Química geral aplicada à engenharia – Tradução da 3ª edição norte-americana

Químicaaplicada à engenharia

Introdução à química: fundamentosTradução da 8a edição norte-americana

Steven S. ZumdahlDonald J. DeCoste

Introdução à química geral, orgânica e bioquímicaTradução da 9a edição norte-americana Frederick A. BettelheimWilliam H. BrownMary K. Campbell Shawn O. Farrell

Química geral e reações químicas vol. 1Tradução da 6a edição norte-americana John C. KotzPaul M. Treichel Gabriela C. Weaver

Química geral e reações químicas vol. 2Tradução da 6a edição norte-americana

John C. KotzPaul M. Treichel Gabriela C. Weaver

Lawrence S. Brown | �omas A. Holme

Lawrence S. B

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Tradução da3 a edição

norte-americana

Geral

aplicada à engenhariaQ

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O objetivo desta obra é mostrar a abrangência da química em relação a muitas áreas da engenharia e tecnologia, proporcionando conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que dão suporte à ciência dos materiais. Química geral aplicada à engenharia apresenta uma introdução concisa, mas consistente, do tema, ampliando o papel da química para muitas áreas da engenharia e da tecnologia moderna. Além disso, mostra a relação entre a química e as outras disciplinas estudadas pelos alunos de engenharia, como matemática e física. Esta nova edição traz atualizações dos recursos didáticos presentes na edição anterior, como as seções “Por dentro de”, “Problema-modelo” e melhoria nas imagens; foram acrescentados também inúmeros problemas mais desa�adores em vários capítulos, notas de margem e um novo capítulo sobre química nuclear.

Aplicações: Livro-texto para as disciplinas de química geral nos cursos técnicos das áreas tecnológica e cursos de graduação em Química e em Engenharia.


Tradução da 3a edição norte-americana

aplicada à engenharia

QuímicaGeral

Tradução da 3a edição norte-americanaPara suas soluções de curso e aprendizado,visite www.cengage.com.br

ISBN 13 978-85-221-1820-5ISBN 10 85-221-1820-5

9 7 8 8 5 2 2 11 8 2 0 5

Sobre os autores

v

Larry Brown é membro do corpo docente da Texas A&M University desde 1988 e, em 2013, recebeu o prêmio Presidential Professor for Tea-ching Excelence. Brown obteve seu diploma de Bacharelado em 1981, pelo Instituto Politécnico de Rensselaer; o mestrado, em 1983; e o doutorado, em 1986, pela Princeton University. Durante a pós-graduação, trabalhou na Alemanha Ocidental. Foi bolsista de pós-doutorado na University of Chicago, de 1986 a 1988, quando iniciou sua carreira como professor na Texas A&M. Durante esses anos, lecionou química geral para mais de 14 mil alunos, a maioria estudantes de engenharia. Seu talento em ensinar foi

reconhecido por meio de prêmios da Associação de Ex-alunos da Texas A&M, tanto no nível do ensino médio quanto universitário. Uma versão da aula de Larry Brown é transmitida pela KAMU-TV, uma afiliada da PBS da Estação da Escola e está atualmente disponível no iTunesU. De 2001 a 2004, atuou como representante do Programa para a Edu-cação e Pesquisa Interdisciplinar, na Divisão de Física da Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos. Também coordenou as disciplinas de química para o programa de engenharia em Doha, Qatar. Quando não está ensinando química, gosta de andar de bicicleta e jogar futebol com a filha, Stephanie.

Tom Holme é professor de química na Iowa State University e diretor do Ins-tituto de Exame da ACS. Obteve seu Bacaharelado em 1983, pelo Loras College, e seu doutorado, em 1987, pela Universidade de Rice. Holme começou sua carreira de professor como bolsista da Fulbright na Zâmbia, África, e viveu também em Jerusa-lém, Israel, e Suwon, na Coreia do Sul. É bolsista da American Chemical Society e da American Association for the Advancement of Science. Seus interesses em pesquisa estão na química computacional, particularmente no entendimento de processos im-portantes para o crescimento de vegetais. Atua ativamente na pesquisa de educação química e está envolvido com a disciplina de química geral para engenheiros tanto na Iowa State University quanto na University of Wiscosin-Milwaukee, onde foi pro-fessor do Departamento de Química e Bioquímica. Recebeu várias verbas para pes-

quisa da Fundação Nacional de Ciência para planejar novos métodos de avaliação para essa disciplina – a seção Enfoque na resolução de problemas deste livro origina-se do projeto citado. Holme atuou como editor associado na enciclopédia Chemistry foundations and applications. Também é o editor-chefe do manual de laboratório para o novo currículo de quí-mica aplicada. Em 1999, ganhou o Prêmio Helen Free para Excelência Pública da ACS, em razão de suas demonstrações ao vivo na televisão, na região de Milwaukee.

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Sumário

vii

1 Introdução à química 11.1 por dentro de Alumínio ...............................................................................................................2

1.2 O estudo da química .......................................................................................................................4

A perspectiva macroscópica ..........................................................................................................................4

A perspectiva microscópica ou particulada .................................................................................................6

Representação simbólica ...............................................................................................................................9

1.3 A ciência da química: observações e modelos ..................................................................................10

As observações na ciência ...........................................................................................................................10

Interpretando as observações .....................................................................................................................12

Modelos na ciência ......................................................................................................................................12

1.4 Números e medições na química ..................................................................................................13

Unidades ......................................................................................................................................................14

Números e algarismos significativos ...........................................................................................................17

1.5 Soluções de problemas na química e na engenharia ....................................................................19

Utilizando proporções .................................................................................................................................20

Proporções em cálculos químicos ...............................................................................................................21

Problemas de química conceitual ..............................................................................................................23

A visualização na química ..........................................................................................................................24

1.6 por dentro de Seleção de material e quadros de bicicletas ......................................................26

Enfoque na resolução de problemas ................................................................................................... 27

Resumo .................................................................................................................................................. 28

Termos-chave ........................................................................................................................................ 29

Problemas e exercícios .......................................................................................................................... 29

2. Átomos e moléculas 332.1 por dentro de Polímeros ...........................................................................................................34

2.2 Estrutura atômica e massa ............................................................................................................35

Conceitos fundamentais do átomo .............................................................................................................36

Número atômico e número de massa ........................................................................................................37

Química geral aplicada à engenhariaviii

Isótopos ........................................................................................................................................................38

Símbolos atômicos .......................................................................................................................................39

Massas atômicas ..........................................................................................................................................40

2.3 Íons ...............................................................................................................................................42

Descrição matemática .................................................................................................................................42

Íons e suas propriedades .............................................................................................................................43

2.4 Compostos e ligações químicas .....................................................................................................44

Fórmulas químicas ......................................................................................................................................44

Ligação química ..........................................................................................................................................46

2.5 A tabela periódica .........................................................................................................................48

Períodos e grupos .........................................................................................................................................49

Metais, ametais e metaloides ......................................................................................................................51

2.6 Química inorgânica e orgânica......................................................................................................52

Química inorgânica – grupos representativos principais e metais de transição .....................................52

Química orgânica ........................................................................................................................................53

Grupos funcionais ........................................................................................................................................56

2.7 Nomenclatura química .................................................................................................................57

Sistemas binários .........................................................................................................................................58

Nomeando compostos covalentes ...............................................................................................................58

Nomeando compostos iônicos ....................................................................................................................59

2.8 por dentro de Polietileno .........................................................................................................61

Enfoque na resolução de problemas ................................................................................................... 63

Resumo .................................................................................................................................................. 63

Termos-chave ........................................................................................................................................ 64

Problemas e exercícios .......................................................................................................................... 64

3. Moléculas, mols e equações químicas 693.1 por dentro de Engenharia de biomassa e biocombustíveis ......................................................70

3.2 Fórmulas e equações químicas .....................................................................................................72

Escrevendo equações químicas ...................................................................................................................72

Balanceando equações químicas ...............................................................................................................74

3.3 Soluções aquosas e equações iônicas líquidas ..............................................................................78

Soluções, solventes e solutos .......................................................................................................................79

Equações químicas para reações aquosas..................................................................................................83

Reações ácido-base ......................................................................................................................................84

3.4 Interpretando equações e mol ......................................................................................................88

Interpretando equações químicas ..............................................................................................................88

Número de Avogadro e o mol .....................................................................................................................88

Determinando a massa molar ....................................................................................................................90

ixSumário

3.5 Cálculos utilizando mols e massas molares ...................................................................................91

Análise elementar: determinando as fórmulas empíricas e moleculares .................................................93

Concentração em quantidade de matéria .................................................................................................96

Diluição .......................................................................................................................................................97

3.6 por dentro de Sequestro de carbono .........................................................................................99

Enfoque na resolução de problemas ................................................................................................. 100

Resumo ................................................................................................................................................ 101

Termos-chave ...................................................................................................................................... 101

Problemas e exercícios ........................................................................................................................ 102

4. Estequiometria 1084.1 por dentro de Gasolina e outros combustíveis ........................................................................109

4.2 Fundamentos de estequiometria ................................................................................................112

Obtendo proporções a partir de uma equação química balanceada ....................................................113

4.3 Reagentes limitantes ...................................................................................................................117

4.4 Rendimentos teóricos e percentuais ..........................................................................................122

4.5 Estequiometria de solução .........................................................................................................124

4.6 por dentro de Combustíveis alternativos e aditivos de combustível .......................................127


Resumo ................................................................................................................................................ 130

Termos-chave ...................................................................................................................................... 130


5. Gases 1385.1 por dentro de Poluição do ar ..................................................................................................139

Propriedades dos gases ..............................................................................................................................141

5.2 Pressão ........................................................................................................................................142

Medindo a pressão .....................................................................................................................................143

Unidades de pressão ..................................................................................................................................144

5.3 História e aplicação da lei dos gases ...........................................................................................145

Unidades e a lei de gás ideal.....................................................................................................................148

5.4 Pressão parcial ............................................................................................................................149

5.5 Estequiometria de reações envolvendo gases ........................................................................................ 152

Condições padrão de temperatura e pressão ..........................................................................................153

5.6 Teoria cinética molecular e gases ideais versus gases reais ..........................................................154

Postulados do modelo ...............................................................................................................................154

Gases reais e limitações da teoria cinética ...............................................................................................158

Corrigindo a equação de gás ideal ...........................................................................................................159

Química geral aplicada à engenhariax

5.7 por dentro de Sensores de gás .................................................................................................161

Manômetro de capacitância .....................................................................................................................161

Calibrador termoacoplado ........................................................................................................................162

Calibrador de ionização ............................................................................................................................163

Espectrômetro de massas ..........................................................................................................................163


Resumo ................................................................................................................................................ 165

Termos-chave ...................................................................................................................................... 165


6. A tabela periódica e a estrutura atômica 1726.1 por dentro de Análises de traços ............................................................................................173

6.2 Espectro eletromagnético ............................................................................................................175

A natureza ondulatória da luz .................................................................................................................175

A natureza particulada da luz .................................................................................................................180

6.3 Espectros atômicos ......................................................................................................................184

O átomo de Bohr .......................................................................................................................................186

6.4 Modelo atômico da mecânica quântica ......................................................................................187

Energia potencial e orbitais ......................................................................................................................188

Números quânticos ....................................................................................................................................189

Visualização de orbitais ............................................................................................................................192

6.5 Princípio da exclusão de Pauli e as configurações eletrônicas ....................................................195

Energias de orbitais e configurações eletrônicas ......................................................................................195

Regra de Hund e o princípio da edificação (aufbau) ...............................................................................197

6.6 Tabela periódica e as configurações eletrônicas ...............................................................................................199

6.7 Tendências periódicas nas propriedades atômicas .........................................................................200

Tamanho atômico .....................................................................................................................................200

Energia de ionização .................................................................................................................................202

Afinidade eletrônica ..................................................................................................................................203

6.8 por dentro de Fontes modernas de luz: LEDs e lasers ............................................................205


Resumo ................................................................................................................................................ 208

Termos-chave ...................................................................................................................................... 208


7. Ligação química e estrutura molecular 2137.1 por dentro de Materiais para a engenharia biomédica ..........................................................214

xiSumário

7.2 Ligação iônica .............................................................................................................................215

Formação de cátions .................................................................................................................................215

Formação de ânions ..................................................................................................................................217

7.3 Ligação covalente ........................................................................................................................220

Ligações químicas e energia ......................................................................................................................220

Ligações químicas e reações ......................................................................................................................221

Ligações químicas e a estrutura de moléculas .........................................................................................222

7.4 Eletronegatividade e polaridade da ligação ...............................................................................224

Eletronegatividade .....................................................................................................................................224

Polaridade da ligação ...............................................................................................................................224

7.5 Mantendo o rastro da ligação: estruturas de Lewis ..........................................................................227

Ressonância ...............................................................................................................................................232

7.6 Superposição de orbitais e ligação química ...............................................................................234

7.7 Orbitais híbridos ..........................................................................................................................236

7.8 Arranjos das moléculas ..............................................................................................................238

7.9 por dentro de Engenharia em escala molecular para a entrega de medicamentos ...............245


Resumo ................................................................................................................................................ 247

Termos-chave ...................................................................................................................................... 247


8. Moléculas e materiais 2528.1 por dentro de Carbono ............................................................................................................253

8.2 Fases condensadas – sólidos ......................................................................................................255

8.3 Ligações nos sólidos: metais, isolantes e semicondutores ..........................................................261

Modelos de ligação metálica ....................................................................................................................261

Teoria de banda e condutividade .............................................................................................................264

Semicondutores ..........................................................................................................................................264

8.4 Forças intermoleculares .............................................................................................................268

Forças entre moléculas ..............................................................................................................................268

Forças de dispersão ....................................................................................................................................268

Forças dipolo-dipolo ..................................................................................................................................270

Ligação de hidrogênio ...............................................................................................................................271

8.5 Fases condensadas – líquidos .....................................................................................................273

Pressão de vapor ........................................................................................................................................273

Ponto de ebulição ......................................................................................................................................275

Tensão superficial ......................................................................................................................................276

8.6 Polímeros ...................................................................................................................................277

Química geral aplicada à engenhariaxii

Polímeros de adição ..................................................................................................................................278

Polímeros de condensação ........................................................................................................................280

Copolímeros ...............................................................................................................................................282

Propriedades físicas ..................................................................................................................................283

Polímeros e aditivos ..................................................................................................................................284

8.7 por dentro de Sistemas microelétricos-mecânicos (MEMS) .....................................................284


Resumo ............................................................................................................................................... 286

Termos-chave ...................................................................................................................................... 287


9. Energia e química 2919.1 por dentro de O uso de energia e a economia mundial .........................................................292

9.2 Definindo energia ......................................................................................................................295

Formas de energia .....................................................................................................................................295

Calor e trabalho .........................................................................................................................................296

Unidades de energia ..................................................................................................................................296

9.3 Transformação de energia e conservação de energia ..................................................................297

Desperdício de energia ..............................................................................................................................299

9.4 Capacidade calorífica e calorimetria ..........................................................................................300

Capacidade calorífica e calor específico ...................................................................................................301

Calorimetria ...............................................................................................................................................304

9.5 Entalpia ......................................................................................................................................306

Definindo entalpia .....................................................................................................................................306

H de mudanças de fases .........................................................................................................................307

Vaporização e produção de eletricidade ..................................................................................................310

Calor de reação ..........................................................................................................................................311

Ligações e energia ......................................................................................................................................311

Calores de reação para algumas reações específicas ...............................................................................312

9.6 Lei de Hess e calores de reação ..................................................................................................313

Lei de Hess ..................................................................................................................................................313

Reações de formação e lei de Hess ............................................................................................................315

9.7 Energia e estequiometria ...........................................................................................................317

Densidade de energia e combustíveis .......................................................................................................319

9.8 por dentro de Distribuição de energia e a grade elétrica .......................................................319


Resumo ................................................................................................................................................ 322

xiiiSumário

Termos-chave ...................................................................................................................................... 323


10. Entropia e a segunda lei da termodinâmica 32910.1 por dentro de Reciclagem de plásticos ....................................................................................330

10.2 Espontaneidade ..........................................................................................................................331

Sentido da natureza ..................................................................................................................................331

Processos espontâneos ...............................................................................................................................332

Entalpia e espontaneidade .......................................................................................................................333

10.3 Entropia.......................................................................................................................................333

Probabilidade e variação espontânea ......................................................................................................334

Definição de entropia ................................................................................................................................335

Julgando as variações de entropia nos processos ....................................................................................336

10.4 A segunda lei da termodinâmica ................................................................................................337

A segunda lei ..............................................................................................................................................337

Implicações e aplicações ...........................................................................................................................338

10.5 A terceira lei da termodinâmica ..................................................................................................339

10.6 Energia livre de Gibbs .................................................................................................................341

Energia livre e variação espontânea .........................................................................................................341

Energia livre e trabalho .............................................................................................................................344

10.7 Energia livre e reações químicas ................................................................................................345

Implicações de G° para uma reação ......................................................................................................346

10.8 por dentro de O sistema econômico da reciclagem ................................................................347

Enfoque na resolução de problemas ................................................................................................ 351

Resumo ............................................................................................................................................... 351

Termos-chave ..................................................................................................................................... 351


11. Cinética química 36011.1 por dentro de A destruição do ozônio ....................................................................................361

11.2 Velocidades de reações químicas ...............................................................................................363

Conceito de velocidade e velocidades de reação ......................................................................................363

Estequiometria e velocidade .....................................................................................................................364

Velocidade média e velocidade instantânea ............................................................................................366

11.3 Leis de velocidade e a dependência da concentração em relação às velocidades .......................367

A lei de velocidade .....................................................................................................................................367

Determinação da lei de velocidade ..........................................................................................................369

Química geral aplicada à engenhariaxiv

11.4 Leis de velocidade integrada .......................................................................................................371

Lei de velocidade integrada de ordem zero .............................................................................................372

Lei de velocidade integrada de primeira ordem ......................................................................................373

Lei de velocidade integrada de segunda ordem .......................................................................................375

Meia-vida ...................................................................................................................................................378

11.5 Temperatura e cinética ..............................................................................................................380

Efeitos da temperatura e moléculas que reagem .....................................................................................380

Comportamento de Arrhenius .................................................................................................................382

11.6 Mecanismos de reação ................................................................................................................387

Etapas elementares e mecanismos de reação ..........................................................................................388

Mecanismos e velocidade: a etapa determinante de velocidade ...........................................................390

11.7 Catálise ........................................................................................................................................391

Catalisadores homogêneos e heterogêneos ..............................................................................................391

Perspectiva molecular da catálise ...........................................................................................................392

Catálise e engenharia de processos ..........................................................................................................393

11.8 por dentro de O ozônio troposférico ......................................................................................393


Resumo ................................................................................................................................................ 396

Termos-chave ...................................................................................................................................... 397


12. Equilíbrio químico 40712.1 por dentro de Produção e desgaste do concreto ....................................................................408

12.2 Equilíbrio químico .....................................................................................................................410

Reações diretas e inversas .........................................................................................................................410

Relações matemáticas ...............................................................................................................................413

12.3 Constantes de equilíbrio .............................................................................................................414

A expressão de equilíbrio (ação da massa) ...............................................................................................414

Equilíbrios de fase gasosa: Kp versus K

c ....................................................................................................415

Equilíbrios homogêneos e heterogêneos ...................................................................................................416

Importância numérica da expressão de equilíbrio ..................................................................................417

Manipulação matemática de constantes de equilíbrio ..........................................................................418

Invertendo a equação química ................................................................................................................418

Ajustando a estequiometria da reação química ......................................................................................419

Constantes de equilíbrio para uma série de reações ..............................................................................420

Unidades e a constante de equilíbrio .......................................................................................................421

12.4 Concentrações no equilíbrio .......................................................................................................421

Concentrações no equilíbrio a partir das concentrações iniciais ............................................................422

Técnicas matemáticas para cálculos de equilíbrio ..................................................................................425

xvSumário

12.5 Princípio de LeChatelier .............................................................................................................426

O efeito no equilíbrio de uma variação na concentração de reagente ou produto ...............................426

O efeito no equilíbrio de uma variação na pressão quando estão presentes gases ...............................428

O efeito no equilíbrio de uma variação na temperatura ........................................................................430

Efeito de um catalisador no equilíbrio .....................................................................................................431

12.6 Equilíbrios de solubilidade ..........................................................................................................431

Constante do produto de solubilidade .....................................................................................................431

Definindo a constante do produto de solubilidade .................................................................................432

A relação entre Kps

e a solubilidade molar ...............................................................................................432

Efeito do íon comum .................................................................................................................................434

Confiabilidade no uso de concentrações em quantidade de matéria ....................................................435

12.7 Ácidos e bases ............................................................................................................................435

A teoria de Brønsted-Lowry de ácidos e bases ..........................................................................................436

O papel da água na teoria de Brønsted-Lowry ........................................................................................436

Ácidos e bases fracos ..................................................................................................................................437

12.8 Energia livre e equilíbrio químico ..............................................................................................441

Perspectiva gráfica .....................................................................................................................................441

Energia livre e condições não-padrão ......................................................................................................442

12.9 por dentro de Concreto flexível ..............................................................................................443


Resumo ................................................................................................................................................ 446

Termos-chave ...................................................................................................................................... 446


13. Eletroquímica 45413.1 por dentro de Corrosão ..........................................................................................................455

13.2 Reações de oxirredução e células galvânicas ...............................................................................456

Reações de oxirredução e semirreações ....................................................................................................456

Construindo uma célula galvânica ...........................................................................................................458

Terminologia para células galvânicas ......................................................................................................459

Perspectiva atômica das células galvânicas .............................................................................................460

Corrosão galvânica e corrosão uniforme ..................................................................................................461

13.3 Potenciais da célula ....................................................................................................................462

Medindo o potencial da célula .................................................................................................................462

Potenciais padrão de redução ..................................................................................................................465

Proteção catódica ......................................................................................................................................468

Condições não padrão ...............................................................................................................................468

13.4 Potenciais da célula e equilíbrio .................................................................................................470

Potenciais da célula e energia livre ..........................................................................................................470

Constantes de equilíbrio ............................................................................................................................471

Química geral aplicada à engenhariaxvi

13.5 Baterias .......................................................................................................................................472

Células primárias .......................................................................................................................................473

Células secundárias ...................................................................................................................................475

Células de combustível ..............................................................................................................................477

Limitações das baterias .............................................................................................................................478

13.6 Eletrólise ....................................................................................................................................478

Eletrólise e polaridade ...............................................................................................................................479

Eletrólise passiva no refino de alumínio ..................................................................................................479

Eletrólise ativa e galvanoplastia ...............................................................................................................480

13.7 Eletrólise e estequiometria ..........................................................................................................482

Corrente e carga .........................................................................................................................................482

Cálculos com a utilização de massas de substâncias na eletrólise .........................................................484

13.8 por dentro de Baterias no projeto de engenharia ..................................................................485


Resumo ................................................................................................................................................ 488

Termos-chave ...................................................................................................................................... 488


14. Química nuclear 49514.1 por dentro de Raios cósmicos e datação de carbono .............................................................496

14.2 Radioatividade e reações nucleares ............................................................................................497

Decaimento radioativo ..............................................................................................................................497

Decaimento alfa ........................................................................................................................................498

Decaimento beta........................................................................................................................................499

Decaimento gama .....................................................................................................................................500

Captura de elétrons ...................................................................................................................................501

Emissão de pósitron ...................................................................................................................................501

14.3 Cinética do decaimento radioativo..............................................................................................502

Datação de radiocarbono .........................................................................................................................504

14.4 Estabilidade nuclear ....................................................................................................................506

14.5 Energética de reações nucleares ..................................................................................................508

Energia de ligação .....................................................................................................................................508

Números mágicos e níveis nucleares ........................................................................................................510

14.6 Transmutação, fissão e fusão.......................................................................................................510

Transmutação: mudando de um núcleo para outro ...............................................................................510

Fissão ..........................................................................................................................................................511

Reatores nucleares .....................................................................................................................................513

Lixo nuclear ................................................................................................................................................514

Fusão ..........................................................................................................................................................516

xviiSumário

14.7 A interação entre radiação e matéria ..........................................................................................517

Potência penetrante e ionizante da radiação ..........................................................................................517

Métodos de detecção de radiação .............................................................................................................518

Medindo a dose de radiação .....................................................................................................................519

14.8 por dentro de Métodos modernos de imagem médica ............................................................520


Resumo ................................................................................................................................................ 522

Termos-chave ...................................................................................................................................... 522


ApêndicesA Tabela Internacional de Peso Atômico ........................................................................................529

B Constantes Físicas ........................................................................................................................531

C Configurações Eletrônicas dos Átomos no Estado Fundamental ..................................................532

D Calores Específicos e Capacidades Caloríficas de Algumas Substâncias Comuns ..........................533

E Dados Termodinâmicos Selecionados a 298,15 K ........................................................................534

F Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C .......................................................................540

G Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C ........................................................................542

H Constantes do Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C ....................543

I Potenciais-padrão de Redução em Soluções Aquosas a 25 °C .....................................................546

J Respostas dos exercícios de Verifique seu entendimento ..............................................................550

K Respostas dos exercícios de ímpares dos finais de capítulos .......................................................553

Glossário ...............................................................................................................................................583

Índice Remissivo ..................................................................................................................................599

Prefácio

xix

A Origem deste LivroComo químicos, vemos conexões entre a química e praticamente tudo. Dessa forma,

a ideia de que estudantes de engenharia devem aprender química parece evidente para a maioria dos químicos. Mas a química é apenas uma das muitas ciências com as quais um engenheiro deve estar familiarizado, e o currículo de graduação deve encontrar es-paço para muitos tópicos. Consequentemente, os currículos de engenharia na maioria das universidades estão em processo de redução: atualmente, as aulas de química geral tradicional, praticadas em um ano, ocupam um único semestre. Em muitos casos, essas instituições oferecem uma disciplina desenvolvida especificamente para estudantes de engenharia. Quando as escolas – incluindo a nossa – começaram a oferecer essa disci-plina, não havia livros no mercado com esse enfoque, e o conteúdo do material didático existente para os dois semestres necessitava sempre de modificação para encaixar. Apesar de isso ser possível, está longe de ser o ideal. Era imprescindível um livro específico para essa disciplina. Escrevemos este livro para preencher a lacuna.

Nosso objetivo é ampliar o papel da química para muitas áreas da engenharia e tec-nologia por meio de interação entre as duas áreas em uma variedade de tecnologias mo-dernas. Para muitos estudantes de engenharia, a química é basicamente um pré-requisito para disciplinas que envolvem propriedades dos materiais. Essas disciplinas em geral adotam abordagem fenomenológica dos materiais, em vez de enfatizar a perspectiva mo-lecular da química. O objetivo deste livro é proporcionar conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que suportam a ciência dos materiais. Isso não significa que a obra se destine apenas à ciência dos materiais; a intenção é preparar os estudantes para pesquisas futuras na área.

O livro fornece também conhecimento suficiente sobre ciência da química para um profissional tecnicamente habilitado. A engenharia, afinal, é a aplicação criativa e prática de vastíssima gama de princípios científicos, de forma que seus praticantes devem ter uma grande base em ciências naturais.

Conteúdo e organizaçãoO conteúdo completo de química geral tradicional não pode ser ensinado em um

semestre, logo, temos de decidir qual conteúdo incluir. Há basicamente dois modelos utilizados para condensar o programa de química geral. O primeiro é incluir a abor-dagem de um livro introdutório e reduzir o aprofundamento da cobertura e o número de exemplos, mas manter quase todo o conteúdo dos tópicos tradicionais. O segundo é tomar as decisões mais difíceis e fundamentais sobre quais tópicos da química são apropriados e relevantes para os leitores, nesse caso, futuros engenheiros. Escolhemos a última abordagem e produzimos um livro de 14 capítulos com base nos fundamentos para satisfazer o que pensamos ser os objetivos da disciplina:

Química geral aplicada à engenhariaxx

• Fornecer introdução concisa, mas total à ciência da química.• Fornecer aos estudantes informações consistentes sobre os princípios de estrutura e

de ligação, as quais servirão de base para estudos posteriores da ciência dos materiais.• Mostrar a conexão entre o comportamento molecular e as propriedades físicas

observáveis.• Mostrar as conexões entre a química e as outras matérias estudadas pelos alunos de

engenharia, especialmente matemática e física.

Considerados em sua totalidade, os 14 capítulos deste livro provavelmente represen-tam mais material do que poderia ser incluído em disciplina-padrão de um semestre. Os departamentos ou os professores, individualmente, necessitarão fazer algumas escolhas adicionais ao conteúdo mais adequado aos seus estudantes. Julgamos que muitos profes-sores não incluirão todo o material sobre equilíbrio do Capítulo 12, por exemplo. Simi-larmente, incluímos mais tópicos no Capítulo 8, sobre fases condensadas, do que muitos professores esperariam introduzir em suas disciplinas.

Cobertura dos tópicos

A cobertura dos tópicos neste livro reflete o fato de que os quí-micos constantemente utilizam conceitos múltiplos para entender seu campo; em geral utilizam mais de um modelo simultaneamente. O estudo da química que apresentamos aqui pode ser visto de múl-tiplas perspectivas: macroscópica, microscópica e simbólica. As duas últimas são enfatizadas nos Capítulos 2 e 3 sobre átomos, moléculas e reações. Nos Capítulos 4 e 5, estabelecemos mais de uma conexão entre o microscópico e o macroscópico no nosso tratamento de es-tequiometria e gases. Retornamos à perspectiva microscópica para cobrir mais detalhes de estrutura atômica e de ligação química dos Capítulos 6 ao 8. Os aspectos de energia da química, incluindo as

importantes consequências macroscópicas, são considerados nos Capítulos 9 e 10, e ci-nética e equilíbrio, tratados nos Capítulos 11 e 12, respectivamente. O Capítulo 13 lida com eletroquímica e corrosão, importante aplicação da química para muitas disciplinas de engenharia. Finalmente, concluímos com uma discussão sobre química nuclear.

Cobertura de conteúdo específico

Sabemos que existem tópicos específicos na química que são vitais para os futuros engenheiros. Escolhemos tratá-los da seguinte forma:

Química orgânica: A química orgânica é importante em muitas áreas da engenharia, particularmente naquelas relacionadas às propriedades dos polímeros. Em vez de utili-zarmos um único capítulo de orgânica, integramos nossa cobertura do assunto por todo o livro, enfocando em polímeros. Introduzimos os polímeros orgânicos na Seção 2.1 e os usamos com seus monômeros em muitos exemplos nesse capítulo. O Capítulo 2 também contém uma rica discussão de estruturas orgânicas lineares e grupos funcionais, e ter-mina com uma seção sobre síntese, estrutura e propriedades do polietileno. O Capítulo 4 começa e termina com discussões sobre combustíveis, um tópico ao qual retornamos no Capítulo 9. O Capítulo 8 contém mais sobre carbono e polímeros, e a reciclagem de polímeros fornece o contexto para a consideração da segunda lei da termodinâmica, no Capítulo 10.

Química ácido-base: As reações ácido-base representam outra importante área da química com aplicações na engenharia, e de novo integramos nossa cobertura em áreas apropriadas do livro. Inicialmente, definimos ácidos e bases na conjunção com a intro-dução a soluções no Capítulo 3. A estequiometria simples de soluções é apresentada no

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xxiPrefácio

Capítulo 4. Por fim, um tratamento mais detalhado da química ácido-base é apresentado no contexto de equilíbrios, no Capítulo 12.

Química nuclear: É incluído um capítulo sobre química nuclear para aqueles que desejam ensinar este tópico. A cobertura inclui fundamentos de reações nucleares, esta-bilidade e radioatividade nuclear, cinética de decaimento e as consequências energéticas dos processos nucleares.

Matemática: As habilidades matemáticas dos estudantes de engenharia em geral são mais fortes que as de outros alunos, e a maioria dos estudantes, atendendo a uma disci-plina do tipo para o qual este livro está direcionado, estará simultaneamente matricula-da em uma disciplina introdutória de cálculo. Em razão disso, incluímos referências ao papel do cálculo na seção Conexões matemáticas. Esses ensaios expandem e revisam os conceitos matemáticos à medida que dizem respeito ao tópico específico estudado, e aparecem sempre que as ligações entre o tópico em mãos e a matemática parecem espe-cialmente significativas. Essas seções têm a intenção de ser suplementares, de tal forma que os estudantes cursando uma disciplina de pré-cálculo não sejam prejudicados. Não se pretende com a inclusão de cálculo dificultar o material apresentado, mas indicar as conexões naturais entre as várias matérias estudadas.

Conexões entre química e engenhariaUma vez que este livro é direcionado a disciplinas desenvolvidas para estu-

dantes de engenharia, esforçamo-nos para apresentar a química nos contextos que realmente lhes interessam. Os vínculos entre química e engenharia são centrais na estrutura do livro. Cada capítulo começa e termina com uma seção Por dentro de, que introduz um modelo ou tema que mostra a interação entre química e engenharia. Essa seção representa apenas o começo das conexões, e o tema introduzido nela aparece regularmente por todo o capítulo.

Optamos por circular nas nossas aplicações de engenharia sempre que pos-sível. Assim, por todo o livro, discutimos as inovações-chave recentes em vários campos. Por exemplo, o Capítulo 3 inclui a discussão da química e da engenharia envolvida na conversão de biomassa em biocombustíveis. No Capítulo 7, descrevemos as nanopartí-culas de sílica mesoporosa, tópico de pesquisa de ponta que pode ter aplicações impor-tantes na engenharia biomédica no futuro. O Capítulo 8 encerra com uma discussão sobre a fabricação de sistemas microelétricos-mecânicos (MEMS).

Abordagem para a resolução de problemasA resolução de problemas é parte-chave nas disciplinas de química do ensino superior

e especialmente importante como habilidade transferida amplamente para os alunos de engenharia. Em razão disso, o livro inclui problemas resolvidos do início ao fim. Todos os Problemas-modelo introduzem a seção Estratégia logo após seu enunciado, na qual enfatizamos os conceitos e as relações que a serem considerados para trabalhar no proble-ma. Após a solução, em geral consta a seção Analise sua resposta, que ajuda os estudantes a aprender a estimar se a resposta obtida é razoável. Em muitos exemplos, nós incluímos a seção Discussão que ajuda a explicar a importância dos conceitos da resolução de pro-blemas ou alertar sobre algumas armadilhas que podem ser evitadas. Finalmente, cada exemplo termina com um problema ou uma pergunta da seção Verifique seu entendimento para ajudar o leitor a generalizar ou entender o que aprendeu no Problema-modelo.

Acreditamos que a experiência em química geral ajudará os estudantes de engenharia a desenvolver melhores habilidades na resolução de problemas. Além disso, percebe-mos que essas habilidades podem ser transferidas para outras matérias no currículo de engenharia mesmo quando o conteúdo de química não está envolvido. Adequadamente, incluímos uma característica única ao final de cada capítulo, a seção Enfoque na reso-

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Química geral aplicada à engenhariaxxii

lução de problemas. Nessa seção, as perguntas apresentadas não exigem uma resposta numérica, mas pede-se ao estudante que identifique a estratégia ou o raciocínio a ser utilizado no problema. Em geral, as perguntas propostas exigem que se identifiquem informações que ainda faltam para a resolução do problema. Na maioria dos casos, não é possível chegar a uma resposta numérica final utilizando as informações fornecidas; assim, os leitores são forçados a desenvolver uma solução, em vez de apenas identificar e executar um algoritmo. Os exercícios apresentados no final de cada capítulo incluem problemas adicionais dessa natureza, o que significa que a seção Enfoque na resolução de problemas pode ser totalmente incorporada à disciplina. Esse recurso didático é resultado de um projeto de avaliação de resolução de problemas nas aulas de química, financiado pela National Science Foundation (NSF).

Características do textoEmpregamos uma série de recursos, alguns dos quais já citados, que permitirão

que os estudantes identifiquem a utilidade da química e entendam as conexões com a engenharia.

por dentro de Seções Por dentro de: Cada capítulo é construído em torno da seção Por dentro de, na qual são apresentados temas que abrem e fecham cada capítulo e que mostram as conexões entre engenharia e química. Além de a seção abrir e fechar cada capítulo, os temas apresentados por ela são entrelaçados por todo o capítulo, fre-quentemente fornecendo o contexto para pontos de discussão ou problemas-modelo. O símbolo especial da seção é utilizado para identificar os locais onde as ideias apresentadas na seção de abertura do capítulo são revisitadas no livro.

ENFOQUE NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS Seções Enfoque na resolução de problemas: Professores de engenharia afirmam unanimemente que os calouros precisam praticar resolução de problemas. Entretanto, é importante fazer uma distinção entre problemas e exercícios. Os exercícios fornecem oportunidade de praticar uma habilidade limitada, enquanto os problemas exigem etapas múltiplas e raciocínio fora do contexto da informação fornecida. A seção Enfoque na resolução de problemas oferece aos estudantes a oportunidade de desenvolver e praticar verdadeiras habilidades nessa tarefa. Sempre no final de cada um dos capítulos, ela inclui uma mistura de questões qualitativas e quantita-tivas que enfocam o processo de busca por uma solução para um problema, não a solução em si. Em razão disso, incluímos também problemas similares adicionais no material de fim de capítulo.

Seções Conexões matemáticas: Em nossa experiência, uma peculiaridade que dis-tingue os estudantes de engenharia dos de química geral é o alto nível de intimidade com a matemática. Normalmente, a maioria deles que têm aulas do tipo para o qual este livro foi escrito também terá aula de cálculo. Portanto, parece natural apontarmos os suportes ma-temáticos de vários dos conceitos da química indicados neste livro, uma vez que permitirá que estudantes moldem conexões mentais entre as matérias cursadas. Ao mesmo tempo, admitimos que quem cursa uma disciplina de matemática de pré-cálculo não pode ser impedido de cursar química. Para tanto, colocamos quaisquer conceitos matemáticos mais avançados na seção Conexões matemáticas, os quais são independentes do restante do texto. Com relação aos estudantes familiarizados com a matemática, nosso objetivo é que possam conhecer a origem de tudo que está em nosso entorno e integrar esse conhecimento às leis da velocidade. Quanto àqueles com base menos extensa em matemática, nossa intenção é que, após a leitura deste livro, possam dominar a química apresentada.

Seções Problemas-modelo: Nossos exemplos são desenvolvidos para ilustrar boas práticas de resolução de problemas, enfocando inicialmente o raciocínio por trás da so-lução antes de partir para qualquer cálculo necessário. Enfatizamos a abordagem do

xxiiiPrefácio

“pensamento inicial” com a seção Estratégia, que esboça um plano para a resolução da questão. Muitos estudantes aceitam rapidamente qualquer resposta que sua calculadora mostre. Para combater isso, a maioria das soluções são seguidas da seção Analise sua res-posta, a qual utiliza estimativa e outras estratégias para que os estudantes confiram suas respostas. Cada exemplo termina com um exercício da seção Verifique seu entendimento para permitir que os alunos pratiquem ou estendam a habilidade que acabaram de apren-der. As respostas aos exercícios adicionais estão incluídas no Apêndice J, no fim do livro.

Características do final do capítulo: Cada capítulo é concluído com um resumo, destacando os principais pontos discutidos e uma lista de termos-chave, com o número da seção onde apareceu primeiro. As definições de todos os termos-chave estão no Glossário.

Conjunto de problemas: Cada capítulo inclui aproximadamente 100 problemas e exercícios, abrangendo um faixa muito grande de dificuldade. A maioria desses exercí-cios é identificada com seções específicas para fornecer a prática de que muitos estudantes precisam para dominar o assunto da seção. Cada capítulo inclui também um número de Problemas adicionais, que não estão vinculados a nenhuma seção em particular e que podem incorporar ideias de várias seções. Logo em seguida, como descrito, temos os exercícios da seção Enfoque na resolução de problemas. Na maioria dos capítulos, há a seção Problemas cumulativos, os quais pedem aos estudantes que sintetizem as informações do capítulo atual com aquelas que aprenderam nos capítulos anteriores para formular a resposta. Para esta edição, adicionamos inúmeros problemas mais desafiadores em vários capítulos. As respos-tas para todos os problemas ímpares aparecem no fim do livro no Apêndice K.

Notas de margem: As notas de margem apontam fatos adicionais, enfatizam mais pontos ou apontam para discussões similares que apareceram antes ou depois no livro. As Notas de margem são destacadas com o símbolo i dentro do texto e estão relacionadas à passagem relevante do conteúdo abordado.

Novidades nesta ediçãoExistem várias mudanças importantes nesta edição. Como fizemos na anterior, subs-

tituímos inúmeras seções Por dentro de para torná-la mais atual e tentar incluir tópicos que atrairão interesses mais amplos dos leitores. Portanto, introduzimos dois novos tópi-cos para essas seções quando na abertura de capítulo: Engenharia de biomassa e biocom-bustível, no Capítulo 3, e Análises de traços, no Capítulo 6. Ambos os temas estão mais facilmente ligados a aplicações de engenharia que os substituídos. As seções Por dentro de de encerramento dos Capítulos 3, 8, 9, 12 e 13 também foram reescritas para destacar tópicos com relevância mais atual. Uma lista mais detalhada das mudanças específicas é apresentada a seguir.

Capítulo Resumo das mudanças

1 • Referências atualizadas aos contextos usados em todo o livro, porque vários destes contextos foram modificados.

• Figuras melhoradas mostrando a natureza particulada da matéria e fases.• Uso ordenado das notas de margem por todo o texto.• Adicionaram-se problemas de fim de capítulo.

2 • Adicionou-se uma seção sobre as novas massas atômicas aprovadas pela IUPAC e uma explanação de qual massa atômica usar nos cálculos manuseados neste li-vro. Essa mudança inclui tabela com as novas faixas aprovadas e referências aos aspectos de investigações científicas, como mudança climática, que se apoiam neste nível de informação.

• Adicionaram-se problemas de fim de capítulo que constroem ligação entre isó-topos e espectroscopia de massas.

• Ordenação do uso de notas de margem por todo o texto.• Arte melhorada para várias figuras.

Química geral aplicada à engenhariaxxiv

3 Principal mudança• Mudou-se o contexto para todo o capítulo de explosões para biocombustíveis.• Inclusão de nova seção de abertura Por dentro de.• Inclusão de mudanças em vários Problemas-modelo.• Inclusão de variações em muitos pontos no texto em que são feitas referên-

cias ao contexto. • Inclusão de várias mudanças em muitas figuras (3.1, 3.2, 3.10).• Inclusão de variações nos Problemas-modelo relacionados ao tema de con-

texto.Outras mudanças• Mudou-se a seção Por dentro de de fechamento do capítulo de explosivo e quí-

mica verde para sequestro de carbono.• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.

4 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Substituiu-se a seção Enfoque na resolução de problemas por um novo estilo de

problema que inclui raciocínio gráfico.• Substituíram-se vários problemas de final de capítulo.

5 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Adicionaram-se vários problemas de final de capítulo.

6 Principal mudança• Mudou-se o contexto para todo o capítulo de lâmpadas para análises de traços.• Inclusão de nova seção Por dentro de de abertura de capítulo.• Inclusão de mudanças em vários Problemas-modelo.• Inclusão de mudanças em vários pontos no texto em que são feitas referên-

cias ao contexto.• Inclusão de mudanças em várias Figuras (6.2, 6.2, 6.10, que substituem o

que era a 6.16).• Inclusão de mudanças nos problemas de fim de capítulo relacionados ao

tema de contexto.Outras mudanças• Correção no estilo de Conexões matemáticas.• Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Arte corrigida na Figura 6.20 para refletir os valores exatos dos raios atômicos. • Mudaram-se as palavras no parágrafo introdutório da seção Por dentro de de tal

forma que não seja dependente do contexto agora renovado.

7 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Ordenação da arte em várias figuras.• Adicionaram-se vários problemas de final de capítulo.• Corrigiu-se a informação quantitativa sobre raios atômicos na Figura 7.1.• Removeram-se as citações de hibridizações sp3d e sp3d2 para melhor mostrar o

entendimento atual da inutilidade delas na descrição de ligações.

8 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Ordenação da arte em várias figuras.• Substituíram-se as Figuras 8.1 e 8.24 para acurar a representação de ciência.

• Adicionaram-se vários problemas de fim de capítulo.• Substituiu-se a seção Por dentro de de fechamento do capítulo sobre a invenção

de novos materiais por uma em sistemas microeletromecânicos (com referên-cias à nova arte de capa incluída).

9 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Adicionaram-se vários problemas de fim de capítulo.• Substituiu-se a seção Por dentro de de abertura do capítulo sobre baterias por

distribuição de energia e a grade elétrica com referências específicas às deman-das da ciência da computação.• Alguns dos conceitos mais importantes sobre baterias foram movidos para

a seção no Capítulo 13 que aborda o tema.• Atualização de arte de informação com datas.• Atualização de vários problemas de fim de capítulo para refletir as mudanças de

conteúdo no capítulo.

xxvPrefácio

10 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Ordenação da arte em várias figuras.• Refez-se a descrição de entropia do ciclo de Carnot.• Substituíram-se os dois parágrafos finais da seção Por dentro de de encerramento

do capítulo para incluir o papel dos plásticos nos ambientes marinhos – inclusão de nova figura em adição ao conteúdo do texto.

• Fixaram-se erros reais em um problema de final de capítulo e adicionaram-se novos problemas de final de capítulo.

11 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Ordenação da arte em várias figuras, incluindo atualizações na arte que tem

dados de anos específicos.• Substitui-se o estilo da seção Enfoque na resolução de problemas por um novo que

inclui raciocínio gráfico.

12 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Ordenação de informação numérica relacionada à constante de equilíbrio para

algumas reações no texto e apêndices.• Adicionaram-se vários problemas de fim de capítulo e ordenaram-se alguns

subtítulos usados nos problemas de final de capítulo.• Substitui-se a seção Por dentro de de encerramento do capítulo sobre boratos e

ácido bórico por concreto flexível.

13 • Ordenação do uso de Notas de margem por todo o texto.• Adicionou-se material sobre proteção catódica à Seção 13.3.• Revisou-se informação sobre baterias, mudando exemplos, na Seção 13.5.• Incluiu-se mudança de materiais sobre baterias primárias e secundárias do

Capítulo 9 para este capítulo.• Inclui-se mudança de informação sobre densidade de energia de baterias do

Capítulo 9 para este capítulo.• Substituiu-se a seção Por dentro de de encerramento de capítulo sobre preven-

ção de corrosão por uma sobre baterias de lítio-íon e o uso delas na engenharia aeroespacial.

• Substituíram-se os problemas de fim de capítulo por outros apropriados aos novos materiais adicionados.

Inclusão do

Capítulo 14

• Com Notas de margem ordenadas por todo o texto.• Apresentando várias descrições de parágrafo na Seção 14.6 sobre o acidente do

reator de Fukushima e a liberação de radioatividade dele. • Com um grande número de problemas de fim de capítulo.

AgradecimentosEstamos bastante entusiasmados com mais esta edição e somos gratos à ajuda e o

apoio de grande e talentosa equipe de profissionais. Há várias pessoas sem as quais jamais poderíamos ter feito esta obra. Porém, mais importante dentre elas estão nossas famílias, a quem este livro é novamente dedicado.

A origem desta obra vem de muitos anos atrás e, à medida que caminhamos para a próxima edição, gostaríamos de agradecer novamente algumas pessoas que colaboraram para que este projeto se iniciasse. Jennifer Laugier nos uniu para trabalhar em um livro para estudantes de engenharia. O trabalho de Jay Campbell como editora de desenvolvi-mento para a primeira edição foi tremenda e, sem seus esforços, o livro jamais teria sido publicado. Quando Jay se envolveu, o projeto tinha se enfraquecido por algum tempo e os ganhos subsequentes claramente não foram coincidências. A equipe editorial naquela época, consistindo em Michelle Julet, David Harris e Lisa Lockwood, também foi cru-cial para o projeto frutificar. A decisão de lançar uma obra em um segmento de mercado, que, na realidade, não existia, não foi fácil e apreciamos a confiança em nós por cada um membro da Brooks/Cole.

Química geral aplicada à engenhariaxxvi

No desenvolvimento desta edição, nossa equipe na Cengage Learning inclui uma mistura dos conhecidos e novos. Gostaríamos de agradecer nossa gerente de produto, Lisa Lockwood, cujo apoio contínuo foi sempre apreciado. Nossa nova desenvolvedora de Conteúdo, Alyssa White, junto com Lisa, contribuiu enormemente para discussões nas quais focou nossos esforços nesta revisão. Alyssa nos guiou por todo o processo de revisão e mostrou maravilhosa flexibilidade quando encontramos problemas para nos manter no cronograma original de produção. A editora Assistente Brendan Killion está relendo as revisões de materiais antigos. Carol Samet na Cengage e Teresa Christie na MPS Limited reviram todos os aspectos do processo de produção atual. Richard Camp como editor de Revisão nos ajudou na coerência de diversos tópicos de estilo e Jill Rei-chenbach forneceu uma pesquisa de fotos. David Shinn nos ajudou a conferir as provas e forneceu muitos comentários valiosos que melhoraram a exatidão do texto. O livro em nossas mãos reflete verdadeiramente os melhores esforços de muitos profissionais que trabalham duro; somos gratos a todos eles por seus papéis neste projeto.

São aproximadamente oito anos desde que a primeira edição norte-americana foi publicada e, por todo esse tempo, recebemos comentários úteis de inúmeros estudantes e colegas. Muitos dos comentários são informais, incluindo e-mail de alunos ou profes-sores apontando erros que encontraram ou nos informando sobre seções que realmente gostaram. Embora não exista uma maneira de listar todas as pessoas que contribuíram dessa forma, agradecemos sinceramente a todos.

Professores de uma gama enorme de instituições também forneceram comentários mais formais sobre o texto em vários estágios deste desenvolvimento. Agradecemos os seguintes revisores pela sua contribuição para a obra atual.

Darrel Axtell, Saint Martin´s UniversitySimon Bolt, University of Houston Patricia Muisener, University of South FloridaDiana Phillips, Kettering UniversitySteve Rathbone, Blinn College

Agradecemos também os seguintes revisores pela sua contribuição ao desenvolvi-mento da edição anterior deste livro.

Paul A. DiMilla, Norteastern UniversityWalter England, University of Wisconsin-MilwaukeeMary Hadley, Minnesota State University, MankatoAndy Jorgensen, University of ToledoKaren Knaus, University of Colorado-DenverPamela Wolff, Carleton UniversityGrigoriy Yablonsky, Saint Louis UniversityRobert Angelici, Iowa State UniversityAllen Apblett, Oklahoma State UniversityJeffrey R. Appling, Clemson UniversityRosemary Bartoszek-Loza, The Ohio UniversityDanny Bedgood, Charles Sturt UniversityJames D. Carr, University of NebraskaVictoria Castells, University of MiamiPaul Charlesworth, Michigan Technological UniversityRichard Chung, San Jose State UniversityCharles Cornett, University of Wisconsin–PlattevilleRobert Cozzens, George Mason UniversityRonald Evilia, University of New OrleansJohn Falconer, University of ColoradoSandra Greer, University of MarylandBenjamin S. Hsaio, State University of New York at Stony Brook

xxviiPrefácio

Gerald Korenowski, Rensselaer Polytechnic InstituteYinfa Ma, University of Missouri–RollaGerald Ray Miller, University of MarylandLinda Mona, Montgomery CollegeMichael Mueller, Rose-Hulman Institute of TechnologyKristen Murphy, University of Wisconsin–MilwaukeeThomas J. Murphy, University of MarylandRichard Nafshun, Oregon State UniversityScott Oliver, State University of New York at BinghamtonAo saudoso Robert Paine, Rochester Institute of TechnologySteve Rathbone, Blinn CollegeJesse Reinstein, University of Wisconsin–PlattevilleDon Seo, Arizona State UniversityMike Shaw, Southern Illinois University–EdwardsvilleJoyce Solochek, Milwaukee School of EngineeringJack Tossell, University of MarylandPeter T. Wolczanski, Cornell University

Larry BrownTom Holme

Novembro, 2014

Introdução ao estudante

xxix

Química e engenharia

Ao iniciarmos esta disciplina, as apostas são de que você possa se perguntar: “Por que tenho de estudar química? Na realidade, nunca precisarei dessa disciplina para ser um engenheiro”. Gostaríamos de começar oferecendo aos nossos leitores, futuros engenhei-ros, alguns exemplos das muitas ligações entre nosso campo da química escolhido e os vários ramos da engenharia. Os exemplos mais óbvios, naturalmente, vêm da engenharia química. Muitos engenheiros químicos estão envolvidos com o desenvolvimento ou a otimização de processos na indústria química, o que significa que lidarão com conceitos da química no cotidiano. De maneira similar, os engenheiros civis e ambientais que tra-balham com a proteção ou recuperação ambiental devem gastar muito tempo pensando sobre reações químicas que ocorrem no fornecimento de água ou no ar. Mas e os outros campos da engenharia?

Grande número de engenheiros elétricos modernos conta com dispositivos no es-tado sólido cujas propriedades podem ser adaptadas por meio do controle cuidadoso de suas composições químicas. Apesar de muitos deles não fabricarem regularmente seus próprios chips, um entendimento de como funcionam em uma escala atômica é certa-mente muito útil. À medida que a pressão por novos componentes de circuitos cada vez menores continua, os vínculos entre a química e a engenharia elétrica crescerão ainda mais. Desde diodos emissores de luz (OLED) a transmissores moleculares únicos, novas experiências e novos projetos continuarão a ser desenvolvidos nos laboratórios de quími-ca para dispositivos de funcionamento, em velocidade impressionante.

Algumas aplicações da química na engenharia são muito menos óbvias. Nos seus 452 metros, as torres Petronas em Kuala Lampur, Malásia, eram os prédios mais altos do mundo quando sua construção terminou em 1998. Faltava aço na Malásia, logo, os arquitetos das torres decidiram construir as estruturas a partir de algo que fosse abun-dante no país e com o que os engenheiros estivessem familiarizados: concreto. Mas a impressionante altura das torres exigia concreto excepcionalmente resistente. Os enge-nheiros optaram então por um material que veio a ser conhecido como concreto de alta resistência, no qual as reações químicas entre os vapores de sílica e o cimento Portland produzem material mais forte, mais resistente à compressão. Esse exemplo ilustra a rele-vância da química mesmo em campos muito tradicionais da engenharia, e abordaremos alguns aspectos da química do concreto no Capítulo 12, incluindo o desenvolvimento do novo concreto flexível.

Sobre este livro

Nós dois ministramos química geral por muitos anos e estamos familiarizados com as dificuldades que os estudantes encontram no assunto. Talvez mais importante, temos ministrado para estudantes de engenharia o tipo de disciplina de um semestre para o qual

Química geral aplicada à engenhariaxxx

este livro foi desenvolvido. A abordagem dos assuntos apresentados aqui foi extraída de ambos os níveis de experiência.

Trabalhamos muito para tornar este livro o mais claro possível e fácil para o estudan-te. Uma característica que o torna diferente de qualquer outro que pudesse ser utilizado para essa disciplina é que incorporamos conexões entre a química e a engenharia como componente fundamental. Você observará que cada capítulo começa e termina com a seção Por dentro de . Ela é apenas o começo das conexões, e o tema introduzido na abordagem inicial aparece regularmente por todo o capítulo. Esse símbolo especial iden-tifica o material que está intimamente relacionado com o tema da seção Por dentro de. Ouvimos muitos estudantes reclamarem sobre o que a química tem a ver com os campos escolhidos por eles, e esperamos que a abordagem adotada aqui possa ajudá-los a ver algumas conexões.

Em geral, os estudantes de engenharia atendem a um razoável conjunto-padrão de disciplinas no primeiro ano na universidade, portanto é muito provável que você esteja fazendo disciplinas de cálculo e de física junto com química. Tentamos salientar os pon-tos em que existem conexões fortes entre esses assuntos e, ao mesmo tempo, fazer isso de maneira vantajosa para um estudante que esteja cursando uma disciplina de matemática de pré-cálculo. Portanto, podemos nos referir às similaridades entre as equações vistas aqui e aquelas encontradas nos livros de física, mas não presumimos que o leitor já esteja familiarizado com aquelas equações. No caso da matemática, utilizamos uma seção espe-cial, Conexões matemáticas, para discutir o uso da matemática, e especialmente o cálculo, na química. Se você está familiarizado com cálculo ou fazendo concomitantemente essa disciplina, o conteúdo da seção o ajudará a entender como algumas das equações utili-zadas na química surgem do cálculo. Mas se não for o caso, pode pular essa seção, pois, mesmo assim, será capaz de trabalhar com as equações necessárias.

Embora a nossa intenção primordial seja ajudá-lo a aprender química, acreditamos que este livro e a disciplina para a qual é utilizado podem ajudá-lo a desenvolver um conjunto amplo de habilidades que será útil durante seus estudos e carreira. A principal habilidade é a resolução de problemas. Muito do trabalho dos engenheiros caracteriza--se como resolução de problemas. Os problemas das aulas de química definitivamente são diferentes daqueles examinados na engenharia, na física ou na matemática. No en-tanto, quando estudados de forma integrada, todos os assuntos o ajudarão a formular abordagem consistente a ser usada na resolução de praticamente qualquer problema. Grande parte de nossos estudantes tende a “pular etapas” e a começar a escrever equa-ções quando se deparam com um problema. Antes disso, é fundamental que haja uma estratégia para resolvê-lo, especialmente se for difícil ou não familiar. Todos os nossos exemplos resolvidos incluem a seção Estratégia, na qual esboçamos o caminho para so-lução antes de começar a calcular qualquer coisa. A seção Solução põe então a estratégia em ação. Para muitos exemplos numéricos, seguimos a solução por meio da seção Analise sua resposta, em que utilizamos a estimativa ou comparação para valores conhecidos, para confirmar que nossa resposta faz sentido. Encontramos muitos estudantes que acreditam que qualquer valor apresentado por sua calculadora deve ser a resposta correta, mesmo quando é fácil verificar que um erro foi cometido. Diversos exemplos também incluem a seção Discussão, na qual abordamos as armadilhas mais comuns a se evitar ou como o problema que acabamos de resolver se relaciona com outras ideias já exploradas. Por fim, cada problema-modelo termina com uma pergunta ou problema da seção Verifique seu entendimento, que lhe fornece a oportunidade de praticar as habilidades ilustradas no exemplo ou ampliá-las mais rapidamente. As respostas para as perguntas dessa seção estão no Apêndice J.

Enquanto estamos pensando sobre os problemas-modelo, algumas palavras sobre arredondamento e algarismos significativos estão no método. Na resolução dos pro-blemas-modelo, empregamos massas atômicas com o número completo de algarismos significativos da tabela periódica no final do livro. Usamos também algarismos signifi-

xxxiIntrodução ao estudante

cativos disponíveis para constantes, como a velocidade da luz ou a constante universal dos gases. Tentamos escrever os resultados intermediários com o número apropriado de algarismos significativos. Mas quando esses mesmos resultados são utilizados em cálculo subsequente, não arredondamos os valores. Em vez disso, mantemos o resultado com-pleto da calculadora. Apenas a resposta final é arredondada. Se você adotar esse proce-dimento, será capaz de obter as mesmas respostas que nós. (Usamos o mesmo processo para gerar as respostas para os problemas numéricos do Apêndice K.) Para os problemas que envolvem encontrar a inclinação ou a interseção de uma linha, os valores mostrados foram obtidos por meio de regressão linear, utilizando algoritmos construídos em plani-lha ou em calculadora gráfica.

Uma característica deste livro é a inclusão de uma pergunta na seção Enfoque na re-solução de problemas, no final de cada capítulo. As perguntas propostas são desenvolvidas para estimulá-lo a pensar sobre o processo de resolução do problema, em vez de apenas a obtenção de resposta. Em muitos casos, esses problemas não incluem informações sufi-cientes para permitir que se chegue a uma solução final. Apesar de sabermos que a maio-ria dos estudantes iniciantes de engenharia pode considerar isso frustrante, percebemos que é uma boa aproximação do tipo de problemas que um engenheiro pode confrontar. Raramente um cliente fornece todos os tipos de informações de que se precisa para re-solver o problema.

Uma das perguntas mais comuns dos estudantes é: “Como devo estudar química?”. Lamentavelmente, essa questão é feita com mais frequência depois que os estudantes vão mal em uma ou mais provas. Uma vez que pessoas diferentes aprendem melhor de maneira diferente, não existe uma fórmula mágica que assegure que todos se saiam bem em química. Porém, há algumas estratégias e práticas comuns que podemos recomendar. Inicialmente e mais importante, sugerimos que você evite atrasar-se em relação a qual-quer de suas disciplinas. Aprender toma tempo, e poucas pessoas são capazes de dominar três capítulos de química (ou física, ou matemática, ou engenharia) na noite anterior a uma grande prova. Atrasar-se em uma disciplina inevitavelmente o levará a deixar muitas coisas de lado, logo, deve tentar manter-se em dia desde o começo. Muitos professores estimulam os estudantes a ler o relevante material do livro antes que seja apresentado na aula. Essa é certamente a melhor abordagem, porque uma ideia geral e prévia do conteú-do contribuirá para que você possa aproveitar melhor a aula.

Ao estudar para as provas, deve tentar fazer uma estimativa daquilo que entende e do que não entende. Apesar de ser desconfortável voltar toda a atenção a problemas que não parece ser capaz de resolver, gastar mais tempo estudando itens que já domina provavelmente terá menos impacto na sua nota. Os estudantes de engenharia tendem a focar muito mais atenção em problemas numéricos. Apesar de tais cálculos serem pro-vavelmente muito importantes na sua aula de química, o encorajamos também a tentar dominar os conceitos químicos por trás deles. Provavelmente, seu professor o testará também em temas qualitativos ou conceituais.

Por fim, enfatizamos que este livro é rico em informações. Aqui são apresentados vários tópicos que em geral aparecem em uma disciplina de química de graduação com um ano de duração, mas eles são desenvolvidos para uma disciplina que toma apenas um semestre. Para gerenciarmos a tarefa de equiparar o volume de material, deixamos de fora alguns tópicos e encurtamos a discussão de outros. Em todo esse processo de apren-dizagem, a internet é uma ferramenta imprescindível, pois por meio dela pode-se encon-trar mais informações sobre um assunto de interesse.

Ficamos felizes que este livro tenha chegado às suas mãos. Esperamos que aproveite o seu semestre de aprendizado em química e que esta obra seja parte positiva de sua experiência.

Larry BrownTom Holme

Novembro de 2014

1Introdução à Química

Em um futuro não muito distante, os engenheiros devem projetar e montar dis-positivos mecânicos e eletrônicos em miniatura, engrenagens e outras peças fabricadas em escala atômica. As decisões desses profissionais serão guiadas pelo conhecimento dos tamanhos e das propriedades dos átomos de diferentes elementos. Tais dispositivos poderão ser construídos átomo por átomo: cada um seria especificado com base em cri-térios de design relevante e manobrado para a posição com a utilização de técnicas como a da “correia transportadora” mostrada na figura acima. i Essas nanomáquinas serão montadas não por parafusos ou rebites, mas pelas forças de atração entre os diferentes átomos, ou seja, por meio de ligações químicas. Evidentemente, esses engenheiros do futuro terão de compreender os átomos e as forças que os ligam, isto é, terão de entender a química.

Por enquanto, essa engenharia relacionada aos átomos permanece ainda como uma possibilidade a ser concretizada no futuro. E em relação aos engenheiros de hoje? Quan-to de suas decisões depende do conhecimento da química? Como estudante de engenha-ria, quais são os motivos para você estudar química?

O Conselho de Atribuição para Engenharia e Tecnologia (Accreditation Board for Engineering and Technology – ABET) é uma organização profissional que supervisiona o

Os cientistas do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia em

Berkeley desenvolveram essa “correia transportadora” em nanoescala. Os átomos individuais de

metal são transportados ao longo de um nanotubo de carbono a partir de uma gotícula metálica

a outra. Essa pesquisa possibilita uma maneira para a construção em escala atômica de disposi-

tivos óticos, eletrônicos e mecânicos. Cortesia do Grupo de Pesquisa Zettl, do Laboratório Nacional

de Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia em Berkeley.

1.1 por dentro de Alumínio

1.2 O estudo da química

1.3 A ciência da química: observações e modelos

1.4 Números e medições na química

1.5 Soluções de problemas na química e na engenharia

1.6 por dentro de Seleção de material e quadros de bicicletas

A nanociência trabalha com objetos cujos tamanhos são similares àqueles de átomos e moléculas. Faça uma busca na internet por “nanociência” ou “máquinas moleculares” para saber mais. i

1

Química geral aplicada à engenharia2

ensino de engenharia. De acordo com a definição da ABET, “engenharia é a profissão cujo conhecimento das ciências matemáticas e naturais obtido por meio de estudos, ex-periências e prática é aplicado com bom-senso para o desenvolvimento de maneiras de utilizar, economicamente, os materiais e as forças da natureza em benefício da humani-dade”. Logo, como uma das ciências, a química está claramente incluída no campo de conhecimento de um engenheiro. Ainda assim, os estudantes de engenharia nem sempre reconhecem o papel da química na profissão que escolheram. Dessa forma, um dos prin-cipais objetivos deste livro é inspirar uma avaliação do papel da química em muitas áreas da engenharia e tecnologia, bem como uma interação entre a química e a engenharia, em uma variedade de tecnologias modernas.

O estudo da química envolve um vasto número de conceitos e habilidades. A filosofia deste livro é apresentar algumas ideias básicas e aplicá-las aos aspectos da engenharia em que a química é importante. Cada capítulo começará com um exemplo da quími-ca relacionada à engenharia. Alguns desses exemplos, como a queima de combustíveis, envolverão aplicações bem claras de princípios químicos e reações. Em outros casos, o papel da química pode não ser tão aparente. No Capítulo 10, por exemplo, considera-remos a reciclagem de plásticos e examinaremos alguns fatores que limitam tanto a exe-quibilidade quanto a lucratividade da reciclagem. Outros temas envolverão o projeto e a seleção de materiais para diversos usos e como pequenas variações na composição podem influenciar as propriedades de ligas que são frequentemente usadas nos projetos de en-genharia. Todas as seções de abertura de capítulo apresentam títulos que começam com “Por dentro de...”, e as questões apontadas nessas seções guiarão nossa exploração dos fundamentos relevantes de química apresentados por todo o capítulo. Nosso primeiro caso contempla a produção e história do alumínio como material estrutural.

Objetivos do capítuloApós dominar o assunto deste capítulo, você será capaz de:

� descrever como a química e a engenharia auxiliaram a transformar o alumínio de um metal precioso em um material estrutural barato.

� explicar a utilidade das perspectivas macroscópica, microscópica e simbólica na compreensão dos sistemas químicos.

� desenhar figuras para ilustrar fenômenos químicos simples (como as diferenças entre sólidos, líquidos e gases) em escala molecular.

� explicar, com suas próprias palavras, a diferença entre o raciocínio indutivo e o dedutivo.

� utilizar proporções adequadas para a conversão de medidas de uma unidade para outra.

� expressar os resultados de cálculos com o número correto de algarismos significativos.

por dentro de

1.1 AlumínioQuando está com sede, você tem várias opções para saciar sua vontade. Mas, ao optar por uma latinha de refrigerante, dificilmente você se perguntará: “De onde veio a lata que contém este refrigerante? Por que ela é feita de alumínio?”. Hoje, a lata de alumínio se tornou um material tão comum que é fácil considerá-la algo normal. i O que faz do alumínio um material fascinante para esse tipo de aplicação e como ele se tornou tão comum em nossa vida?

A cada ano, são produzidas em torno de 130 bilhões de latas de alumínio nos Estados

Unidos. i

3Capítulo 1 Introdução à química

Você provavelmente pode identificar algumas propriedades do alumínio que tornam seu uso em uma lata de refrigerante adequado. Comparado à maioria dos outros metais, o alumínio é leve, mas bem forte. Desse modo, uma lata de alumínio comum é bem mais leve que uma de estanho ou aço. Isso significa que a lata não adiciona muito peso ao re-frigerante; consequentemente, a lata é mais fácil de ser manuseada e mais barata para ser transportada. Uma lata de refrigerante feita de chumbo seria certamente menos vantajo-sa. O fato de o alumínio não sofrer facilmente reações químicas que poderiam degradá-lo à medida que a lata é transportada e armazenada também é importante. Porém, apesar de todas essas características positivas da lata de alumínio, elas não teriam muita utilidade prática se o metal não estivesse disponível e não fosse razoavelmente barato.

A grande disponibilidade do alumínio é resultado de uma colaboração impressio-nante entre a ciência básica da química e as ciências aplicadas da engenharia. No século XIX, o alumínio era um metal raro e precioso. Na Europa, Napoleão era o imperador de uma parte considerável do continente e ele impressionava seus convidados com o uso de extravagantes talheres de alumínio. Nos Estados Unidos, os arquitetos queriam um material que causasse impacto para ser utilizado no topo do Washington Monument, um tributo ao “fundador do país”, e então escolheram o alumínio. Pesando 100 onças (aproximadamente 2,8 kg), o topo do monumento era a maior peça única de alumínio puro fundido até então. Hoje, chapas de alumínio com mais de 45 kg são encontradas com regularidade em muitas oficinas. Por que o alumínio era tão caro naquela época e o que mudou para ele se tornar tão acessível hoje?

Uma discussão inicial dessa questão pode ser pensada ao se observar a Figura 1.1, que expressa bem as interações da sociedade humana com o planeta Terra. A sociedade, re-

Ecosfera

A matéria �ui da economia humana para a ecosfera como lixo.

Sociedade humana

A matéria �ui da ecosfera para a economia humana como matéria-prima.

Figura 1.1 As interações da sociedade humana com a Terra podem ser pensadas amplamente em termos da conversão de bens obtidos da matéria-prima em resíduos. Muito da engenharia consiste em esforços para otimizar os processos utilizados nessas conversões. Como ciência da matéria, a química é um importante elemento do conhecimento explorado na engenharia desses processos.


presentada pelo globo, tem necessidades de bens e materiais. Atualmente e para o futuro previsível, a matéria-prima necessária para a produção desses bens deverá ser extraída de alguma forma da Terra. Quando os bens são utilizados, os restos se tornam lixo e, por isso, são descartados, completando o ciclo com o retorno dos materiais exauridos para o ecossistema. O papel da engenharia nesse ciclo é maximizar com eficiência os materiais que são extraídos e minimizar a quantidade de resíduo gerado.

Consideremos o alumínio nesse contexto. Esse metal puro nunca é encontrado na na-tureza. Em vez disso, ele é encontrado em um minério, chamado bauxita, que é composto tanto por rocha sem utilidade como por alumínio em combinação com oxigênio. i Logo, antes de o alumínio poder ser utilizado na lata de refrigerante, ele deve ser primeiro extraído ou “lavrado” de seu minério e purificado. O fato de o alumínio se combinar facilmente com o oxigênio traz sérios desafios. Alguns desses desafios são químicos e serão vistos no Capítulo 13 deste livro. Certas etapas iniciais, no entanto, podem ser resolvidas por meio de habilido-sas aplicações das propriedades físicas. Estudaremos algumas delas ao investigarmos os ma-teriais introdutórios neste capítulo. Ao estar diante de uma mistura complexa de materiais, como um minério, de que maneira um químico resolve separar a mistura?

Para examinarmos esse tipo de questão, devemos adotar a abordagem que é utilizada comumente na ciência. A expressão método científico tem diversas definições possíveis, mas ela será examinada mais profundamente na Seção 1.4. Nesse momento, consideraremos método científico como uma abordagem ao entendimento que se inicia com a observação da natureza, passa para a hipótese ou a construção de modelo em resposta àquela observação e finalmente inclui experimentos adicionais que ampararão ou refutarão a hipótese. Nessa definição, a hipótese é uma suposição baseada em fatos ou informações para explicar a natu-reza. Neste capítulo, veremos como esse método se relaciona à química em geral e também a assuntos referentes a materiais como o alumínio e sua utilidade na sociedade.

1.2 O estudo da químicaA química é chamada de “ciência central” porque ela é importante para muitos outros campos do estudo científico. Mesmo que você nunca tenha feito um curso de química, é bem possível que já tenha visto alguma coisa sobre o assunto. Este livro e a disciplina na qual ele está sendo utilizado ajudarão a conectar partes de informações que você já ob-teve, aumentarão sua compreensão dos conceitos químicos e proporcionarão um quadro mais coerente e sistemático da química. O objetivo principal das disciplinas de graduação de introdução à química é auxiliá-lo a avaliar o ponto de vista químico e a forma como ele pode ajudá-lo a entender o mundo natural. Esse tipo de perspectiva habilita os químicos e engenheiros a planejarem estratégias para o refino de metais a partir de seus minérios, bem como a abordarem os muitos outros problemas aplicados que serão explorados aqui.

Esse quadro coerente envolve três níveis de compreensão ou de perspectivas sobre a natureza da química: macroscópico, microscópico e simbólico. Ao final desta disciplina, você será capaz de optar entre essas perspectivas para examinar problemas que envolvem a química de diversas maneiras. O que podemos ver sobre as substâncias e suas reações fornece a perspectiva macroscópica. Devemos interpretar esses eventos considerando a perspectiva microscópica (ou “particulada”), na qual focalizamos os menores com-ponentes do sistema. Finalmente, devemos ser capazes de transmitir esses conceitos de forma eficiente. Para isso, os químicos inventaram uma perspectiva simbólica que nos permite realizar essa comunicação. Podemos examinar esses três aspectos da química inicialmente para obter uma referência que molde nossos estudos do princípio.

A perspectiva macroscópica

Quando observamos as reações químicas no laboratório ou no mundo à nossa volta, perce-bemos a matéria no nível macroscópico. Matéria é qualquer coisa que tenha massa e possa

O alumínio na bauxita é normalmente encontrado em um dos três minerais: gibbsita,

boemita e diásporo. i


ser observada. Estamos tão em contato com a matéria que tendemos a aceitar nossa per-cepção intuitiva de sua existência como uma definição adequada. No entanto, ao estudar-mos química, precisamos estar conscientes de que nem tudo que observamos na natureza é matéria. A luz, por exemplo, não é considerada matéria porque não tem massa.

Quando examinamos mais de perto a matéria, nesse caso o alumínio, surgem diversas perguntas. O comportamento do alumínio em uma lata é previsível. Se ela for jogada para o alto, pouco acontecerá, com exceção de que cairá por causa da força da gravidade. As latas de alumínio e outros bens de consumo como os mostrados na Figura 1.2 não se decompõem no ar nem sofrem outras reações químicas. No entanto, se o alu-mínio de uma lata de refrigerante for triturado em um pó fino e jogado ao ar, ele pode pegar fogo ao se combinar quimicamente com o oxigênio do ar. Acredita-se hoje que o dirigível Hindenburg pegou fogo basicamente porque era coberto com uma tinta que continha pó de alumínio e não porque estava cheio de gás hidrogênio (você pode encon-trar um resumo dessas evidências fazendo uma pesquisa na internet).

Uma das maneiras mais comuns de observar a matéria é permitir que ela se modifique de alguma forma. Duas variações podem ser distinguidas: físicas e químicas. As substâncias envolvidas em uma variação física não perdem suas identidades químicas. As proprie-dades físicas são variáveis que podemos medir sem alterar a identidade da substância que está sendo observada. Massa e densidade são propriedades físicas familiares. A mas-sa é medida por meio da comparação do objeto dado com algum padrão, geralmente uma balança. A densidade é uma razão entre massa e volume (às vezes, essa variável é chamada densidade de massa). Para determinar a densidade, tanto a massa quanto o volume devem ser medidos. Esses valores podem ser obtidos sem alterar o material; logo, a densidade é uma propriedade física. Outros exemplos familiares de propriedades físicas incluem a cor, a viscosidade, a resistência e a temperatura. Algumas propriedades físicas, que serão definidas mais tarde, incluem capacidade de calor, ponto de ebulição, ponto de fusão e volatilidade.

As propriedades químicas estão associadas aos tipos de variações químicas que uma substância sofre. Por exemplo, alguns materiais queimam facilmente, enquanto outros não. A queima em oxigênio é uma reação química chamada combustão. A corrosão, que é a degradação de metais na presença de ar e umidade, é outra variação química comumente observada. i O tratamento de um metal com algum outro material, como a tinta, pode frequentemente evitar o dano causado pela corrosão. Desse modo, uma importante propriedade química da tinta é sua resistência à corrosão. As propriedades químicas podem ser determinadas apenas pela observação de como uma substância altera sua identidade nas reações químicas.

Abordaremos a corrosão e sua prevenção com mais detalhes no

Capítulo 13. i

Figura 1.2 Todos os utensílios comuns de cozinha mostrados aqui são feitos de alumínio. O baixo peso do metal, a resistência à corrosão e o baixo custo tornam o alumínio uma escolha viável para muitos bens de consumo.©

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As propriedades químicas e físicas do alumínio são importantes para sua utili-dade. Um material estrutural é útil somente se puder ser formado em moldes desejados, o que requer que ele seja maleável. A maleabilidade é a propriedade que um material possui de ser passado em rolos ou forjado em folhas finas sem se romper. No caso dos metais, essa capacidade ajuda a conferir valor a eles. i Trata-se de uma propriedade física porque a substância permanece intacta. Ela ainda é o mesmo metal, apenas com um perfil diferente. Uma lata de alumínio é conformada durante seu processo de fabricação, mas sua configuração pode ser alterada, como você já deve ter feito ao espremer uma lata para colocá-la em uma lixeira de coleta seletiva. Do mesmo modo, as propriedades químicas do alumínio são importantes. O alumínio puro provavelmente reagiria com os ácidos em muitos refrigerantes. Em razão disso, as latas de refrigerante são revestidas internamente com uma fina camada de polímero – um plástico – para evitar que o metal reaja com o conteúdo. Isso demonstra como o conhecimento das propriedades químicas permite que os projetistas de produto evitem reações prejudiciais em potencial.

Quando observamos macroscopicamente reações químicas, encontramos três for-mas comuns, ou fases, da matéria: sólida, líquida e gasosa. i No nível macroscópico, os sólidos são rígidos e não alteram sua forma facilmente. Quando um sólido é colocado em um recipiente, ele conserva seu perfil, em vez de assumir a forma do recipiente. Mes-mo um sólido em pó demonstra esse traço, uma vez que as partículas individuais ainda mantêm sua forma, apesar de o conjunto delas poder tomar a forma do recipiente.

Os líquidos podem ser distinguidos dos sólidos macroscopicamente, uma vez que, di-ferentemente dos primeiros, se adaptam à forma do recipiente no qual são colocados. Eles podem não preencher o volume por inteiro, mas a porção que eles ocupam tem sua forma definida pelo recipiente. Os gases podem ser diferenciados macroscopicamente tanto dos líquidos quanto dos sólidos em razão de sua propriedade de expandir-se para ocupar todo o volume de seu recipiente. Apesar de muitos gases serem invisíveis, a observação do preen-chimento do volume disponível é uma experiência comum; quando andamos, por exemplo, numa sala grande, não ficamos preocupados em encontrar um espaço sem ar.

O alumínio que encontramos diariamente é um sólido, mas, durante o processo de refino, torna-se fundido ou líquido. O manuseio do metal derretido, sua colocação em recipientes e a separação de impurezas fornecem tanto desafios químicos quanto de en-genharia para aqueles que projetam indústrias de produção de alumínio.

Frequentemente, as propriedades químicas e físicas são difíceis de serem distingui-das no nível macroscópico. Podemos garantir que a ebulição da água é uma variação física, mas, se você não fizer nada além de observar que a água fervendo em uma panela desaparece, como saberá se ela sofreu uma variação química ou física? Para responder a esse tipo de pergunta, precisamos considerar as partículas que formam a água, ou o que quer que observemos, e aquilo que ocorre no nível microscópico.

A perspectiva microscópica ou particulada

O princípio mais fundamental da química é que toda matéria é composta por átomos e moléculas. É por isso que os químicos tendem a pensar em tudo como “uma substância química” de um tipo ou outro. Em muitos casos, a matéria que encontramos é uma mistura complexa de substâncias químicas e nos referimos a cada componente individual como uma substância química. Definiremos esses termos mais extensivamente à medida que nosso estudo da química se desenvolver, mas aqui utilizaremos definições básicas. Toda matéria compreende um número limitado de “blocos construtivos”, chamados ele-mentos. Frequentemente, os elementos são associados à tabela periódica, mostrada no fim deste livro e decerto pendurada na sala onde você tem aula de química. Átomos são partículas inimaginavelmente pequenas que não podem se tornar menores e ainda se comportam como um sistema químico. i Quando estudamos a matéria em níveis me-nores que um átomo, passamos para a física de partículas elementares ou nucleares. Mas

A palavra átomo vem do

grego “átomos”, que significa

indivisível. i

O alumínio é normalmente o segundo na classificação de maleabilidade, ficando atrás só do

ouro. i

Os outros dois estados da matéria são os plasmas e os condensados de Bose-Einstein, que não existem

em temperaturas normais. i


os átomos são as menores partículas que podem existir e mantêm a identidade química de qualquer elemento que seja. Moléculas são grupos de átomos mantidos unidos de tal maneira que formem uma unidade cuja identidade é distintamente diferente do átomo isolado. Finalmente, veremos como as forças chamadas “ligações químicas” são respon-sáveis por manter os átomos unidos nessas moléculas.

A perspectiva particulada fornece uma visão mais detalhada sobre a distinção entre as variações químicas e físicas. Como os átomos e as moléculas são pequenos demais para se-rem observados diretamente ou fotografados, normalmente utilizaremos desenhos esque-máticos simplificados para representá-los neste livro. Em geral, átomos e moléculas serão desenhados como círculos para representá-los e avaliar suas variações.

Se considerarmos sólidos, líquidos e gases, como eles se diferem no nível particu-lado? A Figura 1.3 apresenta uma ilustração bem simples, porém útil. Observe que os átomos em um sólido são empacotados bem próximos, e isso é representado como man-tendo sua forma – aqui como um tijolo ou naco. A fase líquida também tem suas partí-culas constituintes empacotadas bem próximas umas às outras, mas elas são mostradas como se preenchessem a base do recipiente, em vez de manterem sua forma. Finalmente, o gás é mostrado com distâncias bem maiores entre as partículas, que se movimentam li-vremente pelo volume inteiro do recipiente. Essas figuras foram inferidas de experimen-tos conduzidos durante muitos anos. Vários sólidos, por exemplo, têm estruturas bem ordenadas chamadas cristais; em geral e consequentemente, a perspectiva particulada de sólidos inclui esse sentido de ordem.

Como podemos distinguir uma variação química de uma física nessa perspectiva? A diferença é denotada facilmente nesse nível, apesar de nem sempre ser mais óbvia à observação. Se um processo é uma variação física, os átomos e as moléculas em si não variam. Para examinarmos essa ideia, utilizaremos uma molécula “famosa”: a água. Mui-tas pessoas que nunca estudaram química sabem que a fórmula da água é “H dois O”. Representamos essas moléculas com a utilização de círculos de diferentes tamanhos; o círculo maior representa o oxigênio e os círculos menores representam o hidrogênio. Na Figura 1.4 vemos que, quando a água ferve, a composição das moléculas individuais é a mesma na fase líquida e na fase gasosa. A composição da água não foi alterada, e esse fato é característico de uma variação física.

Contraste isso com a Figura 1.5, que representa um processo chamado eletrólise no nível particulado. A eletrólise ocorre quando a água é exposta a uma corrente elétrica. Observe que as moléculas se alteram nessa representação à medida que as moléculas de água são convertidas em moléculas de hidrogênio e de oxigênio. Aqui, então, temos uma variação química.

Sólido Líquido Gasoso

Figura 1.3 Visões no nível particulado das fases sólida, líquida e gasosa da matéria. i Em um sólido, as moléculas mantêm uma estrutura ordenada, por isso a amostra mantém seu tamanho e sua forma. Em um líquido, as moléculas permanecem próximas entre si, mas o arranjo ordenado se quebra. No nível macroscópico, isso permite que o líquido flua e adquira a forma do recipiente onde se encontra. Na fase gasosa, as moléculas estão amplamente separadas e se movimentam independentemente umas das outras, o que permite que o gás preencha o volume disponível do recipiente.

Para representar corretamente as densidades relativas de um gás e um líquido, seria necessário muito mais espaço entre as partículas em um gás que o

mostrado na Figura 1.3. i


Visão MicroscópicaVisão Macroscópica

H2O (líquido) H2O (gás)

Figura 1.4 A ebulição da água é uma variação física na qual a água líquida é convertida em um gás. Tanto a fase líquida quanto a fase gasosa são formadas por moléculas de água; cada uma contém dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. As inserções em escala particulada nessa figura enfatizam esse fato e também mostram que a separação entre as moléculas de água é bem maior no gás que no líquido.

Gás hidrogênio

Gás oxigênio

Água líquida

Figura 1.5 Se uma corrente elétrica adequada passar através da água líquida, ocorre uma variação química conhecida como eletrólise. Nesse processo, as moléculas de água são convertidas em mo-léculas de gases de hidrogênio e oxigênio, como mostrado nas inserções em escala particulada na figura.

Se observarmos macroscopicamente essas duas reações, o que veremos e como sabe-remos a diferença? Em ambos os casos, notaremos a formação de bolhas. Somente em um caso as bolhas conterão vapor de água (gás) e, no outro, hidrogênio. Apesar dessa semelhança, podemos fazer observações no nível macroscópico para distinguir essas duas possibilidades. O Problema-modelo 1.1 propõe um experimento que poderia ser reali-zado para fazer tal observação.

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PROBLEMA-MODELO 1.1

Considere o aparelho experimental mostrado na foto ao lado. Esse equipamento poderia ser utilizado para testar uma hipótese sobre a composição química do gás nas bolhas que surgem da água em ebulição. Qual seria a observação se as bolhas fossem compostas por (a) água, (b) hidrogênio ou (c) oxigênio?

Estratégia Este problema pede que você pense sobre o que espera observar em um ex-perimento e as alternativas para diferentes hipóteses. Nessa etapa, você deverá realizar uma pesquisa para responder a essa questão, que é descobrir como o gás hidrogênio se comporta quimicamente na presença de uma chama. Você deve também lembrar alguns fatos básicos sobre o fogo que viu em aulas de ciências. Para ser mantido, o fogo requer tanto um combustível como um oxidante, geralmente o oxigênio do ar.

Solução

(a) Se as bolhas que saem do líquido contêm água, esperava-se que a chama diminuísse de tamanho ou fosse extinta. A água não mantém a reação química de combustão (como o oxigênio faz); logo, se as bolhas forem de água, a chama não deve queimar tão vivamente.

(b) Ao examinar o hidrogênio, você deve ter descoberto (na internet, por exemplo) que ele tende a queimar explosivamente. Se as bolhas que saem da água fossem de gás hidrogênio, o que esperaria era ver a chama inflamar o gás com algum tipo de explosão (pequena, espera-se).

(c) Se as bolhas fossem de oxigênio, a chama deveria queimar mais vivamente. A quan-tidade de combustível permaneceria a mesma, mas as bolhas aumentariam a quanti-dade de oxigênio presente e tornariam a reação mais intensa.

Verifique seu entendimento Ponha em prática, com seus colegas ou com seu profes-sor, a construção desse aparelho e veja se suas observações confirmam ou não qualquer uma das hipóteses apresentadas. Faça um desenho representando uma explicação no nível particulado para o que você observar.

Representação simbólica

O terceiro modo pelo qual os químicos compreendem sua disciplina é com a utili-zação de símbolos para representar os átomos, as moléculas e as reações que constituem a ciência. Esperaremos os próximos dois capítulos para introduzir essa perspectiva com mais detalhes, mas certamente você já se deparou com símbolos químicos em seus es-tudos anteriores. A famosa molécula “H dois O” que observamos nunca é representada como fizemos entre aspas aqui. Em vez disso, você já viu a representação simbólica da água como H2O. No Capítulo 2, examinaremos as fórmulas químicas e, no Capítulo 3, veremos como utilizá-las para descrever reações usando equações químicas. No momen-to, apenas observamos que esse nível simbólico de compreensão é muito importante, já que ele fornece um meio de abordar algumas das partes mais abstratas da química. Precisamos pensar sobre átomos e moléculas, e a representação simbólica proporciona um modo conveniente para nos mantermos informados sobre essas partículas que nunca realmente veremos. Esses símbolos serão um dos meios-chave para interagirmos com ideias no nível particulado.

Como podemos utilizar essas representações para nos ajudar a pensar sobre o miné-rio de alumínio ou o alumínio metálico? A representação macroscópica é a mais familiar, especialmente para o engenheiro. Em uma perspectiva prática, as diferenças entre o minério não refinado e o alumínio metálico utilizável são imediatamente aparentes. O principal minério do qual o alumínio é refinado é chamado bauxita, e esta se parece mui-

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Uma amostra de bauxita.©

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Um bloco de alumínio.


to com uma rocha comum. Não há dúvida de que a bauxita seja diferente do alumínio metálico. No nível molecular, devemos focalizar no óxido de alumínio (também chama-do alumina) no minério e compará-lo ao alumínio metálico, como mostrado na Figura 1.6. Esse tipo de desenho enfatiza o fato de o minério ser formado por dois tipos dife-rentes de átomos, enquanto somente um tipo de átomo está presente no metal. (Observe que os metais geralmente contêm pequenas quantidades de impurezas, algumas vezes introduzidas intencionalmente para fornecer propriedades específicas desejadas. Mas, nesse caso, simplificamos a ilustração ao eliminar quaisquer impurezas.) Finalmente, a Figura 1.6 mostra também a representação simbólica para o óxido de alumínio, ou seja, sua fórmula química. Essa fórmula é um pouco mais complicada que aquela da água, e examinaremos esse tipo de simbolismo com mais detalhes no Capítulo 2.

1.3 A ciência da química: observações e modelos

A química é uma ciência empírica. Em outras palavras, os cientistas que estudam quí-mica fazem-no por meio da medida de propriedades de substâncias químicas e da ob-servação de reações químicas. Uma vez que as observações tenham sido feitas, modelos são criados para ajudar a organizar e a explicar os dados. Essa estrutura de observações e modelos fornece o pano de fundo da ciência que exploraremos neste livro. Embora tanto os cientistas quanto os engenheiros confiem nos seus conhecimentos, intelectos e criatividades, existem diferenças nos frutos de seus esforços. Os cientistas geralmente se esforçam para criar modelos para o entendimento da natureza, enquanto os engenheiros utilizam ou restringem a natureza para atingir algum propósito específico. Ambas as áreas devem começar pela observação da natureza.

As observações na ciência

As observações na química são realizadas em ampla variedade de modos e razões. Em al-guns casos, as observações são feitas porque os materiais com determinadas propriedades são necessários. Por exemplo, recipientes que contêm líquidos como refrigerantes devem ser fortes o suficiente para mantê-lo, mas, ao mesmo tempo, leves para não aumentar muito o custo de transporte do produto. i Antes de as latas de alumínio serem muito utilizadas, as latas de aço eram os recipientes mais empregados. Contudo, o peso do aço incentivou a busca por um material diferente para o acondicionamento. Cientistas e engenheiros trabalharam em parceria para reunir observações que confirmassem as vantagens do alumínio para esse fim.

AlumínioAl

Óxido de alumínio(Alumina)

Al2O3

Figura 1.6 Uma representação no nível particulado do óxido de alumínio (à esquerda) e do alumínio puro (à direita). As esferas de tons claro representam átomos de alumínio e as escuras, de oxigênio.

Uma única lata de alumínio pode ter a massa de aproximadamente 14 gramas ou, aproximadamente, metade

de uma onça. i

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Química geral aplicada à engenharia – Tradução da 3ª edição norte-americana

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