QUÍMICA GERAL ENGENHARIA MECÂNICA Prof. Dr. Sérgio Henrique Pezzin

MATÉRIA E ENERGIA Matéria: Substância: Estados da Matéria: Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço. Substância: Forma simples e pura da matéria. Estados da Matéria: Sólido – Forma rígida da matéria Líquido – Forma fluida da matéria que tem superfície bem definida e toma forma do recipiente que a contém. Gás – Forma fluida da matéria que ocupa todo o recipiente que a contém. ATKINS, P e.; Jones, L. “Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente”, Porto Alegre: Bookman, 2001. http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/sergiohp/

PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS Propriedade Física: Característica que podemos observar ou medir sem alterar a identidade da substância. Ponto de fusão (PF), dureza, cor, estado, densidade. Propriedade Química: Habilidade de uma substância em se transformar em outra(s) substância(s). P.ex.: hidrogênio reage com oxigênio para formar água.

PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS Propriedade Intensiva: Independe do tamanho da amostra. Temperatura, densidade. Propriedade Extensiva: Depende do tamanho da amostra. Massa, volume.

ENERGIA Medida da capacidade de realizar trabalho. Energia Cinética: Unidade SI: joule (J) – 1J = 1 kg.m2.s-2 Energia Cinética: Ec = ½ mv2 Energia Potencial: Ep = mgh Energia Potencial de Coulomb:

ENERGIA Energia do campo eletromagnético Ondas (rádio, luz, raios-X) Transporta energia pelo espaço

ENERGIA Conservação da Energia Energia total: E = Ec + Ep Dissipação de energia: Movimento térmico Variação de energia: ΔE = Efinal - Einicial

FORÇA E PRESSÃO Força Pressão Trabalho ma = F P = F / A Moléculas chocando-se contra uma parede. Trabalho w = F. Δx = P. ΔV

ELEMENTOS E ÁTOMOS Do que é constituída a matéria ? Elementos Tales de Mileto: água Heráclito: fogo Aristóteles / Empédocles: Água, Terra, Fogo, Ar Elementos Substâncias fundamentais a partir das quais todas as formas de matéria podem ser construídas.

ELEMENTOS E ÁTOMOS Propriedades dos Elementos

ELEMENTOS E ÁTOMOS Átomo Filosófico Átomo Científico Atomistas: Demócrito e Leucipo (400-500 aC.) Átomo: indivisível Aceitação do vazio ! Átomo Científico Experimentação: Lavoisier, Proust, Dalton Séculos XVIII e XIX

ELEMENTOS E ÁTOMOS Superfície de GaAs (Microscopia eletrônica de tunelamento)

ELEMENTOS E ÁTOMOS O modelo atômico de Dalton (1807) Todos os átomos de um dado elemento são idênticos. Os átomos de diferentes elementos têm massas diferentes. Um composto é uma combinação específica de átomos de mais de um elemento. Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos, mas trocam de parceiros para produzir novas substâncias.

Definição moderna de elemento: ELEMENTOS E ÁTOMOS Definição moderna de elemento: Substância composta de uma única espécie de átomo. Atualmente 112 elementos já foram descobertos ou criados.

ELEMENTOS E ÁTOMOS O modelo nuclear J.J.Thompson (1897) desenvolveu experimentos para a descoberta da partícula sub-atômica: o elétron, e mediu a sua razão carga/massa.

ELEMENTOS E ÁTOMOS O modelo nuclear

ELEMENTOS E ÁTOMOS O modelo nuclear Diâmetro do núcleo ≈ 10-14 m Diâmetro do átomo ≈ 10-9 m

ELEMENTOS E ÁTOMOS Espectrometria de massa ≠ massa entre átomos de um elemento Nêutrons

ELEMENTOS E ÁTOMOS Número atômico (Z): Número de massa (A): Isótopos: Número de prótons em um núcleo atômico. Número de massa (A): Número de prótons e nêutrons em um núcleo atômico. Isótopos: Átomos com mesmo Z, mas A diferente.

ELEMENTOS E ÁTOMOS Alguns isótopos de elementos comuns Elemento Símbolo Z A Abundância, % hidrogênio 1H 1 99,985 deutério 2H 2 0,015 trítio 3H 3 Raro* Carbono-12 12C 6 12 98,90 Carbono-13 13C 13 1,10 Oxigênio-16 16O 8 16 99,76 *radioativo, vida curta

ELEMENTOS E ÁTOMOS Exercício 1: Quantos prótons, nêutrons e elétrons estão presentes em um átomo neutro de: (a) carbono-14 (b) ferro-56 (c) urânio-235

TABELA PERIÓDICA

ELEMENTOS E ÁTOMOS Exercício 2: Quais características têm em comum os átomos de: (a) Ar-40 (b) K-40 (c) Ca-40 Em que eles são diferentes ?

ELEMENTOS E ÁTOMOS Exercício 3: Determine o número total de prótons, nêutrons e elétrons em uma molécula de água, H2O. Que fração de sua própria massa é devida aos nêutrons do seu corpo, assumindo que consiste basicamente de água ?

COMPOSTOS, MOLÉCULAS E ÍONS Análise: Descoberta de quais elementos se combinaram para formar uma substância. Síntese: Produção de novas combinações de átomos, novos materiais.

COMPOSTOS, MOLÉCULAS E ÍONS Substância que consiste de dois ou mais elementos diferentes combinados em uma proporção definida. Compostos Orgânicos (metano, glicose, polietileno, etc) Compostos Inorgânicos (água, sílica, amônia, cloreto de sódio, etc.)

COMPOSTOS, MOLÉCULAS E ÍONS Grupo discreto de átomos ligados em um arranjo específico (covalente). Íon: Átomo (ou grupo de átomos ligados) carregado eletricamente Cátion – íon carregado positivamente Ânion – íon carregado negativamente

COMPOSTOS, MOLÉCULAS E ÍONS Composto Molecular: Consiste de moléculas. Em geral compostos binários de dois não-metais são moleculares. Composto Iônico: Consiste de íons. Em geral compostos binários de um metal e um não-metal são iônicos.

COMPOSTOS, MOLÉCULAS E ÍONS Moléculas e Compostos Moleculares Fórmula química: Forma de expressar sua composição em termos de símbolos químicos. Fórmula molecular: Mostra quantos átomos de cada elemento compõem uma única molécula do composto. Fórmula estrutural: Indica como os átomos estão ligados.

COMPOSTOS, MOLÉCULAS E ÍONS Íons e Compostos Iônicos Cristais – Célula Unitária Não falamos em molécula de um composto iônico . Fórmula unitária: Mostra a razão entre o número de átomos de cada elemento presente no composto em termos da menor quantidade de número de íons.

COMPOSTOS, MOLÉCULAS E ÍONS Exercício 4: Escreva a fórmula do composto binário formado por Cálcio e cloro Alumínio e oxigênio

NOMENCLATURA DE COMPOSTOS Exercício 5 Dê o nome dos compostos (a) Ag2S (b) Mg(OH)2 (c) NiSO4.6H2O (d) H2SO3

NOMENCLATURA DE COMPOSTOS Exercício 6 Escreva a fórmula para os compostos (a) fosfato de alumínio (b) bromato de cobre(II) (c) sílica (d) ácido perclórico

Extrema importância prática: ESTEQUIOMETRIA Cálculos envolvendo as massas das substâncias que participam nas reações químicas: (do grego stoicheion, constituinte elementar, e metrein, medir). Extrema importância prática: Previsão teórica da quantidade de reagentes a ser usada para se obter determinada quantidade de produtos, numa reação química, em condições pré-fixadas.

Padrão de massas atômicas (1961): MASSA ATÔMICA Padrão de massas atômicas (1961): a massa de 1/12 do átomo do isótopo do carbono com A igual a 12 (12C). chamado unidade de massa atômica (u.m.a). Massa atômica de um átomo é a massa deste átomo expressa em u.m.a.

Espectrometria de massas: MASSA ATÔMICA Espectrometria de massas: permite a determinação da massa atômica com grande precisão. Massa atômica do átomo 24Mg = 23,985 u.m.a  24 u.m.a = 24 x massa de 1/12 do 12C Massa atômica do átomo 35Cl = 34,997 u.m.a  35 u.m.a = 35 x massa de 1/12 do 12C

Massa atômica de um elemento: média ponderada das massas atômicas dos átomos de seus isótopos constituintes. O elemento cloro é formado pelos isótopos: 35Cl, com abundância natural de 75,4%, e 37Cl, com abundância de 24,6% Massa atômica do elemento Cl = [(34,997 x 75,4) + (36,975 x 24,6)]/100 = 35,453 u.m.a. não existe átomo de Cl com massa 35,453 u.m.a; esse é o valor médio da massa dos átomos de Cl.

MASSA MOLECULAR É a massa de uma molécula da substância expressa em u.m.a. É igual à soma das massas atômicas de todos os átomos constituintes da molécula. Exemplo: MA do H  1 u.m.a. MA do O  16 u.m.a. Massa molecular do H2O = (2 x 1) + 16  18 u.m.a.

FÓRMULA-MASSA No caso de substâncias iônicas, o termo massa molecular é substituído por fórmula-massa, pois não existe molécula de substância iônica. Exemplo: MA do Na  23 u.m.a. MA do Cl  35,5 u.m.a. Fórmula-massa do NaCl = 23 + 35,5  58,5 u.m.a.

MOL É a quantidade de átomos, moléculas, íons, elétrons, etc., igual ao número de átomos que há em 12 g de carbono-12. Este número é igual a 6,02 x 1023 (conhecido como número de Avogadro). Assim como uma dúzia são 12 unidades e uma centena são 100 unidades, um mol são 6,02 x 1023 unidades.

MASSA MOLAR Massa molar é a massa de um mol de entidades (átomos, moléculas, íons, etc.). Unidade: g.mol-1 Massa molar de um elemento é a massa de 6,02 x 1023 átomos desse elemento. É numericamente igual à sua massa atômica. MA do Cl = 35,5 u.m.a. Massa molar do Cl = 35,5 g.mol-1

Exercício 7 ESTEQUIOMETRIA O ferro (massa atômica 56) é essencial à vida do homem porque está presente, na forma iônica, no glóbulo vermelho do sangue e transporta oxigênio para os tecidos. No sangue de um adulto há 2,9 g de ferro, que estão contidos em cerca de 2,6 x 1013 glóbulos vermelhos. Qual é o número de átomos de ferro em cada glóbulo vermelho ?

Cálculos envolvendo reações químicas: ESTEQUIOMETRIA Cálculos envolvendo reações químicas: Escrever a equação química que representa o fenômeno descrito no problema. Balancear a equação. Relacionar os dados do problema com a incógnita.

EQUAÇÕES QUÍMICAS São descrições abreviadas das modificações que ocorrem durante uma reação química. Permitem determinar relações quantitativas entre reagentes e produtos. as equações devem estar balanceadas: devem obedecer à lei da conservação da massa, tendo o mesmo número de átomos de cada elemento em ambos lados da seta.

Consideremos, p.ex., a equação para a combustão do etanol, C2H5OH : EQUAÇÕES QUÍMICAS Consideremos, p.ex., a equação para a combustão do etanol, C2H5OH : C2H5OH + O2  2 CO2 + 3 H2O No nível molecular podemos ler: 1 molécula de C2H5OH + 3 moléculas de O2  2 moléculas de CO2 + 3 moléculas de H2O

Redimensionando para uma escala de laboratório: EQUAÇÕES QUÍMICAS Redimensionando para uma escala de laboratório: 1 mol de C2H5OH + 3 mols de O2  2 mol de CO2 + 3 mol de H2O A equação balanceada fornece as relações quantitativas entre todos os reagentes e produtos.

EQUAÇÕES QUÍMICAS Exercício 8 Uma amostra de um minério de carbonato de cálcio pesando 2,0 g, ao ser tratada com ácido clorídrico em excesso, produziu 1,5 x 10-2 mol de dióxido de carbono. Equacione a reação química correspondente e calcule a porcentagem, em massa, de carbonato de cálcio.

EQUAÇÕES QUÍMICAS Exercício 9 A obtenção de etanol, a partir de sacarose (açúcar) por fermentação, pode ser representada pela seguinte equação: C12H22O11 + H2O  4 C2H5OH + 4 CO2 Admitindo-se rendimento de 100% e que o etanol seja anidro (puro), calcule a massa (em kg) de açúcar necessária para produzir 50 L de etanol. (detanol = 0,8 g/cm3)

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ATKINS, P e.; Jones, L. “Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente”, Porto Alegre: Bookman, 2001.