Química Ambiental Revisão 1

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1 Química Ambiental Revisão 1
Ana Cecília Bulhões Figueira

2 Sumário Matéria e Teoria Atômica Energia – Termodinâmica
Ácidos e bases – conceitos Nomenclatura de ácidos e bases e reações em meio natural Atmosfera: constituição e reações.

3 O Estudo da Matéria MATÉRIA é todo o material físico do universo
Três estados: sólido, líquido e gasoso Os comportamentos físico-químicos da matéria dependem da estrutura dos átomos que a compõem e de como interagem entre si. MODELOS ATÔMICOS

4 Evolução nos modelos atômicos
J. Dalton J.J. Thomson E. Rutherford/N. Bohr Átomos indivisíveis Átomos de um mesmo elemento são iguais Átomos combinam-se entre si para formar novos compostos Descoberta dos elétrons (-) Átomos formados por uma esfera maciça positiva com elétrons incrustrados “pudim de passas” Descoberta dos prótons (+) e do átomo nuclear Elétrons existiam ao redor do núcleo (eletrosfera) Eletrosfera : dividida em camadas e subcamadas (por ordem de energia)

5 Tabela periódica

6 Modelo atômico de Niels Böhr Níveis e subníveis energéticos
núcleo Camadas ou níveis Subnível s p d f n° máx. de e- 2 6 10 14 Fonte: Usberco, J.; Salvador, E. Química, 5ª.ed.reform., São Paulo:Saraiva, 2002, p.64-67 Níveis de Energia Nome da Camada n° máximo elétrons 1° K 2 2° L 8 3° M 18 4° N 32 5° O 6° P 7° Q Figura 7: Níveis e subníveis de energia.

7 Transferência de e-  camada mais externa do átomo: CAMADA DE VALÊNCIA
Diagrama de Linus Pauling Distribuição eletrônica de 26Fe e 26Fe2+ 26Fe = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 26Fe2+ (- 2e-) = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 Energia crescente: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d

8 Íons e compostos iônicos
Átomos podem perder ou ganhar elétrons  ÍONS Íon (+)  CÁTION Íon (-)  ÂNION Átomos podem perder ou ganhar mais de um elétron Cargas iônicas, representadas por índice superior Nos CÁTIONS: +, 2+, 3+ Nos ÂNIONS: -, 2-, 3-

9 O Mol Mol: medida conveniente de quantidades químicas.
1 mol de algo = 6, daquele algo (de átomos, moléculas ou íons) 6, = n° de Avogadro Massa molar Massa molar: é a massa em gramas de 1 mol de substância (unidades: g/mol, g.mol-1). 1 mol de 12C tem uma massa de 12 g.

10 Energia - Termodinâmica
A TERMODINÂMICA é a área de estudo que engloba energia e suas transformações. Relaciona conceitos de ENERGIA, CALOR, TRABALHO. No caso da energia das reações químicas, estudaremos a TERMOQUÍMICA.

11 Energia – Sistema e vizinhança
Na TERMODINÂMICA, estudam-se as mudanças de energia em uma parte definida do universo. Essa parte definida, recebe o nome de SISTEMA. Todo o resto é chamado de VIZINHANÇA.

12 Energia - Sistema e vizinhança
SISTEMAS São divididos em três grupos: Sistemas abertos: trocas de energia e matéria Sistemas fechados: trocas de energia Sistemas isolados: não há trocas Fonte: ATKINS, P. JONES, L. Princípios de Química - Questionando a vida moderna e o meio ambiente. Editora Bookman,3ª Ed. Porto Alegre, 2005 Figura 4: exemplo de sistemas, aberto, fechado e isolado.

13 Energia – 1ª Lei da Termodinâmica
Lei da conservação de energia: A ENERGIA não pode ser criada, nem destruída! A energia perdida pelo sistema é aproveitada pela vizinhança e vice-versa! Todo sistema troca energia com a vizinhança na forma de CALOR ou TRABALHO.

14 Energia – 1ª Lei da Termodinâmica
O calor (q) absorvido pelo sistema ou o trabalho (w) realizado no sistema, são sempre positivos e, portanto, aumentam a ENERGIA INTERNA do SISTEMA: Fonte: BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005 DE = q + w Figura 3: Influência das grandezas calor e trabalho no aumento da energia.

15 Zn(s) + 2H+(aq)  Zn2+(aq) + H2(g)
Energia – Entalpia As reações químicas podem absorver ou liberar calor. E podem provocar a realização de trabalho. Por ex.: a produção de gás, gera trabalho: Zn(s) + 2H+(aq)  Zn2+(aq) + H2(g) O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume (PDV). Entalpia (H)

16 Energia - Entalpia  Quando H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança.  Quando H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança. Fonte: BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005 Figura 4: Variação da entalpia, com ganho ou perda de calor.

17 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
Propriedades dos ÁCIDOS Sabor azedo; Altera a cor de corantes vegetais; Reagem com metais “ativos” (são CORROSIVOS) Como por ex.: Al, Zn, Fe, mas não com Cu, Ag ou Au Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2 Reagem com carbonatos, produzindo CO2 Mármore, fermento químico, gesso CaCO3 + 2 HCl CaCl2 + CO2 + H2O Reagem com bases formando sais iônicos (neutralização);

18 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
Propriedades das BASES Também chamados de álcalis ou alcalinas; Sabor amargo; Sensação escorregadia; Altera a cor de corantes vegetais; Cor diferente dos ácidos. Reagem com bases formando sais iônicos (neutralização);

19 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
Svante Arrhenius Ácido é um composto que libera íons H+ em meio aquoso. HCl(g) H+(aq) + Cl-(aq) Base é um composto que libera íons OH- em meio aquoso. NaOH(s) Na+(aq) + OH-(aq) H2O H2O

20 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
1923 – Brønsted-Lowry Definição mais abrangente (além de soluções aquosas). Reações ácido-base envolvem transferência de H+ entre as substâncias. Um ácido é um doador de prótons e, uma base é um aceitador de prótons.

21 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
Ácidos e bases conjugados HX(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + X-(aq) Reação direta Reação inversa Na reação direta, HX doa um H+ para a H2O Na reação inversa, H3O+ doa um H+ para o íon X- ÁCIDO BASE ÁCIDO BASE HX e X- são um par ácido-base conjugados H3O+ e H2O são um par ácido-base conjugados

22 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
Forças relativas de ácidos e bases Solução final: Dissociação total. BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005 Solução final: Dissociação parcial. Figura 5: Comparação entre o perfil de dissociação de ácidos fortes e fracos.

23 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
H2O é ANFÓTERA! Produto iônico da água (Kw) Reação em equilíbrio; Apresenta uma constante de equilíbrio descrita por: Kw = [H3O+][OH-] ou Kw = [H+][OH-] Kw = [H+][OH-] = 1, (a 25°C) 2H2O(l)    H3O+(aq) + OH-(aq)

24 Conceitos físico-químicos Ácidos e Bases
A escala de pH pKW = pH + pOH = 14 O produto iônico é sempre constante no equilíbrio. Consequentemente, se a concentração de H+ ou OH- aumenta, teremos nas soluções ácidas , [H+] > [OH-] nas soluções básicas [H+] < [OH-] Soluções neutras [H+] = [OH-]

25 A escala de pH Figura 6: Escala de pH. Soluções ácidas pH<7 e soluções ácidas pH>7.

26 Conceitos físico-químicos Reação de Neutralização
Ao reagir um ÁCIDO com uma BASE, há a formação de SAL e H2O; Reação irreversível - NEUTRALIZAÇÃO; Ácido e base perdem suas propriedades; HCl(aq) + NaOH(aq)  H2O(l) + NaCl(aq) ÁCIDO BASE ÁGUA SAL

27 Nomenclatura de ácidos:
ácido + terminação –ídrico (ânion = -eto) ácido + nome do ânion + terminações –oso e –ico (-ico ou –ato) Nomenclatura de bases: ânion hidróxido + preposição DE + nome do cátion

28 ÁCIDOS H2S S-2 Ânion sulfeto Ácido sulfídrico HNO3 NO3- Ânion nitrato Ácido nítrico HIO4 IO4- Ânion periodato Ácido periódico BASES LiOH Li+ Cátion lítio Hidróxido de lítio Al(OH)3 Al3+ Cátion alumínio Hidróxido de alumínio Be(OH)2 Be2+ Cátion berílio Hidróxido de berílio

29 Ácidos e bases – Solução tampão
Solução que não apresenta variação de pH quando uma pequena quantidade de ácido ou base é adicionada a ela. Solução tampão tem espécies ácidas que neutralizam os íons OH- e espécies básicas que neutralizam os íons H+. HX(aq)     H+(aq) + X-(aq)

30 Controle de pH de águas naturais Sistema CO2/Carbonato
As espécies H+ e OH- neutralizam-se, controlando o pH das águas naturais:

31 Reações de Oxidação-Redução (Redox)
Ocorrem em inúmeras ocasiões: meio fisiológico, industrial ou no ambiente. Caracterizam-se pela transferência de elétrons entre as substâncias. Processos de oxidação: perda de elétrons. Processos de redução: ganho de elétrons. Átomo oxidado transfere e- a um átomo reduzido

32 Reações de Oxidação-Redução (Redox)
Agentes oxidantes e redutores Agente oxidante é a espécie que sofre redução (ganha elétrons – diminui nox). Agente redutor é a espécie que sofre oxidação (perde elétrons – aumenta nox). Espécie nox Zn(s) Zn2+(aq) +2 Cu2+(aq) Cu(s) Ganha 2e- = reduz = agente oxidante Zn(s) + Cu2+(aq)  Zn2+(aq) + Cu(s) Perde 2e- = oxida = agente redutor

33 Reações de Redox em águas naturais
O2diss é o agente oxidante natural Oxida a matéria orgânica em processos de decomposição COMPARAÇÃO ENTRE DBO E DQO Demanda Bioquímica por O2 (DBO) Demanda Química por O2 (DQO) Parecida com processos naturais Diferente de processos naturais Oxidação da MO via micro-organismos Oxidação da MO via reagentes químicos Cinco dias de análise Rápida Pouca repetibilidade Melhor repetibilidade

34 Camadas Atmosféricas A TEMPERATURA da atmosfera é uma complicada função da altitude:  Gradientes Adiabáticos de Temperatura Pressão diminui com a altitude. Figura 7: Camadas da atmosfera. Variação de temperatura com altitude.

35 Radiação Solar e a Atmosfera
EFEITO ESTUFA  Fenômeno natural que torna a Terra habitável (controle de temperatura +15°C, em vez de -18°C);  Ocorre pela presença de vapor de água e dióxido de carbono (CO2) na atmosfera;

36 Radiação Solar e a Atmosfera
Não confundir... EFEITO ESTUFA ≠ ILHA DE CALOR O Efeito estufa (processo natural) é essencial para a vida na Terra. O fenômeno Ilha de Calor = aumento pontual de temperatura em grandes centros urbanos (maiores emissões) em relação à zonas rurais.

37 Química da Atmosfera Todo comportamento da atmosfera é causado por seus constituintes: GASES, VAPOR DE ÁGUA, MATERIAL PARTICULADO (aerossol) Os componentes sofrem reações químicas entre si ou com a radiação solar (fotodissociação ou fotoionização).

38 Camada de Ozônio A maior parte do ozônio está presente na estratrofera (região de 15 a 35 km). A camada de ozônio atua como um "escudo natural da Terra", pois filtra os raios UV. O3 absorve fótons com l entre 240 e 310 nm (UV-B e UV-C  nocivos). Na estratosfera, átomos de oxigênio colidem com moléculas de oxigênio para formar ozônio com excesso de energia, O3*: O(g) + O2(g)  O3*(g)