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

Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor de Educação e Tecnologia SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL – SENAI Conselho Nacional

Robson Braga de Andrade Presidente SENAI – Departamento Nacional

Rafael 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, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI. Esta publicação foi 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 Profissional 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 • Edifício 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 transformação 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 formação do hexafluoreto de enxofre 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 fases (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 flutuando quando em água Figura 23 – Demonstração da viscosidade Figura 24 – Fluidos e não fluidos 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 petrolífera 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 fusão 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 simplificado 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 petrolíferas 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 fundamentais 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 Classificação 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 Transformações com massa gasosa fixa

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, difusão e efusão 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 Cromatografia

122

4.2.5 Espectroscopia

123

4.3 Interpretação das fichas de informação de produtos químicos (FISPQ)

124

4.4 Boas práticas de laboratório

125

Referências

133

Introdução

Wilhermyson Lima Leite

1

Figura 1 – Na Química, a transformação

O processo de transformação química e energética que ocorre na formação geológica do petróleo gera inúmeras informações, que são utilizadas para determinação das características qualitativas e quantitativas dos produtos formados. A elaboração de melhores formas 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 científica aplicada a temas relevantes da sociedade, em que o macro e o micro relacionam-se em suas proporcionalidades dentro dos desafios impostos por ela. A ciência, a tecnologia, o meio ambiente e a sociedade são avaliados hoje como faces de uma mesma dinâmica, em que a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico forjam 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 qualifica e dinamiza essa mesma sociedade.

14


Procuramos abordar neste livro, no capítulo 2, inicialmente os conceitos fundamentais de Química, facilitando a compreensão futura de termos básicos utilizados durante as etapas de exploração, obtenção e processo do petróleo e seus derivados, permitindo assim uma formação profissional baseada no dinamismo necessário aos alicerces dos conteúdos posteriores. A aplicabilidade desses conceitos tem como principal função os aspectos qualitativos, pois é gerando conhecimento que o profissional 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 fundamentando-os de forma inseparável da Química aplicada. O refino e os produtos gerados pelas indústrias de primeira, segunda e terceira geração baseiam-se no tipo de óleo bruto inicialmente extraído, influenciando, 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 significativas de processos tão expressivos sem o aproveitamento das ferramentas estatísticas. A avaliação química aplicada a petróleo, gás e derivados só tem valor quando a amostra é retirada corretamente e apresenta-se significativa 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 forma de conservação de amostras, o reconhecimento da leitura de rótulos de reagentes químicos e de suas fichas de segurança, permitindo que durante a formação profissional o aluno tenha a dinâmica e reflexão dos limites dados por esses reagentes e produtos, permitindo a avaliação da sua segurança e dos profissionais envolvidos durante os processos de produção e análise da matéria-prima e do produto acabado. As ferramentas de qualidade são apresentadas apenas para uma familiarização inicial. Seu aprofundamento se dará nos módulos seguintes, mas fundamenta a Química aplicada a petróleo e gás, amarra a relação entre os conceitos da formação profissionalizante e evidencia a necessidade de uma gestão pela qualidade total. Nos módulos seguintes você verá, com mais profundidade, o desenvolvimento do nosso tema central: QUÍMICA APLICADA A PETRÓLEO E GÁS.

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

INTRODUÇÃO

Química Aplicada a Petróleo e Gás COMPONENTES CURRICULARES

CARGA HORÁRIA

Fundamentos Técnicos e Científicos de Petróleo e Gás Comunicação/Informática – 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 Específico Profissional

Tecnologias do Sistema Produtivo On-shore e Off-shore – 160h

(1ª Etapa)

Processamento de Petróleo e Gás – 100h

Exploração On-shore e Off-shore – 160h 484h

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 Específico Profissional (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

In-Fólio/Paula Moura

2

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

450 a.C. Definição do átomo

1803

1850

1886

1911

1913

1932

Modelo de Thomson

Reformulação do modelo atômico por Bohr

Descoberta do nêutron

Figura 3 – Linha do tempo

In-Fólio/Cris Marcela

A Química geral é um instrumento de estudo necessário para a resolução de problemas em muitas áreas de atuação. Pode ser utilizada na agricultura, oceanografia, 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 foi possível definir 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 foram aprimorados ao longo do tempo (Figura 3).


Para Demócrito, o átomo constitui toda e qualquer matéria, e esses átomos seriam caracetrizados como qualitativamente iguais, diferenciando-se apenas na forma, 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 definida, 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 formularam conceitos como:


18

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 diferentes elementos têm propriedades diferentes. Compostos químicos são formados de átomos de dois ou mais elementos em uma razão fixa.

Todas as transformações químicas consistem em combinação, separação ou rearranjo de átomos.

VOCÊ SABIA?

Dalton nasceu em Eaglesfield, Crumbria, em 6 de setembro de 1766, foi considerado o químico e físico inglês fundador 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 reformulou 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 esfera carregada positivamente contendo alguns elétrons incrustados nessa esfera positiva.

VOCÊ SABIA?

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


Esse modelo de átomo ficou conhecido como “pudim de passas”. Confira na Figura 5, abaixo.

Figura 5 – Modelo atômico de Thomson

Seguindo a linha do tempo da atomística, em 1911 o modelo de Thomson foi 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 foi criado pelo cientista Rutherford. Em 1913, esse modelo foi reformulado pelo então cientista Niels Bohr. Seguido a formulação do modelo de Rutherford, em 1932, houve a descoberta da terceira partícula atômica pelo físico 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 Rutherford foi um físico e químico neozelandês que se tornou conhecido como o pai da Física Nuclear. Niels Henrick David Bohr foi um físico dinamarquês cujos trabalhos contribuíram decisivamente para a compreensão da estrutura atômica e da Física Quântica.

19


O novo modelo atômico introduziu alguns conceitos revolucionários que conduziram finalmente 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


20

Figura 6 – Modelo atômico de Bohr

Para Bohr, os elétrons giravam ao redor de um núcleo positivo, de forma que esses elétrons estavam distribuídos em camadas ou órbitas bem definidas. 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 foi 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 forma. 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 fundamental possui apenas um elétron, assim como todo oxigênio no seu estado fundamental 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 forma de diferentes tipos de óxidos; ele é formado 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, foi 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


VOCÊ SABIA?

Antes de dar continuidade ao conceito de ligações químicas, precisamos entender a forma com que os elementos estão agrupados. Sentindo a necessidade de agrupar os elementos e facilitar o entendimento sobre o seu comportamento, em 1913 criou-se a classificação periódica moderna, em que se agrupavam os elementos químicos em ordem crescente de número atômico. A esse agrupamento de elementos em forma de tabela, chamamos tabela periódica (Figura 7). A tabela periódica é dividida em famílias e períodos. As famílias são as colunas verticais e os períodos são as colunas horizontais. Observe que a tabela é formada 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.

2

3

11

3 Na Sódio 19

6

5

7

8

10

9

12

11

Zr

4

Be

Berílio

Representação

Mg

Magnésio

Ca 4 K Potássio Cálcio

14

16

15

18

17

5

6

7

8

9

10

B

C

N

O

F

Ne

13

14

15

16

17

18

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Boro

Zircônio

12

20

13

40

He 1 H Hidrogênio Hélio 2 Li Lítio

4

3

2

Alumínio

Carbono

Silício

Nitrogênio Oxigênio

Fósforo

Enxofre

Flúor

Cloro

Neón

Argon

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Escândio

Titânio

Vanádio

Cromo

Manganês Ferro

Cobalto

Níquel

Cobre

Zinco

Gálio

Germânio

Arsênio

Selênio

Bromo

Criptônio

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

5 Rb Rubídio

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sr

Sb

Te

I

Xe

55

56

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Ti

Pb

Bi

Po

At

Rn

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

71

La

Túlio

Itérbio

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

6 Cs Césio 87

7 Fr Frâncio

Estrôncio

Ba

Ítrio

57 – 71

Bário

Háfnio

88

Ra

Rádio

Zircônio

89 – 103

Nióbio

Tantálio

Ruterfórdio Dúbio

Latânio

Actínio

Cério

Tório

Molibdênio Tecnécio

Tungstênio Rênio

Seabórgio Bóhrio

Praseodímio

Neodímio

Protactínio Urânio

Rutênio

Ósmio

Hássio

Promécio

Netúnio

Ródio

Irídio

Meitnério

Samário

Plutônio

Paládio

Platina

Darmstádio

Európio

Amerício

Prata

Ouro

Roentgenium

Gadolínio

Cúrio

Figura 7 – Tabela periódica

Cádmio

Mercúrio

Índio

Tálio

Ununbium Ununtrium

Térbio

Berquélio

Disprósio

Califórnio

Estanho

Chumbo

Antimônio Telúrio

Bismuto

Ununquadium Ununpentium

Hólmio

Einstênio

Érbio

Férmio

Polônio

Ununhexium

Mendelévio

Iodo

Astato

Ununseptium

No

Nobélio

Xenônio

Radônio

Ununoctium

Lu

Lutércio

103

Lr

Laurêncio


1 1


LIGAÇÃO IÔNICA Este tipo de ligação ocorre entre um elemento metálico e outro elemento ametálico. Nesse caso há transferência definitiva do elétron de um elemento para o outro, conforme 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 formado 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 fique com oito elétrons.

Cl

Na

Na+ Cl–


Neste caso, o sódio doa definitivamente o seu elétron da última camada para o cloro, conforme a Figura 8.

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 faltar elétrons; portanto, teremos que utilizar mais elementos para formar um composto estável. A Figura 9 demonstra como deve ser feita a união entre esses átomos.

23


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 fica 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 fica 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 família 3A, ao doarem seus três elétrons, ficam com carga 3+. Estes íons com carga positiva são chamados de cátions. Quando um elemento recebe elétrons, fica com carga negativa. Por exemplo: quando o cloro recebe um elétron, ele passa de Cl para Cl–. Quando um elemento recebe dois elétrons, ele fica com carga 2–. Quando um elemento recebe três elétrons, ele fica com carga 3–.


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LIGAÇÃO METÁLICA

Li, Na, K, ...

Mg, Ca, Sr, ...


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, formando assim a ligação metálica.

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 família 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, foram necessários três compartilhamentos. No Caso 2, tem-se a molécula do gás carbônico (CO2). O carbono está localizado na família 14 e o oxigênio, na família 16. Portanto, para o carbono se estabilizar será necessário que o mesmo tenha mais quatro elétrons e o oxigênio, apenas dois elétrons. Para fazer esta ligação, o primeiro oxigênio compartilha dois elétrons seus com dois elétrons do carbono. O oxigênio se estabiliza, porém o carbono fica 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.

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Caso 1

N

N

Caso 2

C

O

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 enxofre ao segundo oxigênio, inicialmente era apenas do enxofre. Portanto, esse tipo de ligação não pode ser classificado apenas como uma ligação covalente, pois o par de elétrons é cedido por apenas um dos átomos, ou seja, neste caso o segundo átomo de oxigênio não compartilha seus elétrons com o enxofre.

O

S

2

O 1

Figura 12 – Ligação covalente dativa

Confira 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.


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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 enxofre e o fósforo. A molécula de SF6 (Figura 14) demonstra o elemento enxofre com 12 elétrons ao seu redor.

xx x x x x

F

x x

F

x o

xx

xx x o

F

x o

S

F

S

xx

F xx

F xx

x x

x x

x x

o x

x x

o x

xx

x x

Figura 14 – Ligação de formação do hexafluoreto de enxofre

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 família 17, também conhecidos como halogênios. As ligações podem ser definidas como polares ou apolares. As ligações do tipo apolar são aquelas em que a diferença de eletronegatividade é igual a zero. A Figura 15 apresenta uma tabela com os valores de eletronegatividade.


x x

F

x o

x x

xx

27

28


Escala de eletronegatividade de Pauling

1 2 3 4 5 6 7

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

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

Zn 1,6 Cd 1,7 Hg 1,9 Uub

B 2,0 Ai 1,5 Ga 1,6 In 1,7 Ti 1,8 Uut

C N O F Ne 2,5 3,0 3,5 4,0 Si P S Cl Ar 1,8 2,1 2,5 3,0 Ge As Se Br Kr 1,8 2,0 2,4 3,0 Sn Sb Te I Xe 1,8 1,9 2,1 2,5 Pb Bi Po At Rn 1,9 1,9 2,0 2,2 Uuq Uup Uuh Uus Uuo

Figura 15 – Tabela periódica

VOCÊ SABIA?

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

Um exemplo de molécula apolar é a molécula de O2. Observando a Tabela de Eletronegatividade verificamos que o oxigênio possui um valor de eletronegatividade igual a 3,5. Calculando a diferença de eletronegatividade da molécula teremos:

⌬ = 3,5 – 3,5 ⌬ = 0 (ligação covalente apolar)

Uma ligação covalente é considerada polar quando a diferença de eletronegatividade é diferente 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 diferença de eletronegatividade temos:


Grupo Período


⌬ = 3 – 2,1 ⌬ = 0,9 Eletronegatividade diferente de zero; logo, ligação covalente polar

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

Van der Walls As forças de Van der Walls podem ser identificadas quando em uma ligação covalente polar verifica-se em algum momento que a nuvem eletrônica tende para um dos polos da ligação.

Dipolo-Dipolo É a força 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 flúor tem eletronegatividade 4.

H

F  H

F

Momento de dipolo entre o flúor e o hidrogênio

Ou seja, o polo negativo da molécula flúor 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 flúor. Pode acontecer tanto entre duas moléculas diferentes, o caso da água, como dentro de uma mesma molécula – ocorre também em moléculas muito grandes, como uma proteína. A força da ponte de hidrogênio varia de acordo com o átomo eletronegativo ligado a ele. Como o flúor é o que possui a maior eletronegatividade, a ponte de hidrogênio ligada a ele é a que possui mais força.

29

30


2.1.5 BALANCEAMENTO DE REAÇÕES Balancear uma reação significa equilibrar os coeficientes 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 coeficiente é o número que antecede os elementos, e o índice é o número que está embaixo do elemento. Por exemplo:

VOCÊ SABIA?

2H2

Índice

Coeficiente

De acordo com a reação, temos no reagente 4 hidrogênios e 2 oxigênios e no produto 4 hidrogênios e 2 oxigênios. O coeficiente multiplica todos os elementos em uma molécula; por exemplo, 2H2O. O coeficiente 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 fora do parêntese está multiplicando todos os elementos que estão dentro dele. Por exemplo: a molécula de Al(OH)3 significa 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 fazer 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 – Transferir o índice de um membro para o outro lado, utilizando-o como coeficiente. 4 – Prosseguir da mesma forma com os outros elementos até que todos estejam balanceados. 5 – Apenas o índice pode tornar-se coeficiente, e nunca o coeficiente se tornar índice.

H2 + Cl2  HCl Veja a representação de uma reação de formação do HCl. Analisando esta reação, verifica-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 indiferente 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 fazer uma regra de três entre os elementos participantes da reação. O coeficiente 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 significa 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 X=

92g . mol 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 formação 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 refere 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 coeficientes 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 X=

21352,5 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 fluorídrico.

Reação 4

KOH + HF  KF + H2O Sabendo que foram 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 = 39μ

H = 1μ

F = 19μ

O = 16μ

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 μ = Unidade de massa atômica

Para fazer 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 11.200 X= 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 X=

100800 20

X = 504g de KOH

Na primeira hipótese vemos que, para gastar as 560g de KOH, teríamos que ter 200g de flúor e, no entanto, temos apenas 180g. Na segunda hipótese isso é confirmado, pois para gastar as 180g de flúor só seriam necessários 504g de KOH e, no entanto, temos 560g de KOH. Contudo, conclui-se que o ácido fluorídrico (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 classificadas de acordo com o seu aspecto. Uma mistura homogênea é aquela que apresenta aspecto uniforme, ou seja, em qualquer ponto da solução suas propriedades são iguais. A mistura heterogênea, por sua vez, não apresenta aspecto uniforme e suas propriedades variam para cada fase. Fase Uma fase pode ser considerada toda a porção homogênea dentro de um sistema heterogêneo.

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Por exemplo

In-Fólio/José Carlos Martins

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.

Figura 16 – Mistura de água e óleo

A Figura 17 demonstra como fica o aspecto da mistura entre óleo e água. Note que a mistura não apresenta uniformidade; porém, ao analisar as substâncias separadamente, é possível observar que tanto o óleo quanto a água apresentam aspecto uniforme. A cada porção com aspecto uniforme chamamos de fase. Neste caso, a mistura água e óleo possui duas fases, ou seja o óleo representa uma fase e a água representa outra fase.


36

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 fases. O óleo representa a primeira fase (menos densa), seguido pela pedra de gelo (segunda fase) e a terceira representada pela água líquida.

Óleo Gelo


Água

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

VOCÊ SABIA?

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

2.1.8 SOLUÇÕES Toda mistura homogênea formada 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 fundamental importância o conhecimento das relações existentes em uma solução.

SOLUÇÃO = SOLUTO + SOLVENTE

INSATURADA

SATURADA

SUPERSATURADA

Menor quantidade de soluto que seu coeficiente de solubilidade

É a quantidade máxima de soluto que o solvente pode diluir

Quantidade de soluto maior que seu coeficiente de solubilidade


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

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Quantidade de soluto 100g de água

Soluções saturadas (Curva de solubilidade)

Soluções supersaturadas

Soluções insaturadas In-Fólio/Cris Marcela

Temperatura (ºC)

Figura 19 – Curva de solubilidade de uma substância hipotética

Cada substância possui curva de solubilidade diferente.

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

AgNO3

140

CaCl22H2O

130

KI

120

CaCl24H2O

NaNO3

110

KBr

100 90

KNO3 CaCl26H2O

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


38


OUTRAS FORMAS DE CLASSIFICAÇÃO DAS SOLUÇÕES As substâncias podem ser classificadas 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 formas:

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

C = g/L m C= 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

T=

ou

msolução

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 fração 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

Solução diluída Figura 21 – Diluição de uma solução

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

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

Um frasco 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 formado?

Temos, portanto, uma reação de neutralização

2HCl + Ca(OH)2  CaCl2 + 2H2O


Diluição com solvente

41


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

HCl

Ca(OH)2

+

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

V = 50mL m=?

ma x Va(L) 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, conforme a fórmula abaixo:

m d= V

d = Densidade (g/cm3) V = Volume (cm3) m = Massa (m)

É importante associar o conceito de densidade em função da temperatura, pois um mesmo material tem diferentes valores de densidade em função de diferentes estados físicos. 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 flutuar (Figura 22). O gelo flutua porque possui menor densidade em comparação com a água líquida.


42

Figura 22 – Gelo flutuando quando em água


2.1.11 VISCOSIDADE


A viscosidade é uma propriedade associada aos fluidos e está relacionada à dificuldade de escoamento da substância (Figura 23).

Figura 23 – Demonstração da viscosidade


Os fluidos possuem a característica de adquirir a forma dos seus recipientes. Observe que a Figura 24 apresenta três situações distintas.

Figura 24 – Fluidos e não fluidos

Para ser considerado um fluido, a substância deve adquirir a forma do recipiente em que for 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 forma do recipiente em que ela está diferentemente do gás que está no balão e do líquido que está na garrafa; ambos adquirem a forma do recipiente. Fazendo uma analogia entre as figuras, verifica-se que os componentes sólidos não são fluidos, pois não adquirem a forma do recipiente. Assim, apenas líquidos e gases podem ser considerado fluidos.

43


A viscosidade é a medida de quanto um fluido 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 facilidade.


44

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 sofrendo redução. Quando isso ocorre em uma reação, dizemos que essa reação é de oxirredução, porque nela há transferência de elétrons. Outro conceito importante é o de agente oxidante e agente redutor. Agente oxidante é aquele que promove a oxidação de algum elemento, faz com que um elemento se oxide. Já sabemos que, para um elemento se oxidar, outro elemento terá que sofrer redução, o elemento que é agente oxidante terá que sofrer 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 sofrer oxidação.

Quem sofre oxidação é agente redutor

Quem sofre 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 fixo. Outros elementos podem ter NOX variáveis. Os elementos que possuem NOX fixo 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 família 1 da tabela periódica possuem todos NOX = +1. Os elementos da família 2 da tabela periódica possuem todos NOX = +2. O alumínio possui NOX = +3. Os elementos da família 17 em compostos binários têm NOX = –1. Os elementos que não possuem NOX fixo são os elementos da família 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 família 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 família 1

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

45

46


Agora temos que calcular o NOX para o enxofre (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 foi 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 definir seu NOX como –1. Neste caso temos que calcular, já que ele é o elemento intermediário na molécula.

H

família 1

NOX = +1

Cl

família 17

NOX = X

O

família 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 formação de óxidos nas sua superfícies. Confira nas Figuras 26 e 27.



José Mariano Soares Pinto Coelho

Figura 26 – Maça oxidada

Figura 27 – Material corroído

Para compreender a maioria dessas transformações, devemos lembrar que cada elemento químico é formado por estruturas totalmente diferentes umas das outras, até mesmo tratando-se das partículas subatômicas que os compõem. Isso gera um comportamento diferente desses elementos na formação 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.

47

48


Tabela1 – Potencial de redução dos elementos químicos E0(V)

SEMI-REAÇÃO Li+(aq) + e –  Li(s)

–3,05

K+(aq) + e –

–2,93

 K(s)

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

+ 2H

O2 I2

2

O + 4e –

(s) + 2e –

O2





4OH–(aq)

2I–(aq)

+0,53

(g) + 2H+(aq) + 2e –

 H2O2(aq)

Fe3+(aq) + e–



Ag+(aq) + e–

 Ag(s)

+0,40

Fe2+(aq)

+0,68 +0,77 +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

2Cl–

+1,36

Au3+(aq) + 3e –

 Au(s)

+1,50

MnO–

 Mn2+(aq) + 4H2O 4 PbO2(s) + 4H+(aq) + SP2–4 (aq) + 2e –  PbSO4(s) + 2H2O H2O2(aq) + 2H+ (aq) + 2e –  2H2O Co3+ (aq) + e – Co2+(aq)

+1,51

O3(g) + 2H+(aq) + 2e –  O2(g) + H2O(I)

+2,07

F2(g) + 2e –  2F– (aq)

+2,87

Cl2

(g) + 4e–



(aq) + 8H+(aq) + 5e –



+1,70 +1,77 +1,82


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 definida 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 ferro 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 (ferro). Logo quem possui maior potencial de redução vai reduzir a outra substância. No entanto, deverá fluir sua equação no sentido da oxidação.

Oxidação

Redução

Fe0 Fe2+ + 2e

2H+ + 2e H2 E0 = – 0,00v (permanece)

E0 =

+ 0,44v (inverte a reação)

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

49



50

Figura 28 – Alguns exemplos de materiais corroídos


Aqui ocorreu a corrosão de metal (ferro). A formação de seu íon correspondente indica que o metal passou para sua forma solúvel, ocorrendo portanto o desgaste do material. Veja alguns processos corrosivos de diferentes formas:

Alveolar Uniforme Placas Esfoliação Alveolar Quando a corrosão produz escavações na superfície metálica. Uniforme Quando se processa em toda a extensão da superfície, ocasionando perda uniforme da espessura do material. Placas Quando não ocorre em toda extensão da superfície metálica e sim em regiões da superfície, formando placas com escavações. Esfoliação É um tipo de corrosão subsuperficial, que se inicia em uma superfície limpa, mas se espalha abaixo dela. A corrosão, como foi descrita, ocorre pela a exposição do material em contato com a atmosfera. Alguns fatores que influenciam 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 efeitos ocasionados por esses fatores, utilizam-se como forma de controle os revestimentos para proteção. Os revestimentos mais utilizados são:

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

51


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.

As indústrias químicas, petrolíferas, petroquímicas, naval, entre outras, devem estabelecer rigorosas formas de controle dos processos corrosivos nos ambientes de produção, tendo como objetivo os seguintes parâmetros:

de custos nas substituições de peças ou equiRedução pamentos de produção (substituição de material corro-

VOCÊ SABIA?

ído pode custar relativamente pouco em termos de perda de produção).

do processo na formação do produto acabado Perdas por motivo das diversas formas de contaminação. dos funcionários envolvidos, com o objetivo Proteção de evitar paralisações acidentais. energética do processo, exigindo maior esforço Perda dos equipamentos e, consequentemente, maior custo do produto final.


52

Figura 29 – Corrosão na indústria petrolífera


2.2 QUÍMICA INORGÂNICA

As quatro funções da Química Inorgânica são: ÁCIDOS

SAIS

BASES

ÓXIDOS


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 funções conforme as suas características.

2.2.1 ÁCIDOS Os ácidos são substâncias que apresentam características como: sabor azedo; formam substâncias aquosas que conduzem eletricidade e podem modificar 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 sulfúrico. Os ácidos na indústria química possuem papel fundamental na produção de novos materiais.

HCI

água

H+ + Cl–


A definição de Arrhenius teoriza que um ácido, em presença de água, forma íons H+ (Veja a Figura 30).

Figura 30 – Dissociação do ácido clorídrico

Os ácidos podem ser classificados 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.

53

54


H2SO4  Ácido sulfúrico (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 fluorídrico HBr – ácido bromídrico

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

ácido + nome do ânion + ico

Quando o elemento forma dois oxiácidos, a nomenclatura é feita 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 enxofre (S) possui NOX 6. Neste caso, o enxofre está no seu maior NOX, ele está alocado na família 16, e portanto pode ter no máximo NOX = + 6 . Neste caso, a nomenclatura é:

Ácido sulfúrico (H2SO4)


Quando o elemento está no seu menor NOX, utilizamos a terminação oso, como por exemplo, na molécula de H2SO3. Calculando o NOX do enxofre nessa molécula, verifica-se que ele apresenta valor igual a 4. Sabendo que o NOX máximo do enxofre é 6, podemos concluir que na molécula de H2SO3 o enxofre não está no seu maior NOX. Neste caso, a nomenclatura utilizada deverá ser diferente, empregando a terminação oso, conforme o exemplo abaixo:

Ácido sulfuroso (H2SO3)

Existem alguns elementos que formam 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. Ácido + per (nome do ânion) + ico

VOCÊ SABIA?

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.

55


Para Arrhenius, uma base pode ser definida como um composto que em solução aquosa libera íons OH– (hidroxila).

NaOH

H2O

Na+ + OH–


56

Figura 31 – Dissociação do hidróxido de sódio

Em relação à solubilidade em água, as bases podem ser classificadas como:

 Praticamente insolúveis

Pouco solúveis

Solúveis

As bases solúveis são as bases formadas por metais alcalinos, ou seja, elementos da família 1, com exceção do hidrogênio. As base pouco solúveis são aquelas compostas por metais da família 2 ou pelos outros metais. As bases também podem ser classificadas 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 fortes e são compostas por metais da família 1 e 2. As bases fracas são aquelas que apresentam grau de ionização menor que 5% e são formadas pelos demais metais da tabela periódica.

As bases podem ser classificadas 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 família 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 forma apenas uma base (monobásico), possui apenas uma hidroxila. A nomenclatura é feita da seguinte forma:

Hidróxido de + nome do elemento metálico

As monobases são aquelas formadas por elementos da família 1. Veja o exemplo abaixo:

NaOH  Hidróxido de sódio

Quando o elemento forma 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 sufixo ico; quando o elemento o metal estiver no seu menor NOX, utilizamos o sufixo oso.

Maior NOX + ico Menor NOX + oso

O estanho forma duas bases, o Sn(OH)4 e o Sn(OH)2, e está localizado na família 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 sufixo ico. Observe:

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 sufixo oso na nomenclatura.


Sn(OH)4–  hidróxido estânico

57


VOCÊ SABIA?

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


58

Figura 32 – Soda caústica

PROPRIEDADES DOS ÁCIDOS E DAS BASES Vamos verificar algumas diferenças 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 fundidos

Como indicadores

Quando um ácido modifica a cor de uma substância, a base faz com que aquela substância retome a sua cor inicial

União

A união de um ácido com uma base forma 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. Confira no exemplo a seguir.


HCl + NaOH  NaCl + H2O (ácido) (base) (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 classificadas 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 ferramenta para a indústria. Por meio da aferição 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 ácidas, o papel, ao entrar em contato com essas substâncias, torna-se de coloração avermelhada.

Figura 33 – Limão

59


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


60

Figura 34 – Leite de magnésia

Para medir o valor de pH utiliza-se uma fita 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 formada com pelo menos um cátion diferente de H+ e 1 ânion diferente de OH–.

FÓRMULA GERAL Todo sal é formado por um cátion (X) proveniente da base que o gerou e de um ânion (Y) proveniente do ácido da reação de neutralização. Para colocar os índices embaixo dos elementos na molécula basta verificar 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, conforme o esquema a seguir:

Xb

Ya

logo

Xa Yb


Exemplo

Ca2+

Cl –

CaCl2

Al+3

SO4–2

Al2(SO4)3

NOMENCLATURA DOS SAIS

ídrico ÁCIDO

eto

oso

ito

SAL

ico

ato


A nomenclatura dos sais está relacionada com o ácido e a base que o formaram. Observe o esquema abaixo:

Nome do ácido de origem

Confira no exemplo ao lado

eto ito ato

de

Nome do cátion oriundo da base

HCl + NaOH  NaCl + H2O

Neste caso o sal (NaCl) é formado 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) e o cátion proveniente da base é o sódio (Na). Assim a nomenclatura deverá ser:

NaCl  Cloreto de sódio


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

61


Carbonato de cálcio (CaCO3) O carbonato de cálcio é um importante sal. É comumente enconVOCÊ trado na forma 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.


62

Figura 35 – Carbonato de cálcio

2.2.4 ÓXIDOS Os óxidos podem ser definidos 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 fórmula geral é dada da mesma forma 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 classificados de acordo com suas características de reação e os produtos provenientes dessas reações. Óxidos básicos São aqueles que, ao reagir com a água, formam uma base ou reagem com um ácido formando sal e água.

Na2O + H2O  2 NaOH


A nomenclatura dos óxidos é feita assim:

1 Quando forma só um óxido: Óxido de + nome do elemento Na2O  Óxido de sódio

Utiliza-se a terminação ico (maior NOX) e oso (menor NOX). Veja os exemplos para o ferro: Fe2O3  Óxido férrico

FeO  Óxido ferroso


2 Quando forma mais de um óxido:

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

SO3 + H2O  H2SO4

Anidrido + nome do ânion + ico ou oso Veja os exemplos

SO3  Anidrido sulfúrico

SO2  Anidrido sulfuroso

Existem alguns tipos de óxidos que se formam ou reagem de maneira diferenciada 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 formando um só elemento. Peróxidos São óxidos que, ao reagir com a água ou com ácidos diluídos, produzem a água oxigenada.

Pb3O4  2PbO + PbO2

H2O2


A nomenclatura dos óxidos ácidos é feita assim:

63

64


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 forma 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 família 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 diferentes tipos de ligante determinam os tipos de compostos formados. Outras características importantes do carbono:

Forma diferentes tipos de ligação

LIGAÇÕES SIMPLES

LIGAÇÕES DUPLAS

LIGAÇÕES TRIPLAS


Liga-se a vários elementos químicos Oxigênio, nitrogênio, enxofre, fósforo, cloro, flúor, iodo e outros

NO2 H

H

H CL

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

Br

C

C

C

H

H

H

Forma cadeias

H

H

H

C

CH

CH

C

H

H

H

H

H C

H

C

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H H

H

H

H

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

2.3.1 CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS Veja como as cadeias carbônicas podem ser classificadas:

Aberta ou fechada Normal ou ramificada Saturada ou insaturada Homogênea ou heterogênea

CH3

65

66


ABERTAS OU FECHADAS Cadeias abertas são aquelas que possuem pontas, também conhecidas como alifáticas. As cadeias fechadas são aquelas que formam ciclos.

Cadeia aberta H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

Cadeia fechada H

H

H

H

C

C

H

H

C

C

H

H

H

NORMAL OU RAMIFICADA As cadeias carbônicas normais são aquelas que apresentam uma única sequência. As cadeias ramificadas são aquelas que apresentam ramificações. Veja os exemplos:

Cadeia normal

H

H

H

H

C

C

C

H

H

H

H

Cadeia ramificada

H

H

H

H

C

C

C

C

H H

H H

H

H


SATURADA OU INSATURADA As cadeias carbônicas classificadas 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 classificada 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

H

H

C

H

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

Veja que a representação mostra uma cadeia sem heteroátomos; portanto, é classificada como homogênea.


Na página seguinte, confira nos exemplos que, quando o heteroátomo está na ponta da cadeia carbônica, ela será considerada 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 classificada então como cadeia homogênea.

VOCÊ SABIA?

H

H

H

C

C

H

H

O

H

2.3.2 HIDROCARBONETOS São compostos formados apenas por átomos de carbono, e hidrogênio. O nome hidrocarboneto é justificado:

hidro-hidrogênio

carboneto-carbono

Os hidrocarbonetos podem possuir cadeias abertas ou fechadas, saturadas ou insaturadas e normais ou ramificadas. Para cada tipo existe uma nomenclatura e classificação.

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


Cicloalcano

Alcano

CH2 H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

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 forma geral, a nomenclatura dos compostos orgânicos é feita utilizando-se um prefixo para a quantidade de carbonos presentes na cadeia. Esses prefixos são utilizados para todos os compostos orgânicos. O sufixo será determinado de acordo com a classificação do composto. No caso dos alcanos utilizamos a terminação ano. Observe a figura.

H

H

H

H

C

C

C

H

H

H

H

Esta molécula é composta por três carbonos; portanto, seu prefixo 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 fechada. A representação apresenta seis carbonos. Neste caso, por ser uma cadeia fechada, a nomenclatura será ciclo-hexano. Veja a configuração:

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 feita utilizando os prefixos de acordo com a quantidade de carbonos e a terminação eno. A contagem dos carbonos é feita 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

2

3

C

C

C

H3 H

H

4

CH3

Observe que a contagem em ambos os casos é feita pela extremidade mais próxima da dupla ligação. Todas as duas moléculas possuem quatro carbonos, portanto o prefixo 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 feita utilizando os prefixos de acordo com a quantidade de carbono e a terminação ino. A contagem dos carbonos é feita 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

H

H C

C

C

H

H

A contagem é feita 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 prefixo será pent. Portanto temos pent-2-ino.

HIDROCARBONETOS RAMIFICADOS Os hidrocarbonetos, sejam eles alcanos, alcenos, alcinos ou compostos cíclicos, podem apresentar ramificações. Neste caso, é necessário evidenciá-las na nomenclatura; para tanto é necessário colocar o número onde se encontra a ramificação na cadeia carbônica. As ramificações 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 fechada. Em caso de haver insaturações além de ramificações, a contagem dos carbonos será feita a partir da extremidade mais próxima da insaturação. No caso dos alcanos, que possuem apenas ligações simples, a contagem deverá ser feita a partir da extremidade mais próxima da ramificação.

di tri tetra Confira, a seguir, quatro exemplos.


Caso existam ramificações iguais na mesma molécula, podemos utilizar para nomeá-las os prefixos:

71

72


Primeiro exemplo

A cadeia principal está em amarelo. É composta de cinco carbonos ligados apenas por ligações simples (alcanos). Portanto, teremos o prefixo pent e a terminação ano. No caso das ramificações 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 ramificações. O prefixo di significa que possuímos duas ramificações 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 prefixo hept e o sufixo ano. A contagem deverá ser feita da esquerda para a direita, pois as ramificações estão mais próximas da extremidade da esquerda. Temos duas ramificações do tipo metil nos carbonos 2 e 6 e uma ramificação do tipo etil localizada no carbono 3. Logo a nomenclatura ficará assim:

2,6 dimetil-3 etil-heptano

C H3

CH3

H

H

H

CH3

C

C

C

C

C

C

HH

H

H

H

CH3

CH3 Terceiro exemplo

Demonstra uma cadeia principal composta por seis carbonos e contendo uma ligação dupla (=) alceno. Portanto, a cadeia principal terá como prefixo hex e como sufixo eno, lembrando que a dupla ligação está no carbono 2. No caso das ramificações temos uma ramificação do tipo metil no carbono 2 e uma ramificação do tipo etil no carbono 4. Veja a ramificação:

H 4-etil-2-metil-hex-2-eno

1

2

3

C

C

C

H3

CH3 H

4

C

5

C

CH2 H2 CH3

6

CH3


Quarto exemplo

Demonstra uma cadeia principal com seis carbonos e uma insaturação dupla no carbono 2. A ramificação é do tipo metil e está localizada no carbono 5. Confira a nomenclatura ao lado:

73

5-metil-hex-2-eno

H C

C

C

H3

CH3 H2

C

C

C

H

H

H3

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

H C H

C

C

H

H

C

C

H

C H

A melhor forma 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 fixa em sua nomenclatura, sendo usualmente adotados os nomes comerciais. Os compostos aromáticos apresentam propriedades químicas semelhantes às dos hidrocarbonetos, possuindo seu ponto de fusão um pouco mais elevado, já que suas moléculas são planas, o que permite maior interação intermolecular.

Aqui estão alguns exemplos de compostos aromáticos

Fenil benzeno Difenilo

Naftaleno

Antraceno

Fenantreno

H CH3

CH3

H3C

H3C

C

H CH3

C

CH3

CH3 H3C

Metil benzeno Tolueno

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

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

Isopropil benzeno Cumeno

Vinil benzeno Estireno


Benzeno


O PETRÓLEO E OS HIDROCARBONETOS O petróleo é uma substância formada por uma mistura de diversos compostos orgânicos. Dentre eles estão compostos mais complexos, em que os elementos enxofre 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 calorífico e por ser menos poluente do que os combustíveis derivados do petróleo.


74

2.3.3 FUNÇÕES OXIGENADAS Diferentemente dos hidrocarbonetos, as funções orgânicas oxigenadas não possuem apenas carbono e hidrogênio em sua composição; possuem também átomos de oxigênio. Em relação à nomenclatura, podemos destacar que os prefixos utilizados para os hidrocarbonetos são utilizados para todas as funções oxigenadas.

ÁLCOOL São compostos orgânicos que possuem uma ou mais hidroxilas (OH) ligadas a carbonos saturados, ou seja, que fazem ligações simples. A nomenclatura destes compostos é dada de forma que numeramos a cadeia carbônica a partir da extremidade onde está ligado o grupo funcional. 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. Confira 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

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

H

H

C

C

H

H

OH

Exemplo 2

H

H

C

C

C

H

OH H

H


H

H

O grupo funcional 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 fermentação 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 feita de forma diferente. Utilizamos à palavra hidroxi para designar a hidroxila.

Caso a molécula possua ramificações, a será feita a partir do carbono em que a hidroxila estiver diretamente ligada.


contagem de carbonos

75


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 ramificação do tipo metil. Neste caso, ela também fará parte da nomenclatura. A contagem dos carbonos é feita a partir do carbono a que a hidroxila (OH) está ligada. A nomenclatura é 2-metil-1-hidroxi-benzeno. Observe que a ramificação está ligada ao segundo carbono. Exemplo 1

Exemplo 2

OH

CH3 2 3

1

4

OH

6 5

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 feita 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 prefixo 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. Prefixo met porque o menor grupo possui apenas 1 carbono e prefixo 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

CH3

O grupo funcional que representa o éter é R-O-R’, em que R e R’ são cadeias carbônicas saturadas iguais ou diferentes.


76


ALDEÍDOS São compostos orgânicos em que um carbono da extremidade faz uma dupla ligação com o oxigênio e uma ligação simples com o hidrogênio. No exemplo 1, a nomenclatura é feita contando os carbonos a partir do carbono do grupo funcional e a terminação utilizada é al. Caso a cadeia possua ramificações, é necessário que ela seja identificada na nomenclatura. Et porque só temos dois carbonos e al por ser uma molécula de aldeído. No exemplo 2, metil porque a ramificação só possui um carbono e está localizada no carbono 2, prop porque a cadeia principal possui três carbonos e al por ser um aldeído.

H H

C

Exemplo 2

H C

H O

H

H

H

C

C

H H

C

O grupo funcional que representa o aldeído é

H C H

H

O

(CHO) ou R

O em que R é uma cadeia carbônica.

H Etanal

C

2-metil-propanal

CETONA São compostos que possuem uma carbonila (C = O) entre carbonos. A nomenclatura é feita contando os carbonos a partir do carbono que está na extremidade mais próxima do grupo funcional e a terminação utilizada é ona. Caso a cadeia possua ramificações, é necessário que ela seja identificada na nomenclatura. A molécula mostrada como exemplo é identificada como propan-2-ona; prop por ter três carbonos na cadeia principal e 2-ona por ser cetona e se localizar no segundo carbono.

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


Exemplo

H

H

O

H

C

C

C

H

H

H


Exemplo 1

77


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 feita de forma que a contagem inicia-se pelo carbono do grupo funcional (carboxila). A terminação utilizada é oico. Caso haja ramificação, 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 prefixo pent corresponde à quantidade de cinco carbonos e oico por ser um ácido carboxílico.

Exemplo 1

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

O COOH ou

C

C OH

Exemplo 2

H

H 4

O grupo funcional que representa o ácido carboxílico é

O

Ácido pentanoico

No exemplo 2, a palavra ácido caracteriza a molécula, 3 metil representa a ramificação que está ligada ao carbono 3 da cadeia principal e oico por ser um ácido carboxílico. In-Fólio/Paula Moura

H

C

H 3

C

2

1

C

C

H CH3 H

H

O OH

Ácido 3-metil-butanoico

OH

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

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.


78


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.

H

H

C

C

H

H

H AMINAS

Secundárias

H

H

NH2

H

H

C

N

C

C

H

H

H

H

H

H

C

C

H

H

N

H

H

H

C

C

H

H

Terciárias

H In-Fólio/Cris Marcela

Primárias

H

79


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

H

H

C

C

H

H

N

NH2

Etilamina

H

Etil-metilamina

H Fenil-dietilamina


80

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. Confira 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 funcional – C N; sua nomenclatura; possui a terminação nitrilo com o hidrocarboneto correspondente. É também empregado o prefixo cianeto em sua nomenclatura.

Propanonitrilo ou Cianeto de etila

H

H

H

C

C

H

H

C

N

NITROCOMPOSTOS São formados pelo grupo funcional denominado nitro (–NO2). A IUPAC recomenda o emprego do prefixo 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.

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


Permite também um entendimento maior das tecnologias atualmente aplicadas no processo de extração e produção de gás natural e de outras frações gasosas do petróleo.

81


2.4.1 VARIÁVEIS DE ESTADO DE UM GÁS

PRESSÃO É uma grandeza que relaciona a força aplicada a uma superfície. A colisão entre as moléculas do gás em determinado recipiente gera uma força resultante denominada pressão relativa, pois leva em consideração a pressão atmosférica local. 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


82

Pressão atmosférica Figura 38 – Relação entre as grandezas de pressão

A pressão de um gás pode ser medida em atmosfera (atm), centímetro de mercúrio (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

Atmosfera

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 transferência de energia térmica entre os corpos possibilita a elaboração de diversos tipos de escala, resultando nas mais variadas formas de medi-la: escalas Celcius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine entre outras. Em trabalhos científicos, o Kelvin é adotado de forma unânime, principalmente 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 físico.

Temperatura F

D

E Quantidade de calor absorvido

TF B

C

A


TE

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

Neste caso verificamos a presença de calor sensível (com variação de temperatura) e calor latente (sem variação de temperatura, porém propiciando a mudança de estado físico)


Figura 39 – Curva dos pontos de fusão e ebulição da água

83


CONVERSÃO DE UNIDADES – TEMPERATURA

ºC 5

=

ºR 4

=

ºF – 32 9

=

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

K – 273 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 (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

VOCÊ SABIA?

O aparelho utilizado para medir a densidade dos materiais é o densímetro. Esse aparelho pode ser encontrado com facilidade nos postos de gasolina; tem a finalidade de medir a densidade do álcool que está sendo vendido.


84

Figura 40 – Densímetro de posto de combustíveis


2.4.2 TRANSFORMAÇÕES COM MASSA GASOSA FIXA Transformações gasosas podem ocorrer em uma massa constante, quando aplicamos valores diferentes às variáveis deste gás. Chamamos de gás ideal ou gás perfeito o modelo teórico que obedece às equações:

Onde: p = pressão V = volume p.V =k T

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 finais serão dadas pelas equações:

P1 . V1 = k1 T1

e

P 2 . V2 = k2 T2

Como a mesma quantidade de gás, as constantes k1 e k2 são iguais, temos:



P1 . V1 P2 . V2 = T1 T2

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


k1 = k2

85


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

P1 . V1 = P2 . V2 = K

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

V1 V = 2 T1 T2

Transformações 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 fixas do respectivo gás e em condições ideais.


86

O físico e químico inglês John Dalton (1766-1844), criador da teoria atômica, publicou o artigo Absorção de gases 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 diferentes elementos são diferentes 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

T = 00C

760mmHg

ou

273K

2.4.4 EQUAÇÃO DE CLAPEYRON Podemos calcular uma constante universal para os gases ideais, sabendo que as transformações 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 foi calculada relacionando uma massa fixa de gás (1 mol) e justificando o uso da expressão: P.V=n.R.T

Exemplo

Em uma bombona de 50 litros são colocados 5 mol de um gás perfeito 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 diferentes tipos de moléculas gasosas possuem diferentes massas, Amedeo Avogadro elaborou a lei conhecida como Hipótese de Avogadro: Volumes iguais de diferentes 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 forma de misturas, principalmente por possuírem miscibilidade, independente da proporção dos formadores 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 fração molar do respectivo gás.

PTotal = P1 + P2 + ...

P1 = PTotal . X1

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

VTotal = VA + VB + ... + VN

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 fração 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 facilidade para calcular por meio da estequiometria em volume, utilizando a equação dos gases perfeitos.

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.

dA =

PMA RT

dB =

PMB RT

Onde: P = Pressão d = Densidade

dA PMA/RT = PMB/RT dB dA M = A MB dB

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

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

DIFUSÃO E EFUSÃO DOS GASES Difusão Miscibilidade espontânea

Efusão Passagem de um gás por pequenos orifícios

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

v1 = v2

d2 d1

Onde: v = Velocidade d = Densidade

A velocidade de difusão e efusão 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 INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia tem como uma de suas competências:

O INMETRO possui um laboratório de análise de gases e atua no desenvolvimento de novas metodologias analíticas para o processo de certificação de misturas gasosas a partir de padrões primários de referência (Padrões Primários de Misturas Gasosas – PPMG), trabalhando em linhas de pesquisa e ensaios de proficiência.

Entre no site do INMETRO e faça sua pesquisa.


www.inmetro.gov.br


SAIBA MAIS

Verificar a observância das normas técnicas e legais no que se refere às unidades de medidas, métodos de medição, medidas materializadas, instrumentos de medição e produtos pré-medidos

Figura 41 – Página do INMETRO na internet

91

92


CASOS E RELATOS

SUSTENTABILIDADE APLICADA A água extraída em grandes campos petrolíferos durante muito tempo foi 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 fim de evitar problemas de incrustações provocados por sais insolúveis formados principalmente por cálcio e magnésio e processos corrosivos devido à condutividade da água, acidez e outros parâmetros que devem ser controlados. Mesmo exigindo formas de controle, o aproveitamento dessa água permite uma diminuição significativa do uso da água que possui parâmetros de potabilidade (própria para consumo humano), o que gera benefícios para toda a sociedade, de forma a contribuir no ciclo de sustentabilidade no qual todos devem estar envolvidos com seu uso consciente de forma eficiente, permitindo um futuro digno com água de qualidade para todos. Muitos estudos ainda são realizados para que seu aproveitamento possa ser feito 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 transferência de energia, dependem diretamente que os parâmetros químicos dessa água atendam a especificações 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, plataformas de petróleo, indústrias de polímeros, entre outros.

Condutividade Dureza pH


Veja alguns exemplos de parâmetros de controle em água de processo em caldeiras e refrigeração:

Condutividade Alguns íons, como os cloretos (Cl–) em solução aquosa, permitem o aumento do fluxo 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 efetuado verificando-se a redução de íons de cálcio e magnésio em solução. Estes são responsáveis pela formação de incrustações em tubulações, diminuindo a capacidade de fluxo 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 efetuadas, como: alcalinidade, fosfatos, 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. Plataformas de petróleo, refinarias 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 R ECAPITULANDO, 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 transferência definitiva 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, formando assim a ligação metálica. Balanceamento de reação Balancear uma reação significa equilibrar os coeficientes 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 definida 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:

95

96


Petróleo, gás e seus derivados

3

O

2 Fotosíntese

CO

2 Atmosfera

Combustão

Difusão

Petróleo


Rochas sedimentares

Figura 42 – Ciclo do gás carbônico

Na Química estudamos o amplo contexto das substâncias formadoras da mistura de hidrocarbonetos (petróleo), desde a origem de seus compostos aos diferentes processos químicos de menor ou maior complexidade, sendo aplicado como matéria-prima ou mesmo como produto acabado. Para compreender de forma adequada o comportamento químico das diversas substâncias presentes no petróleo, sua origem, seu processo de refino e sua utilização em processos industriais, faremos uma introdução à Química do Carbono. Inicialmente foi 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 atmosfera, sendo solúvel em água na forma de CO2, atuando no ciclo do carbono por difusão (troca da água do mar com a atmosfera).


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

Ciclos biogeoquimicos

VOCÊ SABIA?

Os processos naturais que envolvem diferentes substâncias químicas em processos físicos, químicos e biológicos permitem o equilíbrio da concentração deles na Terra e são fundamentais 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 fósforo e outros elementos são exemplos de substâncias que participam desses processos naturais.


98

Figura 43 – Representação de meio ambiente e sustentabilidade

3.1 GEOLOGIA DO PETRÓLEO A aplicação conjunta dos procedimentos técnicos e científicos da Geologia (ciência que estuda a Terra, sua composição, estrutura e propriedades físico-químicas) com técnicas diversas relacionadas à busca do petróleo e seus derivados permite o estudo de aspectos particulares relacionados à exploração dos diferentes tipos de petróleo associados à origem dos reservatórios. As bacias sedimentares (depressões da superfície terrestre) evidenciam que o petróleo pode ter sido formado pela transformação da matéria orgânica proveniente da superfície e depositada na forma 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 formando os diversos tipos de óleos (leves e pesados).

3 PETRÓLEO, GÁS E SEUS DERIVADOS

99

Confira os principais aspectos avaliados em bacias sedimentares para exploração do petróleo Rocha reservatório ou rocha fonte Local de acúmulo formado por rochas porosas e permeáveis, permitindo sua extração.

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

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

Tempo Cronologia e histórico do processo.

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

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

Todas as características físicas de um reservatório são de fundamental 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 diferentes formas de trabalhar a extração de petróleo para um melhor aproveitamento.

1

1

5

2

4 3

2

3 4 5

Reservatório esgotado de petróleo e gás Uso forçado de gás carbônico na recuperação de petróleo e gás Formação de salinas profundas – offshore Formação de salinas profundas – onshore Uso de gás carbônico na maior recuperação de metano em leito de carvão


Petróleo ou gás produzido 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 indefinida, em que a mistura de hidrocarbonetos está mais associada à sua formação geológica. Quimicamente constitui-se de uma mistura de de compostos orgânicos (principalmente alcanos de cadeia linear), alifáticos, alicíclicos e aromáticos. Podemos expressar sua composição a partir dos elementos que são obtidos em sua destilação ou fracionamento. Outras composições menores também podem ser encontradas, como enxofre, 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%

Enxofre

0,06-8%

Nitrogênio

0,11-1,7%

Oxigênio

0,1-2%

Metais (Fe, Ni, V, entre outro)

até 0,3%

Fonte: Fundamentos do Refino de Petróleo – Tecnologia e Economia.

PRINCIPAIS COMPONENTES DO ÓLEO BRUTO Parafinas Hidrocarbonetos lineares ou ramificados, de fórmula 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 fechada 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 formação de seus compostos.


101

Exemplo

Benzeno, tolueno, xileno, naftaleno etc. Estes compostos são normalmente líquidos à temperatura ambiente. Alquenos Hidrocarbonetos lineares ou ramificados 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 refinação. Resinas e asfaltenos Substâncias de peso molecular elevado, não relacionadas com qualquer classe definida de compostos orgânicos, conhecidas como resinas (gomas), asfaltenos, carbenos e carboides. Nelas estão presentes, além do carbono e hidrogênio, o oxigênio e o enxofre. Em alguns casos, aparecem nitrogênio e metais. Os asfaltenos pertencem à fração de compostos mais pesados e polares de óleos crus. São complexos contendo inúmeros grupos funcionais diferentes, 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

CO OH

S

Figura 45 – Esquema simplificado dos componentes dos óleos brutos


NH

102


CLASSIFICAÇÃO DO PETRÓLEO O petróleo está diretamente relacionado à sua rocha reservatória, ou seja, às condições geológicas de sua formação, que permitem esta classificação:

Petróleo de base parafínica

Petróleo de base naftênica

Petróleo de base aromática

A diferença entre estes óleos é perceptível durante o processo de destilação. O petróleo de base parafínica apresenta, como resíduo, substâncias ceráceas contendo principalmente elementos da série parafínica. tO petróleo de base naftênica apresenta resíduo asfáltico. O petróleo aromático apresenta, em seus componentes, derivados da cadeia do benzeno. O Instituto Americano do Petróleo (API, do inglês American Petroleum Institute) classifica os óleos crus baseado em sua densidade. Atualmente essa classificação também é empregada no Brasil com a finalidade de definir parâmetros de qualidade para o respectivo óleo. A característica do petróleo em função da gravidade API é definida por graus, conforme a Tabela 3: Tabela 3 – Classificação de grau API Faixa API

Descrição

Viscosidade

Cor

Componentes

0º – 22,3º

PESADO

Extrema

Escuro

Asfalto

22,3º – 31,3º

MÉDIO

Média

Marrom

Gasolina e diesel

31,3º – 47º

LEVE

Fluido

Amarelo claro

Condensado/ gasolina

Fatores que podem afetar o ºAPI do petróleo

Idade geológica das rochas terciárias de origem do óleo Profundidade dos reservatórios Teor de enxofre Tectonismo (tensões nas camadas geológicas) Salinidade dos poços de origem


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

Naftenos – 50% Aromáticos – 7%

Outros – 10% Saturados – 25%


Asfálticos – 8%

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 purificação de seus componentes, chamado de refino. O óleo bruto, após aquecimento (forno), começa a desprender vapores, que se elevam da base (área mais quente) para o alto da torre de destilação (área mais fria). A condensação em pratos correspondentes permite a separação de forma específica de seus componentes. Observe a Figura 47.

Petróleo

Gás

Nafta Gasolina Retorta

Querosene Óleo diesel Óleo lubrificante

Asfalto Forno Figura 47 – Representação da torre de destilação


Óleo combustível

103

104


A composição do óleo, como escrito anteriormente, pode variar significativamente, o que irá impor sistemas complexos com múltiplas operações até a formação dos produtos finais, que são: Combustíveis Gasolina, GLP, querosene e outros. Produtos acabados não combustíveis Solventes, lubrificantes, graxas, asfalto e coque (para produção de ferro-gusa). Intermediários da indústria química Nafta, etano, propano, butano, etileno, propileno, butilenos, butadieno e BTX (benzeno, tolueno e xileno). Algumas operações realizadas pelas refinarias de petróleo, para obtenção dos produtos finais são: Topping Destilação fracionada. Craqueamento É a quebra de frações mais pesadas (moléculas maiores) do petróleo. Este processo é realizado com o uso de calor e/ou catalisadores para melhor aproveitamento final dos produtos formados. Combinação de hidrocarbonetos O processo envolve duas ou mais moléculas para a formação 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 modificar o número de átomos de carbono da molécula, modificando, portanto, suas propriedades físicas e químicas (formação de isômeros). Tratamento e blending Remoção de substâncias indesejaveis na formação do produto final, como enxofre, nitrogênio, metais pesados e outras impurezas. O blending corresponde à última etapa do tratamento, em que pode ocorrer a recuperação de parte do que foi removido (mistura a formulação do produto), permitindo que o produto atenda as especificações desejadas.


3.4 INDÚSTRIA DO PETRÓLEO (PRODUTOS DE PRIMEIRA, SEGUNDA E TERCEIRA GERAÇÃO) Os produtos finais gerados pelas refinarias 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 finalidade.

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

Olefinas, 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 fabricação 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 feitos na forma sólida (placas ou em pó) e transportados para as indústrias de terceira geração.

INDÚSTRIAS DE TERCEIRA GERAÇÃO Também chamados de transformadores, pois a partir da matéria-prima produzida pelas indústria de segunda geração a sua aplicabilidade torna-se diretamente voltada para o consumidor final, na forma de utensílios como materiais de embalagem, garrafas, tintas, autopeças, brinquedos e bens de consumo eletrônico.

105

106


Exemplos

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

Refinaria Nafta/Gás

Gás natural Etano

PRIMEIRA GERAÇÃO

SEGUNDA GERAÇÃO

TERCEIRA GERAÇÃO

Petroquímico básico

Resinas

Transformadores

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

Butadieno

Borracha de estireno Butadieno

Eletrônicos e embalagens

Estireno Benzeno Etilbenzeno

Poliestireno ABS

Paraxileno

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

DMT PET Gasolina automotiva

Ácido tereftálico Figura 48 – Representação esquemática das indústrias petrolíferas


Petróleo Nafta

Borrachas, papel e celulose, auxiliar têxtil, calçados


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 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 físicos 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 presentes no ouro negro nos fornece uma grande demanda de possibilidades na criação de novos produtos, necessitando, portanto, de pesquisa e desenvolvimento, gerando uma crescente necessidade de formação de profissionais qualificados 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.

107

108


RECAPITULANDO COMPONENTES DO ÓLEO BRUTO Parafinas Hidrocarbonetos lineares ou ramificados, de fórmula geral CnH2n + 2 , geralmente com até 20 átomos de carbono. Cicloalcanos Hidrocarbonetos saturados de cadeia fechada 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 formação de seus compostos. Alquenos Hidrocarbonetos lineares ou ramificados com ligações duplas (CnH2n). Exemplo

Etileno, buteno, isobuteno, entre outros. Resinas e asfaltenos Substâncias de peso molecular elevado, que não são relacionadas com qualquer classe definida de compostos orgânicos; conhecidas como resinas (gomas), asfaltenos, carbenos e carboides. Petróleo de base aromática A diferença entre estes óleos é perceptível durante o processo de destilação, em que os petróleos de base parafínica apresentam, como resíduo, substâncias ceráceas contendo principalmente elementos da série parafínica. O petróleo naftênico apresenta resíduo asfáltico. O petróleo aromático apresenta, em seus componentes, derivados da cadeia do benzeno.


Anotações:

109

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 modificando 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 certificação 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 feita pelos fornecedores ABNT NBR-10007 Amostragem de resíduos sólidos

112


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 fluidos de poços perfurados pelos operadores nas bacias sedimentares brasileiras. De acordo com essas normas citadas, vários fatores devem ser considerados para que tenhamos amostras representativas:

Ensaios analíticos a serem realizados. Tipos de recipientes de amostra a serem utilizados. Instruções específicas 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 identificada durante procedimento analítico (cálcio, por exemplo) presente em amostra de água para determinação de dureza. Emulsão Mistura óleo/água que não se separa facilmente. Alíquota Porção de amostra coletada a partir de recipiente primário ou intermediário para análise. Entende-se por recipientes primários de amostra os frascos de vidro e plástico, latas, amostrador de alçapão e receptores de amostras fixos e portáteis.

4 TÉCNICAS DE AMOSTRAGEM E CONSERVAÇÃO

Sinal analítico (ou sinal) Resposta instrumental gerada de forma amplificada 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 diferenças na concentração de um analito. Limite de detecção É o menor nível de concentração (ou quantidade) de analito detectável por um instrumento. Seletividade Refere-se ao quão um método analítico está livre de interferências de outras espécies presentes na matriz.

Amostragem

Amostra

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


População

113


A aparelhagem adotada na coleta de amostra possui variedade de formas, tamanhos e materiais. Por esse motivo, o produto a ser coletado deverá ser conhecido, para garantir que não haverá interação do referido 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 fim de permitir a expansão térmica do material coletado e facilitar sua homogeneização. Algumas instruções especiais descritas na NBR 14883 (Petróleo e produtos de petróleo – Amostragem manual) diminuem os erros de coleta, quando referem-se a materiais como petróleo e óleos combustíveis residuais: 1. Não retirar amostra próximo ao fundo do tanque. Ali a concentração de água livre é maior, não permitindo uma avaliação correta dessa concentração. 2. Não retirar amostra em interfaces emulcionadas ou em formação de borras. 3. Recomenda-se retirar amostras durante transferências de tanques quando houver a concordância entre as partes envolvidas no processo. 4. Amostras voláteis ou sensíveis à luz devem ser protegidas, de forma 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, resfriando as amostras voláteis antes de serem abertas.


114

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 frequência 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 = ⌺X n

X – Média dos valores ⌺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 for 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 frequente disponibilizado em uma amostra.

4.1.2 MEDIDAS DE DISPERSÃO São medidas que localizam as sensíveis diferenças 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 diferença entre o maior e o menor valor medido em uma amostra.

115


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 ferramentas estatísticas de aplicação da probabilidade usando dados amostrados que fazem referência a medidas de centralização e de dispersão. Sua importância está relacionada à compreensão do comportamento da Curva de Gauss (ou Curva de Sino) frente aos diferentes valores numéricos que se afastam da média.

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

34,1%

34,1% 2,1% 55

70

13,6% 85

13,6% 100

115

2,1% 130

145


116

Figura 52 – Curva de distribuição normal

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



μ

X1

X2

As probabilidades resultantes da integração da função f(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 finalidade de padronizar uma metodologia que transforme qualquer distribuição normal N(μ, σ) em um único tipo de função, caracterizada por ter média μ = 0 e desvio padrão σ = 1, aplicamos a chamada função de distribuição normal reduzida.

X–μ

σ

Tabela 4 – Referência 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


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

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

Soja Babaçu Amendoim Colza Mamona Girassol

Solução Moda é o valor que ocorre com maior frequência. 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 =

1.000 – 850 X–X = = 3,75 40 S


118

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%


Z= X–X S

=


b) Mais de 800 dias

800 – 850 = –1,75 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

µ – 3σ µ – 2σ µ – σ

µ

µ + σ µ + 2σ µ + 3 σ


Empresas de grande porte da área de petróleo de derivados e demais segmentos industriais possuem como ferramenta 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, facilitando a avaliação da qualidade de uma infinita gama de possibilidades de produtos, serviços e processos.

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 gráfico de 99,74%. Dessa forma, quando temos limites de controle que correspondam à área do gráfico entre os seis desvios padrões (6σ), operacionalmente o processo encontra-se estável, atendendo, portanto, a parâmetros de qualidade.

119

120


FOCO NA QUALIDADE ALGUMAS DAS PRINCIPAIS FERRAMENTAS DE GESTÃO DIRECIONADAS PELO SEIS SIGMAS Mapeamento de processos Elaboração de fluxogramas para identificar os parâmetros críticos do processo, ciclos de retroalimentação e outras características que mostram a operação ineficiente ou eficiente do processo. Análise de sistemas de medição Estabelece a capacidade de um sistema de medição na detecção de pequenas mudanças que influem 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 gráficos 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 ferramentas utilizadas na gestão pela qualidade total. O emprego de gráficos de controle, histogramas, fluxogramas e outros facilitadores desempenha um importante papel nas decisões tomadas gelo gestor. Outros exemplos de ferramentas da qualidade são: 5s Cinco passos dirigidos à simples organização do espaço

VOCÊ SABIA? PDCA

Planejar, desenvolver, checar e aplicar Fluxogramas Gráficos que demonstram a sequência operacional do desenvolvimento de um processo ISO Significa Organização Internacional para Normalização (International Organization for 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 fazem 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, facilitando a gestão do processo em conformidade com a demanda de produção.

4.2.1 DENSIDADE A determinação da massa específica 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 identificar a maior ou menor concentração de hidrocarbonetos com menor peso molecular.

VOCÊ SABIA?

Não confunda densidade relativa com º API, 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 for 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 dificuldade de escoamento de determinado óleo é avaliada pela sua viscosidade. As forças internas de atrito do fluido 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 fluido através de um pequeno orifício 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 fluido ao escoamento.

121


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 final 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 referência, 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 significativa. 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 confiável, sendo fundamental no diagnóstico de todo o processo.

4.2.4 CROMATOGRAFIA É método físico-químico fundamentado na migração diferenciada dos componentes químicos de uma amostra. As diferentes interações que ocorrem entre duas fases imiscíveis (móvel e estacionária) permitem a separação de componentes, que são identificados por comparação com padrões previamente existentes. Apresentamos aqui uma ampla visão dos tipos de cromatografias existentes.

CROMATOGRAFIA PLANAR

CCD – Cromatografia em camada delgada CENTRÍFUGA – Chromatotron

COLUNA

CP – Cromatografia em papel CSC – Cromatografia supercrítica CCD

CENTRÍFUGA

CP

LÍQUIDA

CSC

GASOSA

CLAE – Cromatografia líquida de alta eficiência CG – Cromatografia gasosa

CLÁSSICA

CLAE

CG

CGAR

CGAR – Cromatografia gasosa de alta resolução


122


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 físicas e químicas.

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

INFRAVERMELHO


A caracterização do petróleo por espectroscopia no infravermelho 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, fugindo, no entanto, da faixa pertinente à luz visível, como podemos identificar na Figura 55.

Figura 55 – Comprimento de onda eletromagnética

123

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 forma 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 desinfecção da amostra, o que evita erros devido ao crescimento microbiológico de interferentes analíticos.

4.3 INTERPRETAÇÃO DAS FICHAS DE INFORMAÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS (FISPQ) Os produtos químicos que são produzidos ou empregados de forma direta ou indireta na produção ou na análise de novos produtos devem obedecer às informações referentes a proteção, segurança, saúde e meio ambiente descritas para cada produto químico. O documento de referência para a elaboração dessas fichas é baseado na norma brasileira ABNT 14725-x (Produtos químicos – Informações sobre segurança, saúde e meio ambiente, Partes 1, 2, 3 e 4). Essa é a ordem das informações de forma obrigatória: 1. Identificação do produto e da empresa 2. Identificação de perigos 3. Composição e informações 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 físicas e químicas 10. Estabilidade e reatividade 11. Informações toxicológicas 12. Informações ecológicas 13. Considerações sobre tratamento e disposição 14. Informações sobre transporte 15. Regulamentações 16. Outras informações Esta ultima seção deve fornecer qualquer outra informação 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 profissionais envolvidos diretamente na amostragem e/ou na determinação analítica de produtos realizados em laboratório físico, químico ou microbiológico, as empresas adotam manuais e ministram cursos de forma regular, com a finalidade 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 fichas 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. Confirmar se existem condições e equipamentos de segurança suficientes para a implantação do novo procedimento.

125


4. Conhecer a localização e o uso correto dos equipamentos de segurança disponíveis. 5. Não proceder a vários eventos de forma concomitante, para que não ocorram riscos de acidente durante o processo analítico. 6. Certificar-se de que todos estejam usando os equipamentos de segurança apropriados. 7. Assegurar-se de que todos os agentes estejam rotulados e estocados corretamente, identificando propriedades potencialmente perigosas, conforme 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


126

Figura 56 – Representações de periculosidade de substâncias químicas (NBR 14725)


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

NÃO

SIM

Tem alguma característica?

SIM NÃO

NÃO

SIM

Analizar periculosidade Verificar se tem característica de: Corrosividade Inflamabilidade 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 conformidade com as normas técnicas vigentes, não permitindo a contaminação ambiental por uso indevido de materiais em excesso.


Existe razão para considerar perigoso?

127

128


QUALIDADE EM LABORATÓRIOS Um sistema de qualidade em um laboratório é basicamente o fluxo correto de informações que são utilizadas e geradas durante todo um processo de medição. O uso de ferramentas 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 objetivo a acreditação de um laboratório, em que uma atestação de terceira parte, relacionada a um organismo de avaliação de conformidade, atesta formalmente ao laboratório sua competência para realizar tarefas específicas. 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 conflitantes.

Facilitar a forma 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 conformidade que uma amostra possui ao relacioná-la com uma determinada população depende de inúmeros fatores, 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 fatores como armazenamento do material, da dinâmica do processo e finalmente da forma como o mesmo é distribuído, chegando a seu destino final. Sem dúvida a amostragem que possa representar essa dinâmica deve ser elaborada de forma a diminuir ou até mesmo eliminar prováveis erros do processo, permitindo maior controle e confiabilidade dos resultados. Todos os passos que direcionam uma análise confiável possuem início na forma 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 forem aplicados a uma amostra significativa do todo. Ou seja, as avaliações estatísticas do processo permitem maior confiabilidade no resultado final. As perspectivas de segurança, como o uso de EPI e cuidados diferenciados 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

Amostragem

Amostra

População


In-Fólio/José Cris Marcela

TÉCNICAS DE AMOSTRAGEM E CONSERVAÇÃO.

129

130


RECAPITULANDO A utilização de normas técnicas para amostragem e conservação de amostras permite evidenciar o tempo necessário para estocá-las adequadamente, não modificando 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 físicas 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, defendendo a dissertação intitulada Avaliação do processamento de cerâmica vermelha sob condições de queima rápida. Na Universidade do Grande Rio – Unigranrio se formou em bacharel em Química Tecnológica. Como professora, leciona na área de educação profissional 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 referentes a pesquisas realizadas durante a graduação e pós-graduação. Atualmente é instrutora especialista do Senai na área de Petróleo e Gás no Centro de Referência 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 professora universitária na formação 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 formação 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 profissionalizantes. Atualmente é professor das redes estadual e particular de ensino médio e profissionalizante 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 PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA – UNIEP

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