Sumário Prefácio XVII As Ferramentas Básicas da Química 1
2
Matéria e Medição 1 1.1 Substâncias Elementares e Átomos 3 1.2 Compostos e Moléculas 4 1.3 Propriedades Físicas 6 Densidade 6 Temperatura 8 Dependência das Propriedades Físicas com a Temperatura 9 Propriedades Extensivas e Intensivas 10 1.4 Mudanças Físicas e Químicas 10 1.5 Classificação da Matéria 12 Estados da Matéria e a Teoria Cinético-molecular 12 A Matéria nos Níveis Macroscópico e Particulado 13 Substâncias Puras 14 Misturas: Homogêneas e Heterogêneas 15 1.6 Unidades de Medida 16 1.7 Utilizando a Informação Numérica 17 Comprimento 17 Volume olum e 19 Massa 20 Fazendo Medições: Precisão, Exatidão e Erro Experimental 22 Algarismos Significativos 24 1.8 Solução de Problemas 26 Átomos e Elementos 35 2.1 Prótons, Elétrons e Nêutrons: Desenvolvimento da Estrutura Atômica 37 Eletricidade 37 Radioatividade 37 Elétrons 38 Prótons 39 Nêutrons 40 O Núcleo do Átomo 40 2.2 Número Atômico e Massa Atômica 41
Número Atômico 41 Massa Atômica Relativa e a Unidade de Massa Atômica 41 Número de Massa 42 2.3 Isótopos 43 Abundância Isotópica 43 Determinando a Massa Atômica Exata e a Abundância Isotópica 44 2.4 Massa Atômica 46 2.5 Átomos e o Mol 47 A Massa Molar 48 2.6 A Tabela Periódica 51 Características da Tabela Periódica 51 O Desenvolvimento da Tabela Periódica 53 2.7 Uma Visão Geral dos Elementos, de Sua Química e da Tabela Periódica 54 2.8 Elementos Essenciais 60 3 Moléculas,
Íons e Seus Compostos 65 3.1 Moléculas, Compostos e Fórmulas 67 Fórmulas 68 3.2 Modelos Moleculares 69 3.3 Compostos Iônicos: Fórmulas, Nomes e Propriedades 71 Íons 71 Cátions 72 Ânions 72 Íons Monoatômicos 73 Cargas dos Íons e a Tabela Periódica 74 Íons Poliatômicos 74 Fórmulas dos Compostos Iônicos 75 Nomes dos Íons 76 Nomes dos Compostos Iônicos 78 Propriedades dos Compostos Iônicos 79 3.4 Compostos Moleculares: Fórmulas, Nomes e Propriedades 81 3.5 Fórmulas, Compostos e o Mol 83 Massa Molar e Molecular 83 3.6 Determinando a Fórmula de Compostos 86 Composição Percentual 86 Fórmulas Empírica e Molecular a Partir da Composição Percentual 87
XII
Química Geral e Reações Químicas
Determinando uma Fórmula a Partir de Dados de Massa 90 Determinando uma Fórmula por Espectrometria de Massa 92 3.7 Compostos Hidratados 93 4
5
Equações Químicas e Estequiometria 101 4.1 Equações Químicas 103 4.2 Balanceamento de Equações Químicas 104 4.3 Relações de Massa em Reações Químicas: Estequiometria 107 4.4 Reações em Que um Reagente Está Presente em Quantidade Limitada 110 4.5 Rendimento Percentual 115 4.6 Equações Químicas e Análise Química 116 Análise Quantitativa de uma Mistura 116 Determinando a Fórmula de um Composto por Combustão 120 Reações em Solução Aquosa 127 5.1 Propriedades dos Compostos em Solução Aquosa 129 Íons em Solução Aquosa: Eletrólitos 129 Tipos de Eletrólitos 130 Solubilidade de Compostos Iônicos em Água 131 5.2 Reações de Precipitação 132 Equações Iônicas Líquidas 135 5.3 Ácidos e Bases 136 Ácidos 136 Bases 137 Óxidos Metálicos e Não-metálicos 139 5.4 Reações de Ácidos e Bases 140 5.5 Reações Que Formam Gazes 143 5.6 Classificação das Reações em Solução Aquosa 144 Reações com Formação Favorecida de Produtos ou Reagentes 145 Resumo das Forças Motrizes das Reações 146 5.7 Reações de Oxirredução 147 Reações Redox e Transferência de Elétrons 148 Números de Oxidação 149 Reconhecendo Reações de Oxirredução 151 5.8 Medindo a Concentração de Compostos em Solução 155
EDITORA THOMSON
Concentração de Soluções: Molaridade 155 Preparando Soluções de Concentração Conhecida 158 5.9 pH: Uma Escala de Concentração para Ácidos e Bases 160 5.10 Estequiometria das Reações em Solução Aquosa 162 Solução Geral de Estequiometria 162 Titulação: Um Método de Análise Química 164 6
Princípios de Reatividade: Energia e Reações Químicas 177 6.1 Energia: Alguns Princípios Básicos 179 Conservação da Energia 180 Temperatura e Calor 181 Sistemas e Vizinhanças 182 Direcionalidade da Transferência de Calor: Equilíbrio Térmico 182 Unidades de Energia 184 6.2 Capacidade Calorífica Específica e Transferência de Calor 184 Aspectos Quantitativos da Transferência de Calor 187 6.3 Energia e Mudanças de Estado 189 6.4 A Primeira Lei da Termodinâmica 192 Entalpia 195 Funções de Estado 196 6.5. Variações de Entalpia para Reações Químicas 196 6.6 Calorimetria 199 Calorimetria a Pressão Constante: Medindo ∆ H 199 Calorimetria a Volume Constante: Medindo ∆ E 200 6.7 A Lei de Hess 202 Diagramas de Níveis de Energia 203 6.8 Entalpias Padrão de Formação 206 Variação de Entalpia para uma Reação 210 6.9 Reações com Formação Favorecida de Produtos ou Reagentes e a Termoquímica 211 6.10 Recursos Energéticos 212 Combustíveis Fósseis: O Que Há de Novo? 212 Energia Solar 213 A Economia do Hidrogênio 215
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8
Estrutura Atômica 223 7.1 Radiação Eletromagnética 225 Propriedades das Ondas 225 Ondas Estacionárias 226 O Espectro Visível da Luz 228 7.2 Planck, Einstein, Energia e Fótons 229 Equação de Planck 229 Einstein e o Efeito Fotoelétrico 231 Energia e Química: Usando a Equação de Planck 232 7.3 Espectros de Linhas Atômicas e Niels Bohr 233 Espectros de Linhas Atômicas 233 O Modelo de Bohr do Átomo de Hidrogênio 234 7.4 Propriedades Ondulatórias do Elétron 241 7.5 Uma Visão Mecânico-quântica do Átomo 242 O Princípio da Incerteza 242 O Modelo de Schrödinger para o Átomo de Hidrogênio e as Funções de Onda 243 Números Quânticos 243 Informação Útil a Partir dos Números Quânticos 244 7.6 O Formato dos Orbitais Atômicos 246 Orbitais s 246 Orbitais p 248 Orbitais d 249 Orbitais f 249 7.7 Orbitais Atômicos e a Química 249 Configurações Eletrônicas dos Átomos e Periodicidade Química 257 8.1 Spin Eletrônico 259 Magnetismo 259 Paramagnetismo e Elétrons Desemparelhados 260 8.2 O Princípio da Exclusão de Pauli 261 8.3 Energias das Subcamadas Atômicas e Atribuição dos Elétrons 263 Ordem de Energia das Subcamadas e Atribuição dos Elétrons 263 A Carga Nuclear Efetiva, Z* 264
Sumário
XIII
8.4 Configurações Eletrônicas dos Átomos 266 Configurações Eletrônicas dos Elementos do Grupo Principal 266 Configurações Eletrônicas dos Elementos de Transição 272 8.5 Configurações Eletrônicas dos Íons 274 8.6 Propriedades Atômicas e Tendências Periódicas 275 Tamanho Atômico 275 Energia de Ionização 277 Afinidade Eletrônica 279 Tamanho dos Íons 282 8.7 Tendências Periódicas e Propriedades Químicas 283
A Estrutura dos Átomos e das Moléculas
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9
Ligações e Estrutura Molecular: Conceitos Fundamentais 289 9.1 Elétrons de Valência 291 Símbolos de Lewis para os Átomos 292 9.2 Formação de Ligações Químicas 292 9.3 Ligação em Compostos Iônicos 294 Atração entre Íons e Energia 294 Energia de Retículo (ou Reticular) 296 Por Que Compostos Como NaCl2 e NaNe Não Existem 298 9.4 Ligações Covalentes e Estruturas de Lewis 299 Estruturas Eletrônicas de Lewis 299 A Regra do Octeto 300 Prevendo Estruturas de Lewis 302 9.5 Ressonância 306 9.6 Exceções à Regra do Octeto 310 Compostos em Que um Átomo Possui Menos de Oito Elétrons de Valência 310 Compostos em Que um Átomo Possui Mais de Oito Elétrons de Valência 311 Moléculas com um Número Ímpar de Elétrons 312 9.7 Distribuição de Cargas em Ligações Covalentes e Moléculas 313 Cargas Formais em Átomos 314 Polaridade da Ligação e Eletronegatividade 316 Combinando a Carga Formal e a Polaridade da Ligação 319 9.8 Propriedades das Ligações 321 Ordem de Ligação 321
Química Geral e Reações Químicas
XIV
Comprimento de Ligação 321 Energia de Ligação 323 9.9 As Formas das Moléculas 326 Átomos Centrais Cercados Somente por Pares de Ligações Simples 327 Átomos Centrais com Pares de Ligação Simples e Pares Isolados 327 Ligações Múltiplas e Geometria Molecular 331 9.10 Polaridade Molecular 333 9.11 A História do DNA 337 10 Ligações
e Estrutura Molecular: Hibridização de Orbitais e Orbitais Moleculares 345 10.1 Orbitais e Teorias de Ligação 347 10.2 Teoria da Ligação de Valência 347 O Modelo de Ligação da Sobreposição de Orbitais 347 Hibridização dos Orbitais Atômicos 350 Ligações Múltiplas 357 Isomeria Cis-Trans : Uma Conseqüência das Ligações π 361 Benzeno: Um Exemplo Especial da Ligação π 362 10.3 Teoria do Orbital Molecular 363 Princípios da Teoria do Orbital Molecular 363 Ordem de Ligação 365 Orbitais Moleculares de Li2 e Be 2 365 Orbitais Moleculares a Partir de Orbitais Atômicos p 366 Ressonância e a Teoria do Orbital Molecular 369 10.4 Metais e Semicondutores 372 Condutores, Isolantes e a Teoria de Bandas 372 Semicondutores 373
11 Carbono:
Mais do Que Apenas Mais Um Elemento 381 11.1 Por Que o Carbono? 383 Diversidade Estrutural 383 Isômeros 385 Estabilidade dos Compostos de Carbono 11.2 Hidrocarbonetos 388 Alcanos 388
386
EDITORA THOMSON
Isômeros Estruturais 388 Alcenos e Alcinos 393 Compostos Aromáticos 398 11.3 Alcoóis, Éteres e Aminas 401 Alcoóis e Éteres 402 Aminas 406 11.4 Compostos com um Grupo Carbonila Aldeídos e Cetonas 409 Ácidos Carboxílicos 410 Ésteres 413 Amidas 415 11.5 Polímeros 416 Classificação dos Polímeros 416 Polímeros de Adição 419 Polímeros de Condensação 422 Novos Materiais Poliméricos 426
408
Estados da Matéria 12 Os
Gases e Suas Propriedades 431 12.1 Propriedades dos Gases 433 Pressão do Gás 433 12.2 As Leis dos Gases: Uma base Experimental 436 A Compressibilidade dos Gases: Lei de Boyle 436 Efeito da Temperatura no Volume de um Gás: Lei de Charles 438 Combinando as Leis de Boyle e de Charles: Lei Geral dos Gases 440 A Hipótese de Avogadro 441 12.3 A Lei dos Gases Ideais 442 Densidade dos Gases 444 Calculando a Massa Molar a Partir de Dados de P , V e T 445 12.4 As Leis dos Gases e as Reações Químicas 447 12.5 Misturas de Gases e Pressões Parciais 450 12.6 Teoria Cinético-molecular dos Gases 452 Velocidade Molecular e Energia Cinética 452 Teoria Cinético-molecular e as Leis dos Gases 454 12.7 Difusão e Efusão 455 12.8 Algumas Aplicações das Leis dos Gases e da Teoria Cinético-molecular 457
K OTZ
Balões de Ar Quente 457 Mergulho Submarino Profundo 457 12.9 Comportamento Não-ideal: Gases Reais 13 Forças
14 As
Soluções e Seu Comportamento 511 14.1 Unidades de Concentração 513 14.2 O Processo de Dissolução 516 Líquidos Dissolvendo-se em Líquidos 517 Sólidos Dissolvendo-se em Líquidos 519 Calor de Dissolução 519 14.3 Fatores Que Afetam a Solubilidade: Pressão e Temperatura 525
Sumário
XV
Dissolvendo Gases em Líquidos: A Lei de Henry 525 14.4 Propriedades Coligativas 528 Mudanças na Pressão de Vapor: A Lei de Raoult 528 Elevação do Ponto de Ebulição 531 Depressão do Ponto de Congelamento 532 Propriedades Coligativas e a Determinação da Massa Molar 533 Propriedades Coligativas de Soluções Que Contêm Íons 534 Osmose 536 14.5 Colóides 540 Tipos de colóides 541 Surfactantes 542
458
Intermoleculares, Líquidos e Sólidos 467 13.1. Estados da Matéria e a Teoria Cinético-molecular 469 13.2. Forças Intermoleculares 470 Interações entre Moléculas com Dipolos Permanentes 470 Interações entre Moléculas Apolares 472 13.3 A Ligação de Hidrogênio 475 A Ligação de Hidrogênio e as Propriedades Incomuns da Água 477 13.4 Resumo das Forças Intermoleculares 479 13.5 As Propriedades dos Líquidos 480 Vaporização 481 Pressão de Vapor 484 Ponto de Ebulição 486 Temperatura e Pressão Críticas 486 Tensão Superficial, Ação Capilar e Viscosidade 488 13.6 Química do Estado Sólido: Metais 490 Retículos Cristalinos e Celas Unitárias 490 13.7 Química do Estado Sólido: Estruturas e Fórmulas de Sólidos Iônicos 496 13.8 Outros Tipos de Materiais Sólidos 498 Sólidos Moleculares 498 Sólidos Reticulares 500 Sólidos Amorfos 500 13.9 As Propriedades Físicas dos Sólidos 501 13.10 Diagramas de Fase 504
E TREICHEL
Apêndices
Algumas Operações Matemáticas 552 560 B Alguns Conceitos Físicos Importantes 563 C Abreviaturas e Fatores de Conversão Úteis 567 D Constantes Físicas 569 E Nomenclatura de Compostos Orgânicos F Valores das Energias de Ionização e Afinidades Eletrônicas dos Elementos 573 G Pressão de Vapor da Água em Diversas Temperaturas 574 H Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C 575 I Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C 577 J Constantes de Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C 578 K Constantes de Formação de Alguns Íons Complexos em Solução Aquosa 580 581 L Valores Termodinâmicos Selecionados M Potenciais Padrão de Redução em Solução Aquosa a 25 °C 587 590 N Respostas dos Exercícios 601 O Respostas das Questões de Estudo A
Índice Remissivo / Glossário Caderno Colorido* 657
629
*NE: Por questões de ordem pedagógica, estamos repetindo algumas ilustrações no caderno colorido ao final deste livro.
K OTZ
E T REICHEL
Sumário
XVII
Prefácio FILOSOFIA E ABORDAGEM DO LIVRO Desde a primeira edição em inglês, este livro teve dois objetivos principais, porém interdependentes. O primeiro consistia em elaborar uma obra que os estudantes gostassem de ler e que oferecesse, com razoável nível de rigor, química e princípios químicos em formato e organização típicos dos cursos universitários atuais. O segundo consistia em transmitir a utilidade e a importância da química pela introdução das propriedades dos elementos, de seus compostos e de suas reações o mais cedo possível e pela focalização da discussão nesses assuntos. Uma observação dos textos introdutórios de química disponíveis atualmente revela que há um ordenamento comum utilizado pelos educadores no tratamento de princípios químicos. Com algumas pequenas variações, neste livro seguiu-se essa ordem também, o que não significa que os capítulos não possam ser usados em ordem diversa.1 Por exem plo, o Capítulo 12, sobre as propriedades dos gases, foi disposto junto com capítulos sobre líquidos, sólidos e soluções, porque logicamente se encaixa nesses tópicos. Esse capítulo, no entanto, pode também ser facilmente lido e compreendido mesmo após a leitura dos primeiros quatro ou cinco capítulos. Em livros de química, a discussão sobre química orgânica (Capítulo 11) é normalmente disposta nos capítulos finais. A importância dos compostos orgânicos na bioquímica e na indústria química levou-nos a apresentá-lo antes na seqüência dos capítulos. Assim, ele foi colocado depois dos capítulos sobre estrutura e ligação, porque a química orgânica ilustra a aplicação dos modelos de ligação química e de estrutura molecular. A ordem dos tópicos no texto foi também planejada de modo a introduzir, tão cedo quanto possível, os conhecimentos necessários às experiências de laboratório feitas em cursos de química geral. Por esse motivo, os capítulos sobre propriedades químicas e físicas, os tipos comuns de reação e a estequiometria encontram-se no início do volume 1. Além disso, em razão da importância de se compreender a energia no estudo da química, a termoquímica é introduzida no Capítulo 6. A American Chemical Society (Associação Norte-americana de Química) tem incitado educadores a recolocar a “química” nos cursos introdutórios dessa matéria. Como químicos inorgânicos, concordamos plenamente. Por conseqüência, freqüentemente tentamos descrever os elementos, seus compostos e suas reações o mais cedo possível, de diversas maneiras. Primeiro, há numerosas fotografias das reações que ocorrem, dos elementos e dos compostos comuns, de operações comuns no laboratório e de processos industriais. Segundo, procuramos introduzir os assuntos relacionados às propriedades dos elementos e dos compostos o quanto antes nos “Exercícios” e nas “Questões de Estudo” e apresentar novos princípios usando situações químicas reais. Por fim, assuntos relevantes são apresentados nos capítulos 21 e 22 como complemento aos princípios descritos previamente. Finalmente, textos intitulados “Um Exame Mais Detalhado” descrevem idéias que fornecem o pano de fundo para o assunto em discussão ou uma abordagem diferente dele. Por exemplo, no Capítulo 11 sobre química orgânica os textos intitulados “Um Exame Mais Detalhado” são voltados à discussão dos aspectos estruturais de moléculas de importância bioquímica, como aminoácidos e proteínas. Em outros capítulos mergulhamos em modelagem molecular e em espectrometria de massa.
1
NE: Esta edição em português está organizada em dois volumes (capítulos 1 a 14, vol. 1, e capítulos 15 a 23, vol. 2).
Química Geral e Reações Químicas
XVIII
EDITORA THOMSON
ORGANIZAÇÃO DO LIVRO Química Geral e Reações Químicas apresenta dois
temas que se sobrepõem: Reatividade Química e Ligação e Estrutura Molecular. Os capítulos que tratam dos Princípios de Reatividade (vol. 2) apresentam ao leitor fatores que conduzem a reações químicas bem-sucedidas na formação de produtos. Assim, neste tópico o leitor estudará tipos comuns de reações, a energia nelas envolvida e os fatores que afetam a velocidade de uma reação. Um dos fatores responsáveis pelos enormes avanços em química e em biologia molecular nas últimas décadas foi a compreensão da estrutura molecular. Assim, as seções do livro sobre Princípios de Ligação e da Estrutura Molecular fornecem as bases que permitem compreender esses desenvolvimentos. Uma atenção especial é dada à compreensão dos aspectos estruturais de moléculas biologicamente importantes como o DNA. Os capítulos que tratam dos Princípios de Reatividade são organizados em cinco seções, e cada uma delas agrupa um tema em comum.
Parte 1: As Ferramentas Básicas da Química Certos métodos e certas idéias básicas que formam a espinha dorsal da química são introduzidos na Parte 1 (vol. 1), em que se definem termos importantes, além de apresentar uma revisão das unidades e dos métodos matemáticos. Os capítulos 2 e 3 trazem idéias básicas sobre os átomos, as moléculas e os íons, e no Capítulo 2 se introduz um dos dis positivos organizacionais mais importantes da química: a Tabela Periódica. Nos capítulos 4 e 5 começa-se a discutir os princípios da reatividade química e a se introduzir os métodos numéricos usados pelos químicos para extrair informação quantitativa das reações químicas. O Capítulo 6 é uma introdução à energia envolvida em processos químicos.
Parte 2: A Estrutura dos Átomos e das Moléculas O objetivo desta parte é fornecer um esboço das teorias atuais que tratam do arranjo dos elétrons nos átomos e alguns dos desenvolvimentos históricos que conduziram a essas idéias (capítulos 7 e 8). Com essa base, pode-se com preender por que os átomos e seus íons têm propriedades químicas e físicas diferentes. Essa discussão está ligada ao arranjo dos elementos na Tabela Periódica, de modo que essas propriedades possam ser relembradas e predições possam ser feitas. No Capítulo 9, discute-se pela primeira vez como os elétrons dos átomos em uma molécula levam à formação de ligações químicas e as propriedades dessas ligações. Além disso, mostra-se como derivar a estrutura tridimensional de moléculas simples. Finalmente, o Capítulo 10 considera de forma mais detalhada as principais teorias de ligação química. Ao final desta parte há uma discussão sobre química orgânica (Capítulo 11), inicialmente de um ponto de vista estrutural. A química orgânica é uma área extensa da química que não se pode abranger em detalhe neste livro. Conseqüentemente, focalizam-se os compostos de especial importância, incluindo polímeros sintéticos, e as estruturas desses materiais.
Parte 3: Estados da Matéria O comportamento dos três estados da matéria — gases, líquidos e sólidos — é descrito nessa ordem nos capítulos 12 e 13. A discussão dos líquidos e dos sólidos está vinculada aos gases por meio da descrição das forças intermole-
K K T TREICHEL O O TZ TZEE REICHEL
Sumário Prefácio
XIX
culares, com atenção especial dada à água líquida e sólida. O Capítulo 13 considera também o estado sólido, uma área da química que atualmente atravessa um processo de renascimento. No Capítulo 14, trata-se das propriedades das soluções, misturas íntimas de gases, líquidos e sólidos.
Parte 4: O Controle de Reações Químicas Esta parte se concentra exclusivamente nos Princípios de Reatividade. No Capítulo 15, examina-se a importante questão das velocidades dos processos químicos e dos fatores que as controlam. Com isso em mente, avança-se para os capítulos 16 a 18, conjunto de capítulos que descreve as reações químicas no equilíbrio. Após uma introdução ao equilí brio no Capítulo 16, destacam-se as reações que envolvem ácidos e bases em água (capítulos 17 e 18) e as reações que formam sais insolúveis (Capítulo 18). Para alinhavar a discussão sobre os equilíbrios químicos, explora-se novamente a termodinâmica no Capítulo 19. Como tópico final desta parte descreve-se no Capítulo 20 a classe principal de reações químicas, aquelas que envolvem a transferência de elétrons e o uso dessas reações em células eletroquímicas.
Parte 5: A Química dos Elementos Embora a química dos vários elementos seja descrita durante todo o livro até esta parte, aqui se considera este tópico de forma mais sistemática. O Capítulo 21 está voltado à química dos elementos representativos, enquanto o Capítulo 22 apresenta uma discussão dos elementos de transição e de seus compostos. Finalmente, no Capítulo 23 há uma breve discussão da química nuclear. Objetivos do Capítulo
Uma lista de quatro a seis objetivos para cada capítulo é apresentada no início de cada um deles. Disposição dos Problemas-exemplo
Todos os problemas-exemplo no livro são divididos em três ou quatro seções. A questão é formulada tão sucintamente quanto possível na apresentação do Problem. Em seguida, a seção Estratégia descreve de maneira geral como a questão deve ser abordada, quais dados são relevantes e em que parte do texto o estudante pode conseguir ajuda. A terceira seção esboça a Solução do problema. Finalmente, caso seja necessário, há um Comentário sobre a natureza da solução. Isso representa a maneira de abordagem das questões que colocamos aos estudantes. Organização das Questões de Estudo
As questões de estudo ao final de cada capítulo são divididas basicamente em questões de revisão, em questões organizadas de acordo com a seção relevante do capítulo e em uma lista de questões gerais sem nenhuma indicação de tipo. Entretanto, mais informação é fornecida para as questões organizadas de acordo com a seção do capítulo. Para questões em uma seção ou em uma dada subseção do capítulo, destacamos quais as questões ou os exercícios do exemplo são relevantes.
Química Geral e Reações Químicas
XX
EDITORA THOMSON
Apresentação Adiantada do pH
Em muitas universidades, os estudantes cursam química geral apenas no primeiro semest re. Um tópico inicialmente estudado na parte final do volume 2, mas que é útil a esses estudantes, é o pH. Conseqüentemente, a definição do pH e os exemplos de seu uso são apresentados no Capítulo 5 como parte da discussão sobre a concentração das soluções. Equilíbrios Químicos
Este assunto é apresentado em três capítulos, reduzindo ligeiramente o estudo de compostos insolúveis e incor porando o tópico no Capítulo 18, volume 2. Este capítulo apresenta soluções-tampão, titulações ácido-base e a solubilidade dos compostos.
Agradecimentos Queríamos agradecer nossas famílias, amigos, colegas e estudantes pelo apoio e encorajamento. Publicar um livro é um processo complexo, exigindo uma grande equipe para realizar a tarefa. Ao menos um dos membros de nossa equipe merece agradecimentos especiais: Katie Kotz. O sucesso deste livro se deve, em grande parte, à qualidade dos revisores do manuscrito. Queremos expressar nossa gratidão aos esforços de todos aqueles listados a seguir. Entretanto, merecem menção especial: Gary Riley e Steve Lnaders, que resolveram todos os problemas surgidos. Os revisores de provas Susan Young, Larry Fishel e Marie Nguyen foram inestimáveis. Em razão dos milhares de palavras e de números a serem verificados, leitores de provas cuidadosos e competentes são fundamentais. David W. Ball, Cleveland State University
Robert Garber, California State University, Long Beach
Roger Barth, West Chester University
Michael D. Hampton, University of Central Florida
John G. Berberian, Saint Joseph’s University
Paul Hunter, Michigan State University
Don A. Berkowitz, University of Maryland
Michael E. Lipschutz, Purdue University
Simon Bott, University of Houston
Shelley D. Minteer, Saint Louis University
Wendy Clevenger Cory, University of Tennessee at Chattanooga
Jessica N. Orvis, Georgia Southern University
Richard Cornelius, Lebanon Valley College
Stephen P. Tanner, University of West Florida
James S. Falcone, West Chester University
John Townsend, West Chester University
Martin Fossett, Tabor Academy
John A. Weyh, Western Washington University
Michelle Fossum, Laney College
Marcy Whitney, The University of Alabama
Sandro Gambarotta, University of Ottawa
Sheila Woodgate, The University of Auckland
David Spurgeon, University of Arizona
As Ferramentas Básicas da Química
1
Matéria e Medição
Objetivos do Capítulo
• Reconhecer elementos, substâncias elementares, átomos, compostos e moléculas. • Identificar propriedades e mudanças físicas e químicas. • Aplicar a teoria cinético-molecular às propriedades da matéria. • Usar unidades métricas e algarismos significativos de forma correta.
Foco do Capítulo
1
Pensando sobre a Matéria. A química é o estudo da
natureza da matéria e de suas interações. A matéria é essencialmente composta por elementos químicos e seus compostos e sua maior parte pode existir em um dos três estados: sólido, líquido e gás. Embora os químicos façam observações em nível macroscópicos, nós nos preocupamos com as propriedades da matéria nas escalas microscópica e submicroscópica.
M . T 8 S 8 m 7 e . g p a , m 2 I 9 . 9 s 1 r e , t 8 n 5 i 2 W l . . o D v s , e e l r c a n e h i C c S : o , t n u r a b m o d c o o i l á G t . e W m . D e r b e o y c k , c o e s d i e u V q . í l M e . o S s , o u s X a . g X o e m d o o r b ã s , s o i d m i l r ó e s p o a m m o r o b c , a d o i r r z e u f d e o d r p a e r t i r : i e p r , b o o c r r e o F d
K OTZ
E T REICHEL
Capítulo 1
Matéria e Medição
3
I
magine um copo alto cheio de um líquido límpido. A luz solar de uma janela próxima faz com que o líquido cintile, e o copo está fresco ao toque. Um gole de água seria bom, mas será que você deve arriscar? Se o copo estivesse em sua cozinha, você poderia responder que sim. E se essa cena ocorresse em um laboratório químico? Como você poderia saber que o copo contém água pura? Formulando a pergunta de forma mais química: como você demonstraria que o líquido é realmente água? Em geral, consideramos a água que bebemos como pura, mas isso não é estritamente verdade. Em alguns casos, matéria pode estar suspensa nela ou bolhas de algum gás, como o oxigênio, podem ser visíveis. Às vezes, a água da torneira pode apresentar uma ligeira coloração, em razão do ferro dissolvido. Na verdade, a água potável é quase sempre uma mistura de substâncias, algumas dissolvidas e outras não. Para qualquer mistura, poderíamos fazer muitas perguntas: quais são seus componentes (partículas de poeira, bolhas do oxigênio, sais dissolvidos de sódio, cálcio ou ferro) e quais são suas quantias relativas? Como podem essas substâncias ser separadas umas das outras, e como as propriedades de uma substância variam quando ela é misturada com outra? Este capítulo é o início de nossa discussão de como os químicos pensam sobre a matéria. Exploraremos algumas idéias básicas a respeito dos elementos, átomos, compostos e moléculas, o foco da química. Em seguida, perguntaremos como os químicos caracterizam esses blocos de construção da matéria e começaremos a ver como podemos utilizar a informação numérica.
Pensando sobre a matéria. Isto é um
copo de água pura? Como se pode provar que a água é realmente pura? (Charles D. Winters)
1.1 SUBSTÂNCIAS ELEMENTARES E ÁTOMOS A passagem de uma corrente elétrica através da água pura pode provocar sua decomposição em hidrogênio e oxigênio gasosos (veja a Figura 1.1a). Substâncias como o hidrogênio e o oxigênio, que são compostas por apenas um tipo de átomo, são classificadas como substâncias elementares1. Cerca de 113 elementos são atualmente conhecidos, e, desses,
(a)
(b)
Figura 1.1 Substâncias elementares. (a) A passagem de uma corrente elétrica através da água produz as substâncias elementares hidrogênio (tubo de ensaio à direita ) e oxigênio (à esquerda). (b) Substâncias elementares podem freqüentemente ser identificadas por sua cor e pelo estado físico à temperatura ambiente. (Charles D. Winters)
1
NTT: No original: elements. Na língua inglesa, essa palavra define uma substância constituída por apenas um tipo de átomo (uma substância elementar) e também serve para designar um determinado tipo de átomo. Em português, “elemento” e “substância elementar” têm significados diferentes. O elemento é o tipo de átomo, enquanto a substância elementar é aquela formada por apenas um tipo de elemento.
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• Escrevendo os Símbolos dos Elementos
Note que apenas a primeira letra do símbolo de uma substância elementar é maiúscula. Por exemplo, cobalto é Co e não CO. A notação CO representa o composto monóxido de carbono.
• Resposta aos Exercícios
Em cada capítulo do livro você encontrará um ou mais exercícios ao final de cada seção, ou dentro de uma seção. O objetivo desses exercícios é ajudá-lo a verificar o seu conhecimento do assunto discutido naquela seção. As soluções desses exercícios encontram-se no Apêndice N.
Química Geral e Reações Químicas
EDITORA THOMSON
aproximadamente 90 são encontrados na natureza; o restante foi criado por cientistas. O nome e o símbolo de cada elemento estão listados ao final do livro. O carbono (C), o enxofre (S), o ferro (Fe), o cobre (Cu), a prata (Ag), o estanho (Sn), o ouro (Au), o mercúrio (Hg) e o chumbo (Pb) eram conhecidos em formas relativamente puras na Antiguidade pelos gregos e romanos e pelos alquimistas da China antiga, do mundo árabe e da Europa medieval. Entretanto, muitos outros – como o alumínio (Al), o silício (Si), o iodo (I) e o hélio (He) – não eram conhecidos até os séculos XVII e XVIII (algumas dessas substâncias elementares são mostradas na Figura 1.1b). Finalmente, os elementos artificiais, como o tecnécio (Tc), o plutônio (Pu) e o amerício (Am), foram criados no século XX utilizando-se técnicas da física moderna. Muitos elementos têm nomes e símbolos com origens no latim ou no grego – alguns exemplos incluem o hélio (He), cujo nome vem da palavra grega que significa sol, helios, e o chumbo, cujo símbolo, Pb, vem da palavra em latim plumbum, que significa pesado. Os elementos recentemente descobertos, porém, foram nomeados em homenagem a seu lugar de descoberta ou a uma pessoa ou um lugar importante – alguns exemplos são o amerício (Am), o califórnio (Cf) e o cúrio (Cm). A tabela ao final deste livro, em que o símbolo e outras informações sobre todos os elementos, com exceção dos mais recentes, são incluídos em um boxe, é chamada de Tabela Periódica. Descreveremos essa ferramenta importante da química de forma mais detalhada no Capítulo 2. Um átomo é a menor partícula de um elemento que retém as propriedades características desse elemento. A química moderna se baseia na compreensão e na exploração da natureza em nível atômico. Muito mais será dito sobre os átomos e as propriedades atômicas nos capítulos 2, 7 e 8 (especialmente). Exercício 1.1
Elementos
Usando a Tabela Periódica ao final deste livro:
(a) encontre os nomes dos elementos que têm os símbolos Na, Cl e Cr. (b) encontre os símbolos dos elementos zinco, níquel e potássio.
1.2 COMPOSTOS E MOLÉCULAS Uma substância pura como açúcar, sal ou água, que é composta por duas ou mais substâncias elementares diferentes, é chamada de composto químico. Apesar de conhecermos apenas 113 elementos, parece não haver nenhum limite para o número dos compostos constituídos a partir desses elementos. Mais de 20 milhões de compostos são atualmente conhecidos, e aproximadamente 500 mil são adicionados à lista a cada ano. Quando os elementos tornam-se parte de um composto, suas propriedades originais, como a cor, a dureza e o ponto de fusão, são substituídas pelas propriedades características do composto. Considere o sal de cozinha comum (cloreto de sódio), que é composto por duas substâncias elementares (veja a Figura 1.2). A pirita de ferro é um composto químico formado por ferro e enxofre. É freqüentemente encontrada na natureza na forma de cubos dourados perfeitos. (Charles D. Winters)
O sódio é um metal brilhante que interage violentamente com a água. É composto por átomos de sódio arranjados de forma compacta. • O cloro é um gás amarelo-claro que tem um odor característico sufocante e é um forte irritante dos pulmões e de outros tecidos. A substância elementar é composta por unidades de Cl2, em que dois átomos de cloro são fortemente ligados. •
•
O cloreto de sódio, ou o sal de cozinha, é um sólido cristalino com propriedades completamente diferentes das duas substâncias elementares que o compõem
K OTZ
E T REICHEL
Capítulo 1
Matéria e Medição
Figura 1.2 Formação de um composto químico. Cloreto de sódio, o sal de cozinha, pode ser preparado pela combinação de sódio metálico (Na) e do gás amarelo cloro (Cl 2). O resultado é um sólido cristalino. (Charles D. Winters)
(veja a Figura 1.2). O sal é composto por sódio e cloro intimamente ligados um ao outro. (O significado de fórmulas químicas do tipo NaCl é explorado nas seções 3.3 e 3.4.) É importante fazer uma distinção cuidadosa entre uma mistura de substâncias elementares (veja a Seção 1.5) e um composto químico de dois ou mais elementos. O ferro metálico puro e o enxofre amarelo em pó (veja a Figura 1.1b) podem ser misturados em proporções variadas. No composto químico conhecido como pirita de ferro, entretanto, esse tipo de variação não pode ocorrer. A pirita de ferro não somente exibe propriedades específicas e diferentes daquelas do ferro ou do enxofre, ou uma mistura dessas substâncias elementares, como também apresenta uma composição percentual em massa invariável (46,55% de Fe e 53,45% de S, ou 46,55 g de Fe e 53,45 g de S em 100,00 g de amostra). Assim, existem duas principais diferenças entre misturas e compostos químicos: os com postos têm características diferentes de seus elementos de origem e têm uma composição percentual fixa (em massa) de seus elementos constituintes. Alguns compostos – como o sal, NaCI – são constituídos por íons, que são átomos ou grupos de átomos eletricamente carregados [→ Capítulo 3]. Outros compostos – como a água e o açúcar – consistem em moléculas, as menores unidades discretas que retêm as características química e de composição do composto. A composição do composto pode ser representada por sua fórmula química. Na fórmula para a água, H2O, por exemplo, o símbolo para o hidrogênio, H, é seguido por um “2” subscrito, que indica que dois átomos de hidrogênio ocorrem em uma única molécula de água. O símbolo para o oxigênio aparece sem algarismo subscrito, o que indica que somente um átomo de oxigênio ocorre na molécula de água. Conforme será visto durante todo este livro, as moléculas podem ser representadas por modelos que descrevem sua composição e sua estrutura. A Figura 1.3 ilustra os nomes, as fórmulas e os modelos das estruturas de algumas moléculas comuns.
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Química Geral e Reações Químicas
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Figura 1.3 Nomes, fórmulas e modelos
das estruturas de algumas moléculas comuns. Modelos de moléculas são amplamente utilizados, e muitos aparecem ao longo de todo o livro. Nesses modelos, os átomos de C são representados em cor cinza, os átomos de H, em branco, os de N, em azul, e os de O, em vermelho. Esse esquema de cores é geralmente usado em química. (Veja o caderno colorido ao final do livro.)
1.3 PROPRIEDADES FÍSICAS Você reconhece seus amigos pela aparência física: altura, peso e cor dos olhos e dos cabelos. O mesmo vale para as substâncias químicas. Pode-se diferenciar entre um cubo de gelo e um cubo de chumbo de mesmo tamanho não apenas por sua aparência (um é transparente e incolor, o outro é um metal lustroso), mas também por um deles ser muito mais pesado (chumbo) do que o outro (gelo) (veja a Figura 1.4). Propriedades como essas, que podem ser observadas e medidas sem alterar a composição de uma substância, são chamadas de propriedades físicas. As substâncias químicas elementares nas figuras 1.1 e 1.2, por exem plo, diferem claramente na cor, na aparência e no seu estado, isto é, se são sólidas, líquidas ou gás. As propriedades físicas permitem que classifiquemos e identifiquemos substâncias do mundo da matéria. Na Tabela 1.1 listam-se algumas propriedades físicas da matéria que os químicos geralmente utilizam.
Figura 1.4 Propriedades físicas. Um
cubo de gelo e um pedaço de chumbo podem ser facilmente diferenciados por meio de suas propriedades físicas (como densidade, cor e ponto de fusão). (Charles D. Winters)
Exercício 1.2
Propriedades Físicas
Identifique, na Tabela 1.1, o máximo de propriedades físicas que puder para as seguintes substâncias comuns: (a) ferro, (b) água, (c) sal de cozinha (cujo nome químico é cloreto de sódio) e (d) oxigênio.
Tabela 1.1
Algumas Propriedades Físicas
Propriedade
Utilização da Propriedade para Diferenciar Substâncias
Cor
Ponto de fusão
A substância é colorida ou incolor? Qual é a cor e qual sua intensidade? É um sólido, um líquido ou um gás? Se é um sólido, qual é a forma das partículas? A que temperatura o sólido se funde?
Ponto de ebulição
A que temperatura o líquido ferve?
Densidade Solubilidade Condutividade elétrica
Qual é sua densidade (massa por unidade de volume)? Que massa da substância pode ser dissolvida em um determinado volume de água ou em outro solvente? Trata-se de um condutor elétrico ou de um isolante?
Maleabilidade
Qual é a facilidade de se deformar o sólido?
Ductibilidade
Com que facilidade o sólido pode ser transformado em um fio?
Viscosidade
Qual é a suscetibilidade de um líquido ao escoamento?
Estado da matéria
Densidade A densidade, razão entre a massa de um objeto e seu volume, é uma propriedade física útil para identificar as substâncias.
K OTZ
Capítulo 1
E T REICHEL
Densidade =
Matéria e Medição
massa volume
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(1.1)
Seu cérebro usa inconscientemente a densidade de um objeto que você queira levantar estimando o volume visualmente e preparando seus músculos para levantar a massa prevista. Por exemplo, pode-se instantaneamente dizer a diferença entre um cubo do gelo e um cubo de chumbo de tamanhos idênticos (veja a Figura 1.4). O chumbo tem uma densidade elevada, 11,35 g/cm3 (11,35 gramas por centímetro cúbico), ao passo que a densidade do gelo é ligeiramente menor que 0,917 g/cm3. Um cubo de gelo com um volume de 16,0 cm3 tem uma massa de 14,7 g, enquanto um cubo de chumbo com o mesmo volume tem uma massa de 180 g. A densidade de uma substância relaciona sua massa e seu volume. Se duas das três grandezas – massa, volume e densidade – forem conhecidas para uma amostra de matéria, a terceira pode ser calculada. Por exemplo, a massa de um objeto é o produto de sua densidade por seu volume: Massa (g) = volume
×
densidade = volume (cm 3 )
×
massa (g) vo lume (cm3 )
Essa abordagem é usada para encontrar a massa de 24 cm3 [ou 24 mL (mililitros)] de mercúrio na proveta na foto ao lado. Um manual2 de química lista a densidade do mercúrio como 13,534 g/cm3 (a 20 °C). Massa (g) = 24 c m3
Exemplo 1.1
×
13, 534 g 1 cm
3
=
Qual é a massa de 24 mL de mercúrio? Veja o texto para a resposta. (Charles
325 g
D. Winters)
Usando a Densidade
Problema • O etilenoglicol, C2H6O2, é largamente usado em fluidos anticongelantes para radiadores de automóveis. Ele possui uma densidade de 1,11 g/cm3 (ou 1,11 g/mL). Qual é a massa, em gramas, de 56 litros (56.000 mL = 56.000 cm3) de etilenoglicol? Estratégia • Você conhece a densidade e o volume da amostra. Já que a densidade é a relação entre a massa de uma amostra e seu volume, então massa = volume × densidade. Conseqüentemente, para encontrar a massa da amostra, multiplique o volume pela densidade. Solução • 56.000 cm3
×
1,11 g 1 cm3
=
62.000 g
Densidade
A densidade do ar seco é 1,18 × 10 3 g/cm3 (= 0,00118 g/cm3; veja o Apêndice A sobre como usar a notação científica). Que volume do ar, em centímetros cúbicos, tem uma massa de 15,5 g? –
2
Comentário • Observe que unidades de cm3 cancelam-se no cálculo.
Exercício 1.3
NTT: No Brasil, geralmente nos referimos a esses compêndios de informação por seu nome em inglês: Handbook .
