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Prof. Lânea Kalliny 1° Período Introdução a Química Geral e Inorgânica A química é o estudo das propriedades dos materiais e das mudanças sofridas por estes. Um dos prazeres de aprender química é ver como os princípios químicos estão presentes em todos os aspectos de nossas vidas, desde atividades cotidianas, como acender um fósforo, até as mais complexas, como o desenvolvimento de novos medicamentos para a cura do câncer. QUÍMICA INORGÂNICA Também denominada química mineral, é o ramo da química que estuda os elementos químicos e as substâncias da natureza que não possuem carbono coordenado em cadeias. POR QUE ESTUDAR QUÍMICA? A Química contribui para a melhora da qualidade de vida das pessoas, se souber usá-la corretamente. Nosso futuro depende de como vamos usar o conhecimento Químico. A química encontra-se próxima do cerne de vários problemas que preocupam a todos: melhoria no tratamento da saúde, conservação dos recursos naturais, proteção do meio ambiente e suprimento de nossas necessidades diárias de alimentos, vestuário e moradia. usando a química, descobrimos medicamentos que melhoram a saúde e prolongam vidas. Aumentamos a produção de alimentos por meio do desenvolvimento de fertilizantes e pesticidas. Criamos plásticos e outros materiais que são usados em todas as áreas. A química se relaciona com outras ciências: Ciências Ambientais: Ecologia e Poluição. Botânica: Agronomia. Biologia: Anatomia, biologia celular e microbiologia. Medicina: Farmacologia, radioquímica Física: Mecânica quântica, física nuclear Astronomia: Composição da galáxia. Geografia: Composição e estrutura de regiões. A ciência QUÍMICA está voltada para o estudo da matéria, qualquer que seja sua origem. Estuda a composição da matéria, suas transformações e a energia envolvida nesses processos. MATÉRIA: é tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço. Ex: água, madeira, ar, ferro, areia, ouro e tudo o mais que imaginemos, dentro da definição acima. Obs.: a ausência total de matéria é o vácuo. CORPO: é qualquer porção limitada da matéria. Ex: tábua de madeira, barra de ferro. OBJETO: é uma porção limitada da matéria (corpo) que, por sua forma especial, presta-se a um uso específico. Ex: cadeira de madeira, copo de vidro. PROPRIEDADES DA MATÉRIA Quando olhamos à nossa volta, percebemos que alguns materiais aquecem mais rápidos que outros e que, outros se quebram com maior facilidade, alguns são verdes outros são incolores, temos materiais com algum odor, etc. As propriedades observadas em toda matéria são denominadas de PROPRIEDADES GERAIS enquanto que aquelas que podemos observar em certo grupo de matéria são chamadas de PROPRIEDADES ESPECÍFICAS. As propriedades GERAIS mais importantes são: Denomina-se extensão à propriedade que a matéria tem de ocupar um lugar no espaço. A unidade padrão de volume é o metro cúbico (m3), mas o litro (L) é também muito usado. EXTENSÃO É a quantidade de matéria que forma um corpo. A massa tem como unidade principal o quilograma (kg). MASSA A medida da inércia de um corpo corresponde à de sua massa. Assim, quanto maior a massa de um corpo, maior será a sua inércia (apresenta maior resistência à mudança do seu estado de repouso ou de movimento). INÉRCIA É a tendência natural que os corpos têm de manter seu estado de repouso ou de movimento numa trajetória reta. É a propriedade que os corpos têm de não poder ocupar um mesmo lugar no espaço ao mesmo tempo. IMPENETRABILIDADE É a propriedade que os corpos possuem de terem seu volume reduzido quando submetido a determinada pressão. Isto ocorre porque a pressão diminui os espaços existentes entre as partículas constituintes do corpo. COMPRESSIBILIDADE É a propriedade que um corpo tem de voltar a sua forma inicial, cessada a força a que estava submetido. A elasticidade a compressibilidade variam de um corpo para outro. ELASTICIDADE É a propriedade que a matéria tem de não poder ser criada nem destruída, apenas ser transformada. INDESTRUTIBILIDADE São as propriedades pelas quais certas substâncias impressionam nossos sentidos: Cor, sabor, brilho, odor, etc. As propriedades ESPECÍFICAS são: ORGANOLÉPTICAS As propriedades químicas são aquelas que caracterizam quimicamente as substâncias. Vale destacar a combustão, a hidrólise e a reatividade. QUÍMICAS São as propriedades que caracterizam as substâncias fisicamente, diferenciando-as entre si. As mais importantes são: Ponto de fusão, ebulição, solidificação e condensação. FÍSICAS AS TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA As transformações da matéria podem ser físicas e químicas. As transformações físicas não alteram a identidade das substâncias. Ex: o chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo. As transformações químicas alteram a identidade das substâncias. As substâncias são destruídas e novas substâncias são formadas. Ex: ferro + oxigênio + água = oxido férrico (ferrugem) ENERGIA: é a capacidade de realizar trabalho, tudo o que pode modificar a matéria, por exemplo, na sua posição, estado de agregação, natureza química. É também tudo que pode provocar ou anular movimentos e causar deformações. Ex.: energia cinética, calorífica, elétrica, mecânica, luminosa, potencial, química. Algumas propriedades—como temperatura, ponto de fusão e densidade – não dependem da quantidade de amostra analisada. Essas propriedades, chamadas propriedades intensivas, são particularmente úteis na química porque muitas podem ser usadas para identificar substâncias. As propriedades extensivas das substâncias dependem da quantidade de amostra e incluem medidas de massa e volume. Elas estão relacionadas com quantidade de substância presente. Leis das Transformações Químicas Lei da conservação das massas "Na natureza, nada se cria, nada se perde; tudo se transforma". ―A soma das massas dos produtos é igual à soma das massas dos reagentes.‖ ―Ela descreve a mais importante propriedade de um composto, sua composição fixa.‖ Ex: H2O “A proporção, em massa, dos elementos que participam da composição de uma substância é sempre constante e independente do processo químico pelo qual a substância é obtida." Lei da Composição Definida A matéria pode ser uma SUBSTÂNCIA PURA ou uma MISTURA. SUBSTÂNCIA: material formado por moléculas quimicamente iguais. As substâncias puras podem ser classificadas em: Simples e Composta Substância simples: é constituída de uma molécula formada por átomos do mesmo elemento químico (mesmo tipo de átomo). Substância composta: é constituída por uma molécula formada por mais de um elemento químico. ALOTROPIA: fenômeno onde um único elemento químico forma duas ou mais substâncias diferentes, denominadas variedades alotrópicas do elemento A diferença entre as variedades alotrópicas é o arranjo molecular que formam cristais diferentes. Diamante: cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos de carbono. O diamante é a substância mais dura da Natureza. Fulerenos: são variedades descobertas em 1984. Têm formas esféricas (lubrificantes). Grafita: os átomos de carbonos se ligam de modo a formar lâminas com hexágonos de carbono. Para fixar... Quantas substâncias simples existem entre as substâncias de fórmula O3, H2O2, P4, I2, C2H4, CO2 e He? a) 5. b) 4. c) 3. d) 2. e) 1 Em que grupo tem apenas substâncias compostas: a) NaOH, H2 e HCl. b) H2O, H2SO4 e NaHCO3. c) Cl2, O2 e H2. d) Cl2, HCl e O2. e) Ag, Au e CO. Para fixar... MISTURAS MISTURAS É formada por duas ou mais substâncias puras. As substâncias que compõem uma mistura são chamadas componentes da mistura. A maioria das matérias que encontramos consiste de misturas de diferentes substâncias. Cada substância em uma mistura mantém sua própria identidade química e, conseqüentemente, suas próprias propriedades. Enquanto substâncias puras têm composições fixas, as composições das misturas podem variar. Uma xícara de café adoçado, por exemplo, pode conter pouco ou muito açúcar. As substâncias que compõem uma mistura (como açúcar e água) são chamadas componentes da mistura. Que misturas existem na tua casa? Núcleo de Física e Química 1 42 Examinemos 43 Núcleo de Física e Química 1 Núcleo de Física e Química 1 44 A análise dos rótulos dos produtos de consumo permite verificar que estes são constituídos por várias substâncias – são misturas de substâncias. Fase: em uma mistura, é cada uma das porções que apresenta aspecto homogêneo ou uniforme. Misturas Homogéneas Heterogéneas Coloidais 46 Núcleo de Física e Química 1 Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase. A mistura homogênea é aquela cujas substâncias constituintes não podem ser identificadas, pois possuem as mesmas propriedades em toda a sua extensão. Tais substâncias sofrem dissolução, ou seja, a sua mistura produz somente uma fase. Isso quer dizer que toda mistura homogênea é uma solução. Misturas Homogéneas ou Soluções 48 Núcleo de Física e Química 1 Misturas Homogéneas Núcleo de Física e Química 1 49 Água com açúcar. O ar atmosférico é uma mistura homogénea? 75% de nitrogênio 20% de oxigênio 4% de dióxido de carbono 1% de outros gases. Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases e os componentes da mistura são perceptíveis. Duas misturas heterogéneas preparadas em laboratório. A areia também é uma mistura heterogénea, onde facilmente se identificam os componentes: a mica, o feldspato e o quartzo. Outra mistura heterogénea são as rochas como o granito Misturas Heterogéneas Núcleo de Física e Química 1 52 Água com azeite Misturas Coloidais Nas misturas coloidais, os componentes da mistura dificilmente consegue distinguir-se pequenas partículas a olho nu , contudo se usarmos um instrumento de ampliação, como um microscópio, conseguiria-se distinguir muito melhor os diferentes componentes da mistura. Ex: Se deixarmos maionese fora do frigorífico durante algum tempo conseguimos visualizar pequenas partículas de gordura. Por exemplo, se observares uma gota de sangue a olho nu não consegues identificar os seus componentes, mas se observares essa gota ao microscópio, distingues os glóbulos brancos, os glóbulos vermelhos, as plaquetas, etc. O leite é uma mistura coloidal onde se encontram proteínas, gorduras e vitaminas em água com sais minerais. O sangue é outra mistura coloidal, onde se podem encontrar os glóbulos vermelhos, os glóbulos brancos e as plaquetas sanguíneas. As mousses também são coloídes. Misturas Coloidais Núcleo de Física e Química 1 56 57 Núcleo de Física e Química 1 Substância Pura Unidades estruturais (moléculas, conjuntos iônicos) quimicamente iguais entre si. Composição fixa, do que decorrem propriedades fixas, como densidade, ponto de fusão e de ebulição, etc. A temperatura se mantém inalterada desde o início até o fim de todas as suas mudanças de estado físico (fusão, ebulição, solidificação, etc.). É muito difícil encontrarmos substâncias puras na natureza. Em geral, elas são produzidas em laboratório, por processos de fracionamento de misturas ou métodos de purificação. Além do gás oxigênio e da substância grafite, podemos citar como exemplos de substâncias simples os gases hidrogênio (H2), iodo (I2) e flúor (F2). Mistura Unidades estruturais (moléculas, conjuntos iônicos) quimicamente diferentes entre si. Composição não é fixa, do que decorrem propriedades variáveis, como densidade, ponto de fusão e de ebulição, etc. A temperatura não se mantém constante durante todas as suas mudanças de estado físico (fusão, ebulição, solidificação, etc.). Algumas misturas apresentam características iguais às de elementos ou compostos químicos na hora da ebulição ou de fusão. MISTURA EUTÉTICA MISTURA AZEOTRÓPICA São misturas cujo ponto de fusão ocorre em temperatura constante. Isso é muito comum em misturas entre metais. Ex.: o bronze é uma mistura de cobre com o estanho, impossível separar por fusão. MISTURA EUTÉTICA São misturas em que o ponto de ebulição não se altera, durante a ebulição mantém a temperatura constante, comportando-se como um composto químico ou um elemento. Esse tipo de mistura acontece quando o ponto de ebulição atinge o patamar.É muito comum entre líquidos. Ex.: O álcool hidratado é uma mistura azeotrópica, isso se deve porque esse álcool está misturado à água em uma proporção onde é impossível separar pela ebulição, já que a temperatura se mantém constante. MISTURA AZEOTRÓPICA Mistura eutética Ponto de fusão Chumbo (38%) + estanho (62%) 183°C Chumbo (87%) + antimônio (13%) 246°C Bismuto (58%) + estanho (42%) 133°C Mistura azeotrópica Ponto de ebulição Acetona (86,5%) + metanol (13,5%) 56°C Álcool etílico (7%) + clorofórmio (93%) 60°C Álcool fórmico (77,5%) + água (22,5%) 107,3°C SEPARAÇÃO DE MISTURAS 1. Mistura heterogênea (sól.-sól.) • Catação: Método baseado na diferença de tamanho e de aspectos visíveis das partículas de uma mistura de sólidos granulados. Um dos sólidos é retirado com pinças ou com as mãos. Ex: mistura de feijão e impurezas. Peneiração: Utilizado quando uma mistura de sólidos granulados, cujo tamanho das partículas é sensivelmente diferente, é colocada sobre uma peneira e submetida à agitação. Ex: mistura de areia fina e pedregulhos. Levigação: O sólido mais leve é separado por água corrente. Ex: ouro e areia. A areia, mais leve, é arrastada por um fluxo de água. Ventilação: O sólido mais leve é separado por uma corrente de ar. Ex grãos de café e cascas. Separação magnética: Separa misturas do tipo sólido-sólido nas quais um dos componentes tem propriedades magnéticas e é atraído por um ímã. Ex: Ferro e areia. . Flotação (Sedimentação fracionada): O sólido mais leve (menos denso) flutua em um líquido, enquanto o mais denso sedimenta. Ex: serragem e areia, por adição de água. Na mineração, para separar a areia do minério. Neste caso, o minério é pulverizado e tratado com óleo para flutuar na água. . Dissolução fracionada: Baseia- se na diferença de solubilidade dos sólidos em um determinado líquido. Primeiro, adiciona-se um líquido que dissolva apenas um dos sólidos. Depois, filtra-se a mistura e o filtrado é submetido a aquecimento, para eliminar o solvente. 2. Mistura heterogênea (sól.-líq.) Filtração comum: É a retenção de um sólido através de uma superfície porosa (filtro). Utilizada para separar misturas de um líquido com um sólido não dissolvido, quando o tamanho das partículas do sólido é relativamente grande em relação ao tamanho dos poros do papel de filtro. Ex: água e areia. Filtração a vácuo: Quando o sólido e o líquido formam uma mistura de difícil filtração, como é o caso da água com farinha, pode-se acelerar o processo por meio da filtração a pressões reduzidas. Nesse processo utiliza-se o funil de Büchner e o Kitassato. Decantação: Quando a água barrenta é colocada em repouso, a terra tende a se depositar no fundo do recipiente. A decantação é o processo no qual as fases se separam devido a uma diferença de densidades. 3. Mistura heterogênea (líq.-líq ou sól.-líq.) Centrifugação: É uma maneira acelerada de se realizar a decantação. Ex: separação dos diversos componentes do sangue. 4. Mistura homogênea (sól.-líq. ou liq. – liq.) Destilação simples: Funciona quando, no aquecimento de uma mistura homogênea de um líquido + um sólido, apenas o líquido vaporiza. Assim, os vapores atingem a região fria (condensador), ocorrendo a passagem para o estado líquido. Ex: água e sal de cozinha. Destilação fracionada: à medida que os vapores sobem pela coluna de fracionamento, eles vão se tornando cada vez mais ricos no componente mais volátil, que será recolhido pelo condensador. Ex: destilação fracionada dos componentes da gasolina, etc Estados Físicos da Matéria Fases ou estados da matéria - são conjuntos de configurações que objetos macroscópicos podem apresentar. O estado físico tem a relação com a velocidade do movimento das partículas de uma determinada substância. As características de estado físico são diferentes em cada substância e depende da temperatura e pressão na qual ela se encontra. Sólido Líquido Gasoso ESTADO SÓLIDO: nesse estado a matéria possui forma e volume definidos e constantes e a proximidade das partículas é muito grande. ESTADO LÍQUIDO: os elementos que se encontram nesse estado possuem apenas o volume constante e definido,a forma dependerá do recipiente ao qual está inserido,e as moléculas estão mais afastadas do que no estado sólido. ESTADO GASOSO: proximidade das moléculas nesse estado é bem menor, pois as moléculas estão mais afastadas entre si e o movimento das moléculas é bem maior do que nos outros estados, isso faz com que a matéria apresentada nesse estado não possua forma e nem volumes definidos. ESTADO FÍSICO CARACTERÍSTICAS MACROSCÓPICAS CARACTERÍSTICAS MICROSCÓPICAS SÓLIDO FORMA CONSTANTE VOLUME CONSTANTE PARTÍCULAS ORDENADAS FORMANDO ESTRURA GEOMÉTRICA LÍQUIDO FORMA VARIÁVEL VOLUME CONSTANTE PARTÍCULAS COM CERTA LIBERDADE DE MOVIMENTO GASOSO FORMA VARIÁVEL VOLUME VARIÁVEL PARTÍCULAS OCUPANDO GRANDES ESPAÇOS ENTE SI. GRANDE LIBERDADE DE MOVIMENTO MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Como a cada uma destas fases de uma substância corresponde determinado tipo de estrutura corpuscular, há vários tipos de mudanças de estruturas dos corpos quando muda a fase, ou de estado de aglomeração, da substância que são feitos. A mudança de fases ocorre conforme o diagrama de fases da substância. Mudando a pressão ou a temperatura do ambiente onde um objeto se encontra, esse objeto pode sofrer mudança de fase. MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Fusão: é a passagem do estado sólido para o líquido,neste tipo de mudança há a absorção de energia (processo endotérmico). MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Solidificação: é a passagem do estado líquido para o sólido, neste tipo de mudança há a liberação de energia (processo exotérmico). MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Vaporização: é a passagem do estado líquido para o gasoso,neste tipo de mudança há a absorção de energia (processo endotérmico). MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Condensação (liquefação): é a passagem do estado gasoso para o líquido, neste tipo de mudança há a liberação de energia (processo exotérmico). MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Sublimação: é a passagem do estado sólido para o gasoso, neste processo há uma grande absorção de energia (processo endotérmico). MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Ressublimação: é a passagem do estado gasoso para o sólido, neste processo há uma grande liberação de energia (processo exotérmico). MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Quanto maior a temperatura de uma substância, mais rápido movimenta-se suas partículas. Quanto menor a pressão exercida sobre a superfície de um líquido, mais fácil é sua vaporização, pois as moléculas do líquido encontram menor resistência para abandoná-lo. MUDANÇAS DE ESTADO DA MATÉRIA Calor (ou energia calorífica) é uma forma de energia que é diretamente transferida de um corpo mais quente para um mais frio. Portanto, calor é transferência de energia calorífica de um corpo para o outro. Temperatura mede a energia cinética média das partículas do corpo. Quando o calor é transferido para um corpo, a energia cinética média de suas partículas é aumentada, estas partículas movem-se então mais rapidamente e a temperatura do corpo aumenta. Transformações da Matéria Toda e qualquer alteração que a matéria venha a sofrer é denominada de transformação ou fenômeno. • a substância pela qual a matéria é formada não passa por transformação alguma, ou seja, não passa por mudanças. Sendo assim, sua forma, seu tamanho, sua aparência, podem mudar, mas não sua composição. Fenômenos Físicos • a composição da matéria passa por mudanças, ou seja, uma ou mais substâncias se alteram dando origem a compostos diferentes. Fenômenos Químicos Algumas transformações (fenômenos) são reversíveis, isto é, podem ser desfeitas com uma certa facilidade, ou ainda, não produzem um novo tipo de substância. Tais transformações são chamadas de FÍSICAS Uma pedra de gelo derretendo. O sal que dissolvemos na água pode ser recuperado com a evaporação da água. As transformações (fenômenos) que produzem um novo tipo de substância são chamadas de QUÍMICAS. A queima da madeira produz a cinza. Uma fruta amadurecendo. UNIDADES DE MEDIDA DA MATÉRIA A matéria, sendo um corpo ou uma substância e a energia podem ser avaliadas quantitativamente. Cada característica que possa ser quantificada constitui uma grandeza física. A medida de uma grandeza é um número que expressa uma quantidade, comparada com um padrão previamente estabelecido. UNIDADES DE MEDIDA DA MATÉRIA Massa (m): é a quantidade de matéria que existe num corpo. A determinação da massa de um corpo é feita pela comparação da massa desconhecida desse corpo com outra massa conhecida, um padrão. Para esta determinação usamos um aparelho chamado balança. UNIDADES DE MEDIDA DA MATÉRIA Quilograma (kg) Grama(g) Miligrama (mg) 1000g - 103 1g - 100 0,001g – 10-3 Volume (V): é a extensão de espaço ocupado por um corpo. No SI, a unidade-padrão de volume é o metro cúbico (m3), no entanto a unidade mais usada em Química é o litro (L). UNIDADES DE MEDIDA DA MATÉRIA m3 dm3 ou L cm3 ou ml 1000 dm3 ou 1 dm3 ou 1L 0,001 dm3 ou Temperatura (T): relaciona-se com o estado de agitação das partículas que formam um corpo e com a capacidade desse corpo de transmitir ou receber calor. A escala de graduação: Escala Celsius (mais utilizada nos trabalhos científicos) Pontos de referência: congelamento - OºC ebulição-100ºC Escala Kelvin (recomendada pelo SI - escala absoluta) Pontos de referência: congelamento – 273,15 ºk ebulição - 373,15 ºK Cálculo para conversão: K = °C + 273 °C = K - 273 UNIDADES DE MEDIDA DA MATÉRIA Pressão (P): é a relação entre a força exercida na direção perpendicular, sobre uma dada superfície, e a área dessa superfície. Pressão de uma atmosfera= 1 atm UNIDADES DE MEDIDA DA MATÉRIA Densidade (d): é a razão entre a massa de um material e o volume por ele ocupado. Para sólidos e líquidos, a densidade geralmente é expressa em gramas/centímetros cúbicos (g/cm3); para gases, costuma ser expressa em gramas/litro (g/L). UNIDADES DE MEDIDA DA MATÉRIA Água .......................................0,997 g/cm3 Álcool etílico...........................0,789 g/cm3 Alumínio ................................ 2,70 g/cm3 Chumbo...................................11,3 g/cm3 Diamante ..................................3,5 g/cm3 Leite integral............................1,03 g/cm3 Densidade = massa volume