5. Governo do Estado do Rio de Janeiro
Governador
Sérgio Cabral Filho
Secretário de Estado de Ciência e Tecnologia
Alexandre Cardoso
Universidades Consorciadas
UENF - UNIVERSIDADE ESTADUAL DO UFRJ - UNIVERSIDADE FEDERAL DO
NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO RIO DE JANEIRO
Reitor: Almy Junior Cordeiro de Carvalho Reitor: Aloísio Teixeira
UERJ - UNIVERSIDADE DO ESTADO DO UFRRJ - UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL
RIO DE JANEIRO DO RIO DE JANEIRO
Reitor: Ricardo Vieiralves Reitor: Ricardo Motta Miranda
UFF - UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE UNIRIO - UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO
Reitor: Roberto de Souza Salles DO RIO DE JANEIRO
Reitora: Malvina Tania Tuttman
6.
7. Elementos
de Química Geral Volume 1
SUMÁRIO Aula 1 – Evolução da Química: da Pré-história a Lavoisier ______________ 7
Aula 2 – Evolução da Química: de Lavoisier até os dias atuais __________ 19
Aula 3 – Propriedades gerais da matéria __________________________ 29
Aula 4 – O átomo é divisível!___________________________________ 45
Aula 5 – Estrutura eletrônica dos átomos __________________________ 61
Aula 6 – Propriedades periódicas dos elementos ____________________ 83
Aula 7 – Combinações entre átomos: a ligação iônica ________________ 97
Aula 8 – Combinações entre átomos: a ligação covalente_____________ 111
Aula 9 – Estruturas de Lewis: Parte l ____________________________ 125
Aula 10 – Estruturas de Lewis: Parte ll ___________________________ 137
Aula 11 – Forma das moléculas: Parte I __________________________ 155
Aula 12 – Forma das moléculas: Parte II__________________________ 167
8.
9. 1
AULA
Evolução da Química:
da Pré-história a Lavoisier
Meta da aula
Descrever a evolução histórica da Química, até o
século XVIII, como determinante na constituição
desta ciência.
objetivos
Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de:
• Identificar alguns materiais (e suas propriedades) usados
desde a Antiguidade e que ainda estão presentes no
cotidiano do homem moderno.
• Compreender os princípios da teoria do flogisto.
10. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: da Pré-história a Lavoisier
INTRODUÇÃO Consultando o verbete “química” em dicionários da Língua Portuguesa,
encontramos a seguinte definição: “Química é o estudo científico da constituição
da matéria, suas propriedades, transformações e as leis que as regem.”
Esta definição mostra que a Química é uma ciência exata, regida por leis
bem estabelecidas e estruturadas. Estas leis permitem a análise e a previsão
do comportamento de substâncias que existem naturalmente, ou que são
produzidas pelo homem.
Entretanto, o caráter científico da Química só foi estabelecido há cerca de três
séculos. Até o século XVIII, as práticas químicas se misturavam aos conceitos
da alquimia, fazendo com que seu caráter científico fosse mascarado, algumas
vezes, pelos ensinamentos místicos dos alquimistas. Por isso, é interessante
observar como essa ciência evoluiu ao longo do tempo. Nesta primeira aula,
você vai acompanhar a evolução da Química, desde tempos imemoriais até o
ponto em que ela se tornou uma ciência exata.
A QUÍMICA NOS TEMPOS ANTIGOS: PASSEANDO PELA
HISTÓRIA
O ser humano utiliza a Química desde o seu surgimento na
Terra, ainda que nos primórdios não tivesse consciência deste fato. Os
homens da Pré-história usavam pigmentos extraídos das plantas e dos
demais reinos da Natureza para decorar suas cavernas ou representar
seu cotidiano e suas crenças. São famosas as pinturas em cavernas
encontradas em vários locais do mundo, inclusive no Brasil, como está
ilustrado na Figura 1.1.
Figura 1.1: Pintura do homem das cavernas encontrada no Nordeste do Brasil.
8 CEDERJ
11. O domínio do fogo, que o homem conhecia mas não controlava,
1
permitiu a produção de grande variedade de utensílios e ferramentas. O
AULA
homem aprendeu a extrair e a trabalhar o cobre, o bronze e o ferro. Por
conseqüência, as comunidades que sabiam trabalhar os metais assumiram
a liderança sobre as demais.
Em um salto histórico, estamos agora por volta de 4000-3000
a.C. No Oriente Próximo (onde hoje estão o Egito, a Síria, a Turquia, o
Líbano e Israel), bem como na China e na Índia, florescem as primeiras
grandes civilizações. Dentre elas, a egípcia foi a que mais influenciou a
humanidade nos tempos antigos.
Nos séculos seguintes, os egípcios trabalharam o ferro, o ouro,
a prata e outros metais. Ainda fabricaram o vidro, produziram tintas e
pigmentos para pintura de ambientes, papiro para a escrita, aprenderam
a curtir o couro e extrair corantes, medicamentos e perfumes das plantas,
fabricaram bebidas fermentadas e aprenderam a produzir sabão e
vinagre. Não podemos esquecer que os egípcios dominavam a técnica
da mumificação e, para tal, utilizavam resinas especiais, provavelmente
extraídas de plantas e misturadas com matérias do reino animal. Esta
técnica tinha a função de preservar o corpo do morto por longo período,
e nela atingiram níveis de perfeição admirados até hoje.
A tecnologia egípcia foi absorvida, difundida e, algumas vezes,
aprimorada pelos outros povos da Antiguidade. Entretanto, é importante
assinalar que o conhecimento adquirido por esses povos era totalmente
empírico, ou seja, baseado na experiência do dia-a-dia. Não havia registro
de uma preocupação sistemática com o estudo da natureza da matéria
e de suas propriedades até cerca de 500-400 a.C., quando os gregos
desenvolveram os primeiros modelos para explicar como são formadas
as substâncias presentes na Natureza.
CEDERJ 9
12. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: da Pré-história a Lavoisier
ATIVIDADE
1. O vidro é um material utilizado pelos antigos egípcios e faz parte integrante
do dia-a-dia da civilização atual. Entre num site para pesquisar quais são os
principais componentes do vidro comum e dos vidros coloridos.
RESPOSTA COMENTADA
Você vai descobrir que o vidro é feito com uma das matérias-primas
mais baratas que podemos encontrar na Natureza: a areia. Esta é,
essencialmente, formada por silicatos de sódio e alumínio. O vidro
colorido é obtido pela adição de óxidos de ferro, cobre, cromo, cobalto
ou manganês. A engenhosidade do homem em manipular os materiais
que a Natureza oferece é o segredo de sua evolução neste planeta.
OS PRIMEIROS MODELOS TEÓRICOS EM QUÍMICA
A civilização grega é considerada mãe da civilização ocidental. Ela
influenciou todos os povos que a sucederam – em especial os romanos,
– particularmente nas artes, na filosofia, na ciência e na religião. Para
os gregos, estes aspectos da cultura humana estavam intimamente
relacionados. Esta visão holística do mundo levou a indagações de
caráter filosófico sobre a natureza das substâncias formadoras do
Universo, cabendo aos gregos a elaboração dos primeiros modelos para
a constituição da matéria.
Por volta de 420 a.C., o filósofo Demócrito (∼460-370 a.C.)
defendia o modelo de seu mestre Leucipo, que propôs ser a matéria
constituída de partículas infinitamente pequenas e indivisíveis, chamadas
átomos. Assim, cada substância seria formada por átomos nela presentes.
O modelo corpuscular de Leucipo se opunha ao de Empédocles (490-
Figura 1.2: Demócrito. 435 a.C.); este supunha ser o universo formado pela união dos quatro
elementos: fogo, ar, terra e água.
O modelo dos quatro elementos foi adotado por Aristóteles
(384-322 a.C.), filósofo grego de maior influência no Ocidente. As
idéias aristotélicas dominaram o pensamento do Ocidente e do Oriente
Próximo, levando ao fortalecimento da alquimia, forma como a Química
mais se desenvolveu pelos séculos seguintes.
Figura 1.3: Aristóteles.
10 CEDERJ
13. A ALQUIMIA E A IATROQUÍMICA
1
ALQUIMIA
AULA
A ALQUIMIA era uma “arte secreta” na qual se misturavam idéias Palavra derivada
do árabe al-kımıá,
¯ ¯
de magia e práticas químicas. Os primeiros registros são em Alexandria que por sua vez
originou-se do
e apresentam forte inspiração filosófica da teoria dos quatro elementos, grego chymeıa,
¯
defendida por Aristóteles. A alquimia perdeu prestígio na Europa por volta cujo significado é
“mistura de vários
de 292 d.C., devido à destruição de muitos escritos guardados em Alexandria, ingredientes”.
mas manteve sua influência entre os povos do Oriente Próximo.
Com a chegada dos árabes ao continente europeu alguns séculos
depois, a alquimia tornou-se novamente importante, embora seus
praticantes fossem, muitas vezes, perseguidos pela Igreja Católica.
Os árabes levaram consigo os ensinamentos de vários livros secretos,
considerados a base dos estudos alquímicos.
Os ideais dos alquimistas estavam relacionados à descoberta da
“pedra filosofal”, capaz de transformar qualquer metal em ouro; e do
elixir da longa vida, capaz de curar todas as doenças. Na Figura 1.4, você
pode ter uma idéia de como funcionava um “laboratório” de alquimia.
Imagens como esta ficaram registradas no subconsciente das pessoas,
imprimindo à Química, durante séculos, um caráter pouco científico.
Figura 1.4: Um laboratório alquímico, no qual se buscava a “pedra filosofal”.
CEDERJ 11
14. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: da Pré-história a Lavoisier
Um trecho do Compositum de compositis de Alberto, o Grande (1193-1280),
um dos maiores alquimistas do Ocidente, traduz claramente o pensamento dos
praticantes na Idade Média :
“Observou-se que a natureza dos metais, tal como a conhecemos, é engendrada,
de uma maneira geral, pelo Enxofre e o Mercúrio. Somente a diferença de cocção
e de digestão produz a variedade na espécie metálica. Eu próprio observei
que num só e único vaso, quer dizer, num mesmo filão, a natureza produziu
vários metais e a prata, disseminados por aqui e ali. Demonstramos claramente
no nosso ‘Tratado dos minerais’ que, de fato, a geração dos metais é circular,
passando facilmente de um a outro, segundo um círculo; os metais vizinhos têm
propriedades semelhantes; é por isso que a prata se transforma mais facilmente
em ouro que qualquer outro metal.”
Os alquimistas não conseguiram chegar às metas sonhadas, mas,
ao longo de suas pesquisas, acabaram produzindo novos materiais
como o álcool, o ácido sulfúrico, o ácido nítrico e muitos outros
ácidos, bases, sais e óxidos. Também descobriram e manipularam
vários metais e substâncias elementares importantes, como o enxofre, o
fósforo, o mercúrio e o cádmio. Fabricaram, ainda, novos artefatos para
o uso em suas práticas alquímicas (como o almofariz e o alambique) e
aperfeiçoaram novas técnicas, como a destilação e a extração. A alquimia
contribuiu muito para o desenvolvimento da técnica química, mas não
para as explicações dos fenômenos químicos.
Recorde da Química Básica que:
Ácidos inorgânicos são substâncias que contêm o íon H+;
Bases inorgânicas são substâncias que contêm o íon OH-;
Sais inorgânicos são obtidos pela combinação entre ácidos e bases;
Óxidos são compostos formados por um metal ou não-metal e
oxigênio.
Entre os alquimistas mais famosos do Ocidente, podemos destacar
os nomes de Maria, a Judia, Nicolas Flamel (1330-1418) e Paracelso
(1494-1541). A primeira é uma figura lendária, não se sabendo precisar
quando existiu ou mesmo se este nome se refere a uma única pessoa.
A ela atribui-se a criação do banho-maria, tão utilizado em aplicações
científicas e mesmo caseiras. Flamel, por sua vez, enganou a muitos e
a si mesmo, dizendo ter obtido o segredo da transmutação de metais
menos nobres em ouro.
12 CEDERJ
15. Paracelso, cujo nome verdadeiro é Philippus Aureolus Theophrastus
1
IATROQUÍMICA
Bombastus von Hohenmheim, dedicou boa parte de sua vida ao preparo
AULA
Doutrina médica
de medicamentos extraídos das plantas e dos outros reinos da Natureza. reinante no
século XVI que
Com ele, as artes mágicas da alquimia, já em declínio, adquiriram um pretendia explicar
os fenômenos
caráter mais científico. A alquimia praticada por Paracelso e seus
fisiológicos pelas
seguidores foi chamada I A T R O Q U Í M I C A . leis da Química.
Figura 1.5: Paracelso.
Com o surgimento da iatroquímica, a Química entrou em nova
fase, inclinada à Medicina. Segundo o próprio Paracelso, “o fim próprio
da Química não é fazer ouro, é preparar remédios”.
Vale a pena notar que a alquimia se difundiu em plena Idade
Média. A época de Paracelso corresponde precisamente ao período
de transição entre a Idade Média e a Idade Moderna, marcado pelo
Renascimento nas artes, na ciência, na religião e na organização social
e política do Ocidente.
CEDERJ 13
16. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: da Pré-história a Lavoisier
ATIVIDADE
2. No texto a seguir, estão materiais utilizados pelos alquimistas. Ao final
do texto, são apresentadas definições que se encaixam corretamente
nele. Utilize seus conhecimentos de Química Básica para completar
adequadamente os espaços pontilhados. As definições descrevem materiais
(e algumas propriedades deles) usados pelos alquimistas.
O enxofre, .................................., era muito utilizado nas práticas alquímicas.
Ao queimar, produz o .............................., um gás tóxico de odor irritante.
O mercúrio era outro material querido dos alquimistas: atraía-os uma
propriedade incomum, a de ser ............................... Muitos metais eram
corroídos com ...................., um líquido xaroposo que provoca queimaduras
dolorosas. Finalmente, o grande fascínio dos alquimistas era o ouro,
.................................
a) Um metal amarelo brilhante e muito maleável
b) Um sólido amarelo, opaco e muito quebradiço
c) Dióxido de enxofre
d) Ácido sulfúrico
e) Um metal líquido à temperatura ambiente
RESPOSTA COMENTADA
Você precisa conhecer algumas propriedades dos materiais
apresentados no texto. Felizmente são comuns, fazem parte do nosso
dia-a-dia. O enxofre é um sólido amarelo e opaco, que se quebra com
muita facilidade; a sua queima produz o dióxido de enxofre (SO2), um
gás muito tóxico e que pode levar até à formação de ácido sulfúrico na
atmosfera. O mercúrio é o único metal líquido à temperatura ambiente:
é usado nos termômetros. O ácido sulfúrico é uma substância altamente
corrosiva, com inúmeras aplicações em laboratório e indústria. O ouro
é um metal de cor amarelo brilhante utilizado na fabricação de jóias e
em partes de alguns instrumentos de precisão. b, c, e, d, a.
O NASCIMENTO DA QUÍMICA MODERNA: A CIÊNCIA
VENCE A CRENÇA
O Renascimento marcou um novo período na civilização ocidental.
O método científico de investigação foi introduzido por pensadores
importantes como Rennè Descartes (1596-1650) e explicado por Francis
Bacon (1561-1626) em seu livro Novum Organum, em 1620. As idéias
destes pensadores se opunham às práticas alquímicas, nas quais não
havia um método científico de obtenção e estudo das propriedades dos
materiais utilizados. A figura de Robert Boyle (1627-1691) foi decisiva
14 CEDERJ
17. na implantação do método científico de investigação em Química. Suas
1
experiências com gases marcaram, para muitos, o início da Química
AULA
moderna.
!
As experiências de Boyle com os gases o levaram a formular a lei de Boyle, que diz ser a
pressão (p) de um gás inversamente proporcional ao seu volume (V) se a temperatura (T)
for constante. A forma matemática desta lei é pV = C, T constante, na qual a constante
C depende apenas da temperatura. A determinação de C levou à famosa equação dos
gases perfeitos: pV = nRT.
Figura 1.6: Robert Boyle.
A lei de Boyle fornece base para explicar as alterações que ocorrem na
capacidade respiratória de mergulhadores no mergulho livre. Nossos pulmões
têm uma capacidade média de seis litros de ar à pressão atmosférica. Quando
um mergulhador atinge profundidades de algumas dezenas de metros, está
sujeito a uma pressão muito maior; desta forma, sua capacidade pulmonar
diminui sensivelmente.
Figura 1.7: Um mergulhador desprovido de equipamento de mergulho tem sua
capacidade pulmonar reduzida pelo aumento da pressão em seus pulmões.
CEDERJ 15
18. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: da Pré-história a Lavoisier
Boyle definiu elemento como qualquer substância que não pode
ser dividida em substâncias ainda menores. Afirmou ainda que a matéria
é composta por “corpúsculos” (átomos) de várias espécies e tamanhos
capazes de formarem grupos, sendo que cada um deles constitui uma
substância química. Com estas hipóteses, Boyle fez renascer as antigas
idéias de Demócrito sobre a estrutura da matéria.
Na tentativa de explicar o fenômeno da combustão, Georg
Stahl (1660-1734) propôs, em 1697, a teoria na qual entendia que as
substâncias queimavam porque eram ricas em uma certa substância
chamada flogisto. A palavra flogisto vem do grego e significa “eu
inflamo”. Segundo esta teoria, um corpo combustível era constituído de
“terra metálica” e flogisto. A combustão era, segundo Stahl, a liberação
do flogisto, que se manifestava sob a aparência de fogo livre.
Você conseguiu entender? Vamos explicar! Para Stahl, a queima
de um metal era vista como a perda do flogisto, deixando apenas a “cal”
do metal (o óxido formado pela reação de combustão). Hoje entendemos
este processo como uma reação de oxidação, com a formação de óxido
do metal, segundo o esquema: Metal + oxigênio → óxido do metal.
saída de flogisto O mesmo princípio se aplicava à queima do carvão, produzindo
gás carbônico. A chama nada mais era do que abundância de flogisto,
como está ilustrado na Figura 1.8.
A teoria do flogisto ganhou um grande número de simpatizantes,
mas teve de enfrentar uma dificuldade que levou, mais tarde, à sua
queda: verificou-se que os materiais resultantes da combustão (chamados
materiais “deflogisticados”) pesavam mais do que o material com
flogisto. Hoje podemos entender que esse fato é absolutamente coerente:
a oxidação de um metal, por exemplo, o transforma no seu óxido; a
substância formada tem massa maior que o metal puro, pois a ele foi
incorporado o oxigênio do ar. Entretanto, na época de Stahl, não se sabia
que a combustão era devida à reação das substâncias com o oxigênio.
A descoberta do oxigênio por Joseph Priestley (1733-1804) e
experiências bastante mais elaboradas de combustão de materiais à luz
dessa nova descoberta, realizadas pelo próprio Priestley e por Antoine
Lavoisier (1743-1794), destruíram a teoria do flogisto. Estamos no
Figura 1.8: Segundo Stahl, a
combustão era a liberação de final do século XVIII e no começo de uma nova era para a Química.
flogisto, que saía pela chama do
material queimado.
16 CEDERJ
19. Com isso, podemos ver que a história desta ciência vai muito além de
1
uma simples história. Vamos parar por aqui!
AULA
Faça a Atividade Final para “fechar” esta breve introdução do
curso.
Figura 1.9: Joseph Pristley.
ATIVIDADE FINAL
O ferro se transforma em ferrugem (óxido de ferro) pelo contato com o oxigênio
do ar atmosférico. Imagine que você tem a reação ferro + oxigênio → óxido de
ferro. Como você mostraria que a teoria do flogisto não é válida?
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
RESPOSTA COMENTADA
A teoria do flogisto foi uma tentativa de explicar os processos de combustão
dos materiais. Uma dificuldade observada foi que a massa do material
queimado era, muitas vezes, maior que a do material original. Este é o caso
da oxidação de um metal. Na reação dada, um metal se transforma em seu
óxido pela ação do oxigênio do ar. Se você pesar o material antes e depois
da combustão, verá que o material oxidado tem massa maior que o metal
puro. Se houvesse perda do flogisto do metal, o material queimado deveria
ficar mais leve, o que entra em contradição com os resultados experimentais
e mostra a inconsistência da teoria do flogisto.
CEDERJ 17
20. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: da Pré-história a Lavoisier
RESUMO
A história da Química se confunde com a história da humanidade. Desde tempos
imemoriais, a Química está presente no cotidiano do homem. Uma medida do grau
de desenvolvimento de um povo pode ser dada pelo número de materiais que
podem ser manipulados por ele. A Química dos povos antigos e da Idade Média
era essencialmente empírica; pouco interesse havia em compreender a natureza
mais íntima da matéria. Com o Renascimento, inaugurando a Idade Moderna e
trazendo o método científico sistemático de investigação, a Química passa, ao fim
do século XVIII, a ter o status de ciência.
INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA
Na próxima aula, você vai acompanhar o fabuloso desenvolvimento da Química
nos séculos XIX e XX, e as perspectivas atuais desta ciência.
18 CEDERJ
21. 2
AULA
Evolução da Química: de
Lavoisier até os dias atuais
Metas da aula
Apresentar os principais períodos da evolução da
Química, desde Lavoisier até os dias atuais.
Descrever o modelo atômico de Dalton.
objetivos
Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de:
• Aplicar a teoria atômica de Dalton à representação de
processos químicos.
• Identificar algumas áreas importantes da Química
contemporânea.
Pré-requisito
Para acompanhar esta aula, você deverá rever
o percurso histórico que foi apresentado na
Aula 1 desta disciplina.
22. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: de Lavoisier até os dias atuais
INTRODUÇÃO Vimos na aula anterior que, ao final do século XVIII, as bases científicas da
Química foram estabelecidas, dando a ela o status de ciência exata. O químico
francês Antoine Lavoisier foi fundamental neste processo. Graças a ele, as leis
das combinações químicas ficaram bem estabelecidas, permitindo que, no início
do século XIX, John Dalton propusesse o primeiro modelo atômico consistente
com os dados experimentais disponíveis na época. A partir daí, um crescimento
impressionante de técnicas de análise e síntese de compostos químicos marcou
os séculos XIX e XX. Nesta aula, você vai acompanhar o notável desenvolvimento
da Química, tanto na parte experimental quanto teórica, desde o final do século
XVIII até os dias atuais.
LAVOISIER E DALTON
Em 1789, no seu Tratado elementar de Química, Antoine Lavoisier
(1743-1794) fala das suas experiências com a combustão de metais e
outros elementos. Ele observou que o aumento da massa do material
queimado não se dá pela perda do flogisto (lembra do final da aula
anterior?), mas sim pela incorporação de uma certa quantidade de ar
(mais precisamente de oxigênio) ao metal. Seus trabalhos de análise
quantitativa dos produtos obtidos nas reações de combustão e em outras
reações químicas o levaram a propor a LEI DA CONSERVAÇÃO DA MASSA, e
ajudaram Joseph Proust (1754-1826) a estabelecer a LEI DAS PROPORÇÕES
DEFINIDAS. Estas duas leis formam a base da estequiometria, que você
LEI DA
CONSERVAÇÃO DA estudará detalhadamente mais adiante em nosso curso.
MASSA (Lavoisier)
Em uma reação
química, a soma
das massas dos
reagentes é igual à
soma das massas
dos produtos. “Na
Natureza nada
se perde, nada
se cria. Tudo se
transforma”.
LEI DAS
PROPORÇÕES
DEFINIDAS (Proust)
Um composto
é formado
por elementos
específicos
combinados
sempre na mesma
proporção em
massa.
Figura 2.1: Antoine Lavoisier.
20 CEDERJ
23. Além da lei da conservação da massa, podemos destacar como
2
contribuições de Lavoisier:
AULA
a) a definição precisa de elementos químicos e sua descrição;
b) a descrição dos compostos químicos formados pelas
combinações entre os elementos;
c) a primeira nomenclatura sistemática dos compostos inorgânicos,
usando seus elementos constituintes;
d) a composição quantitativa dos compostos pelo uso de balanças
de precisão;
e) medições quantitativas das propriedades térmicas dos
elementos, dos compostos e das reações entre eles, pela construção e
uso de calorímetros.
Se não inaugurou, Lavoisier fez avançar em muito a Química
Analítica, Química Inorgânica e Termodinâmica Química. Os resultados
das experiências de Lavoisier e Proust forneceram a base sobre a qual
John Dalton (1766-1844) pôde formular, em 1808, o seu modelo atômico.
Neste primeiro modelo quimicamente consistente, Dalton propôs que:
a) a matéria é composta por partículas indivisíveis chamadas
átomos;
b) todos os átomos de um elemento particular são idênticos em
massa e outras propriedades;
c) os átomos de diferentes elementos diferem em massa e outras
propriedades;
d) os átomos são indestrutíveis e simplesmente
se rearrumam nas reações químicas. Eles não se
dividem;
e) quando os átomos de diferentes elementos
se combinam para formar compostos, eles formam
partículas novas, mais complexas. As partículas de
qualquer composto sempre contêm a mesma proporção
fixa de átomos.
Podemos imaginar o átomo de Dalton como uma
esfera maciça e extremamente pequena. Átomos de um
mesmo elemento correspondem a esferas iguais em
natureza e tamanho. Átomos de elementos distintos são
representados por esferas também distintas. A formação
de um composto é descrita pela combinação de esferas, Figura 2.2: John Dalton.
em proporção definida pela lei de Proust.
CEDERJ 21
24. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: de Lavoisier até os dias atuais
O processo de formação da água a partir do hidrogênio e do
oxigênio, por exemplo, seria descrito pelo modelo de Dalton como a
aproximação de duas pequenas esferas ligadas entre si (representando
a molécula de hidrogênio, H2) a uma esfera maior, representando um
átomo de oxigênio. A molécula de H2O seria representada pela ligação
destas três esferas, como ilustrado na Figura 2.3.
Figura 2.3: Formação da água segundo o modelo de Dalton. Neste modelo, os
átomos são esferas maciças e de tamanho e massa característicos de cada átomo, e
as moléculas são representadas por esferas unidas entre si.
A teoria atômica de Dalton sofreria, entretanto, profundas
modificações, por já se saber ao final do século XIX que os átomos não
eram indivisíveis. Ainda assim, ela continua descrevendo precisamente
como a matéria se combina quimicamente segundo as leis de Lavoisier
e Proust.
ATIVIDADE
1. Faça uma representação da reação H2 +CO2 → H2O + CO utilizando
esferas de tamanho ou de cor diferente para representar os átomos de
hidrogênio, carbono e oxigênio, segundo o modelo de Dalton.
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
_________________________________________________________________
RESPOSTA COMENTADA
Você deve desenhar inicialmente duas esferas pequenas unidas para
representar a molécula de H2, e três esferas unidas para representar
o dióxido de carbono. A forma como você vai unir as três esferas
mostra se você percebe ou não como o carbono se liga aos átomos
de oxigênio. A forma correta é colocar a esfera do carbono no centro
e as esferas dos oxigênios uma em cada lado, com as três esferas em
linha reta. Em seguida, você deve representar os produtos da reação.
Para a água, faça como no CO2 , com o átomo de oxigênio no centro.
A rigor, há um ângulo diferente de 180° entre as ligações O-H. Para
entender mais sobre a geometria de moléculas, aguarde a Aula 11.
A representação do CO é simples: duas esferas unidas representando
a ligação C=O.
22 CEDERJ
25. A QUÍMICA DO SÉCULO XIX
2
E S P E C T RO S C O P I A
AULA
Os avanços tecnológicos ocorridos no século XIX – pelo É o estudo da
luz absorvida
desenvolvimento das máquinas térmicas, pelo domínio da eletricidade, ou emitida pelos
corpos sólidos,
pela melhora de equipamentos ópticos de precisão e pelos estudos sobre líquidos ou gasosos.
o magnetismo – permitiram a descoberta de muitos novos elementos POLARIMETRIA
químicos. Também, graças a esses avanços, houve grande progresso na É o estudo do
desvio do plano
caracterização de compostos por técnicas não só puramente químicas, da luz polarizada
quando atravessa
mas também por determinações ESPECTROSCÓPICAS , POLARIMÉTRICAS E
uma substância
ELETROQUÍMICAS. quiral (nos
compostos
Talvez a melhor forma de ilustrar a importância dos acontecimentos orgânicos, é a que
apresenta carbono
ocorridos naquele século, na área da Química, seja traçar uma pequena assimétrico).
cronologia em que vamos destacar alguns eventos, bem como os químicos ELETROQUÍMICA
que os produziram. Acompanhe esta cronologia na Tabela 2.1 a seguir: É o estudo dos
efeitos da passagem
de uma corrente
Tabela 2.1: Alguns eventos importantes na área da Química no século XIX elétrica sobre
sólidos inorgânicos
Ano Evento e orgânicos,
líquidos puros ou
Humphrey Davis utilizou células eletrolíticas na decomposição de
1801 soluções.
compostos
1803 Jön Berzelius realiza a decomposição eletrolítica de sais
1807 Humphrey Davis obtém sódio e potássio por eletrólise
Amedeo Avogadro estabelece que volumes iguais de gases diferentes
1811
têm o mesmo número de partículas
Jean-Baptiste Biot descobriu que a luz tem seu plano de propagação
1813 girado ao atravessar uma placa de quartzo e a seguir uma solução de
sacarose
Jön Berzelius calcula fórmulas de compostos orgânicos a partir de
1815
dados analíticos experimentais
Franz Wöhler converteu o cianato de amônio em uréia, realizando
1828 assim a primeira síntese de um composto orgânico a partir de um
inorgânico
Michael Faraday expôs as leis da eletrólise e estabeleceu a
1833
nomenclatura ainda hoje usada em eletroquímica
Thomas Graham explicou a lei da efusão dos gases em pequenos
1846
orifícios
Stanislao Cannizzaro mostrou a diferença entre pesos atômicos e
1858
moleculares
Friedrich Kekulé definiu a química orgânica como a química dos
1861
compostos do carbono
Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff descobriram o césio e o rubídio por
1861
técnicas espectroscópicas
Dimitri Mendeleev criou o sistema de classificação periódica dos
1869
elementos.
Jacobus van’t Hoff demonstrou que as quatro ligações do carbono
1874
estão distribuídas em forma de tetraedro
Svante Arrhenius demonstrou que os eletrólitos se dissociam em íons,
1884 átomos ou grupos de átomos que transportam carga elétrica positiva
ou negativa
1896 Henri Becquerel descobre a radioatividade
1897 Joseph John Thomson descobre o elétron
CEDERJ 23
26. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: de Lavoisier até os dias atuais
Você certamente não entendeu o significado de muitos termos que
apareceram na tabela anterior. Não se preocupe, pois a idéia aqui é apenas
ilustrar a nossa discussão com eventos importantes na área da Química do
século XIX. Você pode consultar alguns sites especializados em história
da Química para obter mais informações sobre estes eventos. Podemos
citar, por exemplo, o seguinte endereço: http://www.sobresites.com/
ciencia/historiadaciencia.html; além de outros que estão listados ao
final desta aula.
Apesar de parecer longa, a tabela apresentada está longe de ser
completa. Ela ilustra apenas a evolução extraordinária da Química
no século XIX e aponta claramente para a descoberta das partículas
subatômicas, formadoras dos átomos.
O vencedor do primeiro Nobel em Química foi Jacobus van’t Hoff (1852-1911),
que recebeu esse prêmio em 1901 pelas suas pesquisas em dinâmica química
e pelos estudos de pressão osmótica em soluções. Este assunto é de extrema
importância em ciências biológicas e você vai aprender mais sobre ele no estudo
das propriedades coligativas de soluções.
A QUÍMICA DO SÉCULO XX E DOS DIAS ATUAIS
Ao final do século XIX, o desenvolvimento da Química era
tão amplo que já existiam “divisões” dela em áreas de conhecimento
específico. A Química Inorgânica, Orgânica, Analítica e Físico-Química
estavam estruturadas. A Química dos sistemas biológicos, devido à sua
grande complexidade, ainda não tinha tido um desenvolvimento tão
acentuado, mas este quadro se modificaria rapidamente no século XX,
quando ganhou impulso extraordinário graças aos sofisticadíssimos
equipamentos que começaram a surgir.
Os avanços na Espectroscopia e o domínio das leis da eletricidade e
do magnetismo permitiram descobrir e caracterizar partículas subatômicas.
A determinação da relação entre a carga e a massa de partículas
carregadas eletricamente levou à construção dos espectrômetros de
massa. A espectroscopia de amostras na presença de campos magnéticos
levou à construção dos aparelhos de ressonância magnética nuclear; hoje,
versões destes aparelhos são amplamente utilizadas na medicina.
24 CEDERJ
27. 2
AULA
Figura 2.4: Aparelhos de ressonância magnética são hoje amplamente utilizados na
área médica para diagnóstico.
A descoberta das partículas subatômicas levou à formulação
de novos modelos atômicos, dos quais destacamos os de Niels Bohr
(1871-1937) e de Erwin Schrödinger (1887-1961). Estes modelos serão
discutidos com detalhes nas próximas aulas.
Os modelos criados para explicar as ligações entre os átomos
evoluíram a tal ponto que levaram a estabelecer um novo ramo: a
Química Teórica. O notável desenvolvimento da eletrônica, levando-nos
aos microcomputadores e equipamentos extremamente sofisticados,
tornou possível controlar experiências em nível molecular e realizar Figura 2.5: Niels Bohr.
cálculos químicos que permitem prever as propriedades de moléculas
tão grandes quanto polipeptídeos, carboidratos e polímeros.
Novamente, um pequeno panorama cronológico pode ser traçado
para facilitar a visualização da evolução da Química no século XX. Ele
está apresentado na Tabela 2.2 a seguir.
Tabela 2.2: Alguns eventos importantes na área da Química no século XX
Ano Evento
Mikhail Tsvet inventou o papel cromatográfico como meio de
1901
separação de pigmentos
1909 Sören Sörensen inventou a escala de pH
1911 Niels Bohr propôs o seu modelo atômico
Figura 2.6: Erwin Schrödinger.
CEDERJ 25
28. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: de Lavoisier até os dias atuais
Max Von Laue mostrou que os cristais eram compostos por camadas
1912
regulares e repetidas de átomos, através da difração de raios X
Henry Moseley elaborou a tabela periódica baseada no número
1914
atômico, que ele igualou à carga positiva do núcleo de um átomo
Gilbert Lewis explicou a ligação covalente como sendo uma
1916
distribuição dos elétrons
Erwin Schrödinger estabeleceu o modelo dos orbitais para o átomo de
1925
hidrogênio
Heitler e London descrevem a formação da molécula de hidrogênio à
1927
luz da mecânica quântica
Arne Tiselius inventou a eletroforese, que separa partículas em
1930
suspensão em um campo elétrico
1932 Harold Urey descobriu o deutério, um isótopo do hidrogênio
Edwin McMilan e Philip Abelson sintetizaram o primeiro elemento
1940 transurânico (de número atômico maior do que o urânio), o neptúnio,
bombardeando urânio com nêutrons
Derek Barton deduziu que as propriedades de compostos orgânicos
1950
são afetadas pela orientação dos seus grupos funcionais
Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson e Maurice Wilkins
1953 determinaram a estrutura de dupla-hélice do DNA (ácido
desoxirribonucléico) por difração de raios X
Neil Bartlett preparou o primeiro composto de um gás nobre, o
1962
hexafluoroplatinato de xenônio
Roald Hoffmann e Kenichi Fukui aplicaram a mecânica quântica para
1981
prever o caminho de reações químicas
Harold Kroto e David Walton descobriram os fulerenos, uma nova
1985 família de sólidos constituídos por coberturas fechadas de átomos de
carbono
Químicos norte-americanos da Universidade da Califórnia sintetizaram
1993
a rapamicina, testada como agente anticanceroso
!
A observação feita após a Tabela 2.1 vale também para as informações contidas nesta
tabela: você não precisa se preocupar em entender o significado de todos os termos
que aparecem; muitos deles são altamente especializados e sua interpretação foge aos
objetivos do nosso curso.
É notável que a Química do final do século XX e dos dias atuais
esteja voltada para as aplicações em sistemas biológicos. Você mesmo
pode concluir este fato olhando a seqüência de eventos mostrada na
Tabela 2.2. A moderna tecnologia permite não só sintetizar e analisar
moléculas muito complexas (como os fármacos mais diversos), mas
também modelar computacionalmente os efeitos destas moléculas
nos seres vivos. Parece não existirem mais fronteiras na Química e as
perspectivas futuras são ilimitadas.
26 CEDERJ
29. ATIVIDADE
2
AULA
2. A diversidade de conhecimento químico atual e a interdisciplinaridade
geraram uma série de subdivisões na área de Química. Descubra do que
tratam as seguintes subáreas da Química e descreva, de forma sucinta,
suas aplicações:
a) Bioeletroquímica
b) Química Marinha
c) Química Forense
d) Geoquímica
e) Petroquímica
RESPOSTA COMENTADA
Você encontrará facilmente o significado destas importantes áreas
de conhecimento, nas quais a Química e outras ciências têm uma
importante interface. A Bioeletroquímica se ocupa do estudo dos
princípios e aplicações da Eletroquímica nos processos biológicos. A
Química Marinha está voltada para a análise de materiais encontrados
no mar; tem um forte componente voltado ao meio ambiente. A Química
Forense está ligada às análises químicas e determinações de substâncias
em locais onde ocorreram fatos que podem estar relacionados a delitos.
Ambas são ramos da Química analítica. Finalmente, a Geoquímica e
a Petroquímica fazem a interface da química com as geociências. Na
Geoquímica, estuda-se a composição química e processos químicos
que ocorrem no globo terrestre; um ramo especial desta ciência é a
química do petróleo (Petroquímica).
CONCLUSÃO
Numerosos produtos que consumimos no nosso dia-a-dia são
produzidos em decorrência de décadas de pesquisa e desenvolvimento,
visando a sua obtenção. A Química atual conjuga experiência prática,
avançados métodos de síntese e análise química e teorias sofisticadas
que permitem desenhar fármacos, corantes e catalisadores antes mesmo
de serem produzidos. Esses métodos tiveram sua origem nos esforços
de outros grandes cientistas que, conhecendo o passado, avançaram em
seu tempo, abrindo o caminho para a imensa tecnologia que dispomos
nos dias atuais.
CEDERJ 27
30. Elementos de Química Geral | Evolução da Química: de Lavoisier até os dias atuais
RESUMO
Uma seqüência de eventos importantes, das experiências rigorosamente
quantitativas de Lavoisier até a formulação de modelos matemáticos extremamente
sofisticados para a compreensão da estrutura da matéria, levou a Química ao
status de ciência e trouxe grande desenvolvimento a esta área do conhecimento
humano. A descoberta de muitos equipamentos permitiu estabelecer vários ramos
da ciência química, com desenvolvimento particularmente notável na química de
sistemas biológicos.
INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA
Na próxima aula, você vai aprender os conceitos de matéria, propriedades e
transformações. Eles são essenciais para definir a Química como ciência.
28 CEDERJ
31. 3
AULA
Propriedades gerais
da matéria
Metas da aula
Meta
Caracterizar elementos, substâncias simples e compostas e misturas.
Descrever os estados físicos da matéria.
Descrever as unidades fundamentais do Sistema
Internacional e aplicá-las na determinação de propriedades
fundamentais da matéria.
objetivos
Esperamos que, ao final desta aula, você
seja capaz de:
• Caracterizar substâncias simples,
compostas e misturas.
• Identificar elementos comuns na tabela
periódica.
• Avaliar propriedades e transformações,
distinguindo se são de natureza física ou
química.
• Determinar unidades de grandezas
físicas com base nas unidades
fundamentais do Sistema Internacional
de Unidades (SI).
Pré-requisitos
É importante você rever os modelos de constituição
da matéria descritos nas Aulas 1 e 2. Isso vai ajudar
a compreender os conceitos expostos na primeira
parte desta aula.
32. Elementos de Química Geral | Propriedades gerais da matéria
INTRODUÇÃO Você já aprendeu que a Química é a ciência que trata das propriedades e das
transformações da matéria. Agora, vamos especificar algumas propriedades
fundamentais da matéria e os tipos de transformações que vamos abordar
ao longo de nosso curso. Você vai aprender a distinguir os estados físicos
da matéria pelas suas características mais fundamentais. Vamos também
introduzir nesta aula conceitos importantes que permitem distinguir as
substâncias puras das misturas, e caracterizar as propriedades destas. Você
vai conhecer também as unidades utilizadas na determinação das propriedades
fundamentais da matéria. Através delas, as unidades de qualquer propriedade
podem ser obtidas.
TIPOS E COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA
Definição de matéria
O mundo físico em que vivemos é formado por matéria, dos mais
diversos tipos. Observe a Figura 3.1. Nela estão representados um ser
vivo, um pequeno objeto contendo um líquido puro e um grande corpo
celeste. Estes corpos, animados e inanimados, são formados por matéria.
Matéria é tudo que contém massa e ocupa lugar no espaço. As folhas da
aula que você está lendo, o seu corpo, a água que você bebe e o ar que
você respira são exemplos de matéria.
MASSA
Massa é uma
medida do quão
difícil é começar o
movimento de um
corpo ou mudar
a sua velocidade. Figura 3.1: O peixe, o copo com água e o planeta Saturno são formados por matéria.
Esta definição de
massa é puramente
operacional e vem
das leis de Newton, A MASSA é, para um dado corpo, constante e independente do local
que você aprendeu da
Física elementar. A onde o corpo se encontra. Você deve distinguir claramente a massa de
massa é propriedade um corpo de seu peso. O peso de um corpo é uma medida da força de
intrínseca da matéria
e não pode ser atração da gravidade sobre ele e depende do valor da força gravitacional.
definida senão pelos
efeitos que causa em Um mesmo objeto na Terra e na Lua tem pesos diferentes, embora sua
outros corpos.
massa seja a mesma.
30 CEDERJ
33. !
3
O valor do peso P de um corpo de massa m é dado por
AULA
P = mg
Em que g é a aceleração provocada pelo campo gravitacional. Na Terra,
g = 9,8 m/s2 ao nível do mar e a 45° de latitude. O valor de g muda em relação
à altura e à latitude.
Composição e tipos de matéria
As inúmeras evidências experimentais mostram que a matéria
é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos.
Embora a variedade de espécies de matéria seja extraordinária, existem
apenas pouco mais de cerca de cem tipos distintos de átomos.
!
Atente agora para as seguintes definições:
Um elemento químico é uma substância que não pode ser decomposta em
substâncias mais simples por processos físicos ou químicos comuns.
Um átomo é a menor unidade de um elemento que detém suas propriedades.
Uma molécula é uma unidade química que contém dois ou mais átomos unidos
por ligações químicas.
Átomos ou moléculas formadas pelo mesmo elemento são subs-
tâncias simples ou elementares. Substâncias formadas por moléculas
que contêm átomos diferentes são denominadas substâncias compostas
ou compostos.
O oxigênio (O2), por exemplo, é uma substância simples, formada
por moléculas que só contêm átomos do elemento oxigênio (O). Cada
molécula de oxigênio é formada por dois átomos de oxigênio. Já a água
(H2O) é um composto. Cada molécula de água contém dois átomos do
elemento hidrogênio (H) e um átomo do elemento oxigênio (O).
A observação de que a composição elementar de um composto é
sempre a mesma corresponde à lei das proporções definidas, formulada
por Proust por volta de 1800. Já vimos esta lei na aula anterior, está
lembrado?
Os compostos podem ser decompostos em substâncias elementares
que o formam. A água pode ser decomposta (por meio da eletrólise), por
exemplo, em hidrogênio e oxigênio.
CEDERJ 31
34. Elementos de Química Geral | Propriedades gerais da matéria
As substâncias (simples ou compostas) podem ser puras ou estar
misturadas com outras substâncias. Uma substância pura é formada
por átomos ou moléculas de uma só espécie. As misturas são formadas
por substâncias de natureza diferente. Se a composição e a aparência
da mistura for a mesma em toda a sua extensão, então temos uma
mistura homogênea ou solução. Caso contrário, temos uma mistura
heterogênea.
Ao adicionarmos sal de cozinha à água, por exemplo, verificamos
que a mistura formada é homogênea em sua constituição e propriedades:
trata-se de uma solução. Já o sal de cozinha adicionado à areia do mar não
forma uma solução. Percebemos claramente os grãos de areia e os cristais
brancos do sal. Esta mistura é heterogênea.
ATIVIDADE
1. Em uma bancada de laboratório estão quatro frascos contendo materiais
distintos:
Frasco 1 2 3 4
Azeite e
Conteúdo Etanol Água e açúcar
água
Iodo
Identifique o frasco que corresponde a uma:
A) substância elementar pura
B) composto puro
C) mistura homogênea ou solução
D) mistura heterogênea
RESPOSTA COMENTADA
Você deve ter em mente as definições dadas no tópico que prece-
de esta atividade para bem desenvolvê-la. Lembre-se de que uma
substância pura é formada por átomos ou moléculas de uma só
espécie química; ela é elementar se só existe um elemento em sua
constituição, e composta se é formada por mais de um elemento
diferente. As misturas contêm mais de uma espécie química. São
homogêneas se têm aspecto e composição uniforme; caso contrário,
são heterogêneas. Assim, o conteúdo do frasco I é o de uma subs-
tância pura cujas moléculas são formadas por átomos de carbono,
hidrogênio e oxigênio; trata-se de um composto puro (B). O frasco
II contém uma mistura de dois compostos: a água (formada por
átomos de hidrogênio e oxigênio) e a sacarose (formada por áto-
mos de carbono, hidrogênio e oxigênio); como o açúcar é solúvel
32 CEDERJ
35. 3
em água, o frasco II contém uma mistura homogênea ou solução (C).
AULA
O azeite e a água também formam uma mistura de dois compostos.
Entretanto, o azeite não se dissolve na água; temos, então, uma mistura
heterogênea no frasco III (D). Finalmente, o conteúdo do frasco IV é
o de uma substância pura formada por átomos do mesmo elemento
químico. Trata-se de uma substância elementar pura.
Representação dos elementos químicos
Um elemento é representado pelo seu símbolo. Normalmente, o
símbolo dado a um elemento é formado pela primeira letra de seu nome.
O símbolo do hidrogênio, por exemplo, é H, o do carbono é C e o do
oxigênio é O. Quando mais de um elemento tiver seu nome começando
pela mesma letra, as duas primeiras letras do nome serão usadas para
representá-lo. Os símbolos do cálcio e do cromo, que começam com a
mesma letra, são Ca e Cr, respectivamente.
Em muitos casos, parece que as regras acima não são cumpridas.
Isso ocorre porque muitos nomes de elementos vêm do latim. O símbo-
lo do sódio, por exemplo, é Na, que vem de natrium. Dessa forma, o
melhor é memorizar os símbolos dos elementos que aparecem com mais
freqüência. Alguns deles estão listados na Tabela 3.1 a seguir:
Tabela 3.1: Símbolos de alguns elementos comuns
Elemento Símbolo Elemento Símbolo
Nitrogênio N Alumínio Al
Flúor F Cobalto Co
Fósforo P Cobre Cu
Enxofre S Ferro Fe
Potássio K Sódio Na
Iodo I Zinco Zn
A lista dos elementos conhecidos, com seus símbolos e outras
importantes características, está contida na Tabela Periódica dos
Elementos, que você encontra no final deste livro. O estudo dessa tabela
faz parte do conteúdo da Aula 5.
CEDERJ 33
36. Elementos de Química Geral | Propriedades gerais da matéria
ATIVIDADE
2. Observe a tabela periódica. Localize nesta tabela o quadro correspondente
ao elemento oxigênio e copie as informações contidas nele. Na Aula 5,
você compreenderá a organização de cada quadro da tabela.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
RESPOSTA COMENTADA
Embora esta tarefa seja muito simples, é importante que você
observe os detalhes de cada quadro da Tabela Periódica. Ele
apresenta o símbolo químico e nome do elemento considerado,
além de um número acima (o número atômico) e um número abaixo
(a massa atômica) no mesmo quadro. Na Aula 6, estudaremos
detalhadamente a estrutura desta tabela.
ESTADOS DA MATÉRIA
Toda matéria pode existir em três estados, sólido, líquido e gasoso.
Estes três estados diferem na:
• distância entre as partículas que formam a substância
• intensidade das forças de atração entre as partículas
• intensidade e tipo de movimento de suas partículas
Em um sólido, as forças de atração entre as partículas são relativa-
mente fortes. As partículas se empacotam próximas umas das outras em
um arranjo estrutural rígido. Isso dá forma e volume definidos ao sólido,
como você pode visualizar no cubo de gelo mostrado na Figura 3.2.
Figura 3.2: Os cristais hexagonais do gelo têm uma arrumação regular e definida,
que dão forma e volume definidos ao gelo.
34 CEDERJ
37. Existem dois tipos de sólidos, em função da diferença no arranjo das
3
partículas que eles contêm. Nos sólidos amorfos, as partículas estão presas
AULA
em um padrão orientado ao acaso. Nos sólidos cristalinos, as partículas
formam estruturas tridimensionais com padrão ordenado e regular. Nestas
estruturas, as partículas vibram em torno de suas posições de equilíbrio na
rede cristalina. Quando a temperatura é baixa, as vibrações são pequenas.
O aumento da temperatura faz aumentar a amplitude dessas vibrações até
que, no ponto de fusão do sólido, a rede cristalina se rompe.
!
Como exemplos de sólidos amorfos temos o vidro e os plásticos. Os metais são
sólidos cristalinos, assim como o gelo, o açúcar (sacarose) e o sal de cozinha
(cloreto de sódio). A rede cristalina do NaCl, por exemplo, tem o aspecto ilus-
trado na Figura 3.3. Nela as esferas pequenas são átomos de Na,e as maiores,
de Cl. Você pode observar o rigoroso ordenamento dos átomos na rede.
Figura 3.3: O NaCl é um exemplo de sólido cristalino; nele, os átomos têm um
ordenamento rigorosamente definido.
Em um líquido, as partículas não estão presas tão firmemente quanto
em um sólido. Embora próximas umas das outras, podem mover-se de um
lugar para outro, deslizando umas sobre as outras. Por isso, um líquido
pode escoar de um lugar para o outro e tomar a forma do recipiente que
o contém, mantendo, entretanto, o seu volume.
Figura 3.4: Um líquido escoa e toma a forma do recipiente que o contém.
CEDERJ 35
38. Elementos de Química Geral | Propriedades gerais da matéria
Em uma dada temperatura, as moléculas da superfície de um líquido
(ou próximas a ela) podem escapar, pois não estão presas às outras moléculas
com a mesma intensidade que no interior da massa líquida. Se não colidirem
com as moléculas do ar, elas não mais voltarão ao líquido. Este processo é
denominado evaporação do líquido.
O aumento da temperatura favorece a agitação das moléculas do
líquido, enfraquecendo as forças de atração até que, no ponto de ebulição
do líquido, as moléculas escapam completamente: o líquido se transforma
em gás.
Figura 3.5: Em um gás, as moléculas estão muito separadas umas das outras.
No gás, as partículas estão muito afastadas e viajam a grande
velocidade. O gás não tem forma nem volume definidos; ele enche com-
pletamente o recipiente que o contém. Ao se movimentarem através do
recipiente que o armazena, as moléculas do gás colidem com as suas
paredes. O efeito destas colisões é expresso pela pressão do gás dentro
do recipiente. Quanto maior o número de colisões com as paredes, maior
é a pressão do gás.
!
Lembre-se da Aula 1: pela lei de Boyle, a pressão de um gás é inversamente
proporcional ao volume do recipiente que o contém, se a temperatura for
constante. Um cilindro de oxigênio, por exemplo, contém o gás a alta pressão;
se abrirmos a válvula do cilindro para a atmosfera, o gás escapa e vai ocupar um
volume muito maior, pois a pressão a que ele estará submetido é bem menor.
PROPRIEDADES E TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA
Toda substância tem um conjunto único de propriedades que a
distinguem das demais. A título de ilustração, algumas propriedades do
hidrogênio, do oxigênio e da água foram listadas na Tabela 3.2.
36 CEDERJ
39. Tabela 3.2: Algumas propriedades da água, do hidrogênio e do oxigênio à
3
temperatura ambiente
AULA
Substância Água Hidrogênio Oxigênio
Estado Líquido Gasoso Gasoso
Densidade (g/mL) 1,00 0,84 x 10 -3
1,33 x 10-3
Ponto de fusão (°C) 100 -253 - 183
Inflamável? Não Sim Não
As propriedades podem ser agrupadas em duas categorias:
• propriedades físicas – são medidas sem alterar a identidade e a
composição da substância. Exemplos de propriedades físicas são a cor,
o cheiro, a dureza, o ponto de fusão e o ponto de ebulição.
• propriedades químicas – descrevem como a substância pode se
alterar, ou reagir para formar outras substâncias. A capacidade que uma
substância tem de queimar em presença de oxigênio (ou de reagir com
ácidos e bases) é um exemplo de propriedade química.
Assim como as propriedades de uma substância, as transformações
que ela sofre são classificadas em:
• transformações físicas – são aquelas cuja substância muda a
sua aparência física, mas não muda a sua composição. A fusão e a
ebulição são exemplos de transformações físicas, nas quais a substância
muda de estado físico, mas continua com sua composição e identidade
inalteradas.
• transformações químicas – são aquelas cuja substância é trans-
formada em outra(s) substância(s) quimicamente diferente(s) dela. São
também chamadas reações químicas.
UNIDADES DE MEDIDA
Unidades fundamentais de medida
Muitas propriedades da matéria são quantitativas, ou seja, estão
associadas a números. Quando um número está associado a uma grandeza
medida, as unidades deste número sempre devem ser especificadas.
!
Se você medir a distância entre dois pontos, por exemplo, e não especificar
a unidade, não saberemos se esta distância é em metros, centímetros ou
quilômetros.
CEDERJ 37
40. Elementos de Química Geral | Propriedades gerais da matéria
As unidades usadas em medições científicas são derivadas do
sistema métrico, desenvolvido na França ao final do século XVIII. Em
1960, um acordo foi obtido para especificar um conjunto particular de
unidades métricas para uso em medições científicas. Estas unidades são
as do Sistema Internacional de Unidades (SI). O SI tem sete unidades
básicas, a partir das quais todas as demais são derivadas. Estas unidades
estão listadas na Tabela 3.3 a seguir:
Tabela 3.3: Unidades fundamentais do Sistema Internacional de Unidades (SI)
Grandeza Física Nome da Unidade Símbolo
Massa Quilograma Kg
Comprimento Metro M
Tempo Segundo S
Corrente elétrica Ampère A
Temperatura Kelvin K
Intensidade da luz Candela cd
Quantidade de
Mol mol
substância
Muitas vezes é conveniente usar prefixos para indicar frações
decimais ou múltiplos das várias unidades. O prefixo centi, por exemplo,
representa 10-2 (o centésimo) de uma unidade. A Tabela 3.4 apresenta
os prefixos mais utilizados em Química.
!
Lembre-se de que a notação exponencial é utilizada para não carregarmos
uma quantidade exagerada de zeros. Assim, 10n (n positivo) indica que
temos n zeros após o número 1. Já 10-n indica que temos n zeros antes do
número 1, sendo o primeiro deles seguido de vírgula. Por exemplo, 103 = 1000
e 10-3 = 0,001.
38 CEDERJ
41. Tabela 3.4: Prefixos mais utilizados no sistema métrico
3
AULA
Prefixo Símbolo Significado
giga G 109
mega M 106
quilo K 103
deci D 10-1
centi C 10-2
mili M 10-3
micro µ 10-6
nano n 10-9
pico p 10-12
femto f 10-15
A unidade SI de comprimento é o metro. Grandes distâncias
são medidas em quilômetros, e pequenas distâncias em submúltiplos
do metro (centímetros, milímetros ou micrômetros). A unidade SI para
massa é o quilograma. Seus submúltiplos são o grama (1 g = 10-3 kg),
a centigrama (1 cg = 10-2 g = 10-5 kg), o miligrama (1 mg = 10-3 g =
10-6 kg) e o micrograma (1 mg = 10-6 g = 10-9 kg).
!
Observe que a escolha do quilograma como unidade de massa não é usual,
pois esta unidade é um múltiplo do grama. Em muitas situações práticas, o
grama é usado ao invés do quilograma.
A chamada quantidade de substância é dada pelo número de
moles (ou móis) da substância presente. O mol é a quantidade de
substância que contém 6,02×1023 partículas (átomos ou moléculas).
Este número é chamado de número de Avogrado. Assim, 16 gramas de
oxigênio molecular e 98 g de ácido sulfúrico correspondem à mesma
quantidade (ambos têm 1 mol de cada substância), embora suas massas
sejam diferentes. Você vai aprender tudo sobre a relação entre massa e
quantidade de substância nas aulas de Estequiometria.
CEDERJ 39
42. Elementos de Química Geral | Propriedades gerais da matéria
ATIVIDADE
3.
a) O diâmetro de um glóbulo branco do sangue mede cerca de 42 µm.
Exprima este valor em m e em nm.
b) Um médico prescreve uma dose de 0,1 g de um medicamento. Quantos
tabletes contendo 25 mg do medicamento são necessários para satisfazer
à prescrição?
RESPOSTA COMENTADA
a) Você precisa estar atento às transformações de unidades e ao
trabalho com as potências de 10 (notação exponencial).
Sabendo que 1 µm = 10-6 m, então 42 µm são 42×10-6 m ou
4,2×10-5 m. Sendo 1 nm = 10-9 m, então vale a seguinte relação
entre µm e nm: 1 m = 106 µm = 109 nm. Dividindo os dois últimos
membros por 106, vemos que 1 µm = 103 nm. Assim, 42 µm são
42×103 nm = 4,2×104 nm.
b) Este exercício segue o mesmo padrão do exercício anterior, logo
a recomendação para a sua execução é a mesma.
Sabemos que 1 g = 103 mg. Então, 0,1 g = 102 mg = 100 mg.
Cada comprimido tem 25 mg. Logo, precisamos de 100/25 = 4
comprimidos para ter a dosagem requerida.
Unidades derivadas das unidades fundamentais
As unidades de base do SI permitem que se obtenha a unidade
de qualquer outra grandeza, basta que saibamos exprimir a grandeza
desejada em termos de grandezas fundamentais. A unidade da grandeza
desejada será uma combinação de unidades fundamentais, posto que
deriva destas.
VOLUME Para se obter a unidade SI de uma grandeza qualquer a partir das
O volume (V) de um unidades fundamentais, procedemos da seguinte forma:
corpo define o lugar
ocupado pelo corpo • Etapa 1 - Exprime-se a grandeza desejada em termos das
no espaço tridimen-
sional. grandezas fundamentais do SI por uma relação matemática.
• Etapa 2 - A unidade da grandeza desejada é obtida pela
MASSA ESPECÍFICA combinação de unidades das grandezas fundamentais que guarda a
A massa específica (ρ), mesma relação matemática obtida na primeira etapa.
ou densidade de um
corpo, é a razão entre
Vamos aplicar estas etapas na determinação da unidade SI de
a massa (m) do corpo e duas grandezas importantes em química: o VOLUME ea MASSA ESPECÍFICA
seu volume (V).
de um corpo.
40 CEDERJ
43. Como os corpos podem ter as mais diversas formas, vamos con-
3
siderar um cubo de aresta L. O volume deste corpo é dado por
AULA
V = L3
Esta é a relação matemática entre a grandeza desejada (volume) e
as grandezas fundamentais do SI (no caso, o comprimento). A unidade da
grandeza desejada guarda com as unidades fundamentais a mesma relação
matemática dada pela equação anterior. Assim, sendo o metro a unidade
SI de comprimento, a unidade SI de volume é o metro cúbico (m3).
!
Em laboratório, é comum usarmos submúltiplos de unidade: o decímetro
cúbico (1 dm3 = 10-3 m3) e o centímetro cúbico (1 cm3 = 10-6 m3). Estas duas
últimas se relacionam ao litro (L), uma unidade muito usada, mas que não
pertence ao SI. As relações são
1 dm3 = 1 L
1 cm3 = 1 mL
Logo, 1 L = 1 dm3 = 1000 mL = 1000 cm3
A massa específica se define pela relação
ρ= m = m
V L3
Então, lembrando as unidades de massa e de comprimento no SI,
a unidade SI de massa específica é o kg/m3.
!
É mais comum exprimir a densidade em gramas por mililitro (g/mL ou g mL-1)
para sólidos e líquidos, e gramas por litro g/L ou g L-1 para gases. A relação
entre estas unidades e as unidades SI pode ser obtida como se segue:
1g/mL = 10-3 kg/10-3 L = 10-3 kg/10-6 m3 = 103 kg/m3
1 g/L = 10-3 kg/10-3 m3 = 1 kg/m3
CEDERJ 41
44. Elementos de Química Geral | Propriedades gerais da matéria
ATIVIDADES FINAIS
a) Identifique se as transformações a seguir são físicas ou químicas, marcando a
coluna correta:
Transformação Física Química
(A) Dissolução do açúcar na água
(B) Solidificação do ferro numa siderurgia
(C) Corrosão do ferro pela água do mar
(D) Queima da glicose em uma célula viva
b) Obtenha a unidade SI das grandezas a seguir, a partir de sua definição:
1) velocidade (razão entre a distância percorrida por um corpo e o tempo que o
corpo leva para percorrê-la).
2) aceleração (variação da velocidade de um corpo com o tempo)
3) força (produto da massa de um corpo pela aceleração a ele imposta)
4) pressão (razão entre a força exercida em um corpo e sua área)
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__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
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c) O que pesa mais, um quilo de papel ou um quilo de chumbo? E quem tem maior
densidade? Justifique suas respostas.
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__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
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45. RESPOSTAS COMENTADAS
3
a) Lembre-se dos conceitos mencionados no tópico PROPRIEDADES E
AULA
TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA. Uma transformação física mantém
a identidade da substância, enquanto uma transformação química
altera a substância, transformando-a em outras. Assim, (A) e (B) são
transformações físicas, enquanto (C) e (D) são químicas. A corrosão
leva o ferro à ferrugem (óxido de ferro), e a queima da glicose produz
gás carbônico e água.
b) Reveja as duas regrinhas estabelecidas no subtópico Unidades
derivadas das unidades fundamentais. Você precisa inicialmente
estabelecer a expressão da grandeza desejada em termos de grandezas
fundamentais do SI. A unidade da grandeza desejada é obtida pela
mesma relação entre ela e as grandezas fundamentais. Vamos analisar
os quatro casos propostos.
b.1) A velocidade (v) de um corpo é a razão entre a distância (L)
percorrida pelo corpo e o tempo (t) necessário para percorrer esta
distância. A expressão matemática definidora da velocidade é,
então, v = L . A unidade de velocidade no SI será dada pela razão
t
entre as unidades de distância e de tempo. Então, teremos
unidade de distância (SI) m
unidade de velocidade (SI) = = = ms-1
unidade de tempo (SI) s
b.2) A aceleração (a) é a razão entre a velocidade do corpo e o tempo
necessário para alterar sua velocidade. A expressão matemática defini-
v
dora da aceleração é a = . Por sua vez, a velocidade é definida em
t
termos de grandezas fundamentais, como no item (1). A aceleração,
expressa em termos das grandezas fundamentais do SI, é dada por
v
a=
t
= L2 . A unidade SI da aceleração será dada por
t
unidade de distância (SI) m
unidade de aceleração (SI) = = = ms-2
(unidade de tempo (SI))2 s2
b.3) A força (F) é definida como o produto da massa (m) de um corpo
v L
por sua aceleração (a): F = ma = m = m 2 . A última igualdade
t t
exprime a força em termos das grandezas fundamentais do SI. A
unidade SI de força será dada então por
unidade de distância (SI) m
unidade de força (SI) = unidade de massa (SI) x = kg = kg ms-2
(unidade de tempo (SI))2 s2
Esta unidade recebe o nome de newton, (N). Assim, 1 N = 1 kg m s-2.
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