Química Ambiental Ana Cecília Bulhões Figueira Revisão 1.

Química Ambiental

Ana Cecília Bulhões Figueira

Revisão 1

Sumário1. Matéria e Teoria Atômica

2. Energia – Termodinâmica

3. Ácidos e bases – conceitos

4. Nomenclatura de ácidos e bases e reações em meio natural

5. Atmosfera: constituição e reações.

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O Estudo da MatériaMATÉRIA é todo o material físico do universo

•Três estados: sólido, líquido e gasoso

•Os comportamentos físico-químicos da matéria dependem da estrutura dos átomos que a compõem e de como interagem entre si.

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MODELOSATÔMICOS

Evolução nos modelos atômicos

4

J. Dalton J.J. Thomson E. Rutherford/N. BohrÁtomos

indivisíveisÁtomos de um

mesmo elemento são iguais

Átomos combinam-se entre si para formar novos compostos

Descoberta dos elétrons (-)

Átomos formados por uma esfera maciça positiva com elétrons incrustrados

“pudim de passas”

Descoberta dos prótons (+) e do átomo nuclear

Elétrons existiam ao redor do núcleo (eletrosfera)

Eletrosfera : dividida em camadas e subcamadas (por ordem de energia)

Tabela periódica

5

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Figura 7: Níveis e subníveis de energia.6

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67• Modelo atômico de Niels BöhrNíveis e subníveis energéticos

núcleo

Camadasou níveis

Níveis de Energia

Nome da Camada

n° máximo elétrons

1° K 2

2° L 8

3° M 18

4° N 32

5° O 32

6° P 18

7° Q 8

Subnível s p d fn° máx. de e- 2 6 10 14

Distribuição eletrônica de 26Fe e

26Fe2+

26Fe = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2 3d6

26Fe2+ (- 2e-) = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6

7

Diagrama de Linus Pauling

Transferência de e- camada mais externa do átomo:CAMADA DE VALÊNCIA

Energia crescente:1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d

Íons e compostos iônicos

8

Átomos podem perder ou ganhar elétrons ÍONS

Íon (+) CÁTION Íon (-) ÂNION

Átomos podem perder ou ganhar mais de um elétron

Cargas iônicas, representadas por índice superiorNos CÁTIONS: +, 2+, 3+ Nos ÂNIONS: -, 2-, 3-

O Mol

9

Mol: medida conveniente de quantidades

químicas.

1 mol de algo = 6,0221421.1023 daquele algo

(de átomos, moléculas ou íons)

6,02.1023 = n° de Avogadro

Massa molarMassa molar: é a massa em gramas de 1 mol de

substância (unidades: g/mol, g.mol-1).

1 mol de 12C tem uma massa de 12 g.

Energia - Termodinâmica

• A TERMODINÂMICA é a área de estudo que engloba energia e suas transformações.

• Relaciona conceitos de ENERGIA, CALOR, TRABALHO.

• No caso da energia das reações químicas, estudaremos a TERMOQUÍMICA.

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Energia – Sistema e vizinhança • Na TERMODINÂMICA, estudam-se as

mudanças de energia em uma parte definida do universo.

• Essa parte definida, recebe o nome de SISTEMA.

• Todo o resto é chamado de VIZINHANÇA.

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Energia - Sistema e vizinhança SISTEMAS•São divididos em três grupos:

A. Sistemas abertos: trocas de energia e matériaB. Sistemas fechados: trocas de energia C. Sistemas isolados: não há trocas

12Figura 4: exemplo de sistemas, aberto, fechado e isolado.

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Energia – 1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica

Lei da conservação de energia: A ENERGIA não pode ser criada, nem destruída!

-A energia perdida pelo sistema é aproveitada pela vizinhança e vice-versa!

-Todo sistema troca energia com a vizinhança na forma de CALOR ou TRABALHO.

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Energia – 1ª Lei da TermodinâmicaO calor (q) absorvido pelo sistema ou o trabalho (w) realizado no sistema, são sempre positivos e, portanto, aumentam a ENERGIA INTERNA do SISTEMA:

Figura 3: Influência das grandezas calor e trabalho no aumento da energia.14

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E = q + w

Energia – Entalpia• As reações químicas podem absorver ou liberar calor. E

podem provocar a realização de trabalho.

• Por ex.: a produção de gás, gera trabalho:Zn(s) + 2H+

(aq) Zn2+(aq) + H2(g)

• O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume (PV).

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Entalpia (H)

Energia - Entalpia

Figura 4: Variação da entalpia, com ganho ou perda de calor.16

Quando H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança.

Quando H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança.

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17

Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases

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Propriedades das BASESTambém chamados de álcalis ou alcalinas;

Sabor amargo;

Sensação escorregadia;

Altera a cor de corantes vegetais;- Cor diferente dos ácidos.

Reagem com bases formando sais iônicos (neutralização);


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1880 - Svante ArrheniusÁcido é um composto que libera íons H+ em meio aquoso. HCl(g) H+

(aq) + Cl-(aq)

Base é um composto que libera íons OH- em meio aquoso. NaOH(s) Na+

(aq) + OH-(aq)

H2O

H2O


1923 – Brønsted-Lowry-Definição mais abrangente (além de soluções aquosas).

-Reações ácido-base envolvem transferência de H+ entre as substâncias.

Um ácido é um doador de prótons e, uma base é um aceitador de prótons.

20


21

Ácidos e bases conjugados

HX(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + X-

(aq)

Reação direta

Reação inversa

Na reação direta, HX doa um H+ para a H2O

Na reação inversa, H3O+ doa um H+ para o íon X-

ÁCIDO BASE

ÁCIDO BASEHX e X- são um par ácido-base conjugados

H3O+ e H2O são um par ácido-base conjugados


Figura 5: Comparação entre o perfil de dissociação de ácidos fortes e fracos.

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Forças relativas de ácidos e bases

Solução final:Dissociação

total.

Solução final:Dissociação

parcial.


Produto iônico da água (Kw)-Reação em equilíbrio;

-Apresenta uma constante de equilíbrio descrita por:Kw = [H3O+][OH-] ou Kw = [H+][OH-]

Kw = [H+][OH-] = 1,0.10-14 (a 25°C)

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2H2O(l) H3O+(aq) + OH-

(aq)

H2O é ANFÓTERA!


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A escala de pHpKW = pH + pOH = 14

O produto iônico é sempre constante no equilíbrio. Consequentemente, se a concentração de H+ ou OH- aumenta, teremos nas soluções ácidas , [H+] > [OH-] nas soluções básicas [H+] < [OH-] Soluções neutras [H+] = [OH-]


Figura 6: Escala de pH. Soluções ácidas pH<7 e soluções ácidas pH>7.25

A escala de pH

• Ao reagir um ÁCIDO com uma BASE, há a formação de SAL e H2O;

• Reação irreversível - NEUTRALIZAÇÃO;

• Ácido e base perdem suas propriedades;

HCl(aq) + NaOH(aq) H2O(l) + NaCl(aq)

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Conceitos físico-químicosReação de Neutralização

ÁCIDO BASE ÁGUA SAL

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Nomenclatura de ácidos:• ácido + terminação –ídrico (ânion = -eto)• ácido + nome do ânion + terminações –oso e –ico

(-ico ou –ato)

Nomenclatura de bases:• ânion hidróxido + preposição DE + nome do

cátion

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ÁCIDOSH2S S-2 Ânion sulfeto Ácido sulfídricoHNO3 NO3

- Ânion nitrato Ácido nítricoHIO4 IO4

- Ânion periodato Ácido periódicoBASESLiOH Li+ Cátion lítio Hidróxido de lítioAl(OH)3 Al3+ Cátion alumínio Hidróxido de alumínioBe(OH)2 Be2+ Cátion berílio Hidróxido de berílio

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Ácidos e bases – Solução tampão• Solução que não apresenta variação de pH

quando uma pequena quantidade de ácido ou base é adicionada a ela.

• Solução tampão tem espécies ácidas que neutralizam os íons OH- e espécies básicas que neutralizam os íons H+.

HX(aq) H+(aq) + X-

(aq)

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As espécies H+ e OH- neutralizam-se, controlando o pH das águas naturais:

Controle de pH de águas naturaisSistema CO2/Carbonato

Ocorrem em inúmeras ocasiões: meio fisiológico, industrial ou no ambiente.

Caracterizam-se pela transferência de elétrons entre as substâncias.

Processos de oxidação: perda de elétrons. Processos de redução: ganho de elétrons.

Átomo oxidado transfere e- a um átomo reduzido

Reações de Oxidação-Redução (Redox)

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Agentes oxidantes e redutores •Agente oxidante é a espécie que sofre redução (ganha elétrons – diminui nox).

•Agente redutor é a espécie que sofre oxidação (perde elétrons – aumenta nox).

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+

(aq) + Cu(s)

Ganha 2e- = reduz = agente oxidante

Perde 2e- = oxida = agente redutor

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Espécie nox

Zn(s) 0Zn2+

(aq) +2Cu2+

(aq) +2Cu(s) 0

Reações de Oxidação-Redução (Redox)

Demanda Bioquímica por O2 (DBO)

Demanda Química por O2 (DQO)

Parecida com processos naturais Diferente de processos naturais

Oxidação da MO via micro-organismos

Oxidação da MO via reagentes químicos

Cinco dias de análise RápidaPouca repetibilidade Melhor repetibilidade

• O2diss é o agente oxidante natural

• Oxida a matéria orgânica em processos de decomposição

COMPARAÇÃO ENTRE DBO E DQO

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Reações de Redox em águas naturais

A TEMPERATURA da atmosfera é uma complicada função da altitude:

Gradientes Adiabáticos de Temperatura

Pressão diminui com a altitude.

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Camadas Atmosféricas

Figura 7: Camadas da atmosfera. Variação de temperatura com altitude.

EFEITO ESTUFA Fenômeno natural que torna a Terra habitável (controle de temperatura +15°C, em vez de -18°C);

Ocorre pela presença de vapor de água e dióxido de carbono (CO2) na atmosfera;

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Radiação Solar e a Atmosfera

Não confundir...

EFEITO ESTUFA ≠ ILHA DE CALOR

O Efeito estufa (processo natural) é essencial para a vida na Terra.

O fenômeno Ilha de Calor = aumento pontual de temperatura em grandes centros urbanos (maiores emissões) em relação à zonas rurais.

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Radiação Solar e a Atmosfera

Química da Atmosfera• Todo comportamento da atmosfera é causado por

seus constituintes:

GASES, VAPOR DE ÁGUA, MATERIAL PARTICULADO (aerossol)

•Os componentes sofrem reações químicas entre si ou com a radiação solar (fotodissociação ou fotoionização).

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• A maior parte do ozônio está presente na estratrofera (região de 15 a 35 km).

• A camada de ozônio atua como um "escudo natural da Terra", pois filtra os raios UV.

• O3 absorve fótons com entre 240 e 310 nm (UV-B e UV-C nocivos).

• Na estratosfera, átomos de oxigênio colidem com moléculas de oxigênio para formar ozônio com excesso de energia, O3*:

O(g) + O2(g) O3*(g)

Camada de Ozônio

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