pelos operadores nas bacias sedimentares brasileiras. De acordo com essas normas citadas, vários atores devem ser considerados para que tenhamos amostras representativas:

Ensaios analíticos a serem realizados. Tipos de recipientes de amostra a serem utilizados. Instruções especícas para materiais especiais a serem amostrados.

4.1 TÉCNICAS DE AMOSTRAGEM E CONSERVAÇÃO DE AMOSTRA PARA A ÁREA DE PETRÓLEO E GÁS Para compreender os procedimentos adotados pelas indústrias da cadeia petroquímica, algumas terminologias são essenciais para compreensão do manual dos equipamentos utilizados e as normas técnicas que se aplicam a esses equipamentos. Amostragem Operações realizadas com o objetivo de obter uma pequena porção (amostra) que represente toda composição produzida (lote). Amostra analítica Pequena porção do material objeto da análise química que representa a composição média qualitativa e/ou quantitativa do lote. Analito Espécie química identicada durante procedimento analítico (cálcio, por exemplo) presente em amostra de água para determinação de dureza. Emulsão Mistura óleo/água que não se separa acilmente. Alíquota Porção de amostra coletada a partir de recipiente primário ou intermediário para análise. Entende-se por recipientes primários de amostra os rascos de vidro e plástico, latas, amostrador de alçapão e receptores de amostras xos e portáteis.

4 TÉCNICAS DE AMOSTRAGEM E CONSERVAÇÃO

Sinal analítico ou sinal Resposta instrumental gerada de orma amplicada sobre as propriedades analisadas (absorbância, intensidade de emissão etc.) Matriz Engloba todos os constituintes de amostra. Logo, além do analito a matriz contém os outros componentes chamados “concomitantes”. Sensibilidade Capacidade de um instrumento em distinguir pequenas dierenças na concentração de um analito. Limite de detecção É o menor nível de concentração (ou quantidade) de analito detectável por um instrumento. Seletividade Reere-se ao quão um método analítico está livre de intererências de outras espécies presentes na matriz.

Amostragem

Amostra

População Uma amostra pode ser considerada uma porção ou parte de uma população de interesse, e sua retirada está diretamente relacionada à necessidade de controle estatístico de processos; portanto, a amostra deverá ser representativa do processo em estudo.

Figura 50 – Representação proporcional de uma amostra


113

114


A aparelhagem adotada na coleta de amostra possui variedade de ormas, tamanhos e materiais. Por esse motivo, o produto a ser coletado deverá ser conhecido, para garantir que não haverá interação do reerido produto com o recipiente de coleta. Outra prática adotada pelas indústrias de petróleo e gás no momento da coleta da amostra é a de não exceder em 80% do volume total do recipiente, a m de permitir a expansão térmica do material coletado e acilitar sua homogeneização. Algumas instruções especiais descritas na NBR 14883 (Petróleo e produtos de petróleo – Amostragem manual) diminuem os erros de coleta, quando reerem-se a materiais como petróleo e óleos combustíveis residuais: 1. Não retirar amostra próximo ao undo do tanque. Ali a concentração de água livre é maior, não permitindo uma avaliação correta dessa concentração. 2. Não retirar amostra em interaces emulcionadas ou em ormação de borras. 3. Recomenda-se retirar amostras durante transerências de tanques quando houver a concordância entre as partes envolvidas no processo. 4. Amostras voláteis ou sensíveis à luz devem ser protegidas, de orma a garantir a estabilidade durante o processo de análise. Exemplo

Utilização de vidro âmbar ou envolvidos com material opaco.

O laboratório, ao receber as amostras, deve manter a integridade e conservação delas, resriando as amostras voláteis antes de serem abertas.


Figura 51 – Exemplo de recipientes de coleta de amostras


4.1.1 MEDIDAS DE CENTRALIZAÇÃO Quando avaliamos estatisticamente uma amostra, percebemos que muitos valores tendem a concentrar-se onde valores intermediários apresentam requência maiores do que os valores extremos. Algumas medidas de centralização muito usadas em planos de amostragem são: Média É a soma dos valores amostrados dividido pelo número total de termos:

Onde: X  Média dos valores

X = ⌺nX

⌺X  Somatório dos valores

n  Número de termos

Mediana É a medida central, quando os termos são colocados em ordem crescente de valores. No caso de a quantidade dos termos ser ímpar, a mediana será o valor central. Quando o número de termos or par, a mediana será a soma dos dois valores centrais dividido por 2.

Par: X= n 2

Ímpar: n+1 X= 2

Onde: X  Mediana dos valores n  Número de termos

Moda É o valor mais requente disponibilizado em uma amostra.

4.1.2 MEDIDAS DE DISPERSÃO São medidas que localizam as sensíveis dierenças que ocorrem entre os próprios valores. Demonstram a variabilidade da distribuição. São medidas estatísticas de dispersão adotadas em amostragem para o controle de processos: Amplitude R É a dierença entre o maior e o menor valor medido em uma amostra.

115

116


Variança s Variável aleatória de medida da dispersão estatística, indicando o distanciamento que determinados valores possuem do valor esperado.

s=

⌺X  X2

n1

Desvio padrão σ É o índice de variabilidade entre os termos da amostra.

σ=

⌺X  X2

n1

4.1.3 DISTRIBUIÇÃO NORMAL É uma das mais importantes erramentas estatísticas de aplicação da probabilidade usando dados amostrados que azem reerência a medidas de centralização e de dispersão. Sua importância está relacionada à compreensão do comportamento da Curva de Gauss (ou Curva de Sino) rente aos dierentes valores numéricos que se aastam da média.

99,7% 95,4% 68,3% Percentual do grupo

34,1% 2,1% 55

70

34,1%

13,6% 85

13,6% 100

115

2,1% 130

145


Figura 52 – Curva de distribuição normal

A proporção de área sob a curva entre esses dois valores é a probabilidade de que o reerido valor seja encontrado dentro dos intervalos. Cada curva de distribuição normal é caracterizada pelos parâmetros μ (média) e σ (desvio padrão).



X1

X2

μ

As probabilidades resultantes da integração da unção z estão calculadas e apresentadas na Tabela 4, onde Z é o valor do escore desejado (área resultante da média até o intervalo desejado).

Figura 53 – Curva de distribuição normal

Z=

Com a inalidade de padronizar uma metodologia que transorme qualquer distribuição normal N(μ, σ) em um único tipo de unção, caracterizada por ter média μ = 0 e desvio padrão σ = 1, aplicamos a chamada unção de distribuição normal reduzida.

Xμ

σ

Tabela 4  Reerência para avaliação da área compreendida pela curva normal reduzida N0;1, de 0 a z*

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,0000 0,0398 0,0793 0,1179 0,1554 0,1915 0,2257 0,2580 0,2881 0,3159 0,3413 0,3643 0,3849 0,4032 0,4192 0,4332 0,4452 0,4554 0,4641 0,4713 0,4772 0,4821 0,4861 0,4893 0,4918 1,4938 0,4953 0,4965 0,4974 0,4981 0,4987

0,0040 0,0438 0,0832 0,1217 0,1591 0,1950 0,2291 0,2611 0,2910 0,3186 0,3438 0,3665 0,3869 0,4049 0,4207 0,4345 0,4463 0,4564 0,4649 0,4719 0,4778 0,4826 0,4864 0,4896 0,4920 0,4940 0,4955 0,4966 0,4975 0,4982 0,4987

0,0080 0,0478 0,0871 0,1255 0,1628 0,1985 0,2324 0,2642 0,2939 0,3212 0,3461 0,3686 0,3888 0,4066 0,4222 0,4357 0,4474 0,4573 0,4656 0,4726 0,4783 0,4830 0,4868 0,4898 0,4922 0,4941 0,4956 0,4967 0,4976 0,4982 0,4987

0,0120 0,0517 0,0910 0,1293 0,1664 0,2019 0,2357 0,2673 0,2967 0,3238 0,3485 0,3708 0,3907 0,4082 0,4236 0,4370 0,4484 0,4582 0,4664 0,4732 0,4788 0,4834 0,4871 0,4901 0,4925 0,4943 0,4957 0,4868 0,4977 0,4983 0,4988

0,0160 0,0557 0,948 0,1331 0,1700 0,2054 0,2389 0,2704 0,2995 0,3264 0,3508 0,3729 0,3925 0,4099 0,4251 0,4382 0,4495 0,591 0,4671 0,4738 0,4793 0,4838 0,4875 0,4904 0,4927 0,4945 0,4959 0,4969 0,4977 0,4984 0,4988

0,0199 0,0596 0,0987 0,1368 0,1736 0,2088 0,2422 0,2734 0,3023 0,3289 0,3531 0,3749 0,3944 0,4115 0,4265 0,4394 0,4505 0,4599 0,4678 0,4744 0,4798 0,4842 0,4878 0,4906 0,4929 0,4946 0,4930 0,4970 0,4978 0,4984 0,4989

0,0239 0,0636 0,1026 0,1406 0,1772 0,2123 0,2454 0,2764 0,3051 0,3315 0,3554 0,3770 0,3962 0,4131 0,4279 0,4406 0,4515 0,4608 0,4686 0,4750 0,4803 0,4846 0,4881 0,4909 0,4931 0,4948 0,4961 0,4971 0,4979 0,4985 0,4989

0,0279 0,0675 0,1064 0,1443 0,1808 0,2157 0,2486 0,2794 0,3078 0,3340 0,3577 0,3790 0,3980 0,4147 0,4292 0,4418 0,4525 0,4616 0,4693 0,4756 0,4808 0,4850 0,4884 0,4911 0,4932 0,4949 0,4962 0,4972 0,4979 0,4985 0,4989

0,0319 0,0714 0,1103 0,1480 0,1844 0,2190 0,2517 0,2823 0,3106 0,3365 0,3599 0,3810 0,3997 0,4162 0,4306 0,4429 0,4535 0,4625 0,4699 0,4761 0,4812 0,4854 0,4887 0,4913 0,4934 0,4951 0,4963 0,4973 0,4980 0,4986 0,4990

0,0359 0,0753 0,1141 0,1517 0,1879 0,2224 0,2549 0,2852 0,3133 0,3389 0,3621 0,3830 0,4015 0,4177 0,4319 0,4441 0,4545 0,4633 0,4706 0,4767 0,4817 0,4857 0,4890 0,4916 0,4936 0,4952 0,4964 0,4974 0,4981 0,4986 0,4990

117

118


EXEMPLOS APLICADOS AO CONTROLE DE PROCESSOS POR AMOSTRAGEM Exemplo 1

O rendimento, em óleo, de algumas espécies de oleaginosas com potencial para a produção de biodiesel é apresentado na tabela abaixo. Determine, do conjunto de dados dessa tabela:

Moda Mediana Média

Rendimento em óleo t/ha

Espécie

Soja Babaçu Amendoim Colza Mamona Girassol

0,60 0,80 0,80 0,90 1,00 1,50

Solução Moda é o valor que ocorre com maior requência. Logo, a moda é o valor 0,80. Mediana é o número central (ou a média aritmética dos dois números centrais) de um determinado conjunto de números colocados em ordem crescente. Observe que 0,80 e 0,90 são os valores centrais. Assim, a mediana é (0,80 + 0,90) / 2 = 0,85. Média é a soma de todos os termos amostrados, divididos pelo número de termos: (0,60 + 0,80 +0,80 + 0,90 + 1,00 + 1,50) / 6 = 0,933 t/ha Exemplo 2

A duração de um certo componente eletrônico tem média de 850 dias e desvio padrão de 40 dias. Sabendo que a duração é normalmente distribuída, calcule a probabilidade de esse componente durar:

a Entre 700 e 1.000 dias X = 850

S = 40

Z1 =

X  X 700  850 = = 3,75 S 40

Z2 =

X  X 1.000  850 = = 3,75 40 S


700

X

1.000

3,75 < Z < 3,75

P 3,75 < Z < 3,75 = P 3,75 < Z < 0 + P 0 < Z < 3,75 = = P 0 < Z < 3,75 + P 0 < Z < 3,75 = 0,4990 + 0,4990 = 0,998 ou 99,98%


b Mais de 800 dias a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

Z = X  X = 800  850 = 1,75 S 40 800

X 850

P  Z > 1,25 = P 1,25 < Z < 0 + P Z > 0 = = P 0 < Z < 1,25 + P Z > 0 = 0,3944 + 0,5 = 0,8944 ou 89,44%

SEIS SIGMAS NO GERENCIAMENTO DOS PROCESSOS Empresas de grande porte da área de petróleo de derivados e demais segmentos industriais possuem como erramenta na gestão do desempenho e da variabilidade de processos o 6σ. A letra grega sigma ( σ), matematicamente, corresponde ao desvio padrão de uma determinada população, acilitando a avaliação da qualidade de uma ininita gama de possibilidades de produtos, serviços e processos.

µ – 3σ µ – 2σ µ – σ

µ

µ + σ µ + 2σ µ + 3σ


Figura 54 – Curva normal X 6 sigmas

Podemos observar na Figura 54 que a partir do valor central ( μ = média) os desvios padrões correspondentes são 3 acima da média e 3 abaixo da média, permitindo a cobertura de uma área total do gráco de 99,74%. Dessa orma, quando temos limites de controle que correspondam à área do gráco entre os seis desvios padrões (6σ), operacionalmente o processo encontra-se estável, atendendo, portanto, a parâmetros de qualidade.

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120


FOCO NA QUALIDADE ALGUMAS DAS PRINCIPAIS FERRAMENTAS DE GESTÃO DIRECIONADAS PELO SEIS SIGMAS Mapeamento de processos Elaboração de fuxogramas para identicar os parâmetros críticos do processo, ciclos de retroalimentação e outras características que mostram a operação ineciente ou eciente do processo. Análise de sistemas de medição Estabelece a capacidade de um sistema de medição na detecção de pequenas mudanças que infuem no real desempenho de uma variável, possibilitando calibração de instrumentos ou até mesmo sua substituição. Capabilidade de processos Dimensiona a relação entre o desempenho de um processo e o desempenho esperado pelo cliente do processo. Controle estatístico de processos CEP Permite elaborar grácos de controle no monitoramento de parâmetros críticos que norteiam a qualidade exigida pelo cliente e mantém o desempenho do processo, permitindo um ajuste muito mais preciso e seguro. Os parâmetros de controle também permitem a avaliação dos operadores em processo e o apontamento da necessidade de ajustes na variabilidade do processo.

O emprego do seis sigmas pelas indústrias em geral corresponde apenas a uma das erramentas utilizadas na gestão pela qualidade total. O emprego de gráicos de controle, histogramas, luxogramas e outros acilitadores desempenha um importante papel nas decisões tomadas gelo gestor. Outros exemplos de erramentas da qualidade são: 5s Cinco passos dirigidos à simples organização do espaço

VOCÊ SABIA? PDCA Planejar, desenvolver, checar e aplicar

Fluxogramas Gráicos que demonstram a sequência operacional do desenvolvimento de um processo ISO Signiica Organização Internacional para Normalização (International Organization or Standardization)


4.2 TÉCNICAS DE ANÁLISE PARA A ÁREA DE PETRÓLEO E GÁS Os métodos analíticos utilizados por um laboratório de análise empregam métodos clássicos, como a gravimetria e a titulometria, ou métodos instrumentais, que azem uso direto de equipamentos tecnológicos necessários à velocidade inerente aos sistemas de produção modernos. São os mais utilizados, pois permitem maior velocidade e precisão dos resultados, acilitando a gestão do processo em conormidade com a demanda de produção.

4.2.1 DENSIDADE A determinação da massa especíca e da densidade relativa de destilados de petróleo e óleos viscosos é abordada pela norma brasileira ABNT 14065:2006. Sua importância concentra-se na necessidade de identicar a maior ou menor concentração de hidrocarbonetos com menor peso molecular.

VOCÊ SABIA?

Não conunda densidade relativa com ºAPI, pois a densidade relativa é avaliada em relação à densidade da água. A escala API, medida em graus, varia inversamente à densidade relativa. Quanto maior or a densidade relativa, menor será o grau API. O grau API é maior quando o petróleo é mais leve. O aparelho mais utilizado para determinação de densidade é o densímetro digital.

4.2.2 VISCOSIDADE A diculdade de escoamento de determinado óleo é avaliada pela sua viscosidade. As orças internas de atrito do fuido em movimento no interior de uma tubulação demandam grande quantidade de energia. Os aparelhos utilizados em suas determinações são os viscosímetros capilares e os viscosímeros rotativos. Viscosímetros capilares Medem a taxa de escoamento de um volume de fuido através de um pequeno oriício a uma determinada temperatura. Viscosímetros rotativos São usados para a determinação da viscosidade dinâmica e medida a baixas temperaturas utilizando o torque em um eixo rotativo (agulha) para medir a resistência do fuido ao escoamento.

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4.2.3 POTENCIOMETRIA A eletroanalítica compreende um grupo de métodos analíticos baseados nas propriedades elétricas das soluções. O método potenciométrico de análise baseia-se na medida do potencial de uma cela eletroquímica na variabilidade da corrente utilizada para detectar o ponto nal de titulações (titulações potenciométricas), ou para a determinação direta de um constituinte em uma amostra, por meio da medida do potencial de um eletrodo íon-seletivo; um equipamento simples, constituído de um eletrodo de reerência, um eletrodo indicador e um dispositivo para leitura do potencial. O medidor de pH é de excepcional importância para controle da atividade do íon H+ em soluções, sendo comumente utilizados instrumentos com eletrodo de membrana de vidro, que é altamente seletivo e tem boa sensibilidade na detecção desse íon. Existem também outros tipos de eletrodos que podem detectar outras espécies iônicas e que também são utilizados.

VOCÊ SABIA?

O pH é uma variável de processo, portanto a correta calibração do equipamento utilizado durante a análise é signicativa. Permite avaliar processos corrosivos, o consumo de reagentes químicos e até mesmo a proporção de alguns componentes em análises quantitativas, como a titulação potenciométrica. A calibração permite uma medição conável, sendo undamental no diagnóstico de todo o processo.

4.2.4 CROMATOGRAFIA É método ísico-químico undamentado na migração dierenciada dos componentes químicos de uma amostra. As dierentes interações que ocorrem entre duas ases imiscíveis (móvel e estacionária) permitem a separação de componentes, que são identicados por comparação com padrões previamente existentes. Apresentamos aqui uma ampla visão dos tipos de cromatograas existentes.

CROMATOGRAFIA PLANAR

CCD  Cromatograa em camada delgada

COLUNA

CENTRÍFUGA  Chromatotron CP  Cromatograa em papel CSC  Cromatograa supercrítica

CCD

CENTRÍFUGA

CP

LÍQUIDA

CSC

GASOSA

CLAE  Cromatograa líquida de alta eciência CG  Cromatograa gasosa

CLÁSSICA

CLAE

CG

CGAR

CGAR  Cromatograa gasosa de alta resolução



4.2.5 ESPECTROSCOPIA As propriedades radiantes da luz servem de base na elaboração de métodos analíticos ópticos, que permitem análises quantitativas e qualitativas das substâncias. Atualmente, matéria e energia não são consideradas entidades distintas e, portanto, correlacionam-se no aspecto relacionado a propriedades ísicas e químicas.

LUZ VISÍVEL A energia luminosa é caracterizada pela energia dos ótons que permitem a avaliação do comprimento de onda, requência e velocidade de acordo com o meio de propagação; chamamos, portanto, a luz de onda eletromagnética.

INFRAVERMELHO A caracterização do petróleo por espectroscopia no inravermelho próximo (NIR) é utilizada com êxito na previsão de resultados relacionados às propriedades dos seus derivados como gasolina, diesel e até mesmo nos derivados do processo de craqueamento catalítico. Este tipo de equipamento, assim como na espectroscopia, também utiliza as propriedades das ondas eletromagnéticas, ugindo, no entanto, da aixa pertinente à luz visível, como podemos identicar na Figura 55.


Figura 55 – Comprimento de onda eletromagnética

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124


Esta técnica possui atrativos como:

Rapidez para obtenção dos resultados. Método não destrutivo, mantendo a integridade da amostra e permitindo seu uso em outros tipos de ensaio.

Pode ser guardada de orma íntegra como testemunho dos valores encontrados após análise ou mesmo ser usada em outros analisadores.

ULTRAVIOLETA Este equipamento utiliza as mesmas propriedades dos equipamentos de espectroscopia anteriores. Trabalha com um comprimento de onda menor que os demais e isso permite maior gama de substâncias que podem ser analisadas, além de promover a desinecção da amostra, o que evita erros devido ao crescimento microbiológico de intererentes analíticos.

4.3 INTERPRETAÇÃO DAS FICHAS DE INFORMAÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS (FISPQ) Os produtos químicos que são produzidos ou empregados de orma direta ou indireta na produção ou na análise de novos produtos devem obedecer às inormações reerentes a proteção, segurança, saúde e meio ambiente descritas para cada produto químico. O documento de reerência para a elaboração dessas chas é baseado na norma brasileira ABNT 14725-x (Produtos químicos – Inormações sobre segurança, saúde e meio ambiente, Partes 1, 2, 3 e 4). Essa é a ordem das inormações de orma obrigatória: 1. Identicação do produto e da empresa 2. Identicação de perigos 3. Composição e inormações sobre os ingredientes 4. Medidas de primeiros socorros 5. Medidas de combate a incêndio 6. Medidas de controle para derramamento ou vazamento 7. Manuseio e armazenamento


8. Controle de exposição e proteção individual 9. Propriedades ísicas e químicas 10. Estabilidade e reatividade 11. Inormações toxicológicas 12. Inormações ecológicas 13. Considerações sobre tratamento e disposição 14. Inormações sobre transporte 15. Regulamentações 16. Outras inormações Esta ultima seção deve ornecer qualquer outra inormação que possa ser importante do ponto de vista da segurança, principalmente o uso de EPIs (equipamentos de proteção individual), saúde e meio ambiente.

4.4 BOAS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO Com o objetivo de proteger operadores, analistas, técnicos engenheiros e outros prossionais envolvidos diretamente na amostragem e/ou na determinação analítica de produtos realizados em laboratório ísico, químico ou microbiológico, as empresas adotam manuais e ministram cursos de orma regular, com a nalidade de padronizar os procedimentos que zelem pela segurança de todos envolvidos. Alguns princípios gerais devem ser abordados para a compreensão de todos os trabalhadores envolvidos: 1. Alimentos e bebidas não podem ser consumidos no setor. 2. Equipamentos devem ser destinados apenas para seu propósito designado. 3. Os envolvidos no processo de análise devem conhecer as chas de segurança dos produtos antes de manuseá-los (FISPQ), determinando causas de riscos potenciais e as precauções de segurança apropriadas antes de começar a utilizar novos equipamentos ou implantar novas técnicas no laboratório. Conrmar se existem condições e equipamentos de segurança sucientes para a implantação do novo procedimento.

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126


4. Conhecer a localização e o uso correto dos equipamentos de segurança disponíveis. 5. Não proceder a vários eventos de orma concomitante, para que não ocorram riscos de acidente durante o processo analítico. 6. Certicar-se de que todos estejam usando os equipamentos de segurança apropriados. 7. Assegurar-se de que todos os agentes estejam rotulados e estocados corretamente, identicando propriedades potencialmente perigosas, conorme exemplos abaixo. Símbolo de perigo

Denominação Bomba explodindo

Chama

Chama sobre círculo

Cilindro de gás

Corrosão

Crânio e ossos cruzados

Ponto de exclamação

Perigoso à saúde

Meio ambiente


Figura 56 – Representações de periculosidade de substâncias químicas (NBR 14 725)


8. Seguir os procedimentos de descarte adequados para cada reagente ou material de laboratório. Consultar NBR 10004 (descarte de resíduos sólidos). Resíduos com origem conhecida

Resíduos com origem desconhecida

NÃO

É resto de embalagem?

NÃO

NÃO

É produto ou subproduto fora de especificações?

Contém substâncias da listagem 4? SIM

SIM

Consultar listagem 5

SIM

Avaliar características de periculosidade

Consultar listagens 5 e 6

Está na listagem?

SIM

Resíduos classe 1 Perigoso

SIM

Tem alguma característica?

NÃO

SIM NÃO

Existe razão para considerar perigoso? NÃO

SIM

Analizar periculosidade Vericar se tem característica de: Corrosividade Infamabilidade Toxicidade Reatividade

É perigoso?

NÃO

Resíduo não perigoso

9. Nunca pipetar ou sugar diretamente com a boca materiais biológicos, perigosos, cáusticos, tóxicos, radioativos ou cancerígenos. 10. Proceder em conormidade com as normas técnicas vigentes, não permitindo a contaminação ambiental por uso indevido de materiais em excesso.


127

128


QUALIDADE EM LABORATÓRIOS Um sistema de qualidade em um laboratório é basicamente o fuxo correto de inormações que são utilizadas e geradas durante todo um processo de medição. O uso de erramentas da gestão pela qualidade total, como o PDCA (planejar, desenvolver, checar e agir), permitem uma correta relação entre o cumprimento das normas de qualidade ISO – 9000 e a dos Requisitos Gerais para Competência de Laboratórios de Ensaio e Calibração (ISO/IEC – 17025), que têm como principal ob jetivo a acreditação de um laboratório, em que uma atestação de terceira parte, relacionada a um organismo de avaliação de conormidade, atesta ormalmente ao laboratório sua competência para realizar tareas especícas. A acreditação de laboratórios produz vantagens como:

Evidência da competência técnica Aprimoramento das práticas laboratoriais Reconhecimento e aceitação internacional de suas atividades Conquista de novos mercados São objetivos da ISO/IEC17025:

Atestar a competência dos

laboratórios para realizar ensaios e/ou calibrações, estabelecendo um padrão internacional e único de amostragem.

Facilitar a interpretação e a

aplicação dos requisitos, evitando ao máximo opiniões divergentes e confitantes.

Facilitar a orma de amostragem e desenvolvimento de novos métodos.

Estabelecer uma relação mais

estreita, clara e sem ambiguidade com a ISO 9001 e 9002.

A elaboração de procedimentos operacionais padronizados (POP), manuais de qualidade, registro dos resultados de medição permite a rastreabilidade de uma amostra avaliada em laboratório, descreve medidas globais que um laboratório deve utilizar para assegurar a qualidade em suas operações.


CASOS E RELATOS

REPRESENTATIVIDADE E AMOSTRAGEM A conormidade que uma amostra possui ao relacioná-la com uma determinada população depende de inúmeros atores, sendo de grande importância os parâmetros de produção que permitem uma avaliação estatística do processo. Os critérios que são adotados para a aprovação de matérias-primas ou produtos acabados dependem diretamente de atores como armazenamento do material, da dinâmica do processo e nalmente da orma como o mesmo é distribuído, chegando a seu destino nal. Sem dúvida a amostragem que possa representar essa dinâmica deve ser elaborada de orma a diminuir ou até mesmo eliminar prováveis erros do processo, permitindo maior controle e conabilidade dos resultados. Todos os passos que direcionam uma análise conável possuem início na orma e na quantidade de amostra que é retirada de um determinado lote ou população. Os instrumentos analíticos de nada servem, assim como os procedimentos analíticos, se não orem aplicados a uma amostra signicativa do todo. Ou seja, as avaliações estatísticas do processo permitem maior conabilidade no resultado nal. As perspectivas de segurança, como o uso de EPI e cuidados dierenciados com o tipo de amostra a ser coletado, também devem ser observados, permitindo uma interação durante todo o processo de avaliação.

Na página seguinte você vai encontrar o texto R ECAPITULANDO sobre o capítulo

TÉCNICAS DE AMOSTRAGEM E CONSERVAÇÃO.

a l e c r a M s i r C é s o J / o i l ó F n I

Amostragem

Amostra mos ra

População s n i t r a

M s o l r a C é s o J / o i l ó F n I

129

130


RECAPITULANDO

A utilização de normas técnicas para amostragem e conservação de amostras permite evidenciar o tempo necessário para estocá-las adequadamente, não modicando suas características que representam a composição da totalidade na área ou tanque amostrado. As propriedades radiantes da luz servem de base na elaboração de métodos analíticos ópticos, que permitem análises quantitativas e qualitativas das substâncias. Atualmente matéria e energia não são consideradas entidades distintas e, portanto, correlacionam-se no aspecto relacionado a propriedades ísicas e químicas.


Anotações:

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REFERÊNCIAS ATKINS, Peter. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. BROWN, Lawrence S.; HOLME, Thomas A. Química geral aplicada à engenharia . Cengage, 2009. RUSSEL, John B. Química geral . V. 1 e v. 2.

MINICURRÍCULO DOS AUTORES GISELE TEIXEIRA SALEIRO

Graduada em Licenciatura em Química pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro. Mestre em Engenharia e Ciência dos Materiais na mesma universidade, deendendo a dissertação intitulada Avaliação do processamento de cerâmica vermelha sob condições de queima rá pida. Na Universidade do Grande Rio – Unigranrio se ormou em bacharel em Química Tecnológica. Como proessora, leciona na área de educação prossional ligada à Química de Petróleo e Gás. Participou de diversos congressos na área de Química envolvendo a área ligada ao meio ambiente, com apresentação de trabalhos reerentes a pesquisas realizadas durante a graduação e pós-graduação. Atualmente é instrutora especialista do Senai na área de Petróleo e Gás no Centro de Reerência em Automação e Simulação na cidade do Rio de Janeiro. Leciona disciplinas como Química Aplicada, Tratamento de Água e Controle de Processos. Além disso, atua como proessora universitária na ormação de engenheiros de petróleo, meio ambiente e químicos. WILHERMYSON LIMA LEITE

Graduado em licenciatura e bacharelado em Química pela FTESM, iniciou seus estudos na área de Química com ormação técnica no Ensino Médio. É especialista em Ensino de Ciências pelo Instituto Federal do Rio de Janeiro. Ainda na graduação, iniciou sua carreira na indústria como técnico em Química, supervisor de produção, analista químico de Controle de Qualidade e responsável técnico, o que lhe garantiu experiência para posteriormente lecionar em escolas técnicas prossionalizantes. Atualmente é proessor das redes estadual e particular de ensino médio e prossionalizante e, dentre essas instituições, destaque para o Senai, onde atua como instrutor especializado nas áreas de Química Aplicada a Petróleo e Gás, Tratamento de Águas Industriais, Corrosão, Controle Estatístico de Processos e outras disciplinas correlatas.

SENAI – DEPARTAMENTO NACIONAL UNIDADE DE EDUCAÇÃO PROFISS IONAL E TECNOLÓGICA – UNIEP Rolando Vargas Vallejos

Gerente Executivo Felipe Esteves Morgado

Gerente Executivo Adjunto Diana Neri

Coordenação Geral do Desenvolvimento dos Livros SENAI – DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO DE JANEIRO NÚCLEO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA – NUCED Luis Roberto Arruda Marcela Gomes Geraldo

Coordenação do Desenvolvimento dos Livros no Departamento Regional Ana Beatriz Lima Guedes Monteiro

Coordenação do Projeto Gisele Teixeira Saleiro Wilhermyson Lima Leite

Elaboração Cleber Magno do Sacramento Gisele Teixeira Saleiro

Revisão Técnica Biblioteca Artes Gráfcas

Normalização

i-Comunicação

Projeto Gráco José Carlos Martins

Design Educacional Alexandre Rodrigues Alves

Revisão Ortográca e Gramatical Cris Marcela Paula Moura André Brito

Ilustrações Graftto

Produção Executiva In-Fólio

Programação Visual, Edição e Produção Editorial

QUIMICA_ALTAOK

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