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Química Geral - Apostilas - Engenharia Metalúrgica Part1, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Apostilas de Engenharia Metalúrgica sobre o estudo da Química Geral, Leis ponderais e o átomo, Descobrindo a estrutura atômica, Principais características do átomo, evolução dos modelos atômicos.

Tipologia: Notas de estudo

2013

Compartilhado em 12/06/2013

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Baixe Química Geral - Apostilas - Engenharia Metalúrgica Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! CEFET QUÍMICA UNIDADE RJ QUÍMICA GERAL I TEORIA 1º PERÍODO ENSINO INTEGRADO Montagem e revisão: Profª. Ana Paula da Costa Ilhéu Fontan - 2 - SUMÁRIO CAPÍTULO 1 : O ESTUDO DA MATÉRIA ...........................................................................................03 CAPÍTULO 2 : AS LEIS PONDERAIS E O ÁTOMO ..........................................................................18 CAPÍTULO 3 : DESCOBRINDO A ESTRUTURA ATÔMICA............................................................28 CAPÍTULO 4 : PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO ÁTOMO.....................................................31 CAPÍTULO 5 : EVOLUÇÃO DOS MODELOS ATÔMICOS...............................................................35 CAPÍTULO 6 : CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA........................................................................48 CAPÍTULO 7 : PROPRIEDADES PERIÓDICAS DOS ELEMENTOS QUÍMICOS........................61 CAPÍTULO 8 :LIGAÇÕES IÔNICAS OU ELETROVALENTES.........................................................72 CAPÍTULO 9 : LIGAÇÕES COVALENTES............................................................................................83 CAPÍTULO 10 : POLARIDADE DAS LIGAÇÕES...............................................................................106 CAPÍTULO 11 : GEOMETRIA E POLARIDADE DAS MOLÉCULAS............................................118 CAPÍTULO 12 : FORÇAS INTERMOLECULARES.............................................................................124 CAPÍTULO 13 : LIGAÇÃO METÁLICA................................................................................................137 TABELAS......................................................................................................................................................141 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................................142 - 5 - Substância química A reunião dos elementos forma as substâncias, assim como a reunião das letras do alfabeto forma as palavras. Os átomos dos elementos conhecidos podem reunir-se formando agrupamentos diferentes que podem ser moléculas ou agregados iônicos. O grupo de moléculas ou agregados iônicos representa então uma espécie química bem definida, a substância. As moléculas são formadas por átomos ligados entre si. A molécula é a menor porção de uma substância formada por átomos. Os agregados iônicos não são formados por átomos e sim por íons, espécies químicas carregadas eletricamente, que se mantêm reunidos em virtude da atração elétrica. Logo, a menor porção da substância iônica não é uma molécula e sim um agregado iônico. Substâncias são diferentes espécies de matéria. Como as substâncias podem ser moleculares ou iônicas é importante concluir que: “Toda matéria é formada por átomos ou íons”. As substâncias são representadas por fórmulas. Há diversos tipos de fórmulas; a que indica o número de átomos de cada elemento presente é chamada fórmula molecular (no caso de substâncias formadas por moléculas) ou íon-fórmula (no caso de substâncias formadas por agregados iônicos). Exemplos: H2SO4 – a fórmula indica que esta substância é formada por 2 átomos de hidrogênio, 1 átomo de enxofre e 4 átomos de oxigênio. fórmula molecular O2 – indica que a substância é formada por 2 átomos de oxigênio. fórmula molecular NaCl – indica que a substância é formada por um íon Na + e um íon Cl . íon-fórmula Substância pura e mistura Substância pura: Formada por moléculas (ou agregados iônicos) todas iguais entre si. Tem propriedades e características bem definidas e composição química constante. Mistura: É a reunião de duas ou mais substâncias puras que não interagem (as moléculas permanecem inalteradas - fenômeno físico). O álcool comercial, por exemplo, é uma mistura de etanol (C2H5OH) e água (H2O); o ar é uma mistura de gases (N2, O2, etc.). A composição de uma mistura pode variar e, por esta razão, não podemos associar a ela uma fórmula. Como diferenciar substância pura de mistura? A maneira mais eficiente de diferenciar, na prática, uma substância pura de uma mistura consiste na análise de seus comportamentos quanto às mudanças de estado físico. Comparando a ebulição da água pura com a da água salgada observa-se que a água pura começa e termina sua ebulição à mesma temperatura t enquanto que a água salgada (mistura) começa e termina sua ebulição em temperaturas diferentes (t1 e t2). - 6 - Observe a seguir o gráfico, temperatura x tempo, relativo ao aquecimento de água pura, do estado sólido (gelo) ao estado gasoso (vapor). Temperatura (ºC) 120 líquido-vapor gás 80 40 sólido-líquido 0 líquido sólido 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 tempo (min) A partir do gráfico podemos montar o seguinte quadro: Tempo (min) Temperatura (ºC ) Estado físico 0 a 15 40 a 0 Sólido 15 a 25 0 Sólido-líquido 25 a 35 0 a 100 Líquido 35 a 47 100 Líquido-vapor Acima de 47 Mais que 100 gasoso Se tivermos uma substância pura, as mudanças de fase irão ocorrer em condições constantes, ou seja, bem definidas – daí serem chamadas de constantes físicas. As constantes físicas são muito usadas nos laboratórios para identificação de substâncias puras. A passagem do estado sólido para o líquido (ou vice-versa) ocorre em uma determinada temperatura, chamada de Ponto de Fusão (PF). Já a passagem do líquido para o gasoso (ebulição) é chamada de Ponto de Ebulição (PE). Cada substância pura apresenta um ponto de fusão e um ponto de ebulição característico, como já foi dito. A pressão atmosférica (força que a atmosfera exerce sobre a Terra) é muito importante para o ponto de ebulição. Ao nível do mar, considera-se a pressão igual a 1 atm ou 760 mmHg. Se a pressão for maior que este valor, o ponto de ebulição será maior; se a pressão for menor, o ponto de ebulição também será menor. Desta forma, a água ferve a 100 oC ao nível do mar, enquanto que, em uma montanha, ferve abaixo de 100 oC. Para uma mistura como a de água e sal, o gráfico será do tipo: Temperatura vapor Líquido tempo - 7 - Misturas eutéticas e azeotrópicas Existem misturas que, durante as mudanças de fase, se comportam como substâncias. Uma mistura de 95,57 partes de álcool com 4,43 partes de água, ferve à temperatura constante de 76,3 .ºC, como se fosse uma única substância. A mistura, cuja temperatura de ebulição é constante, é chamada de mistura azeotrópica. (Esta é uma das razões por que não se consegue obter álcool puro através da destilação.) Outro caso é o de várias ligas metálicas (mistura de sólidos) que se fundem a uma temperatura constante, como se fossem uma única substância. A mistura cujo ponto de fusão é constante é chamada de mistura eutética. Fenômeno físico e fenômeno químico Chamamos de sistema ao conjunto de materiais que são isolados de todos os outros com a finalidade de serem estudados. Se as características iniciais de um sistema são diferentes das finais, dizemos que ele sofreu uma transformação (ou fenômeno). Fenômeno Físico: Ao aquecermos iodo puro, que é um sólido, cinzento e brilhante, observamos o aparecimento de vapores roxos, que, em contato com uma superfície fria, forma cristais cinzentos e brilhantes. Ao compararmos as propriedades da substância no estado inicial com as que aparecem no estado final, notamos que são idênticas. Antes e depois do aquecimento seguido de resfriamento, continuamos tendo iodo. Houve, nesse caso, uma mudança de estado físico – de sólido para gasoso – chamada sublimação e outra – de gasoso para sólido – chamada ressublimação. Ocorreu uma transformação física, pois a substância não se altera. Podemos dizer então que fenômeno físico é o processo no qual não se formam novas substâncias (não há alteração da estrutura da matéria). Exemplos: As mudanças de estado físico. Aquecer o ferro até que fique incandescente. Adicionar açúcar à água(formação de mistura). Fenômeno Químico: Aquecer sempre provoca mudança de estado? Analisemos o que ocorre quando se aquece açúcar para fazer calda, por exemplo. Observaremos que as propriedades apresentadas inicialmente pelo açúcar vão se modificando ao longo do aquecimento e ao final teremos um sólido escuro, de propriedades bem distintas das do sólido inicial. Neste caso teremos uma transformação química. Podemos dizer então que fenômeno químico é o processo no qual há alteração da estrutura da matéria, com formação de novas substâncias. O fenômeno químico é comumente chamado de reação química. Que observações experimentais devem indicar a ocorrência de um fenômeno onde a matéria tenha tido a sua estrutura alterada (fenômeno químico)? Saída de gases (mesmo sem ter havido aquecimento); Formação de precipitado (substância formada através de uma reação e que não é solúvel no meio onde está sendo formada, provocando uma turvação); Mudanças inesperadas de cor e aspecto. - 10 - As misturas homogêneas são também chamadas de soluções. Atenção Dissolver : Diluir : Concentrar : Heterogêneas: Podemos distinguir seus componentes (visualmente ou através de microscópios). Ex: Água e areia; óleo e vinagre; leite. Denomina-se fase a cada uma das partes homogêneas de uma mistura heterogênea. 2 fases (mistura difásica) 3 fases (mistura trifásica) éter gasolina água água areia Observações Relação entre massa e volume Massa e volume são propriedades mensuráveis da matéria. A massa de um corpo é determinada em balanças, comparando-a com outra massa conhecida denominada de padrão e sua unidade no Sistema Internacional (SI) é o quilograma (kg). Já o volume corresponde ao espaço ocupado por determinada quantidade de matéria e sua unidade no SI é o metro cúbico (m3) (1m3 = 1000 L). Massa e volume se relacionam e esta relação, denominada densidade, varia de substância para substância. Sendo uma propriedade específica, a densidade pode ser usada na caracterização de uma substância pura. Exemplo: Álcool etílico Água massa (g) volume (cm3) massa (g) volume (cm3) 0,8 1,0 10 10 400 500 500 500 800 1000 1000 1000 Observe que a relação massa/volume é constante: Álcool: massa = 0,8 g/cm3 Água : massa = 1,0 g/cm3 volume volume A unidade de densidade é uma unidade de massa dividida por uma unidade de volume, que, nos casos vistos, é grama/centímetro cúbico (g/cm3). - 11 - Observações Para relembrar as unidades 1) Faça a conversão de unidade pedida, conforme o modelo: a) 1,5 L = 1500 mL b) 2,8 m3 = ............ L c) 0,054 L = ............ mL d) 328 cm = ............ mL e) 8700 mL = ........... L f) 0,3 m3 = ............ cm3 g) 3,3 · 10 3 mL = ..........L h) 25 L = .......... cm3 i) 350 m3 = .............mL j) 8,0 · 1010 mL = ..............L 2) Transforme as massas para gramas (g): a) 0,20 kg b) 200 mg c) 10 3 kg d) 5,0 ·102 mg 3) Transforme os volumes para litros (L): a) 1,0 dm3 b) 100 mL c) 200 cm3 d) 3,0 m3 4) Transforme para kg: a) 200 g b) 2 ·10 5 mg c) 500 g d) 100 mg 5) Transforme para mL: a) 1,0 L b) 2,0 m3 c) 100 cm3 d) 20 L e) 4 dm3 6) Transforme as pressões: a) 1520 mm Hg para atm b) 0,5 atm para mm Hg c) 38 cm Hg para atm d) 0,3 atm para cm Hg EXERCÍCIOS 1) Escreva o nome ou o símbolo nos itens abaixo: a) Se os símbolos de elementos diferentes começam pela mesma letra, o elemento que ocorre mais frequentemente ou o que é mais útil, é indicado comumente por uma única letra maiúscula. H __________________ ocorre mais frequentemente do que o He _________________. Ambos são gases muito leves, sendo o primeiro reativo e o segundo inerte. b) O elemento N, _________________, é o componente de um gás inerte, comum na natureza enquanto o neônio, ___________, é um gás raro, porém estável. c) Outro elemento cujo símbolo começa com N é o níquel. Enquanto os elementos do item anterior representam substâncias gasosas, o níquel, _________, é um sólido metálico, componente importante de aços inoxidáveis. d) Magnésio, ________, é um metal muito leve usado na fabricação de objetos. Tanto o magnésio como o manganês, _______, é misturado a outros metais para formar ligas importantes. - 12 - e) C, _______________, é um elemento que ocorre em todos os seres vivos. Graças a isso, a parte da química que estuda seus compostos é denominada de química orgânica. f) O elemento Ca, ________________, ocorre em grande quantidade na crosta terrestre numa rocha chamada calcário. g) Co, __________________, é o elemento cujos compostos proporcionam a cor azul a muitos vidros. h) A substância Cl2 é muito utilizada na purificação da água. O elemento formador desta substância chama- se _________________. i) O aço inoxidável é constituído de ferro, ______, cerca de 18% de cromo, ____________ e 8% de níquel. j) O As, ________________, é um veneno para os seres vivos. O Ar, ________________, por outro lado, não os prejudica. l) A areia é o composto mais comum do silício, ____________. m) A substância I2 é um sólido cinza. Sua solução alcoólica é usada como anti-séptico e o elemento que a forma é o _______________. n) Vidros resistentes ao calor contêm certa quantidade de B, ____________. o) O antimônio, _________, é usado em ligas para tipos de imprensa. Os antigos egípcios usavam seus compostos para escurecer as sobrancelhas. p) Muitos automóveis são protegidos contra corrosão por meio de um revestimento com zinco, ________. q) A fabricação de papel requer grandes quantidades de S, __________________. r) O antibiótico aureomicina tem seu nome derivado da palavra “aurum”. Aureomicina significa “bolor de ouro”, elemento cujo símbolo é _______. s) O minério mais importante do mercúrio, _______, é o cinábrio. t) Ag, ___________, é um dos melhores condutores metálicos de eletricidade. Entretanto, o condutor mais frequentemente utilizado é o cobre, _______, por ser muito mais barato. u) O latão é uma liga de cobre e zinco. O bronze, por outro lado, é uma liga de cobre e estanho, _______. v) As baterias dos carros empregam muito chumbo, _______. x) Todas as plantas necessitam de K, ________________, em seu processo de nutrição. z) Devido à sua baixa temperatura de combustão, uma das variedades alotrópicas do fósforo, ______, foi empregada em palitos, que denominados de fósforos de segurança. 2) Organize, em ordem crescente, as seguintes medidas de volume: 100 L; 1m3; 1000 mL; 500 cm3; 10 dm3. 3) Considere que o volume de uma gota de água é igual a 5,0 x 10- 2 mL. Logo, podemos afirmar que o número de gotas de água necessário para encher uma caixa-d’água de 0,50 m3 é igual a : a) 103 b) 104 c) 105 d) 106 e) 107 4) Observe as fórmulas: CO, N2, O3, CO2, O2, C3H6O. a) Quais representam substâncias simples? b) Quais representam substâncias compostas? c) Quais representam substâncias compostas binárias? d) Qual representa substância composta ternária? e) Qual representa substância simples triatômica? 5)Escrever O2 é o mesmo que escrever 2 O ? Explique. 6) Reações químicas são fenômenos em que, necessariamente, ocorrem mudanças: a) de cor b) de estado físico c) na condutibilidade elétrica d) na massa e) na natureza das substâncias Justifique sua resposta. - 15 - b) Se aparece água do lado de fora do copo, então deve haver vapor d’água no ar. O vapor d’água, entrando em contato com as paredes frias do copo, se condensa em minúsculas gotas. Qual hipótese interpreta melhor os fatos? Como você justifica a escolha? 18) O número de substâncias simples entre as substâncias de fórmula: O3, H2O, Na, P4, CH4, CO2 e Co é: a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 7 19) Considerando-se a reação: C + H2O CO + H2 , entre reagentes e produtos estão presentes : a) 2 substâncias simples e 2 compostas b) 1 substância simples e 3 compostas c) 3 substâncias simples e 1 composta d) 4 substâncias simples e) 4 substâncias compostas 20) A embalagem de um produto comestível “natural” traz impressos os dizeres: ISENTO DE ELEMENTOS QUÍMICOS. a) Explique por que essa afirmação é incorreta. b) Como ela poderia ser enunciada corretamente? 21) Os sistemas a seguir são respectivamente: I - poeira e ar II - gás carbônico III - água e açúcar IV - cloro a) mistura heterogênea, substância pura composta, mistura homogênea e substância pura simples. b) mistura homogênea, substância pura simples, mistura heterogênea e substância pura simples. c) mistura heterogênea, substância pura composta, mistura heterogênea e substância pura simples. d) mistura homogênea, substância pura simples, substância pura composta, mistura heterogênea. e) mistura heterogênea, substância pura simples, mistura homogênea, substância pura simples. 22) Todas as “águas” com as denominações a seguir podem exemplificar soluções de sólidos em um líquido, exceto: a) água potável b) água destilada c) água dura d) água mineral e) água do mar 23) Considere as seguintes afirmações: I - A água é uma mistura de hidrogênio e oxigênio. II - O ar puro da montanha é uma substância pura. Qual (quais) dessas afirmações está (ão) correta? Justifique. 24) Sejam dados os seguintes sistemas: I . O2(g) + N2 (g) II. Água (l) + álcool (l) III. Água (l) + gasolina (l) IV. Água (l) + éter (l) V. Água potável Quais constituem misturas homogêneas? 25) Em uma cena de filme, um indivíduo corre carregando uma maleta tipo 007 (volume de 20 dm3) cheia de barras de certo metal. Considerando que um adulto de peso médio (70 kg) pode deslocar com certa velocidade, no máximo o equivalente ao seu próprio peso, indique qual o metal contido na maleta, observando os dados da tabela a seguir. a) alumínio b) zinco c) prata d) chumbo e) ouro Metal Densidade em g/cm3 Alumínio 2,7 Zinco 7,1 Prata 10,5 Chumbo 11,4 Ouro 19,3 - 16 - 26) Três frascos não rotulados encontram-se na prateleira de um laboratório. Um contém benzeno, outro tetracloreto de carbono e o terceiro, metanol. Sabe-se que as suas densidades são, respectivamente, 0,87 g/cm3, 1,59 g/cm3 e 0,79 g/cm3. Dos três líquidos, apenas o metanol é solúvel em água, cuja densidade é 1,00 g/cm3. Sabendo-se que não se dispõe de balança e, com base nas informações dadas, explique como você faria para identificar os três líquidos. OBS: Os três líquidos são altamente tóxicos e não devem ser cheirados. 27) Três tubos de ensaio contêm, separadamente, amostras de 4 mL dos líquidos clorofórmio, etanol e gasolina. A cada um destes tubos foi adicionado 1 mL de água. As densidades destes líquidos estão abaixo relacionadas: Substância Densidade a 25 ºC água 1,0 g/cm3 etanol 0,80 g/cm3 gasolina 0,70 g/cm3 clorofórmio 1,53 g/cm3 O comportamento das misturas em cada tubo está mostrado abaixo: Tubo I Tubo II Tubo III Qual a seqüência correta, em presença de água, das amostras contidas nos tubos. 28) Na produção caseira de pães, usando-se fermento, é comum colocar-se uma bolinha de massa em um copo com água. Inicialmente a bolinha afunda na água e, decorrido algum tempo, ela flutua, indicando o momento de assar os pães. Considerando-se o fenômeno descrito, é CORRETO afirmar que a bolinha flutua porque ela: a)se dissolve parcialmente na água; b) fica cheia de água; c) tem sua massa diminuída; d) se torna menos densa que a água. 29) Qual a diferença entre dissolver e diluir? 30) Explique como proceder para: a) Diluir uma solução alcoólica de iodo. b) b) Concentrar uma solução aquosa de dicromato de potássio. - 17 - RESPOSTAS 1) a) hidrogênio; hélio ( não escreva com letras maiúsculas os nomes dos elementos numa sentença) b) nitrogênio; Ne (os símbolos devem ser escritos em letra de forma). c) Ni d) Mg; Mn e) carbono f) cálcio g) cobalto h) cloro i) Fe; Cr j) arsênio; argônio l) Si m) iodo n) boro o) Sb p) Zn q) enxofre r) Au s) Hg t) prata; Cu u) Sn v) Pb x) potássio z) P 2) 500 cm3 (0,5L) < 1000 mL (1L) < 10 dm3 (10L) < 100 L < 1m3 (1000L) 3) e 4)a) N2, O3, O2 b) CO, CO2, C3H6O c) CO, CO2 d) C3H6O e) O3 5) Não. O2 representa a substância simples oxigênio, enquanto 2 O representa que temos duas unidades de átomos de oxigênio. 6) letra e. Em um fenômeno pode ocorrer mudança nos itens a, b, c e d da questão sem que isso represente uma mudança na estrutura das substâncias. Todos esses itens podem representar fenômenos estritamente físicos. 7) Uma mistura. Um aumento na quantidade de solvente deveria dissolver o restante da amostra, caso tivéssemos apenas uma substância. 8) a) Substâncias. b) ... de identificar átomos de hidrogênio, um dos elementos formadores da água. c) fundido; ressublimou. 9)a) Na irrigação, junto com a água são acrescidos ao solo sais que estão dissolvidos nela. b) Pois a água da chuva é destilada (não estamos considerando a dissolução do gás carbônico ou de poluentes atmosféricos). 10) A – substância composta; B – substância simples e C – substância composta. 11) As substâncias presentes no sucrilho são substâncias compostas, iônicas, que possuem o íon ferro em sua constituição. Só seria possível atrair o ferro com um ímã se houvesse no cereal a substância simples ferro, que possui propriedades magnéticas. Em ambos os casos há a presença do elemento químico ferro, mas as propriedades de cada uma dessas substâncias ( a simples e a composta) diferem bastante. 12) I – b ; II – e 13) a) A – gás.,B – líq., C – líq., D – gás., E – sol. b) A – gás.,B – líq.,C – sol. D – líq. E – sol. c) A – gás., B – gás. ,C – líq. D – gás. E – 14) b 15) b 16) e 17) A hipótese b. O vapor d’água, ao entrar em contato com as paredes do copo, sofre um resfriamento e passa para o estado líquido. 18) c 19) a 20) a) Está incorreta, pois todo produto comestível natural ou artificial é formado por elementos químicos. b) “isento de aditivos químicos” (conservantes, aromatizantes, etc.). 21) a 22) b 23) I–errada; II–errada 24) I; II; V 25) a 26) Colocaria uma pequena quantidade de água em três recipientes. De cada um dos frascos retiraria uma pequena amostra e observaria seu comportamento frente à água Assim, a amostra que solubilizasse na água seria o metanol, a que ficasse abaixo dela seria o tetracloreto de carbono e a que ficasse acima dela seria o benzeno. 27) Tubo I – etanol; tubo 2 – gasolina; tubo III – clorofórmio. 28) d 29) Dissolver: misturar substâncias que não reajam entre si, formando solução. Diluir: acrescentar mais solvente a uma solução. 30) a) acrescentar mais álcool à solução. b) evaporar parte da água ou acrescentar mais dicromato de potássio (que é sólido à temperatura ambiente). - 20 - Assim, a composição da água apresentará sempre uma mesma relação entre as massas de hidrogênio e oxigênio para qualquer massa de água. massa de hidrogênio = 11,1g = 1 massa de oxigênio 88,9g 8 Ou seja, na formação da água devemos ter a combinação de hidrogênio e oxigênio na proporção de 1 para 8 em massa. Se reagirmos 1 grama de hidrogênio com 8 gramas de oxigênio, obteremos 9 gramas de água, o que confirma, também, a lei de Lavoisier. Em função desses resultados, Proust enunciou a segunda lei ponderal: Lei das proporções constantes: Toda substância apresenta uma proporção de massa constante em sua composição. A lei de Proust foi posteriormente estendida a qualquer reação química: Numa mesma reação química, há uma relação entre as massas das substâncias participantes. Composição centesimal Pela lei de Proust, as substâncias puras têm composição em massa constante e, consequentemente, puderam ser representadas por fórmulas. As fórmulas eram determinadas experimentalmente através de resultados obtidos por análises quantitativas dos elementos presentes na substância e expressas em termos percentuais (indicavam quanto do componente havia em 100 partes da substância). A fórmula (ou composição) centesimal não é o melhor tipo de fórmula porque pode corresponder a mais de uma substância, mas, em termos didáticos, sua determinação nos leva a estabelecer relações que nos ajudarão em cálculos posteriores. Exemplos: 1. Verifica-se experimentalmente que, na queima de 4,0g de cálcio, formam-se 5,6g de um composto de cálcio. Qual a fórmula percentual desse composto? Na queima do cálcio, há uma reação de síntese entre o cálcio e o oxigênio gerando um composto, denominado óxido de cálcio. 5,6g do composto ------------------- 4,0g de cálcio 5,6 g do composto ------------------- 1,6 g de oxigênio 100g do composto ------------------ x 100 g do composto ------------------ x x = 71,4g 71,4 % de cálcio x = 26,6 g 26,6 % de oxigênio 2. Qual a composição centesimal do composto cuja fórmula é CaS , sabendo-se que 72 g do composto possuem 40 g de cálcio? 72g do composto ------------------- 40g de cálcio 72g do composto ------------------- 32g de enxofre 100g do composto ------------------ x 100g do composto ------------------ x x = 55,6g 55,6 % de cálcio x = 44,4g 44,4 % de enxofre - 21 - As leis ponderais foram desenvolvidas a partir de experimentos realizados com quantidades de matéria possíveis de serem “pesadas” nas balanças existentes na época, ou seja, eram observações realizadas em nível “macroscópico”. Ainda não existia, naquele tempo, nenhuma explicação dos fatos relacionados à composição da matéria em nível “microscópico”. No livro intitulado Novo sistema de filosofia química, publicado em 1808, John Dalton (1766 - 1844) relatou sua teoria completa a respeito do comportamento químico das substâncias, denominada teoria atômica. Esta teoria possibilitou a compreensão dos resultados experimentais encontrados por Lavoisier e Proust, em nível “microscópico”. Os principais pontos da teoria atômica de Dalton são: átomos elemento químico P ara me l hor rep resen tar sua teoria, Dalto n substituiu os símbolos us ados na alquimia, e cr iou sím b o los p a ra elementos q u e n ªo er am conhecidos pelos alqu i mist as . Com o , par a el e , os Ætom os er am esfØr i cos, e le propôs que um a sØri e d e cí rc u lo s com linhas, p on tos o u l etras que representassem os dife rent es elementos. Hoje, sabemos que alguns desses elementos de Dalton sªo, na verdade, compostos. AS LEIS VOLUMÉTRICAS Em vez de tr aba lha r c o m a s m a ss a s d as subs tâ n c i as e m su as e x per iŒn c i a s , Joseph Gay -Lussac (1778 - 1850) utili zou medidas de volum es de g ase s. Em funçªo di s so enun cio u su as leis vo lumØtric as (ref er ent e s às pro porçı e s co m q u e v o l um e s ga sosos reage m entr e si, q ua n d o medid o s à mesma t e mp er at ura e pressªo) que podem ser reunidas numa só: Os volum es d as subst âncias par tici pantes de uma reaçªo químic a, quando no es ta do gaso so e a u ma mesma te mp erat ura e pressªo, guardam en tre si uma relaçªo expressa por nœmeros inteiros e pequenos (relaçªo simples). Exemplos: I. hidrogŒnio (g) + cloro (g) gÆs clorídrico V amos sup or que sej am feita s duas expe riŒncia s, partindo- se de v olumes dife re ntes de hid rogŒn io, por exemplo,-100L e-37L. Verifica-se experimentalmente que: 1a experiŒncia:-100L de hidrogŒnio consomem-100L de cloro e produzem-200L de gÆs clorídrico. Relaçªo entre os volumes de gases: 1:1:2 2a experiŒncia:-37L de hidrogŒnio consomem-37L de cloro e produzem-74L de gÆs clorídrico. Relaçªo entre os volumes: 1:1:2 - 22 - Observa-se que a relação é simples e constante, ou seja, para qualquer experiência que se faça com os gases hidrogênio e cloro para formar gás clorídrico a proporção com que eles interagem será sempre de 1 1 : 1 :2. II. hidrogênio (g) + oxigênio (g) água (vapor) Para compararmos melhor os diferentes resultados experimentais, utilizamos os mesmos volumes de hidrogênio usados na experiência I e observamos que: 1a experiência: 100 L de hidrogênio consomem 50L de oxigênio e produzem 100L de vapor d’água. 2a experiência: 37L de hidrogênio consomem 18,5 L de oxigênio e produzem 37 L de vapor d’água. A relação entre os volumes das substâncias participantes da reação é simples e constante e corresponde a 2 : 1 : 2. Nota-se que o volume do vapor de água é menor que a soma dos volumes de hidrogênio e oxigênio. Essa reação ocorre com contração de volume. Veja bem: existe lei da conservação da massa, mas não da conservação de volume. Pode haver contração ou expansão dos volumes gasosos participantes da reação. Em 1811, Amedeo Avogadro (1776 - 1856) emitiu uma hipótese que veio esclarecer o problema não resolvido por Gay-Lussac a respeito da contração ou expansão dos volumes dos gases durante uma reação (a teoria atômica de Dalton não explicava o porquê). Para formular sua hipótese, Avogadro comparou as observações experimentais e a proposta de Berzelius onde, volumes iguais de quaisquer gases continham o mesmo número de átomos (ou átomos compostos). Os fatos experimentais, no entanto, não conseguiam ser explicados, como veremos a seguir: Experiência 1 : Se misturarmos 1 litro de hidrogênio com 1 litro de cloro, acontecerá uma reação completa, o que era esperado por Berzelius; o volume de gás clorídrico obtido, porém, será de 2 litros e não de 1 litro como era esperado e que não pode ser explicado pelo modelo: hidrogênio + cloro gás clorídrico + Esperado: 1 V 1 V 1 V Observado: 1 V 1 V 2 V (?) Experiência 2 : Na reação de 1 L de oxigênio com dois litros de hidrogênio formam-se dois litros de água (reação completa) hidrogênio + oxigênio água + Esperado: 1 V 1 V 1 V Observado: 2 V 1 V 2 V (?) Avogadro soluciona o problema propondo que a estrutura básica de algumas substâncias simples não seria o átomo ou o "átomo composto" como pensavam os químicos atomistas da época, e sim uma estrutura composta por átomos ligados entre si, que denominou de molécula Propôs então que H, N, O e Cl, seriam formados por moléculas diatômicas. Surge, então, o conceito de atomicidade. Voltemos agora aos fatos e verificaremos que as idéias, desta forma condizem com os fatos. hidrogênio + cloro gás clorídrico + 2 1 V 1 V 2 V - 25 - 16) A tabela abaixo apresenta dados obtidos na reação do gás hidrogênio com o gás oxigênio produzindo vapor de água. Massa de hidrogênio (g) Massa de oxigênio (g) Massa de água (g) Massa que não reagiu 2,0 8,0 9,0 1,0g de hidrogênio 2,0 17,0 18,0 1,0g de oxigênio 4,0 32,0 36,0 sem excesso 10,0 64,0 72,0 2,0g de hidrogênio A tabela a seguir apresenta dados obtidos na reação de carbono com gás oxigênio produzindo gás carbônico. Massa de carbono (g) Massa de oxigênio (g) Massa de gás carbônico (g) Massa que não reagiu 12,0 36,0 44,0 4,0g de oxigênio 8,0 16,0 22,0 2,0g de carbono 5,0 8,0 11,0 2,0g de carbono 24,0 70,0 88,0 6,0g de oxigênio Os itens a seguir devem ser respondidos com base nas tabelas: a) Para produzirmos 144,0g de água de maneira que não haja sobras dos reagentes, que massas destes devemos usar? b) Para obtermos 5,5g de gás carbônico, sem excessos, quanto de cada reagente deve ser usado? c) Misturando-se 3,0g de carbono com 9,0g de oxigênio, quanto se obterá de gás carbônico? Sobrará alguma quantidade de carbono ou oxigênio? Em caso afirmativo, quanto? d) Quanto de carbono seria necessário para reagir totalmente com 100,0 g de oxigênio? 17) O cálcio reage com o oxigênio produzindo cal virgem (óxido de cálcio). Foram realizadas duas experiências, cujos dados incompletos constam na tabela a seguir: cálcio + oxigênio cal virgem 1a experiência 40g x 56g 2a experiência y 32g z Determine os valores de x, y e z e cite o nome das leis ponderais que permitiram essa determinação. 18) O açúcar comum, quando submetido a aquecimento, pode ser transformado em carvão. Essa reação pode ser representada da seguinte maneira: açúcar carvão + água Com base nessas informações, responda: a) A transformação de 342g de açúcar em 144g de carvão irá produzir também qual massa de água? b) Se desejarmos obter 99g de água e 72g de carvão, que massa de açúcar devemos aquecer? c) Se aquecermos 1710g de açúcar, quais serão as massas de carvão e de água que iremos obter? 19) Escolha a alternativa que melhor completa a frase: “Quando uma porção de palha de aço enferruja, esta sofre ................ de massa, proveniente da ...........”. a) aumento - combinação com oxigênio b) diminuição - combinação com gás carbônico c) diminuição - combinação com oxigênio d) aumento - liberação de gás carbônico e) aumento - combinação com gás carbônico - 26 - 20) Sabe-se que 448 mL de monóxido de nitrogênio reagem com 224 mL de oxigênio formando 448 mL de dióxido de nitrogênio, todos gasosos e nas mesmas condições. a) Verifique a proporção entre os gases reagentes e produto, segundo as leis volumétricas. b) Que volume de oxigênio seria consumido por 20,0L de monóxido de nitrogênio? 21) De acordo com o quadro, calcule os valores de X,Y,W e Z, em gramas. A + B C + excesso 1a reação 0,4 g 1,5 g 1,9 g ------------- 2a reação 2,0 g X Y ------------- 3a reação 2,8 g 11,7 g W Z 22) 54L de um gás A são adicionados a 54L de um gás B. Há reação entre eles e, terminada a reação, obtém- se 36L de um gás C ao lado de 36L do gás B, em excesso. Qual é a relação entre os volumes de A, B e C, nessa reação, expressa por números inteiros e pequenos? 23) O quadro a seguir apresenta vários dados sobre a combinação do gás nitrogênio com gás oxigênio, com formação de óxido nítrico gasoso. Complete os espaços vazios: Volume de oxigênio (L) Volume de nitrogênio (L) Volume de óxido nítrico (L) Volume de gás que sobra 20,0 20,0 A nenhum 5,0 3,0 6,0 2,0 L oxigênio 8,0 13,0 16,0 B 1,0 4,0 C 3,0 L nitrogênio D E 4,0 1,0 L oxigênio 24) Se em 2L de certo gás, sob pressão de 5 atm na temperatura de 25 ºC, existem n moléculas , em 4 L do mesmo gás, nas mesmas condições de temperatura e pressão, o número de moléculas será igual a ........ 25) Duas amostras de carbono puro de massa 1,00g e 9,00g foram completamente queimadas ao ar. O único produto formado nos dois casos, o dióxido de carbono gasoso, foi totalmente recolhido e as massas obtidas foram 3,66g e 32,94 g respectivamente. Utilizando-se esses dados: a) demonstre que nos dois casos a lei de Proust é obedecida. b) determine a composição do dióxido de carbono expressa em % de carbono e oxigênio. - 27 - RESPOSTAS 1) a) Sim, a massa antes da reação (36g) é igual à massa depois da reação. b) Sim, a massa total antes da reação (387,9g) é igual à massa total (produto + excesso) após a reação. 2) 2,8g de hidrogênio e 11,2 g de metano 3) 5,1g de gás 4) 3,2g de metano 5) x = 1 6) 18 g de água 7) 6g 8) 52,8g de gás carbônico e 21,6g de água 9) 67,2g de ferro e 50,4g de monóxido de carbono 10) 2,7% de hidrogênio e 97,3% de cloro 11) 20% de hidrogênio e 80% de carbono 12) 94,1 % de enxofre e 5,9 % de hidrogênio 13) 216g 14) 35,5g de cloro e 9,2g de sódio 15) a) 26,7g de cloreto de alumínio b) 8,7g de cloro 16) a) 128g de oxigênio e 16g de hidrogênio b) 1,5g de carbono e 4,0 g de oxigênio c) 11g; sim, 1,0g de oxigênio. d) 37,5g de carbono 17) X= 16g ; Y = 80g ; Z = 112g ; Lavoisier e Proust 18) a) 198g de água b) 171g de açúcar c) 720 g carvão e 990 g água 19) a 20) a) 2:1:2 b) 10,0L 21) X = 7,5g ; Y = 9,5g ; W= 13,3g e Z = 1,2g de B 22) A relação é 3:1:2 23) A = 40,0 L; B = 5,0L hidrogênio; C = 2,0 L; D = 3,0 L; E = 2,0 L 24) 2n 25) a) 1,00 = 3,66 - Proust 9,00 32 b) 27,3% de carbono e 72,7% de oxigênio - 30 - EXERCÍCIOS 1) Os raios catódicos são: a) elétrons b) prótons c) partículas d) ondas eletromagnéticas e) nêutrons 2) Os raios canais produzidos numa ampola de Goldstein são : a) elétrons b) prótons c) nêutrons d) íons gasosos positivos e) íons gasosos negativos 3) O primeiro modelo científico para o átomo foi proposto por Dalton em 1808. Este modelo poderia ser comparado a : a) uma bola de tênis b) uma bola de futebol c) uma bola de pingue-pongue d) uma bola de bilhar e) uma bexiga cheia de ar 4) O elétron foi descoberto por Thomson no final do século XIX. Quais as características gerais do modelo atômico proposto por Thomson? 5) O raio do núcleo é menor que o próprio átomo em aproximadamente : a) 102 vezes b) 104 vezes c) 108 vezes d) 1010 vezes e) 1023 vezes 6) Considere os modelos atômicos de : I - Dalton II - Thomson III - Rutherford a) Qual deles foi proposto baseado nos resultados da medida da massa dos participantes das reações químicas? b) Qual introduziu a natureza elétrica da matéria? c) Qual apresenta a matéria como sendo descontínua? d) Qual é o mais recente? RESPOSTAS 1) a 2) d 3) d 4) O átomo seria um “pudim” de cargas positivas e dentro deste teríamos os elétrons com cargas elétricas negativas, como se fossem “passas”, formando um sistema eletricamente neutro. 5) b 6) a) I b) II c) III d) III - 31 - CAPÍTULO 4 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO ÁTOMO Alguns conceitos relacionados ao átomo Desde o modelo proposto por Thomson, sabemos que o átomo é um sistema eletricamente neutro, ou seja, o total de cargas positivas é igual ao total de cargas negativas. Com a evolução, introduzida por Rutherford, do modelo atômico, podemos relacionar as cargas elétricas com as partículas constituintes do átomo: os prótons apresentam carga positiva; os elétrons, negativa e os nêutrons apresentam carga nula. Assim, num átomo: número de prótons = número de elétrons Número Atômico (Z) A carga do núcleo, ou seu número de prótons, é a grandeza que caracteriza cada elemento, sendo este número denominado número atômico. ( Z = no de prótons ) Como num átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons, ao ser fornecido o número atômico (Z) de um átomo, serão fornecidas duas informações: o no de prótons e o no de elétrons. Íons Os átomos apresentam a capacidade de ganhar ou perder elétrons, formando novos sistemas, eletricamente carregados, denominados íons. Íon é a espécie química que apresenta o número de prótons diferente do número de elétrons. Atenção: Os átomos, ao ganharem ou perderem elétrons, originam dois tipos de íons: Cátions: Formam-se quando um átomo perde um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente positivo, onde o n.º de prótons é maior que o n.º de elétrons. Sua representação, segundo norma da IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada), é feita colocando-se acima e à direita do símbolo do elemento a quantidade de elétrons perdidos seguida do sinal +. Por exemplo: Fe2+; Ca2+ ;Na +. Ânions: Formam-se quando um átomo ganha um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente negativo, onde o n.º de prótons é menor que o n.º de elétrons. Sua representação é feita colocando-se acima e à direita do símbolo do elemento a quantidade de elétrons ganhos seguida do sinal . Por exemplo: S2 ; N3 ;Br Número de Massa (A) A massa do átomo depende fundamentalmente dos seus prótons e nêutrons, já que a massa do elétron é desprezível. Logo, número de massa é a soma do n.º de prótons (p) com o n.º de nêutrons (n) presentes no núcleo de um átomo. (A = p + n ) Elemento Químico É o conjunto formado por átomos e íons que apresentam mesmo número atômico. Observe que, quando um átomo se transforma em um íon, seu número atômico não se altera, pois há um ganho ou perda de elétrons e não de prótons. - 32 - Simbologia do elemento químico De acordo com a IUPAC, ao representar um elemento químico, devem-se indicar, junto ao seu símbolo, os números atômico e de massa e, quando se tratar de um íon, também a carga elétrica. Esquematicamente, temos: átomos íons AX ou XA AXcarga elétrica do íon Z Z Z Isótopos Um elemento químico pode ser constituído por uma mistura de vários átomos com o mesmo número atômico, mas com diferentes números de massa. Esses átomos eram chamados de isótopos (iso = mesmo; topos = lugar). Isótopos são átomos que apresentam o mesmo número atômico (Z) por pertencerem ao mesmo elemento químico, mas apresentam diferentes números de massa (A). O elemento oxigênio (O), por exemplo, é formado por uma mistura de três isótopos: 8 O 16 8 O 17 8 O 18 A diferença no número de massa é produzida pelas diferentes quantidades de nêutrons existentes em cada isótopo. Isoeletrônicos São os átomos e íons que apresentam a mesma quantidade de elétrons. Exemplo: São isoeletrônicos: N 3 , O 2 , F 1 , Ne, Na +. Considerando que o raio é a distância provável do elétron mais externo ao núcleo, numa série de isoeletrônicos: maior for o n.º atômico (Z) menor será o raio cátion é sempre menor que o do átomo que lhe deu origem ânion é sempre maior que o do átomo que lhe deu origem - 35 - CAPÍTULO 5 EVOLUÇÃO DOS MODELOS ATÔMICOS Modelo atômico de Rutherford-Bohr (1913) O modelo de Rutherford sofreu muitas críticas na época em que foi elaborado, mas, convencido de sua validade, capaz de interpretar muitas propriedades da matéria, o físico dinamarquês Niels Bohr propôs a idéia de que as leis da Física clássica não se aplicariam ao átomo e suas partículas constituintes. Bohr interpretou a estabilidade atômica usando uma teoria, proposta por Max Planck, denominada teoria dos quanta, relacionada à propagação de energia luminosa (a energia seria emitida em quantidades discretas, constituindo “pacotes de energia” que ele chamou de quanta de energia). Relacionando esta teoria com os resultados experimentais observados quando átomos eram submetidos ao calor ou a eletricidade, Bohr propôs um modelo atômico revolucionário que mantinha as principais características do modelo de Rutherford. Esse novo modelo é baseado nos seguintes princípios: energia constante não perde nem ganha energia estado estacionário salto quântico um estado excitado Cada uma dessas órbitas permitidas foi denominada nível ou camada de energia. Dentre os elementos conhecidos, aquele que contém maior número de elétrons apresenta-os distribuídos no máximo em 7 camadas, designadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. - 36 - Com os progressos nos estudos relativos ao átomo, descobriu-se que cada nível de energia do modelo de Bohr era constituído de vários subníveis com diferentes energias. Assim, quando um elétron salta de um nível de energia para outro mais próximo do núcleo, podem ser emitidas diferentes energias, dependendo dos subníveis onde estava o elétron antes e depois do salto. Nesta ampliação do modelo de Bohr, conhecido como modelo de Sommerfeld (1916), um dado nível de energia é constituído por subníveis de energia, aos quais estão associadas várias órbitas diferentes, onde uma dessas órbitas é circular e as demais são elípticas. A evolução do modelo de Rutherford-Bohr Como já foi visto, foi Sommerfeld quem deu o primeiro passo para a ampliação do modelo de Bohr, admitindo órbitas elípticas com diferentes excentricidades para elétrons de um mesmo nível, caracterizando energias muito próximas, em regiões que foram denominadas de subníveis. Outras observações e estudos com os espectros levaram à conclusão de que estas órbitas possuem planos bem definidos. Experiências posteriores, envolvendo a passagem de átomos por campos magnéticos, mostraram um comportamento peculiar; havia um desvio, em sentidos opostos do campo magnético, dos átomos utilizados. Este comportamento foi explicado admitindo-se que cada elétron se comporta como um pequeno ímã e que seu magnetismo seria resultante da rotação (spinning) da carga negativa, sendo possíveis dois sentidos de rotação (spin): um elétron gira ao redor de seu eixo no sentido horário ou anti-horário. Dois elétrons com spins iguais se repelem elétrica e magneticamente, já que o campo magnético gerado é igual enquanto que dois elétrons com spins contrários se atraem magneticamente e se repelem eletricamente mantendo equilíbrio dinâmico no orbital. repulsão atração Após examinar cuidadosamente os espectros de diversos átomos, Wolfgang Pauli enunciou o seguinte princípio, conhecido como princípio da exclusão de Pauli: - 37 - Em 1924, o físico francês Louis de Broglie mostrou que o elétron, além de partícula, podia ser considerado uma onda eletromagnética (elétrons podem sofrer difração obedecendo às leis ondulatórias como se fossem ondas sonoras, luminosas, etc.). Como a luz, ele podia ser encarado como uma partícula- onda. O elétron, então, apresenta um comportamento duplo (dual), isto é, pode ser interpretado como partícula (massa) ou onda, conforme o fenômeno estudado. Qual o mecanismo usado para determinar a trajetória de um elétron? Como não podemos vê-lo, precisaríamos utilizar um dispositivo que nos fornecesse sua posição a cada instante. Da união dessas várias posições sucessivas, teríamos a trajetória percorrida pelo elétron. Isso, porém, não é possível devido à dimensão tão pequena do elétron (sua posição não consegue ser determinada). Foi Werner Heisenberg quem mostrou, em 1926, que não se pode determinar com exatidão a posição de um elétron. Seu princípio da incerteza diz que é impossível determinar simultaneamente a posição e a velocidade de um elétron num átomo. Heisenberg substituiu o conceito de posição de um elétron por probabilidade de posição. O modelo atual Com o surgimento do princípio de Heisenberg, os modelos de Bohr e Sommerfeld - que indicavam órbitas definidas para os elétrons (imaginavam o subnível como uma linha circular ou elíptica sobre a qual o elétron se deslocaria)- se mostraram inadequados, por ser impossível a determinação da trajetória dos elétrons. Torna-se mais adequado falar em regiões de máxima probabilidade de se encontrar determinado elétron, isto é, regiões de máxima densidade eletrônica. Não se afirma que, em dado instante, o elétron efetivamente está em um ponto determinado. No máximo, podemos delimitar a região de máxima probabilidade para encontrar-se o elétron. O físico austríaco Erwin Schrödinger, em 1927, conseguiu adaptar ao elétron as teorias de Heisenberg e de Broglie. Utilizando equações de movimento de ondas, em coordenadas cartesianas, ele conseguiu deduzir equações matemáticas que determinam regiões no espaço, onde temos a máxima probabilidade de encontrar determinado elétron. Esta região é denominada orbital do elétron. ORBITAL: Níveis, Subníveis e Orbitais Quando Bohr enunciou seus postulados, sugeriu uma fórmula para determinação do raio da órbita circular. Hoje não tem mais sentido falar em raio da órbita e a interpretação do mesmo seria: a distância mais provável do elétron ao núcleo. Conforme demonstrado por Sommerfeld, cada nível de energia é constituído por um ou mais subníveis e estes são designados pelas letras minúsculas s, p, d, f, g, h, i, j,... Nos 115 elementos conhecidos atualmente encontramos apenas quatro tipos de subníveis: s, p, d e f e estes subníveis têm energias diferentes entre si: s < p < d < f Através cálculos matemáticos e de observações experimentais, deduz-se que: Nível Camada Subníveis 1 K 1s 2 L 2s - 2p 3 M 3s - 3p - 3d 4 N 4s - 4 p - 4d - 4f 5 O 5s - 5p - 5d - 5f 6 P 6s - 6p - 6d 7 Q 7s - 40 - O mesmo raciocínio se aplica aos demais níveis, levando-se em conta as regiões de probabilidade possíveis. Camada Nível Subnível Máximo de elétrons em cada subnível Máximo de elétrons em cada nível K 1 1s 2 2 L 2 2s, 2p 2 + 6 8 M 3 3s, 3p, 3d 2 + 6 + 10 18 N 4 4s, 4p, 4d, 4f 2 + 6 + 10 + 14 32 O 5 5s, 5p, 5d, 5f 2 + 6 + 10 + 14 32 P 6 6s, 6p, 6d 2 + 6 + 10 18 Q 7 7s 2 2 Resumindo: . Distribuição dos elétrons na eletrosfera dos átomos A disposição dos elétrons na eletrosfera de um átomo foi proposta por Linus Pauling e denominada configuração eletrônica. Os elétrons ocupam a eletrosfera sempre da maneira mais estável, ou seja, na posição de menor energia possível; assim, os elétrons sempre vão ocupar as regiões com menor energia disponível. A essa situação do elétron, em que ele apresenta a sua menor energia, Linus Pauling deu o nome de estado fundamental. Para distribuir os elétrons pelos subníveis é fundamental considerar que os elétrons devem entrar no átomo segundo a ordem crescente de energia dos subníveis. E deve-se respeitar, também, o número máximo de elétrons permitido em cada subnível. Linus Pauling determinou, num diagrama, a ordem crescente de energia dos subníveis para os elementos conhecidos, que apresentam no máximo sete níveis de energia e somente 4 subníveis. Este diagrama é conhecido por Diagrama de Pauling e permite fazer a configuração eletrônica para os átomos dos 115 elementos conhecidos. 1s 2s - 2p 3s - 3p - 3d 4s - 4 p - 4d - 4f 5s - 5p - 5d - 5f 6s - 6p - 6d 7s - 41 - Temos então, com o auxílio das setas paralelas, a seguinte ordem energética crescente: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d Ao fazermos a distribuição eletrônica utilizando o diagrama de Pauling, anotamos a quantidade de elétrons em cada subnível no seu lado direito superior. Genericamente, temos: nível n subnível número de elétrons existentes no subnível Por exemplo: o A distribuição eletrônica para o hidrogênio (Z=1) é: 1s1 o A distribuição eletrônica para o oxigênio (Z=8) é: 1s2 2s2 2p4 o A distribuição eletrônica para o sódio (Z=11) é: 1s2 2s2 2p6 3s1 Podemos ter, portanto, não só o número de elétrons por subnível, mas também o número de elétrons por nível ou camada: 1s2 2s2 2p6 3s1 nível 1 nível 2 nível 3 camada K camada L camada M n.º de elétrons = 2 n.º de elétrons = 8 n.º de elétrons = 1 K = 2 L = 8 M = 1 O átomo de magnésio (Na) tem seus elétrons, no estado fundamental, distribuídos em três níveis de energia, ou seja, três camadas, sendo que o seu nível mais externo, denominado nível ou camada de valência, é o nível 3 ou camada M. Nível ou camada de valência É importante determinar o número de elétrons presentes na camada de valência dos átomos, pois esse número indicará não só o comportamento do elemento numa ligação, mas também a sua localização na tabela periódica. Pelo diagrama de Pauling pudemos observar que certos subníveis de camadas mais externas são energeticamente inferiores a alguns subníveis mais internos. É o caso da energia do 4s, que é inferior à do 3d, donde se pode concluir que o subnível mais energético nem sempre é o mais afastado do núcleo. Por exemplo: A configuração eletrônica do átomo de escândio (Z=21) é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1. O subnível 4s2 aparece antes do subnível 3d1. No caso do escândio, o subnível mais energético é o 3d1, apresentando 1 elétron, enquanto que o mais externo é o 4s2, com 2 elétrons. A distribuição eletrônica do escândio, por camadas é: K = 2 ; L = 8; M = 9; N = 1 Distribuição eletrônica de íons Íons são formados a partir de átomos por ganho ou perda de elétrons, sendo que isso ocorre sempre na camada de valência (camada mais externa). - 42 - Cátions ou íons positivos Como os cátions são formados, a partir dos átomos, pela perda de elétrons, inicialmente devemos fazer a distribuição eletrônica do átomo e, a seguir, "retirar" os elétrons necessários para formar o cátion, Exemplos: O átomo de sódio (11Na) origina o cátion 11 Na + pela perda de um elétron, o que é indicado pelo sinal +. átomo : 11 Na 1s 2 2s2 2p6 3s1 cátion : 11 Na + 1s2 2s2 2p6 O átomo de ferro (26Fe) origina os cátions 26Fe 2+ e 26Fe 3+ pela perda de 2 e 3 elétrons,respectivamente. átomo : 26Fe 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 cátions : 26Fe 2+ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d6 26Fe 3+ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d5 Ânions ou íons negativos Os ânions são formados quando os átomos "ganham" elétrons, que irão se "acomodar" na sua camada de valência. Inicialmente, devemos fazer a distribuição eletrônica do átomo e, a seguir, "acrescentar" os elétrons necessários para originar o ânion. Exemplo: O ânion do enxofre (16S 2 ) é formado a partir do átomo de enxofre (16S) pelo "ganho" de 2 elétrons, o que é indicado pelo sinal 2 . átomo : 16 S 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p4 ânion : 16 S 2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Os dois elétrons recebidos se acomodam no subnível incompleto da camada de valência. Distribuição eletrônica em orbitais Vimos que um subnível é um conjunto de orbitais. Lembremos que os subníveis s, p, d e f apresentam respectivamente 1, 3, 5, e 7 orbitais. Cada orbital será representado graficamente por um quadrado em cujo interior representaremos os elétrons. s p d f Cada orbital será ocupado por dois elétrons, no máximo, e os elétrons serão representados por setas para cima ou para baixo . Por convenção, a seta para cima representará o 1.º elétron a ocupar determinado orbital e a seta para baixo indicará o 2.º . Regra para preenchimento de elétrons num subnível Experimentalmente constata-se que os primeiros elétrons a ocupar um subnível apresentam os menores valores de energia. Isto significa que, por convenção, devem-se colocar setas para cima ( ), da esquerda para a direita. Ainda, todos os orbitais receberão um elétron e, só depois, é que completaremos os orbitais da esquerda para a direita (ordem crescente de energia) com as setas para baixo ( ). O preenchimento desses quadrados é conhecido como Regra de Hund, que é assim enunciada: - 45 - 17) A configuração eletrônica 4s2 4p3 representa os elétrons da camada de valência de um elemento químico. a) Qual o seu número atômico? b) Caso ele receba 3 elétrons, qual será a sua nova configuração ? c) Que tipo de espécie química ele se tornará? d) O seu raio será maior ou menor? Por quê? 18) O íon X 2 tem 35 nêutrons e é isoeletrônico do gás nobre criptônio (Kr, A = 40, Z = 18). Qual o número atômico e o de massa de X? 19) Se um átomo, no estado fundamental, apresenta apenas dois elétrons no quinto nível de energia, qual é o seu número atômico? 20) Qual é o número atômico de um átomo cujo cátion monovalente apresenta a configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6? 21) Qual o número atômico de um elemento que apresenta somente dois pares de elétrons (emparelhados) nos orbitais d do quarto nível? 22) No esquema a seguir, encontramos duas distribuições eletrônicas de um mesmo átomo neutro: A - 1s2 2s2 B - 1s2 2s1 2p1 A seu respeito é correto afirmar que: a) A é a configuração ativada. b) B é a configuração normal (fundamental). c) A passagem de A para B libera energia na forma de ondas eletromagnéticas. d) A passagem de A para B absorve energia. e) A passagem de A para B envolve perda de um elétron. 23)Muitos elementos químicos apresentam isótopos naturais. Analise os dados da tabela: Elemento Isótopo Abundância (%) a) A tabela indica que um dos isótopos do H não tem nêutron. Identifique-o. b) Qual das formas do hidrogênio é chamada hidrogênio leve? c) Em uma amostra de 10 000 átomos de hidrogênio, quantos há de cada um dos isótopos? d) Entre os elementos inclusos na tabela, qual não tem isótopo? 24) Uma manifestação comum nas torcidas de futebol é a queima de fogos de artifício coloridos, de acordo com as cores dos times. Fogos com cor vermelha, por exemplo, contêm um elemento que possui como subnível mais energético um subnível s, que possui elétrons emparelhados. Assim, a torcida da China, para - 46 - saudar o time de seu país com um vermelho brilhante, deverá usar fogos contendo um elemento com número atômico: a) 38 b) 30 c) 26 d) 19 25) Assinale a alternativa que corresponde à regra de Hund : a) Orbital é a região do espaço de maior probabilidade de se encontrar um elétron. b) Os subníveis s, p, d, f comportam, respectivamente, até 2, 6, 10, 14 elétrons. c) O orbital s tem forma esférica. d) Os elétrons de um orbital devem apresentar spins contrários. e) Todos os orbitais de um subnível são preenchidos parcialmente, para depois serem completados. 26) Um nível de energia é constituído de três subníveis. O n.º máximo de elétrons nessa camada é ............. 27) Para tentar explicar o que se entende por um orbital atômico do tipo 2p, textos introdutórios usam figuras do tipo seguir : p I II Assinale a afirmação correta em relação a figuras desse tipo: a) O elétron no estado 2p descreve uma trajetória na forma de oito, como esboçado acima. b) Enquanto um dos elétrons 2p está garantidamente na região I, um segundo elétron 2p está garantidamente na região II. c) Essas figuras correspondem a símbolos que só podem ser interpretados matematicamente, mas não possuem interpretação física. d) Os contornos da área hachurada correspondem à distância máxima do elétron em relação ao núcleo, cuja posição corresponde ao ponto p. e) Essa figura procura dar a idéia de duas regiões onde a probabilidade de encontrar o mesmo elétron 2p é relativamente grande, mas sem esquecer que ele também pode estar fora da região hachurada. 28) Materiais que se magnetizam sob a ação de um campo magnético, mas perdem a magnetização quando o campo magnético é removido são chamados paramagnéticos. o Materiais que não se magnetizam sob a ação de um campo magnético são chamados diamagnéticos. Átomos com pelo menos um elétron desemparelhado são paramagnéticos. Átomos com todos os elétrons emparelhados são diamagnéticos. Considerando as informações acima podemos afirmar que são paramagnéticos os átomos do elemento: a) 2He b) 4Be c) 7N d) 10Ne e) 12Mg 29) Os íons A 2+ , B 1 , C 3+ , D 2 , E 1+ são isoeletrônicos. Coloque-os em ordem crescente de seus números atômicos, demonstrando seus cálculos. 30) Qual a distribuição eletrônica que contraria simultaneamente o princípio de Pauli e a regra de Hund ? a) c) b) - 47 - RESPOSTAS 1) I. c ; II. e ; III. a; IV. d; V. b; VI. b; VII. e; VIII. c ; IX. b ; X. c ; XI. e 2) Pela teoria de Maxwell (eletromagnetismo), uma carga elétrica em movimento irradia continuamente energia. Dessa maneira, o elétron em movimento ao redor do núcleo estaria continuamente irradiando energia. Com isso, o elétron perderia energia de modo contínuo, diminuindo gradativamente sua velocidade e a sua distância do núcleo, numa trajetória espiralada que culminaria com o choque inevitável contra o núcleo. 3)d 4) I e III 5) Ao receber energia, por exemplo, de uma chama, os elétrons do íon sódio absorvem energia e saltam para níveis mais externos; ao retornarem para os níveis internos, emitem radiação na coloração amarela, que é característica deste metal. 6) E = hf = h c/ . Logo: a) Ondas de raio< microondas< raios ultravioleta < raios gama b) Ondas de raio< microondas< raios ultravioleta < raios gama c) raios gama 7) De acordo com esse modelo, o átomo poderia ser representado de uma forma em que as órbitas permitidas tivessem relação com os diferentes níveis de energia e, ainda, com as respectivas raias presentes no espectro. 8) 7 camadas; K, L,M,N,O,P,Q 9) Sommerfeld 10) a) ordem energética : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f145d4 ordem geométrica: 1s2–2s2 2p6–3s2 3p63d10–4s24p64d104f14–5s25p6 5d4–6s2 b) K =2 ; L =8; M = 18; N = 32; O = 12; P = 2 c) 5d d) 6s e) 4 f) ordem energética: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s0 4f145d4 ordem geométrica: 1s2 – 2s2 2p6 –3s2 3p6 3d10–4s24p6 4d10 4f14–5s25p6 5d4 11) a) ordem energética: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 ordem geométrica: 1s2 – 2s2 2p6 – 3s2 3p6 3d8 – 4s2 b) K =2 ; L =8; M = 16; N = 2 c) 3d d) 4s e) 2 f) ordem energética: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d7 ordem geométrica: 1s2 – 2s2 2p6 – 3s2 3p6 3d7 12) N - 1s2 2s2 2p3 ; N3– - 1s2 2s2 2p6 13) Z = 19 14) Z = 35 15) “Quando um átomo de 12Mg perde 2 elétrons, transforma-se em um íon positivo representado por 12 Mg 2+ “. 16) a) São isoeletrônicos b) 13Al 3+ - 0,50 angstrons; 9F 1 - 1,36 angstrons e 11Na +- 0,95angstrons . Sendo isoeletrônicos, quanto maior Z, maior a atração e menor o raio. 17) A configuração eletrônica 4s2 4p3 representa os elétrons da camada de valência de um elemento químico. a) Z = 33 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 c) Um ânion. d) Maior. Mesmo número de prótons atraindo um número maior de elétrons gera uma menor interação núcleo-eletrosfera. 18) Z= 16 e A = 51 19) Z = 38 20) Z = 11 21) Z = 45 22) letra d 23) a) 1H b) o que não possui nêutron c) 9998 átomos de 1H, 2 átomos de 2H d) sódio 24) letra a 25) e 26) 18 27) e 28) c 29) D < B < E < A < C 30) b
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