Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Química Ensino Médio – 1ª Série SUBSTÂNCIAS PURAS, SUBSTÂNCIAS SIMPLES, MISTURAS: CONCEITO, DIFERENCIAÇÃO ATRAVÉS DE SUAS PROPRIEDADES. ALOTROPIA

Substâncias Químicas Átomos ligados entre si são chamados de moléculas, e representam substâncias químicas. Cada molécula é identificada por uma fórmula química, por exemplo, a água é representada por H2O, que indica que sua composição é de dois átomos do elemento hidrogênio e um átomo do elemento oxigênio (1). Imagem: Copo com água / Olli Niemitalo / public domain Imagem: Jecowa / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic

Substância simples e substância composta – qual a diferença? O gás hélio, o gás oxigênio, o gás ozônio e o sólido fósforo são substâncias formadas por um só tipo de elemento químico, por isso chamam-se substância simples. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido.

Substância simples e substância composta – Qual a diferença? A água é uma substância formada por dois tipos de elementos químicos e, por essa razão, é chamada substância composta. Imagem: Derek Jensen / public domain

Substâncias As substâncias apresentam um conjunto bem definido e constante de propriedades, e têm composição fixa. Propriedades que são usadas para identificar uma substância: densidade; solubilidade; ponto de fusão; ponto de ebulição. Imagem: Recipientes químicos com líquidos de diferentes cores / zhouxuan12345678 / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic

Propriedades: densidade Corresponde à relação massa/volume de uma amostra de um material. É uma propriedade característica de uma substância, usada como indicativo do grau de pureza de que é feito um dado material. É indicada por: d ou ρ (rô) e a unidade usual é g/cm3 (2). Imagem: Zarko Drincic / Creative Commons SemDerivados 2.0 Genérica Densidade (p) = massa volume

Propriedades: solubilidade A solubilização é um fenômeno regido pelas interações intermoleculares entre as moléculas do soluto (o que é dissolvido) e as moléculas do solvente (o que dissolve) (3). Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido.

Propriedades: ponto de ebulição É a temperatura na qual um líquido vence a pressão atmosférica, passando para o estado gasoso. Quanto maior a altitude, menor é a pressão atmosférica, e menor é o ponto de ebulição (4). Existe uma relação importante entre as interações intermoleculares e o ponto de ebulição, pois, quanto maior for a interação entre as moléculas de um líquido, maior será seu ponto de ebulição. Imagem: Água fervendo / Markus Schweiss / GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version

Propriedades: ponto de fusão O ponto de fusão é a temperatura na qual uma substância passa do estado sólido ao estado líquido. No ponto de fusão coexistem sólido e líquido em equilíbrio. Imagem: Cubos de gelo / Kevin Saff / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic

Misturas Quando uma substância é adicionada à outra, forma-se então uma mistura. Imagem: Egien / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica Imagem: Sorvete de morango / Gudlyf / Creative Commons Atribuição 2.0 Genérica Mistura homogênea Mistura heterogênea

Alotropia Um mesmo elemento químico é capaz de formar várias substâncias simples com características estruturais e propriedades diferentes (5). Carbono Imagem: Zimbres / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Brazil Imagem: Steve Jurvetson / atribuição 2.0 genérica Creative Commons

Alotropia do Oxigênio O O2 (gás oxigênio) e O3 (gás ozônio) são formas alotrópicas do elemento oxigênio. O O2 (oxigênio) é incolor, inodoro, possui grande estabilidade e está presente no ar que respiramos. O O3 (ozônio) é instável (pode assumir outras formas), de coloração azul e cheiro desagradável.

Alotropia do Oxigênio O O3 - gás presente na camada de ozônio - é o responsável por nos proteger da radiação ultravioleta. Por possuir propriedade germicida, também é usado em purificadores para a obtenção de água potável. Imagem:  Benjah-bmm27 / Domínio Público.

Alotropia do Fósforo Diversas são as variedades alotrópicas do Fósforo e as principais são o fósforo branco, o vermelho e o preto. O fósforo comum (branco) tem a aparência de um sólido branco e, no estado puro, torna-se incolor. A molécula tem 4 átomos (P4), e é insolúvel em água. Em contato com o ar, o Fósforo queima espontaneamente, produzindo o pentóxido. Imagem: Fogos de artifício / El coleccionista de instantes / Creative Commons Atribuição 2.0 Genérica

Alotropia do fósforo O fósforo vermelho não queima espontaneamente e não é tão perigoso quanto a variedade branca. Seu manuseio, entretanto, exige cuidado, pois ele emite fumaças tóxicas de óxidos quando aquecido (6). Imagem: Dnn87_GNU Free documentation License

Alotropia do Enxofre O enxofre elementar é um sólido amarelo, insípido, quase inodoro e insolúvel (7). Seus alótropos mais comuns - enxofre monoclínico e enxofre rômbico - têm formas cristalinas. O enxofre é comumente encontrado nos arredores de vulcões ativos. Imagem: Amostra de enxofre / Ben Mills / domínio público Imagem: Cristais de enxofre / Rob Lavinsky / Creative Commons Atribuição-Partilha nos Termos da Mesma Licença 3.0 Unported

Alótropos do Carbono: importância Faz parte da composição de: Proteínas; Ar atmosférico; Seres vivos; Petróleo. Imagem: Plataforma de petróleo / Agência Brasil / Creative Commons Atribuição 3.0 Brasil Imagem: Stahlkocher / GNU Free Documentation License

Alotropia do Carbono São conhecidas 5 formas alotrópicas principais: AMORFO NANOTUBO FULERENO Imagens: (a), (b) e (c)  Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte, (d) Zimbres / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Brazil e (e) Steve Jurvetson / Creative Commons atribuição 2.0 genérica . GRAFITE DIAMANTE

Carbono Amorfo É mais conhecido como fuligem e faz parte da composição do carvão mineral. É resultado da combustão incompleta de hidrocarbonetos. Aplica-se na indústria da borracha e de tintas para impressão. Imagem: EPA / USA Public Domain

Carbono Amorfo: Coque O coque é obtido pela carbonização do carvão a altas temperaturas, na ausência do ar ou através da destilação de óleos minerais pesados. É usado na metalúrgica do ferro e de outros metais. Imagem: Marcus Vegas / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0

Carbono Grafite Substância preta e macia, geralmente encontrada misturada com mica, quartzo e silicatos; Praticamente a mesma quantidade de grafite minerada também pode ser obtida artificialmente; Imagem: Juliancolton / Public Domain

Carbono Grafite: aplicação Como lubrificante, especialmente em altas temperaturas, já que resiste a mais de 3.000°C antes de começar a fundir. Na indústria do aço, é usado como eletrodo para fornos elétricos porque conduz corrente elétrica suficiente para fundir metais. Imagem: Lanzi / GNU Free Documentation License Como moderador nos reatores nucleares a gás, diminuindo a velocidade dos nêutrons. Em lonas de freios e escovas para motores elétricos.

Carbono Diamante Substância mais dura da natureza, risca qualquer outra substância. A dureza do diamante resulta de sua estrutura cristalina na qual cada átomo de carbono está ligado covalentemente a quatro outros, em formato tetraédrico (8). O diamante é empregado comercialmente para a produção de jóias. Imagem: Mario Sarto / GNU Free Documentation License

Diamante: aplicações Aproveitando sua dureza, o diamante é aproveitado industrialmente na fabricação de brocas ou abrasivos para corte e polimento. Pode ser usado para cortar, tornear e furar alumina, quartzo, vidro e artigos cerâmicos. O pó de diamante é usado para polir aços e outras ligas. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido.

Carbono Fulereno Estrutura oca com 60 átomos de carbono, lembra uma bola de futebol, constituída de 20 hexágonos e 12 pentágonos arranjados (9). Atualmente, a nanotecnologia tem auxiliado as pesquisas e a obtenção dessas moléculas. Em uso biomédico, fármacos ativos podem ser ligados à molécula de C60 para, após introduzidos no corpo humano, serem lentamente libertados (10). Imagem:  Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte.

Fulereno: aplicação Em líquidos, por suas propriedades lubrificantes. Em revestimento de bolas de boliche, devido à sua baixa compressibilidade, o que as torna mais resistentes (já comercializadas no Japão). Em Tacos de golfe de Titânio - C60. Em painéis solares, dada a sua grande facilidade em capturar elétrons. Imagem: Painel solar / David.Monniaux / GNU Free Documentation License

Nanotubos de Carbono Foram descobertos em 1991 por S. Iijima. Apresenta forma de uma folha de grafite enrolada na forma de um cilindro, com diâmetro da ordem de 1 nm e comprimento da ordem de micrômetros. Imagem:  Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte. Têm atraído grande interesse por suas fantásticas propriedades eletrônicas e mecânicas. Já se demonstrou a possibilidade de usar arranjos de nanotubos de carbono como nanomotores (11).

Nanotubos de Carbono Apresentam ainda extraordinárias propriedades, pois possuem a maior resistência à ruptura sob tração já conhecida, na ordem de 200 Gpa; 100 vezes superior ao mais resistente aço com apenas 1/6 de sua densidade (12). Imagem:  Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte.

Nanotubos: aplicação Pontas de prova em microscópios de força atômica, para obter imagens de sistemas biológicos com alta resolução. Condutores em microcircuitos. Fibras para os mais diversos usos, uma vez que são mais leves e mais resistentes do que as fibras de carbono tradicionais. Imagem:  Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte.

Nanotubos: aplicação Fabricação de materiais para absorção de gases, já que conseguem absorver uma grande quantidade de hidrogênio. Na indústria da construção, a UFMG promove grande inovação, pois desenvolve um “superconcreto” com nanotubos de carbono. Imagem:  Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte.

Nanotubos na medicina Uma micrografia de fluorescência mostra células cancerígenas de ovário de um hamster ligadas a nanotubos de carbono (13). No desenvolvimento de músculos artificiais e carreadores de drogas. Imagem: Spitfire ch, Philippsen Lab, Biozentrum Basel / Micrografia de Fluorescência / Public Domain.

Novidade ! O grafeno é um material encontrado na grafite e em outros compostos de carbono. Bastante abundante e de estrutura estável e resistente, ele pode ser a chave para a produção de transistores de apenas 0,01 micrometro, indo além do limite teórico de 0,02 micrometros. Imagem: Jynto /  Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication. Nobel da Física de 2010 ao cientista russo-britânico Konstantin Novoselov.

Novidade ! Os transistores de grafeno possuiriam apenas dois ou três átomos de espessura e poucas dezenas de átomos de comprimento, aproximando-se dos limites físicos da matéria. Uso: em teoria, na construção de um processador, ou até mesmo um circuito integrado que poderia chegar a mais de 500 GHz. Esses materiais têm sido apontados como possíveis sucessores do silício na nova era da nanoeletrônica (14). Imagem: Jynto /  Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication.

Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso   2 Copo com água / Olli Niemitalo / public domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Drinking_glass_fingerprint_FTIR.jpg?uselang=pt-br 07/03/2012 Jecowa / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:H2o_hq2_alpha.png 3 SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido. Acervo SEE-PE 16/03/2012 4 Derek Jensen / public domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glass-of-water.jpg 5 Recipientes químicos com líquidos de diferentes cores / zhouxuan12345678 / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic http://www.flickr.com/photos/53921113@N02/5645102295/ 6 Zarko Drincic / Creative Commons SemDerivados 2.0 Genérica http://www.flickr.com/photos/9136641@N07/2117512295/ 7 8 Água fervendo / Markus Schweiss / GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kochendes_wasser02.jpg 08/03/2012 9 Cubos de gelo / Kevin Saff / Creative Commons / Attribution-Share Alike 2.0 Generic http://www.flickr.com/photos/73998029@N00/242928199/ 09/03/2012

Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso   10 Egien / Creative Commons Atribuição 2.5 Genérica http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coffee_cup.jpg?uselang=pt-br 09/03/2012 Sorvete de morango / Gudlyf / Creative Commons Atribuição 2.0 Genérica http://www.flickr.com/photos/80093862@N00/4658225108/ 13 Benjah-bmm27 / Domínio Público. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ozone-montage.png?uselang=pt-br 14/03/2012 14 Fogos de artifício / El coleccionista de instantes / Creative Commons Atribuição 2.0 Genérica http://www.flickr.com/photos/31195974@N05/5041629649/ 16 Amostra de enxofre / Ben Mills / domínio público http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sulfur-sample.jpg?uselang=pt-br Cristais de enxofre / Rob Lavinsky / Creative Commons Atribuição-Partilha nos Termos da Mesma Licença 3.0 Unported http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sulfur-es67b.jpg?uselang=pt-br 17 Stahlkocher / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gelsenkirchen_Kraftwerk_Scholven.jpg?uselang=pt-br Plataforma de petróleo / Agência Brasil / Creative Commons Atribuição 3.0 Brasil http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oil_platform_P-51_(Brazil).jpg 18a  (a) Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eight_Allotropes_of_Carbon.png 15/03/2012 18b  (b)Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte

Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso   18c  (c) Mstroeck / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unporte http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eight_Allotropes_of_Carbon.png 15/03/2012 18d (d) Steve Jurvetson / Creative Commons atribuição 2.0 genérica http://www.flickr.com/photos/44124348109@N01/156830367/ 09/03/2012 18e (e) Zimbres / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Brazil http://commons.wikimedia.org/wiki/File:GrafitaEZ.jpg 19 EPA / USA Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diesel-smoke.jpg 20 Marcus Vegas / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 http://www.flickr.com/photos/60168589@N00/709967957/ 21 Juliancolton / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Closeup_of_pencil_graphite.JPG 22 Lanzi / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Graphite_mineral_aggregate.jpg?uselang=pt-br 23 Mario Sarto / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brillanten.jpg 24 SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido. Acervo SEE-PE 16/03/2012 26 Painel solar / David.Monniaux / GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mafate_Marla_solar_panel_dsc00633.jpg

Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso   27 Arnero / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon_nanoribbon_povray.PNG 09/03/2012 28 29 30 31 Spitfire ch, Philippsen Lab, Biozentrum Basel / Micrografia de Fluorescência / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:S_cerevisiae_septins.jpg 15/03/2012 32 Imagem: Jynto /  Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Graphene-3D-balls.png 33