Quimica ISSU

A C I M e Í a a i g r U e n Q M a t é r i a a f o, e r m a ç õ e s s n a t r

C O I C N Ú U M E L O V s d e

o c h i a r l o n C a a é i s B J o b u j a a m a z q u e A r i q n e H o s C a r l o t n o b r e c h J u s t i n A l b r r i t a m D a l t a M a i a

ENSINO MÉDIO

QUÍMICA Matéria, energia e transformações volume único

José Carlos de Azambuja Bianchi Mestre em Química Inorgânica, com linha de pesquisa em Ensino, pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Bacharel e Licenciado em Química pela Faculdade Oswaldo Cruz. Professor do Ensino Médio na rede particular par ticular de ensino.

Carlos Henrique Albrecht Pós-graduado em Estrutura da Matéria pela Unicamp. Bacharel e Licenciado em Química pela Unicamp. Professor do Ensino Médio nas redes pública e particular de ensino.

Daltamir Justino Maia Doutor em Ciências pela Unicamp. Mestre em Química Inorgânica pela Unicamp. Bacharel em Química pela Unicamp. Autor de livros de Ensino Superior de Química. Professor EBTT do Instituto Federal de São Paulo (Campus Campinas).

1a edição São Paulo – 2017

COMPONENTE CURRICULAR QUÍMICA

VOLUME ÚNICO ENSINO MÉDIO

© Editora do Brasil S.A., 2017

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Projeto gráfico: Triolet Editorial/Arte Editora de arte: Daniela Fogaça Salvador Assistentes de arte: Felipe Frade, Christof Gunkel Ilustradores: Adilson Secco, All Maps, Daniel das Neves, Dawidson França, Filipe Rocha, Suryara Bernardi Iconografia: Pamela Rosa (coord.) Capa: Beatriz Marassi Imagem de capa: Paola Cravino Photography

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Bianchi, José Carlos de Azambuja Química: matéria, energia e transformações: volume único / José Carlos de Azambuja Bianchi, Carlos Henrique Albrecht, Daltamir Justino Maia. -1. ed. -- São Paulo : Editora do Brasil, 2017. -(Série Brasil Ensino Médio) ISBN: 978-85-10-06613-6 (aluno) ISBN: 978-85-10-06614-3 (professor) 1. Química (Ensino Médio) I. Albrecht, Carlos Henrique. II. Maia, Daltamir Justino. III. Título. IV. Série. 17-06643

Imagem de capa: Atomium, de André

CDD-540.07

Índice para catálogo sistemático: 1. Química : Ensino médio

540.7

Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei n. 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. Todos os direitos reservados 2017 Impresso no Brasil Impresso na Meltingcolor Gráfica e Editora Ltda. 1a Edição – 1a Impressão – 2017

Rua Conselheiro Nébias, 887 São Paulo, SP – CEP 01203-001 Fone: +55 11 3226-0211 www.editoradobrasil.com.br i d r a n r e B a r a y r u S

Waterkeyn escultura em Bruxelas, Bélgica, representando um cristal elementar de ferro.

APRESENTAÇÃO Caro aluno, Os últimos anos têm mostrado uma tendência que exige atenção para a relação ensino-aprendizagem em todos os níveis de escolaridade da Educação Básica. Isso significa que é essencial a abordagem de conceitos, teorias e definições, de qualquer disciplina específica, vinculados à sociedade e ao modo como esse conhe-

cimento transforma, cria novos ambientes e modifica vidas. É nas atividades do dia a dia nas cidades, no campo, na indústria, que esse conhecimento se faz presente. Vocês, estudantes brasileiros, estão vivendo o que se pode chamar de uma “nova era”, em relação às suas vidas escolares. Para encarar esses novos desafios das

ciências, a educação deve se direcionar às novas tecnologias, cuja complexidade requer profissionais cada vez mais preparados e que mantenham a ética como

referencial para seu desempenho. Pensando dessa maneira, escrevemos este livro. Suas unidades e seus capítulos foram fundamentados a partir de grandes temas abordados pela Química. Alguns capítulos são introduzidos por um percurso histórico, outros, por situações cotidianas. Abordagens relativas às questões ambientais são apresentadas com o

cuidadoso olhar das ciências. Procuramos apresentar os conceitos, as teorias e as definições dentro dos saberes modernos e atuais da Química, de acordo com os órgãos e as instituições que pesquisam e normatizam, segundo os padrões internacionais, procedimentos

e nomenclaturas. As normas e as regulamentações foram sugeridas para mostrar que as convenções são facilitadoras na linguagem científica. Para finalizar, temos certeza de que estaremos contribuindo para a formação de vários grupos de estudo e que eles encontrarão satisfação ao conhecer e en-

tender os saberes da Química. Os autores

Conheça o livro Abertura de unidade Este livro é composto de unidades para facilitar a divisão da Química por assuntos. A abertura é formada por um texto e uma imagem motivadores sobre o tema da unidade.

Curiosidade

Traz informações do cotidiano que apresentam curiosidades relacionadas à Química.

Exercícios resolvidos

Exercícios propostos

São apresentadas estratégias de resolução e servem de apoio aos exercícios propostos no decorrer dos capítulos.

Exercícios para fixação do conteúdo acompanham o desenvolvimento teórico de cada capítulo.

Exercícios finais Exercícios de vestibulares de todo o Brasil com maior nível de complexidade conceitual, presentes ao final do capítulo.

Enem Seleção de exercícios dos últimos exames do Enem, presentes ao final da unidade.

Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente Demonstra como a pesquisa científica pode ser aplicada para o bem-estar da sociedade, explorando as relações entre Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente (CTSA).

Experimento Atividade experimental que aborda na prática a teoria.

História da Química É abordada a história da Química e suas personalidades, valorizando a ciência sob a perspectiva da construção histórica e científica. Nota

Quadros destacados graficamente trazem informações que acompanham a exposição teórica.

Com a palavra... Textos de importantes químicos da atualidade abordam, sob outras perspectivas, algum tema tratado no capítulo.

Atividade investigativa Propostas de atividades experimentais ou de investigação que envolvem questionamentos de outras disciplinas.

Química Aplicada Aborda e explica a aplicação da Química em situações cotidianas, relacionadas diretamente à realidade do mundo em que vivemos.

Infográficos e esquemas

Infográficos e esquemas ilustrados exemplificam e facilitam a visualização do conteúdo conceitual.

Sumário UNIDADE 1

• Explicando a estrutura da matéria:

Matéria e Energia

• • • • •

A crença nos átomos .....................................................10 Os tipos de matéria ........................................................11 Substância: um tipo específico de matéria ................ 15 Atmosferas planetárias e pressão ................................22 Caracterização das substâncias por meio de suas propriedades ...................................................................27 Com a palavra... Água: um bem precioso ................. 38

modelos atômicos .......................................................132 • Tabela periódica ............................................................138 • Os tamanhos dos íons e a tabela periódica ............. 144 • A ionização e a energia ................................................148 • As densidades dos elementos e a tabela periódica ...................................................... 151 • Ligações químicas ........................................................156 Com a palavra... O modelo atômico de Bohr: o átomo de hidrogênio ................ .................. ............163

Exercícios finais ...............................................................39

Exercícios finais ............................................................164

Capítulo 2 Energia ............................................................42

Capítulo 6 Ligações covalentes................. ...............167

Capítulo 1 Substâncias ..................................................10

• A energia ..........................................................................42 • O Princípio da conservação da energia ................ ......44 • A experiência de Joule................................................... 47 • Produção e consumo de energia................................. 48 • Combustão ......................................................................52 • Energia elétrica ...............................................................53 • Termelétricas ...................................................................54 • A utilização do etanol como combustível automotivo ......................................................................54 • Utilização da energia solar ............................................57 Com a palavra... Química e energia ............................ 59

• Como os átomos se ligam para formar as moléculas? ............................................................... 169 • A representação da ligação covalente: as fórmulas estruturais e eletrônicas de Lewis .................. ............ 170 • O conceito de ligação covalente ............................... 173 • Ligações intermoleculares ..........................................184 Com a palavra... Ligação de hidrogênio................... 202 Exercícios finais ............................................................204

Capítulo 7 Compostos inorgânicos ....................... 206 • • • • • •

Ácidos e bases ..............................................................206 Força dos ácidos e das bases ......................................212 Classificação das soluções ácidas .............................. 215 Classificação das bases ................................................218 Sais .................................................................................220 Óxidos............................................................................. 228 Com a palavra... Química de materiais inorgânicos ....................................237

Exercícios finais ..............................................................60

Capítulo 3 Radioquímica.............................................. 62 • • • • • •

Os átomos ........................................................................62 A Lei de Proust ................................................................62 A estrutura do átomo ....................................................66 A respeito do elétron .....................................................66 Radioatividade ................................................................73 Energia nuclear ..............................................................90 Com a palavra... Como são formados os elementos químicos? ..................................................99

Exercícios finais .............................................................238

Atividade investigativa ..........................................243 Enem ................................................................................244


Capítulo 4 Quantidade de átomos, moléculas e íons .............................................................106 • Massas atômicas e a determinação de fórmulas.....106 • A quantidade de matéria e o mol .................. ............ 112 • O Sistema Internacional de Unidades (SI) ................ 113 • A constante de Avogadro: “contando” átomos, íons e moléculas ...........................................................116 Com a palavra... O mol ................................................122 Exercícios finais .............................................................123


UNIDADE 2

A Teoria Atômica e a constituição da matéria

Capítulo 5 Modelos atômicos, tabela dos elementos e os modelos de ligações . ... 132 6

UNIDADE 3

Fontes de recursos naturais

Capítulo 8 Gases ..............................................................248 • A Lei de Boyle ................................................................251 • A Lei de Charles ............................................................254 • Lei de Avogadro: relacionando quantidade de matéria e volume .........................................................257 • Misturas gasosas ...........................................................261 • Teoria Cinética Molecular dos Gases ............... .......... 265 Com a palavra... Gás e energia................. ................. .270 Exercícios finais .............................................................271

Capítulo 9 Reservas da crosta terrestre e • • • •

tecnologia ................................................... 276 Ferro ................................................................................276 Alumínio .........................................................................284 Ligas metálicas ..............................................................286 Silício ...............................................................................289

• • • •

Estequiometria ..............................................................294 Carvão ...........................................................................304 Petróleo .........................................................................308 Gás natural .....................................................................319 Com a palavra... A estequiometria, a economia de átomos e o ambiente ................................322

Com a palavra... Por que a cola cola?........................ 459 Exercícios finais ............................................................460

Capítulo 14 Eletroquímica ..........................................468 • Obtenção de eletricidade .......................................... 468 • Pilhas ou células eletroquímicas ................................ 471 • Eletrólise: processos eletroquímicos


não espontâneos ......................................................... 484 • Corrosão .........................................................................491 • Aspectos quantitativos nos processos eletroquímicos ...........................................493 • Número de oxidação (Nox) .........................................497 Com a palavra... Eletroquímica e a geração de energia ........................................505

Capítulo 10 Soluções...................................................... 326 • Misturas homogêneas e heterogêneas ................ ....326 • Solubilidade ...................................................................328 • Concentração ................................................................331 • Pressão de vapor ..........................................................340 • Temperatura de ebulição ............................................341 • Propriedades coligativas: aspectos qualitativos ......343 • Osmose ..........................................................................347 • Misturas coloidais .........................................................351 Com a palavra... Coloides em toda parte ................ . 356 Exercícios finais .............................................................357


UNIDADE 4

Exercícios finais ............................................................506 Atividade investigativa ..........................................514

UNIDADE 5 • • • •

Características do carbono .........................................523 Funções orgânicas ........................................................530 Isomeria ..........................................................................558 Propriedades físicas de compostos orgânicos ........ 573 Com a palavra... Química Orgânica: a Química da vida ........................... 578

Capítulo 11 Termoquímica .........................................370 pelos nutrientes ............................................................370 • Trabalho, calor e temperatura ....................................374 • Reações químicas em Termoquímica: entalpia ....... 378 Com a palavra... Quanta energia! ..............................397


Capítulo 16 Organização das moléculas orgânicas ....................................................589 • Reações em compostos orgânicos ............................ 589 • Reações de substituição ..............................................590 • Reações de adição ........................................................595 • Reações de eliminação ................................................599 • Reações de oxidação ..................................................600 Com a palavra... Moléculas Orgânicas: Reações e Propriedades em Toda Parte ..................................... 611


Capítulo 12 Cinética química ................................... 400 • A cinética das transformações ...................................401 • Condições essenciais para a realização de uma reação química................. ................. ............ 402 • Fatores que influenciam na velocidade de uma reação .............................................................407 • Com a palavra... Velocidade................................... 419


Capítulo 17 As modernas moléculas orgânicas ...................................................619 • Polímeros .......................................................................619 • Identificação de alguns polímeros recicláveis ......... 628 • Biomoléculas .................................................................631 Com a palavra... Reciclagem da borracha de pneus usados ............... ............ 643

• Exercícios finais ........................................................420

Capítulo 13 Equilíbrio químico.................. ...............428 • A formação do equilíbrio químico............................. 428 • O deslocamento do equilíbrio ...................................431 • Fatores que podem deslocar o equilíbrio • • • • •

de um sistema ................................................................433 Lei da Ação das Massas – A constante K c .................438 A constante de equilíbrio K p .......................................441 Equilíbrio iônico ...........................................................444 Hidrólise salina ..............................................................454 Produto de solubilidade ..............................................456

A evolução das moléculas

Capítulo 15 Introdução à Química Orgânica .................522

Dinâmica das transformações químicas

• Componentes energéticos dos alimentos ...............370 • Estimativa da quantidade de energia fornecida

Enem ................................................................................515

Exercícios finais ............................................................644

Atividade investigativa .................................... 649 Enem ...................................................................... 650 Para ler e assistir ............................................... 656 Bibliografia .......................................................... 658 Gabarito ............................................................... 659 7

MATÉRIA E ENERGIA

UNIDADE

1 O ser humano produz energia. O seu corpo produz energia. E, ao longo do tempo, outras formas de obtê-la foram descobertas. O ser humano criou ferramentas, atrelou animais, represou águas correntes dos rios, se orientou com os ventos para navegar e movimentar moinhos. Descobriu o fogo e passou a obtê-lo pela queima de materiais como madeira, carvão, petróleo e gás de petróleo. Todas essas formas de energia têm uma fonte comum de irradiação: o Sol. O conceito de energia é relativamente recente e está vinculado ao conceito de fontes não renováveis, isto é, recursos de obtenção de energia (carvão mineral, petróleo, gás natural e minerais contendo elementos radioativos, por exemplo) responsáveis pela manutenção do mundo, mas que, uma vez esgotados, não são passíveis de serem reconstituídos em um período de tempo possível para sua reutilização.

a n e r a o t o F / y r a r b i L t r A n a m e g d i r B e h T / a c r a m a n i D , n e g a h n e p o C , t s n u K r o f m u e s u M s n e t a t S

Fundição de ferro em Copenhagen, na Dinamarca. Peter Severin. The Iron Foundry , 1885. Óleo sobre tela, 144  195 cm.

9

CAPÍTULO

1

SUBSTÂNCIAS A crença nos átomos Na Grécia Antiga, houve várias especulações sobre a constituição da matéria. Para o filósofo Demócrito (Figura 1.1), qualquer tipo de matéria seria formado por pequenas partículas, chamadas de átomos (do grego: átomos  indivisível). Várias considerações foram feitas a respeito dessas partículas, que culminaram em uma teoria, apoiada apenas em especulações, para explicar o que era observado. De acordo com as proposições decorrentes dessa teoria, os átomos:

a n e r a o t o F / r e g n a r G

•

constituiriam toda e qualquer matéria;

•

cada matéria seria constituída por átomos que apresentariam as mesmas propriedades;

•

diferentes tipos de átomos difeririam em forma, tamanho e massa.

Para Demócrito, a grande variedade de materiais na natureza provinha dos movimentos dos diferentes tipos de átomos, que formavam conjuntos maiores ao se chocarem, gerando diferentes corpos com características próprias.

Figura 1.1: Demócrito

(460 a.C. - 370 a.C.).

A esses fundamentos foram agregados outros estudos. Epicuro (341 a.C.–270 a.C.), também filósofo grego, complementou as ideias de Demócrito ao sugerir que haveria um limite para o tamanho dos átomos, justificando assim a razão de serem invisíveis.

Exercício proposto Segundo os fundamentos criados na Grécia Antiga, as características dos materiais estavam principalmente associadas à sua forma geométrica, que era definida pelo tipo de átomo que os compunha. Com base nesse raciocínio dos gregos, qual seria a forma geométrica dos “átomos que formam a pimenta”, considerando a característica do seu sabor picante?

Os elementos químicos Chamamos de elemento químico o conjunto de átomos que apresentam as mesmas propriedades. Raramente, os elementos químicos ocorrem de forma isolada na natureza, é comum encontrá-los combinados entre si porque seus átomos são capazes de se combinar por meio de interações mútuas, dando origem à diversidade de matéria existente. A variedade de combinações entre os átomos depende de leis naturais, que estabelecem condições para que elas sejam efetivas. No entanto, em alguns casos há a possibilidade de criar condições para que novas combinações sejam formadas e gerem materiais artificiais. Em outras palavras: pode-se, por meio da Ciência e da tecnologia, promover combinações não naturais entre átomos.

A eletricidade permite reconhecer alguns elementos Desde o início do século XIX, a eletricidade foi utilizada para decompor materiais até seus elementos constituintes, que, em sua maioria, não se desprendiam por meio da ação do calor. A partir desse recurso técnico, deu-se início ao reconhecimento de novos elementos químicos que até então passavam despercebidos por estarem associados a outros elementos formando diferentes tipos de materiais.

10

Unidade 1

Matéria e Energia

Quimica ISSU

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