A Química é o estudo das propriedades, da composição e da estrutura da matéria, das alterações que ocorrem na matéria e da energia liberada ou absorvida durante estas modificações.

A Química, como todas as ciências naturais, tem caráter experimental.

Matéria é alguma coisa que ocupa espaço, que tem massa inércia.

A matéria pode ser descrita por um conjunto de propriedades (intensivas e extensivas – dependentes ou não da massa).

O conhecimento das propriedades da matéria é pré-requisito na identificação de um dado material e na previsão do seu comportamento em determinadas condições.

UNIDADE I - PROPRIEDADES DA MATÉRIA

CLASSIFICAÇÃO DA MATÉRIA

Substâncias Puras e Misturas.Substância Pura tem composição uniforme para qualquer quantidade de matéria, as propriedades intensivas são as mesmas (p.ex.: índice de refração, ponto de fusão, T, P, calor específico, etc.).Misturas não satisfazem os requisitos de substância pura.

Matéria

Substância Mistura

Elemento Composto Mistura Heterogênea

Mistura Homogênea (solução)

CobreOxigênio, O2

Benzeno, C6H

6

Água, H2O

GranitoSangue

ArSalmoura

Amostra de sangue (por microscopia eletrônica) mistura heterogênea.

ARRANJOS ESTRUTURAIS DA MATÉRIA

Diferenças em propriedades podem estar relacionadas à diferenças estruturais (arranjos em 3D).

P.ex.: grafita, diamante e fulereno são os três arranjos estruturais conhecidos para o carbono 3 formas alotrópicas (alotropia, da palavra grega allotropia = variedade).

Diferentes formas cristalinas diferentes propriedades.

Cor cinza, opaca, muito macia, ótimo condutor de eletricidade.Lubrificante sólido bastante útil.d = 2,3 g/mLRede cristalina bidimensional composta de camadas de vários hexágonos regulares de átomos de carbono.

GRAFITA

Incolor, transparente, extremamente duro, não condutor de eletricidade.d = 3,5 g/mLRede cristalina tridimensional, onde cada átomo de carbono liga-se covalentemente a 4 outros átomos de C, arranjados em tetraedros regulares.

DIAMANTE

Quimberlita

Grafita, hibridização sp2

Diamante, hibridização sp3

ESTRUTURA POR LIGAÇÕES QUÍMICAS

Ligações covalentes – compartilhamento eletrônico.

FULERENO

Descoberto por acidente, em 1985, por Robert E. Curl, Richard E. Smalley e Harold W. Kroto - prêmios Nobel da química de 1996. É uma estrutura oca, em forma de bola de futebol, onde o fulereno C60 tem 60 átomos de carbono ligados entre si, formando 20 anéis de 6 membros (hexágonos) e 12 anéis de 5 membros (pentágonos).O fulereno pode ser encontrado na atmosfera de algumas estrelas e numa rocha chamada shungita.

OBTENÇÃO LABORATORIAL DO FULERENO

Grafita, l C-C = 1,42 Å

Diamante, l C-C = 1,54 Å

Fulereno

ESTADOS DE AGREGAÇÃO DA MATÉRIA

Retém a sua forma característica.

Há alguma energia cinética, relacionada ao movimento rotacional de partículas, evidenciada pela sublimação de alguns sólidos (iodo, cânfora, naftaleno, etc).

Podem ser divididos em dois grandes grupos: sólidos cristalinos (cloreto de sódio, iodo, diamante) e sólidos amorfos (vidro, resinas, fibras).

SÓLIDO

SÓLIDOS CRISTALINOS

Apresentam estrutura cristalina ordenada.

Dividem-se em: Sólidos iônicos (Nacl, KBr, etc); Sólidos reticulares ou covalentes (grafita,

diamante, etc.); Sólidos moleculares (iodo, cânfora) e Sólidos metálicos (Fe, cu, Na, etc.).

SÓLIDOS IÔNICOS

Na+Cl- Formado por ligações iônicas (de natureza eletrostática, forte).No estado sólido não conduz corrente elétrica, porém dissolvido em água ou fundido, sim.Ponto de fusão elevado. Duro e quebradiço.

Cl

Na Cl

Na

Cl

Na

Na Cl NaCl

Na

Na Cl

Cl Na

Cl

Na

Na

Cl

ClNaCl

SÓLIDOS RETICULARES OU COVALENTES

Formam uma rede contínua de átomos unidos por ligação covalente (direcionada).

P. ex.: grafita e diamante – formas alotrópicas do carbono, Si e Ge (exibem a mesma estrutura tetraédrica tridimensional do diamante).

Alguns minerais são constituídos de unidades íon silicato (SiO4

-4), que tem geometria tetraédrica. P. ex.: zircona (ZrSiO4), olivina (Mg2SiO4).

Grafita: estrutura bidimensional em folhas, cujo espaçamento entre elas (3,35 Å) é substancialmente maior que a distância interatômica (1,42 Å).Estas folhas são mantidas unidas por forças fracas de London, permitindo que elas deslizem umas sobre as outras, explicando o caráter lubrificante da grafita.

Diamante: estrutura tridimensional, cuja distância interatômica é de 1,54 Å.

A. Unidade tetraédrica do íon silicato, SiO4

-4: átomo de Si no centro e átomos de oxigênio em torno.B. Íon dissilicato, Si2O7

-6: duas unidades tetraédricas ligadas pelo vértice (átomo de oxigênio).C. Arranjo cíclico de 6 unidades tetraédricas ligadas por átomos de oxigênio (vértice), p. ex.: mineral berila, Be3Al2(Si6O18).D. Silicato linear, p. ex.: mineral piroxeno, (Si2O6

-4)n.

SÓLIDOS MOLECULARES

Constituídos por moléculas unidas por forças de London, conduzindo a um arranjo tridimensional regular.Forças de London são de natureza muito mais fraca que ligações iônicas e covalentes, conseqüentemente sólidos moleculares são bastante moles, têm pontos de fusão relativamente baixos e pressão de vapor relativamente alta (sublimam).

P. ex.: cristal de iodo, I2, I I

SÓLIDOS METÁLICOS

Formados por uma rede contínua de átomos unidos por ligação metálica (não direcionada). P. ex.: Na, Fe, Cu, Au, Ni, etc.São dúcteis devido às ligações metálicas que não são direcionáveis.Apresentam a propriedade de serem bons condutores térmicos e elétricos. Para muitos metais, os átomos arranjam-se entre si de forma a obter um empacotamento eficiente e uma estrutura densa.

Arranjo cúbico face-centrada, p. ex.: Al, Cu, Au, arranjo similar ao NaCl.

Empacotamento hexagonal, p. ex.: Mg, Zn, Ti.

SÓLIDOS AMORFOS - O ESTADO VÍTREO

Amorfo (em grego) = sem forma

Apresentam estrutura cristalina desordenada.

Os vidros das janelas das catedrais medievais (séc. XII) são mais finos em cima, pois o vidro, tal como um líquido viscoso, flui para baixo.

Líquidos tem viscosidade. Quando um líquido é resfriado a sua viscosidade aumenta.Se a viscosidade aumenta progressivamente com o resfriamento e ao líquido não for permitido cristalizar, pode-se formar uma calda espessa e, eventualmente, um sólido amorfo. Ao se evitar o congelamento normal pode-se levar o líquido a um tipo de sólido muito diferente do habitual. Normalmente, quando se dá o resfriamento, as moléculas de um líquido vão se dispondo numa rede cristalina ordenada, como soldados formando uma parada.

AFINAL, VIDRO É SÓLIDO OU LÍQUIDO?

Os líquidos super-arrefecidos solidificam de uma forma totalmente diversa: tornam-se mais espessos e acabam por deixar de fluir – como se fossem líquidos “em pausa”. O resultado deste processo é um sólido cujas moléculas mantêm um arranjo amorfo, desordenado, semi-aleatório. Esta estrutura molecular, que se encontra por todo lado (nos vidros de nossas janelas), também é possível de se obter nos metais. As ligas metálicas amorfas têm propriedades especiais e podem, por exemplo, ser duas vezes mais fortes e três vezes mais elásticas que o aço.

Arranjo molecular em um sólido amorfo (vidro)

Arranjo molecular em um sólido cristalino

A resistência e a elasticidade de sólidos amorfos (ligas vítreas) são muito superiores às de muitos materiais.

CRISTAIS LÍQUIDOS

Cristais líquidos estão nos mostradores das calculadoras, dos relógios digitais, dos fornos de microondas, nos monitores de laptop e nos televisores de tela-plana.O cristal líquido é um estado da matéria intermediário entre o sólido e o líquido, um estado mesomórfico (do grego mesos morphe = entre dois estados).

Um líquido é isotrópico, isto é, qualquer propriedade física verificada independe da direção da medida.Entretanto, um sólido é anisotrópico.O cristal líquido pode ser definido como um líquido orientacionalmente ordenado ou um sólido posicionalmente desordenado, combinando anisotropia óptica e elétrica do estado sólido com com a fluidez do estado líquido.

Complexo de Co (III) mesomórfico, com mesofase colunar.

LÍQUIDO

As moléculas movem-se ao acaso, com energia cinética média que aumenta com a temperatura.Entretanto, seu movimento é limitado pelas forças de atração intermoleculares (interações que mantêm as moléculas unidas umas as outras).Para cada substância líquida há uma temperatura (temperatura crítica), acima da qual a energia cinética das moléculas é tão alta que as forças de atração entre elas não mais podem conservá-las unidas num estado líquido verdadeiro. Acima desta temperatura, um aumento de pressão não causa a transição de fase: gás líquido.

PROPRIEDADES FÍSICAS DOS LÍQUIDOS

DENSIDADE, d

d = m/v (g/mL, g/cm3, g/L)É diretamente proporcional ao peso molecular de um líquido. P.ex.: CH2Cl2, CHCl3 e CCl4 a densidade aumenta progressivamente com o número de átomos de cloro na molécula.

POR QUE O GELO FLUTUA NA ÁGUA?

Que estranho, na maioria dos compostos, a forma sólida afunda na sua forma líquida !!!

A densidade da água líquida é consideravelmente maior que a da água sólida. Qual a explicação para este fato? Por que a água nos mares, rios e lagos congela somente na superfície?

Porque sim.Porque a natureza é perfeita.Porque assim Deus quis.

Nada disso!

H2O: d = 0,92 g/mL (0°C)d = 1,00 g/mL (a 25°C)

AS LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO NA ÁGUA

Cada molécula de água é formada por um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio unidos por ligação covalente.

O ângulo entre as duas ligações O-H é de 104,5°.

Os elétrons que formam a ligação covalente O-H não estão igualmente compartilhados entre os átomos. O oxigênio, mais eletronegativo, atrai mais para si o par eletrônico que divide com o hidrogênio. A conseqüência é uma distribuição eletrônica mais heterogênea na molécula, resultando uma densidade de carga negativa (-) sobre o átomo de oxigênio e densidades de carga positiva (+) sobre os hidrogênios.

Esta propriedade somada ao ângulo de ligação torna a molécula de água polar, ou seja, ela sofre orientação dentro de um campo elétrico.As cargas sobre os átomos de oxigênio e hidrogênio são fortes o suficiente para fazê-los exercer atração em moléculas vizinhas. Este tipo de interação é a ligação de hidrogênio (a linha pontilhada abaixo).

HO

HO

HO

HO

H H H H

HO

H

- +

Água líquida

Água sólida tem rede cristalina hexagonal

Ligações de hidrogênio são responsáveis pela vida nas águas gélidas dos pólos, pois o gelo, menos denso que a água líquida, flutua e cria uma barreira de proteção à água, contra o frio.

+

-

Quando a água congela ela expande, de forma que, no gelo, há um aumento de volume, evidenciado pelo grande espaço interno.

A forte e extensa ligação de hidrogênio entre as moléculas de água produz um valor muito alto de certas propriedades físicas, como: temperatura de ebulição, viscosidade, tensão superficial, calor específico, etc. A água é um dos líquidos com maior tensão superficial conhecida, isto faz com que alguns insetos possam caminhar sobre a água.

TENSÃO SUPERFICIAL

É a força que evita a expansão da superfície de um líquido.As moléculas, na superfície de um líquido, estão sujeitas à força de atração das moléculas que estão abaixo. Esta força tende a puxar tantas moléculas quantas forem possíveis, da superfície para o interior do líquido.Responsável pela subida (H2O) ou descida (Hg) de líquidos em tubos capilares.

Uma gota de líquido tende a assumir a forma esférica porque a esfera é o sólido geométrico que tem um mínimo de área superficial para um dado volume.

DISSOLUÇÃO

Uma das propriedades mais importantes da água é a sua capacidade de dissolver substâncias polares ou iônicas para formar soluções aquosas. A interação entre as moléculas do soluto e do solvente (água) são responsáveis pelo processo de solubilização: quando uma substância iônica é dissolvida em água, os cátions são atraídos pelo “lado negativo” da molécula de água e os ânions pelos lados positivos. Este processo é chamado de hidratação.

A hidratação dos íons é que promove a quebra do retículo cristalino das substâncias iônicas, ou seja, a dissolução.

Muitos compostos não iônicos também são solúveis em água, p. ex.: etanol, açúcar, etc. Estas moléculas contêm ligações O-H como a água. Isto as permite fazer ligações intermoleculares (ligações de hidrogênio) com a água e se solubilizar.

Dissolução do etanol em água

A molécula da sacarose, embora molecular (não iônica) também dissolve-se na água. A sacarose contem grupos O-H, que fazem ligações de hidrogênio com moléculas de água, promovendo a solubilização. Você já pensou nisto ao tomar um cafezinho?

TEMPERATURA DE EBULIÇÃO

A temperatura de ebulição da água é muito alta comparada aos hidretos de enxofre, selênio e telúrio (elementos da família do oxigênio). Exceto a água todos parecem seguir a regra “quanto maior a massa molecular maior a temperatura de ebulição”.

PRESSÃO DE VAPOR

É a pressão que o vapor exerce na superfície do seu líquido, quando em equilíbrio líquido-vapor. Quanto maior a pressão de vapor de um líquido, maior a sua capacidade de evaporação.Líquidos voláteis são aqueles com forças intermoleculares fracas. Compare: H2O (água), CH3CH2OH (etanol), CH3CH2OCH2CH3 (éter etílico).

Pato bebedor

1

2

GÁS

Tende a ocupar completamente qualquer espaço físico.São perfeitamente elásticos.Diferentes gases se misturam em qualquer proporção misturas homogêneas.Gases ocupam grande volume.P.ex.: 1 mol de H2O (18g), a 100°C e 1 atm, ocupa 18,8 mL no estado líquido, mas cerca de 30,2 103 mL no estado gasoso ( 1000 vezes mais).

PROPRIEDADES MENSURÁVEIS DOS GASES

N (número de moléculas), P, V e T.

1mol de qualquer substância contém 6,02 1023 moléculas.P.ex.: 32g de O2(g) e 2g de H2(g) contêm 6,02 1023 moléculas.

Sempre, a alteração em qualquer uma das 4 propriedades de um gás, provoca uma alteração em outra.

PRESSÃO - Interpretação Cinética

As moléculas do gás colidem com a superfície interna da parede do recipiente, produzindo uma determinada pressão.Se T aumenta, P aumenta, pois as colisões aumentam.

PRESSÃO BAROMÉTRICA - Barômetro de Mercúrio

PRINCIPAIS LEIS DOS GASES IDEAIS

LEI DE CHARLES (V T, P constante)

O volume de uma dada massa de gás é diretamente proporcional à temperatura Kelvin, mantendo-se a pressão constante.

1

2

0°C 273°C-273,15°C

0 K 273 K 546 K

Volume em litros(à pressão constante de 1 atm)

Temperatura

LEI DE CHARLES, V T

V T V/T = constante (Lei de Charles)

LEI DE BOYLE (P 1/V, T constante)

O volume, V, ocupado por uma massa fixa de um gás, mantido à temperatura constante, é inversamente proporcional à pressão, P.

Matematicamente: PV = constante.

LEI DE BOYLE

P 1/V ou PV = constante (Lei de Boyle)

LEI DE GAY-LUSSAC (P T, V constante)

A volume constante, a pressão exercida por uma massa fixa de um gás será diretamente proporcional à temperatura absoluta.

Pressão, P

Temperatura absoluta, T

P TP/T = constante (Lei de Gay-Lussac)

LEI DE AVOGADRO

Volumes iguais de todos os gases, à mesma temperatura e pressão, contém o mesmo número de moléculas.

P. ex.: 6,02 1023 moléculas de O2, num volume e temperatura fixos, exercem a mesma pressão que 6,02 1023 moléculas de H2.

Um número igual de moléculas de O2 e H2, sob T e V constantes, exerce a mesma pressão porque estes gases a mesma temperatura têm a mesma energia cinética média.

Lei de Avogadro: V V n, n, n = nn = noo de móis de móis

1mol de gás ideal, a 273 K (0°C) e a 1 atm (CNTP), ocupa um volume de 22,4 L.

LEI DOS GASES IDEAIS

As principais leis dos gases são traduzidas na expressão matemática

PV = nRT (Lei Geral dos Gases)

Onde: n = número de móis do gásR = constante dos gases ideais ou

constante geral dos gases = 0,082 atm.L/K.mol ou 1,98 cal/K.mol ou 8,134 J/K.mol.

LEI DE DALTON

Em qualquer mistura de gases, a pressão total é igual à soma das pressões parciais exercidas pelos gases individuais.Ptotal = PA + PB

COEXISTÊNCIA DE ESTADOS FÍSICOS

DIAGRAMA DE FASE DA ÁGUA

Sob determinadas condições de temperatura e pressão, as três fases da matéria podem coexistir em equilíbrio.Para a água, a temperatura em que o sólido, o líquido e o vapor ficam em equilíbrio é 0,01°C, a 4,60 torr (0,006 atm). Este ponto (0,01°C a 4,60 torr) é o ponto tríplice da substância (onde as três fases coexistem em equilíbrio).

A sublimação da água: H2O(s) H2O(v) só é obtida a baixas pressões.

As propriedades da água são completamente diferentes em condições de alta temperatura e pressão. Acima de 300°C e em altas pressões a água líquida é capaz de dissolver muitos compostos apolares. Para pressões maiores ou igual a 218 atm e temperaturas maiores que 374°C (temperatura crítica): a água torna-se um fluído supercrítico. Nestas condições a água reúne as propriedades do seu gás (p. ex. a densidade) e de seu líquido (a capacidade de dissolução). Além de dissolver substâncias polares e iônicas, a água supercrítica é capaz de dissolver praticamente todos os compostos apolares.

Uma das aplicações é na destruição de lixos tóxicos. A água supercrítica é misturada com resíduos orgânicos e gás oxigênio. Iniciada a chama, a combustão ocorre embaixo d’água.