Coleção 10 V - Livro 1 - Química - Aluno by Editora Elabore

FRENTE

Fonte: Wikimedia Commons

QUÍMICA Por falar nisso A química, como ciência da natureza, estuda os materiais, suas propriedades e suas transformações. Para isso, utiliza-se do processo de investigação e da experimentação. É nos laboratórios de pesquisas, imagem ilustrativa dessa capa, que acontecem a maioria dos processos investigativos. Para segurança do cientista, Equipamentos de Proteção Individual (EPI) são utilizados constantemente. Nesses laboratórios, podemos fragmentar um material em porções muito pequenas; testar a sua reatividade com diversas substâncias (ácidos, bases, óxidos etc.), além de medir propriedades como ponto de fusão, ebulição, densidade, massa e volume. Para os processos investigativos, os cientistas fazem uso do Método Científico. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

A01 A02 A03 A04

Introdução ao estudo da química.................................................. 190 Materiais e substâncias químicas ................................................. 195 Estados físicos da matéria............................................................. 202 Gráficos de mudanças de estado.................................................. 210

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A01

ASSUNTOS ABORDADOS nn Introdução ao estudo da química nn Conhecimento e divulgação nn Método científico nn Os modelos representativos e as analogias nn Matéria nn Massa nn Volume nn Densidade nn Pressão

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DA QUÍMICA O nascimento da Química não é datado. Historicamente, alguns cientistas insistem em dizer que a Química se iniciou com a publicação do Tratado Elementar de Química, elaborado por Lavoisier em 1789. Porém, é bom lembrar que a Química talvez tenha surgido a partir do domínio do fogo pelo ser humano ou, quem sabe, a partir da confecção de objetos metálicos. Estruturalmente, a maioria desses cientistas defendem que a Química só está relacionada com as alterações das propriedades da matéria, mas, mesmo assim, o conhecimento químico começou a se formar em épocas remotas e, às vezes, sem fazer distinção entre transformações químicas e físicas. A descoberta do sal, por exemplo, permitiu o desenvolvimento de várias atividades relacionadas à Química: os alimentos puderam ser mais bem conservados e estocados para épocas em que não houvesse grande disponibilidade. E isso pode e deve ser qualificado como um bom emprego do conhecimento químico.

Figura 01 - O jovem David Teniers registrou em pinturas os laboratórios dos alquimistas da época.

190

A Idade Média, por exemplo, é citada como um período de trevas e de pouco desenvolvimento para a Ciência. Há quem diga até que a alquimia praticada na Idade Média tenha se tornado ciência somente com o fim desse período histórico. Outros dizem que a Química destruiu a alquimia na medida em que ela conseguiu explicar alguns fatos. Entretanto, a busca pela pedra filosofal e pelo elixir da longa vida permitiu a obtenção de vários solventes e métodos de separação de misturas, além de alguns elementos químicos, que foram identificados durante esse período histórico. É por isso que devemos ter um pensamento mais aberto e menos ortodoxo sobre a distinção entre Química e alquimia. Uma simples demarcação de datas não é o suficiente para separar a alquimia da Química e muito menos é capaz de demarcar o início do conhecimento químico, ou seja, o conhecimento químico foi formado ao longo do desenvolvimento das civilizações.

Fonte: Wikimedia Commons / David Teniers the Younger (1610–1690)

De algum modo, a busca por um ponto de partida para o início da produção de conhecimento químico se torna um grande problema. Até porque todas as civilizações contribuíram para a formação desse conhecimento. Atividades relacionadas à alimentação, à produção de vinho, de vinagre e de cervejas, além da extração de matérias-primas da natureza, assim como a produção de utensílios domésticos, cerâmicas, óleos aromáticos, venenos etc., contribuíram grandemente para a formação do conhecimento químico. Porém, a transferência desse conhecimento ficou, em algumas regiões, restrita a pequenos grupos de pessoas – os guetos populacionais.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Conhecimento e divulgação Constantemente, confundimos a formação do conhecimento com a sua divulgação, até porque encontramos casos de formação do mesmo conhecimento em épocas temporais iguais, porém, em comunidades diferentes e completamente isoladas. Em alguns casos, esse conhecimento não foi divulgado e se perdeu, não contribuindo para a formação do conhecimento químico atual. As formas de perdas de dados e de conhecimentos são muito variáveis. Como exemplo, podemos citar a peste negra na Europa que dizimou, em cinco anos (de 1347 a 1351), praticamente 50% da população. Essa dura transformação na sociedade alterou de maneira significativa a economia, o sistema político, os costumes, os aspectos culturais e o conhecimento químico. Nessa época, a maioria dos alquimistas viviam em pequenas comunidades isoladas e, por motivos de perseguição, não faziam anotações das diversas atividades relacionadas à Química ou as faziam em códigos que dificilmente outro grupo poderia entender. Como não havia um sistema padrão de códigos e representações para Química àquela época, podemos dizer que a peste negra realmente foi um período obscuro para a formação do conhecimento. Ela destruiu um grande número de observações elaboradas e acumuladas até aquele momento. A tentativa de se chegar às famosas poções mágicas do elixir da longa vida e da pedra filosofal produziu conhecimento químico, ainda que sem muita metodologia, e a perda de todos esses dados, por causa da não divulgação do conhecimento adquirido, fez da Idade Média um período de entrave na formação do conhecimento químico. Desse modo, começaremos nossos estudos de Química sem fazer uma referência temporal exata do início dessa atividade como ciência propriamente dita, pois acreditamos que qualquer contribuição, por menor que seja, tenha sido importante para chegarmos ao estado de organização e divisão das ciências atuais. Daí a importância de se discutir a produção e a divulgação do conhecimento, mesmo que seja de forma breve, como neste texto.

Para Oparin, “se não havia O2 na atmosfera da terra primitiva, a primeira célula haveria de ser anaeróbia...” Se a condição heterotrófica é metabolicamente mais simples do que a condição autotrófica (fabricar internamente a própria glicose), é provável que a primeira célula tenha sido heterotrófica, já que a condição mais simples vem primeiro no processo evolutivo.”

Uma dedução leva à outra. No Método Indutivo, o pesquisador, com base em experimentos, testes, provas e contraprovas, é induzido a uma conclusão. Para isso, o cientista observa um fato e cria um questionamento sobre o fato observado. Esse questionamento leva à elaboração de hipóteses que podem explicar o fato observado. Diante das hipóteses estabelecidas, o pesquisador monta e executa um experimento controlado. Esse experimento possui um grupo-teste no qual apenas uma hipótese será testada. Deve haver total alinhamento da hipótese e da montagem do grupo-teste. Um grupo-controle também é providenciado. O grupo-controle deve ter as condições opostas às condições investidas no grupo-teste, ou seja, o controle mantém as condições originais. O grupo-controle se presta a um confronto com o grupo-teste, permitindo comparações. Uma conclusão, após a execução do experimento controlado e após a leitura dos resultados obtidos, pode descartar a hipótese ou confirmá-la. Caso a hipótese seja descartada, um novo experimento controlado deve ser montado para testar a próxima hipótese levantada. A hipótese confirmada pelo experimento controlado pode se configurar como uma teoria, depois de repetidos testes. As etapas do Método Científico

O método científico mais utilizado atualmente é o Método Indutivo, embora o Método Dedutivo também seja bastante reconhecido. Oparin (1894-1980), bioquímico russo que se dedicou ao estudo da origem da vida na Terra, utilizou-se do Método Dedutivo para estabelecer suas ideias. Oparin propunha uma sequência de reações químicas para origem da célula primitiva e suas características metabólicas.

A01  Introdução ao estudo da química

Método científico

Figura 02 - No método científico, uma sequência lógica de etapas deve ser seguida.

191

Química

Quando um cientista investiga uma situação e chega a determinadas conclusões, ele deve organizar formas adequadas de tradução do conhecimento que possibilitem uma boa interpretação da leitura de suas descobertas. Uma das ferramentas utilizadas nessa interpretação são os modelos. É por meio deles que a Ciência consegue elaborar, descrever, interpretar, explicar e criar novas hipóteses para os fenômenos estudados. Entretanto, é importante deixar claro que um modelo não é algo real, isto é, não possui representação física. Isso é de extrema importância na Ciência. Assim, entender um modelo é compreender uma representação imaginária de um objeto, de um sistema ou de uma atividade mental. Um modelo elaborado mentalmente, representado por símbolos escritos e aceito por uma comunidade científica, é um modelo consensual. Quando explicamos um fenômeno e as pessoas elaboram um modelo da situação envolvida, estão fazendo uso de atividades mentais sobre o fenômeno, portanto, estão elaborando um modelo. Assim, um modelo elaborado por um grupo pode divergir do modelo de outro grupo, apresentando limitações ou vantagens na interpretação dos fenômenos estudados. Nos módulos seguintes, faremos o estudo dos aspectos químicos da matéria e representaremos alguns fenômenos utilizando modelos próximos dos modelos consensuais empregados pelas comunidades científicas. No entanto, em alguns casos, torna-se muito difícil atingir e transmitir o conceito de um modelo por meio de uma definição. Nesses casos, temos

que recorrer às analogias entre o modelo consensual e algo conhecido. Para isso, vamos tentar estabelecer uma ponte entre um foco desconhecido e outro comum ao cotidiano das pessoas.

Matéria De maneira geral, dizemos que matéria é tudo que tem massa e ocupar lugar no espaço. A matéria pode se apresentar nos estados sólido, líquido e gasoso. Por exemplo, a água, e o ar atmosférico são matérias. O ar atmosférico é uma mistura de gases: nitrogênio, oxigênio, argônio, dióxido de carbono, vapor d´água e outros. E todos esses componentes do ar são matéria, contudo, não podemos visualizá-los. Como sabemos, a água nos estados líquido ou sólido é visível. Já o vapor de água é invisível.

Massa Por definição, massa é uma grandeza que está associada à quantidade de matéria que existe em um corpo. Independentemente do local em que esse corpo esteja, a massa de um corpo é sempre a mesma, ou seja, massa é uma grandeza que independe da ação gravitacional. Por exemplo, um astronauta de 85 kg sempre apresentará massa de 85 kg, independente do local em que esteja (na Terra ou na Lua, a massa do astronauta é a mesma). Já o peso de um corpo depende diretamente da ação da gravidade. A gravidade da Lua, por exemplo, quando comparada à gravidade da Terra é 6 (seis) vezes menor. Assim, o peso do astronauta na Lua é seis vezes menor que o peso desse mesmo astronauta na Terra.

A01  Introdução ao estudo da química

Figura 03 - O fato de um astronauta se sentir mais leve e saltar mais alto na Lua do que na Terra se deve à menor ação da gravidade da Lua.

192

Fonte: wikimedia commons / Charlie Duke

Os modelos representativos e as analogias

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Para se medir a massa de um corpo ou de um objeto, o Sistema Internacional de Unidades (SI) adotou como unidade padrão o quilograma, cujo símbolo é kg. Contudo, podemos utilizar também, os múltiplos e submúltiplos dessa unidade. Como submúltiplo do quilograma, temos o grama (g), o centigrama, (cg), o decigrama (dg), o miligrama (mg) etc. Da mesma forma, temos os múltiplos como a tonelada (ton) etc. Uma tonelada corresponde a 1.000 kg. Múltiplos e Submúltiplos do grama Unidade principal

Submúltiplos

quilograma

hectograma

decagrama

grama

decigrama

centigrama

miligrama

dag

1000 g

100 g

10 g

0,1 g

0,01 g

0,001 g

Volume

Pressão

O segundo aspecto da definição de matéria – ocupar lugar no espaço – está associado à grandeza denominada volume (V). O SI recomenda o metro cúbico (m3) como unidade básica de volume. Podemos ilustrá-lo utilizando um cubo que possui 1 m de aresta. Lembremos que seu volume é obtido multiplicando seu comprimento por sua altura e por sua largura.

Pressão é uma grandeza que mede a relação entre força e área (F/Área). A pressão atmosférica, por exemplo, está ligada à força da gravidade, que tem origem no centro da Terra e atrai os corpos presentes no Planeta.

Em Química, usam-se o litro (L) e o mililitro (mL) com mais frequência.

Densidade A densidade (d) é uma propriedade específica da matéria que corresponde à razão entre a massa da amostra de um material qualquer e seu volume. Geralmente, a massa é expressa em gramas e o volume é expresso em cm3. A equação para seu cálculo é a seguinte: d=

m V

Fonte: Reprodução com base na ilustração disponível em: <http://revistaescola.abril.com.br/fundamental-2/ pressao-atmosferica-muda-altitude-680619.shtml>. Acesso em 19 abr. 2016.

Portanto, a extensão do espaço ocupada por um cubo com 1 m de aresta é igual a 1 m3. É comum também o uso de seus submúltiplos: o decímetro cúbico (dm3) e o centímetro cúbico (cm3).

A atmosfera terrestre, por exemplo, torna-se mais rarefeita à medida que a altitude aumenta devido à ação da gravidade. Quanto mais próximo se está da superfície, maior é a quantidade de ar atmosférico sobre um determinado ponto. Esse ar se comprime cada vez mais devido ao aumento na pressão. Assim, as moléculas passam a ocupar um espaço cada vez menor, aumentando a sua densidade.

Figura 04 - À medida que a altitude aumenta, a pressão atmosférica diminui.

193

A01  Introdução ao estudo da química

Múltiplos

Química

Exercícios de Fixação 01. A Ciência, sendo uma atividade humana, associa-se a valores éticos, transcendendo, portanto, os atos, as leis e as teorias científicas. O cientista, dessa forma, ao contrário da visão estereotipada de gênio isolado, pode elaborar propostas de intervenção solidária na realidade social, por meio dos conhecimentos produzidos em sua área de pesquisa ou da destinação de recursos pessoais. Com relação à natureza do conhecimento científico e considerando o texto acima, julgue os itens a seguir. 01. Por resultarem da utilização do método científico, os conhecimentos científicos não são influenciados pela sociedade. 02. O desenvolvimento da ciência e da tecnologia químicas tem afetado a qualidade de vida da humanidade. 03. Muitas das tecnologias de guerra utilizadas no mundo resultaram do desenvolvimento científico. E-C-C 02. A densidade é uma propriedade específica de cada material, podendo ser utilizada para identificá-lo. Imagine que você precise determinar se a massa de 2 kg de um material é constituída somente de ferro ou não. Você mede o volume por meio da técnica de deslocamento de um líquido em um recipiente graduado. O valor encontrado é 241,73 mL. Sabendo que a densidade do ferro é aproximadamente 7,86 g/cm3, podemos dizer que o material é constituído somente por ferro? Justifique sua resposta. 03. A investigação química é uma atividade humana que tem grande influência na sociedade. Com relação a essa atividade e suas características, julgue os itens a seguir em certo (C) ou errado (E) 01. Os modelos científicos desenvolvidos pelo método científico usado em Química possuem limitações e não explicam todos os fenômenos. 02. Acabar com o problema mundial da fome é uma decisão de competência dos químicos, pois somente eles podem dedicar maior parte do seu tempo no desenvolvimento de novas tecnologias que aumentem a produtividade agrícola.

03. Para a preservação da saúde dos indivíduos, deveria ser proibido o uso de produtos químicos nos alimentos. C-E-E 04. Para que a Ciência possa desempenhar o seu papel, ela elabora instrumentos próprios, que são chamados teorias, conceitos, métodos. Aproximar-se da Ciência, usar os seus recursos, tornar-se capaz de entendê-la e de utilizá-la exigem conhecimento dos instrumentos e da linguagem da ciência. Julgue os itens a seguir em certo (C) ou errado (E): 01. Primeiro faz-se uma observação qualitativa para, assim, fazer uma quantitativa. 02. Um modelo é uma representação exata de um fenômeno, sendo, assim, definitivo. 03. Quando observamos a formação de 18 g de sal de cozinha, numa reação de neutralização, essa observação é estritamente qualitativa. C-E-E 05. Assim como acontece com as outras ciências naturais, a Química baseia-se na observação de fatos da natureza. O homem observa a natureza, age sobre ela, constrói ideias e representações sobre suas observações e ações. Agindo sobre a natureza, o homem a transforma, transformando-se. Nesse caminhar o homem elabora explicações para os fatos observados. Muitas vezes, para a solução de um problema prático, é necessário que a Química atue em conjunto com outras ciências, ou seja, que proporcione a interdisciplinaridade dos fatos. Com base no texto e na ideia de Ciência, julgue os itens a seguir em certo (C) ou errado (E): 01. Química é uma ciência experimental. 02. A ciência não é estática, renova-se a cada dia. 03. Entre as ciências naturais, a Química resolve os seus problemas sem o auxílio das outras. 04. Ciência natural é o conjunto de atividades que visa observar, experimentar, explicar e relacionar os fenômenos da natureza. C-C-E-C

A01  Introdução ao estudo da química

Exercícios Complementares 01. (Unicamp SP) Três frascos de vidro transparentes, fechados, de formas e dimensões iguais, contêm cada um a mesma massa de líquidos diferentes. Um contém água, o outro, clorofórmio e o terceiro, etanol. Os três líquidos são incolores e não preenchem totalmente os frascos, os quais não têm nenhuma identificação. Sem abrir os frascos, como você faria para identificar as substâncias?

te, sendo necessária a utilização desse instrumento. A verificação da densidade garante que o distribuidor está atendendo à regulamentação da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). De acordo como essa regulamentação, o etanol usado como combustível deve ter no máximo 5% de água. A adição dessa quantidade de água ao etanol anidro aumenta sua densidade para cerca de 0,82 g cm3 a 25 °C.

A densidade (d) de cada um dos líquidos, à temperatura ambiente, é:

Em um teste de análise, um técnico mediu a massa de 50 cm3 de combustível, encontrando o valor 42,5 g. Considerando esses dados e seus conhecimentos sobre o assunto, o combustível analisado tem um valor de massa de água a) abaixo de 3% b) maior que 5%. c) praticamente nulo. d) igual ao previsto na ANP. e) igual ao valor de massa de etanol anidro.

d(água) = 1,0 g/cm3 d(clorofórmio) = 1,4 g/cm3 d(etanol) = 0,8 g/cm3 02. É muito comum encontrarmos densímetros sendo utilizados em postos de combustível para indicar a densidade do etanol hidratado vendido. Como o etanol é altamente solúvel em água, a adulteração do combustível é difícil de ser detectada visualmen-

194

Gabarito questão 02 (FIxação) O material em questão não é constituído unicamente da substância ferro (Fe), pois a densidade do material foi diferente de 7,86g/cm3.

1mL=1cm3  1kg=1000g m 2000 d= ∴ d= ∴ d=8,274g/cm3 V 241,73

Gabarito questão 01 (complementares) No enunciado foi dito que a massa é a mesma. Portanto, o líquido de maior densidade deverá apresentar o menor volume. Como o clorofórmio é o que possui a densidade maior (1,4 g/ cm3) então ele seria o que teria o menor volume. Já o volume do etanol seria o maior, e o da água seria intermediário. A ilustração a seguir nos fornece uma representação dos três frascos

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A02

MATERIAIS E SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS Desde há muito que o homem questiona a composição dos materiais na natureza. Tudo que observamos ao nosso redor está sob a forma de substâncias ou de misturas de substâncias. Por exemplo, o leite que tomamos no café da manhã é uma mistura de água, proteínas, gorduras, açúcares etc. Da mesma forma, o café também é uma mistura de água, açúcar, cafeína e outras substâncias. Enfim, tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço é um material. Na natureza, os materiais são encontrados na forma de substância ou na forma de mistura de substâncias. A água pura é uma substância. Já a água mineral é uma mistura de substâncias (água e sais minerais). O açúcar, material de grande uso doméstico, é uma mistura de substâncias (sacarose, clarificante, etc.).

ASSUNTOS ABORDADOS nn Materiais e substâncias químicas nn Classificação das substâncias nn Significados dos símbolos nn Significados das fórmulas nn Classificação dos sistemas materiais nn Alotropia

Para identificar se um material é uma mistura de substâncias, recorremos ao método científico. Segundo esse método, propriedades como temperatura de fusão e de ebulição, densidade, calor específico, dureza e condutividade elétrica são propriedades específicas e constantes quando se trata de substâncias. Porém, nas misturas de substâncias, essas propriedades são variáveis.

Classificação das substâncias As substâncias são formadas pela associação de átomos de um ou mais elementos químicos, exceto gases nobres, que são substâncias monoatômicas. Quando uma substância é formada por átomos de um único elemento químico, ela é classificada como substância simples. Quando é formada por átomos de diferentes elementos químicos, ela é classificada como substância composta. A substância hidrogênio (H2), por exemplo, é uma substância simples. Portanto, é formada por átomos de um mesmo elemento químico. Por outro lado, a água (H2O) é uma substância composta formada por átomos de dois elementos químicos (H - hidrogênio e O - oxigênio). Substâncias simples

Substâncias compostas

Fórmula

Nome

Fórmula

Nome

Hidrogênio

NH3

Amônia

Oxigênio

HNO3

Ácido nítrico

Ozônio

CO2

Dióxido de carbono

Nitrogênio

Monóxido de carbono

Ferro

CaCO3

Carbonato de cálcio

Hélio

NaHCO3

Bicarbonato de sódio

Tabela 01 - Exemplos de substâncias simples e compostas.

Índice ou atomicidade São números que indicam a quantidade de átomos de cada elemento químico na fórmula molecular. Por exemplo, no caso da molécula de água (H2O), temos índice ou atomicidade 2 para o hidrogênio e índice ou atomicidade 1 para o oxigênio. Na molécula de etano (C2H6), temos índice 2 para o carbono e índice 6 para o hidrogênio.

Figura 01 - Índices ou atomicidades nas moléculas de água e de etano.

195

Química

SAIBA MAIS ELEMENTO QUÍMICO A definição atual de elemento químico é feita com base no modelo de átomo nuclear. Segundo esse critério, átomos de um mesmo elemento químico possuem o mesmo número de prótons.

Para a substância ozônio (O3), o índice ou atomicidade é 3. No composto dicromato de potássio (K2Cr2O7), temos atomicidade 2 para o potássio; atomicidade 2 para o crômio e atomicidade 7 para o oxigênio. Para a sacarose (C12H22O11), principal componente do açúcar caseiro, temos atomicidade 12 para o carbono; atomicidade 22 para o hidrogênio e atomicidade 11 para o oxigênio.

Significados dos símbolos Ao longo do tempo, diversas simbologias foram adotadas para representar os elementos químicos. Atualmente, empregamos símbolos convencionados e aceitos pela comunidade científica para cada um dos elementos químicos. De maneira geral, um símbolo é adotado obedecendo às seguintes regras: nn o

elemento deve ter nome escrito no latim ou o nome latinizado;

nn a

primeira letra do símbolo deve ser maiúscula e em letra de forma;

nn a

segunda letra, se houver, deve ser escrita em letra de forma minúscula. Elemento químico

Símbolo convencionado

Hidrogênio

Hélio

Lítio

Berílio

Boro

Carbono

Nitrogênio

Oxigênio

Flúor

Neônio

Sódio

Magnésio

A02  Materiais e substâncias químicas

Tabela 02 - Simbologia química, uma linguagem universal.

Além da representação dos elementos químicos por símbolos com regras de nomenclatura padronizadas, também podemos representá-los utilizando os modelos de átomos. No início do século XIX, John Dalton (1766-1844), com base nas Leis Ponderais, estabeleceu o modelo de átomo ponderal. Segundo esse modelo, os átomos se comportam como esferas rígidas, maciças e indestrutíveis: as chamadas “bolas de bilhar” (Figura 02).

Figura 02 - Representação de elementos químicos segundo o modelo de átomo de Dalton. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

196

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Dalton propôs que, para cada elemento químico, haveria uma representação na forma de pequenas esferas. O tamanho das esferas era fator primordial para diferenciação dos elementos químicos. Por exemplo, para representar os elementos químicos: hidrogênio, oxigênio, cloro e outros (Figura 02), segundo o modelo de átomo de Dalton, utilizam-se esferas de tamanhos diferentes. O tamanho da esfera é proporcional ao “peso do átomo”. O termo “peso do átomo” foi utilizado naquela época para fazer referência à massa do átomo de um elemento químico. Hoje, utilizamos o termo massa atômica para nos referir à massa do átomo de um elemento químico. Dessa forma, para representar um material, seja ele substância simples, substância composta ou uma mistura de substâncias, podemos utilizar os símbolos padronizados ou representá-los por meio de esferas segundo o modelo de átomo de Dalton. Na Figura 02, vimos que o elemento químico hidrogênio foi representado por uma esfera em cor cinza. Dessa forma, a substância hidrogênio (H2) deve ser representada por duas esferas em cor cinza ligadas entre si.

utilizar duas esferas diferentes: uma em cor vermelha para representar o átomo do elemento químico oxigênio, e duas esferas em cor cinza para representar os átomos do elemento químico hidrogênio. Por último, no sistema IV, temos uma mistura de substância. Observe que temos as substâncias hidrogênio (H2), oxigênio (O2) e a água (H2O).

Significados das fórmulas Os elementos químicos são representados por símbolos. As substâncias são representadas por fórmulas. Existem vários tipos de fórmulas como a fórmula molecular, a fórmula mínima, a fórmula estrutural plana, a fórmula estrutural espacial. Para a substância água, a fórmula molecular é representada por H2O. O dióxido de carbono, por sua vez, tem fórmula CO2, e o gás metano, CH4. A fórmula molecular representa a molécula da substância e nos informa: nn a quantidade de elementos químicos presentes na substância; nn a

Figura 03 - Representação de uma substância utilizando o modelo de átomo de Dalton. Imagens fora de escala e em cores ilustrativas.

A seguir, nos sistemas I, II e III, temos representadas as substâncias hidrogênio, oxigênio e água. No sistema IV, temos a representação da mistura dessas substâncias.

quantidade de átomos de cada elemento químico presente na fórmula.

Para a água (H2O), temos nn H:

símbolo do elemento químico hidrogênio. Na fórmula, temos dois átomos de H.

nn O: símbolo do elemento químico oxigênio. Na fórmula,

temos um átomo de O.

nn H2O: fórmula molecular da água (1 molécula de água). nn 5 H2O: representa cinco moléculas da substância água.

Para a sacarose (C12H22O11), temos nn C: símbolo do elemento químico carbono. Na fórmula, temos 12 átomos de carbono. nn H:

símbolo do elemento químico hidrogênio. Na fórmula, temos 22 átomos de hidrogênio.

nn O: símbolo do elemento químico oxigênio. Na fórmula,

temos 11 átomos de oxigênio.

nn C12H22O11: fórmula molecular (1 molécula de sacarose).

Figura 04 - Representação de substâncias e mistura de substâncias segundo o modelo de átomo de Dalton. Imagens fora de escala e em cores ilustrativas.

No sistema I, temos a substância hidrogênio (H2). Utilizando as representações de modelo de átomo de Dalton, foram adotadas esferas em cor cinza para representar os átomos do elemento químico hidrogênio. Para a substância oxigênio (O2), temos duas esferas vermelhas ligadas entre si (sistema II). No caso da água (sistema III), uma substância composta pelos elementos químicos hidrogênio e oxigênio, devemos

As fórmulas são modelos simbólicos de representação que os químicos empregam como forma de linguagem universal. A seguir, temos as fórmulas estruturais do metano (CH4). Em a, b, c, temos fórmulas estruturais espaciais. Em d, temos o modelo de preenchimento.

Figura 05 - Fórmulas estruturais do metano (CH4).

197

A02  Materiais e substâncias químicas

C12H22O11: representa três moléculas da substância sacarose.

Opirus/Arte

nn 3

Química

Classificação dos sistemas materiais

Opirus/Arte

A classificação dos sistemas materiais é feita com base na uniformidade. Os sistemas uniformes em toda a sua extensão são classificados como homogêneos ou monofásicos. Os demais sistemas são ditos heterogêneos ou polifásicos (bifásicos, trifásicos, tetrafásicos etc.). Por exemplo, quando olhamos para uma garrafa de água mineral, vemos um sistema homogêneo (monofásico). Por outro lado, no sistema água e areia, temos duas fases (bifásico). Água e areia formam um sistema heterogêneo. Água e óleo formam um sistema bifásico.

Figura 06 - Nos sistemas, vemos, à esquerda, água mineral (sistema homogêneo). Ao centro, água e areia (sistema heterogêneo bifásico) e, à direita, óleo e água (sistema heterogêneo bifásico).

Ao lado, temos um bloco de granito. Mesmo a olho nu, podemos ver que o granito é um sistema heterogêneo (não uniforme) formado por pontos brancos (quartzo), róseos (feldspato) e pretos (mica). Portanto, granito é um material trifásico.

Fonte: wikimedia commons / Rojinegro81

Contudo, devemos lembrar que a uniformidade de um material não deve ser julgada com base em seus aspectos visíveis a olho nu. Devemos considerar sistemas ópticos de alto poder de resolução. Por exemplo, quando analisamos o sangue a olho nu, vemos uma massa líquida homogênea. Mas isso não é suficiente para classificar o sangue como um material homogêneo, pois não utilizamos o maior poder de resolução. Ao levar o sangue a um microscópio (óptico ou eletrônico), vemos que se trata de um sistema heterogêneo.

A02  Materiais e substâncias químicas

Figura 07 - Observe que no granito podemos ver três fases bem distintas em função de suas cores - quartzo (branco), feldspato (róseo) e mica (preto).

Contudo, nem todo sistema heterogêneo é uma mistura. Uma substância em mudança de estado é um sistema heterogêneo. A água sólida (gelo), ao sofrer fusão, forma um sistema heterogêneo, desde que existam as duas fases (sólida e líquida) em equilíbrio. Assim, podemos dizer que toda substância em mudança de estado físico é um sistema heterogêneo.

Figura 08 - Água nos estados sólido e líquido sistema heterogêneo.

Alotropia Um fato interessante é que alguns elementos químicos produzem duas ou mais substâncias simples. Esse fenômeno é denominado de alotropia. O elemento oxigênio, por exemplo, pode se apresentar na natureza sob a forma de duas substâncias simples o gás oxigênio (O2) e gás ozônio (O3). O carbono, por sua vez, pode se apresentar na natureza sob a forma de várias substâncias simples, como por exemplo, a grafite, o diamante e sob a forma de fulerenos. 198

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A seguir, temos uma síntese das substâncias alotrópicas dos elementos oxigênio, carbono, fósforo e enxofre. Elemento

Metaestável

Estável

Difere na

Oxigênio

Ozônio (O3)

Oxigênio (O2)

Atomicidade

Carbono

Diamante (Cn)

Grafita (Cn)

Estrutura cristalina

Fósforo

Fósforo branco (P4)

Fósforo vermelho (Pn)

Atomicidade

Enxofre

Enxofre monoclínico (S8)

Enxofre rômbico (S8)

Estrutura cristalina

SAIBA MAIS

Estável: identifica a forma alotrópica de um elemento químico que possui menor conteúdo energético.

A NOVA VARIEDADE ALOTRÓPICA DO CARBONO – BUCKMINSTERFULLERENO

O diamante é um sólido duro, de densidade 3,52 g/cm3, não condutor de corrente elétrica e com arranjo espacial tetraédrico para cada átomo de carbono.

Descoberto em 1985 por um grupo de pesquisadores ingleses, o “futeboleno” ou buckminsterfullereno é uma molécula intrigante, formada por 60 átomos de carbono dispostos em 12 pentágonos, 20 hexágonos e 32 faces. O nome dado a essa variedade alotrópica é uma homenagem ao arquiteto e filósofo americano Buckminster Fuller. Quantidades apreciáveis de buckbola podem ser preparadas evaporando grafite por passagem de corrente elétrica em presença de gás hélio. Como são moléculas isoladas, os C60 podem ser separados da fuligem de grafite por dissolução em solventes orgânicos. Outra observação importante feita pelos pesquisadores é que essa molécula em forma de bola de futebol pode alojar alguns átomos metálicos em seu interior, além de reagir como potássio e produzir o composto K3C60 . Esse composto apresentou-se supercondutor a 18 K sugerindo que outros fulerenos também apresentassem boas propriedades elétricas, magnéticas e óticas. Um fato interessante é que ao serem submetidos a pressões da ordem de 250 mil atm, os fulerenos são convertidos em diamantes. Outras aplicações feitas até o momento para os fulerenos são no campo da biomedicina, no que diz respeito a atividades antivirais, antioxidante, antimicrobiana, transporte de drogas de efeito radioterápico e constastes para diagnósticos por imagem.

A grafita é um material mole, de densidade 2,25 g/cm3, condutor de corrente elétrica e com arranjo plano de camadas hexagonais. Observe as ilustrações a seguir.

Figura 09 - Diamante - arranjo tetraédrico.

A02  Materiais e substâncias químicas

Metaestável: identifica a forma alotrópica de um elemento químico que possui maior conteúdo energético.

Figura 11 - Representação do Buckminsterfullereno (C60) Figura 10 - Grafita - arranjo hexagonal.

199

Química Exercícios de Fixação 01. Na química, assim como em outras ciências, utilizamos símbolos e fórmulas para estabelecer uma comunicação segura. Os elementos químicos, por exemplo, são representados por símbolos. As substâncias químicas, por sua vez, são representadas por fórmulas. A seguir, listamos algumas fórmulas de substâncias. (I) N2O5 (II) N2H4 (III) H2SO4 (IV) N2 (V) O3 (VI) HNO3 (VII) S8 (VIII) NaOH (IX) Na2CrO4 (X) Na2Cr2O7 a) Determine o número de elementos químicos presentes nas substâncias listadas em: (I) 02 elementos químicos (IV) 01 elemento químico (VI) 03 elementos químicos (IX) 03 elementos químicos b) Escreva o nome e represente os símbolos dos elementos químicos presentes nas substâncias listadas em: (II) N - nitrogênio; H - hidrogênio. (III) H - hidrogênio; S - enxofre; O - oxigênio (V)

O - oxigênio

(X)

Na - sódio; Cr - crômio; O - oxigênio

c) Para as substâncias representadas, indique quais são substâncias simples.

São substâncias simples as representadas pelos números IV, V e VII

A02  Materiais e substâncias químicas

d) Utilizando-se das fórmulas moleculares citadas a seguir, da legenda dos símbolos dos elementos químicos e das representações das fórmulas das substâncias por meio de esferas, associe as fórmulas moleculares às fórmulas das substâncias representadas.

02. Um sistema é constituído por água no estado líquido e três cubos de gelo. Esse sistema é classificado como: a) Homogêneo. b) Heterogêneo com uma fase. c) Heterogêneo com duas fases. d) Heterogêneo com quatro fases. 03. “A camada de ozônio absorve os raios ultravioleta mais energéticos que chegam à atmosfera, protegendo-nos contra essas radiações.” No texto, há citação de uma substância química que pode ser representada pela fórmula molecular a) O2 c) O4 e) SO2 b) O3 d) CO2 04. Aço, etanol (C2H5OH) e ozônio representam, respectivamente: a) Substância composta, mistura e substância simples. b) Substância simples, substância composta e mistura. c) Substância composta, elemento químico e mistura. d) Mistura, substância composta e substância simples. 05. Dependendo do número de elementos químicos, as substâncias que compõem um sistema podem ser classificadas em substâncias simples ou substâncias compostas. A seguir, são citados sistemas que contêm várias substâncias. Sistema I: H2, N2O, N2 e Fe Sistema II: Au, He, O2 e CO Sistema III: Cu, Ar, Fe e H2 Assim, no sistema a) I, temos quatro substâncias simples. b) II, temos três substâncias compostas. c) III, temos quatro substâncias compostas. d) I, temos uma substância composta. e) II, temos uma substância composta ternária. 06. “(...) A biodegradação pode não ocorrer com a rapidez necessária, e os ambientes aquáticos tornam-se anaeróbios (reduzido teor de oxigênio (O2) dissolvido), passando a exalar cheiro desagradável, com formação de gás sulfídrico (H2S) e de outros produtos da atividade microbiana (...), tais como íons acetato (CH3COO–) e os gases hidrogênio (H2), carbônico (CO2) e metano (CH4)”. Fonte: Ciência Hoje, 2005.

Entre os compostos citados, classificam-se como substâncias simples: a) acetato e oxigênio. b) hidrogênio e metano. c) oxigênio e hidrogênio. d) ácido sulfídrico e metano. e) acetato e ácido sulfídrico.

200

Ciências da Natureza e suas Tecnologias Exercícios Complementares 01. Com o desenvolvimento de novos métodos de investigação, o ser humano conseguiu identificar a composição de diversos materiais presentes na natureza. Materiais de uso cotidiano, como água potável, álcool combustível, óleo vegetal, água gaseificada e suco de laranja passaram a ser objeto de investigação e estudo da química. De maneira geral, podemos dizer que os materiais se dividem em materiais homogêneos ou heterogêneos. Considerando que você disponha de instrumentos de alta tecnologia para investigação da composição dos materiais, é coerente dizer que no texto foi(foram) citado(s): a) 5 materiais homogêneos. b) 4 materiais heterogêneos. c) 3 materiais heterogêneos. d) 2 materiais homogêneos. e) 1 material heterogêneo. 02. Um sistema é formado de água líquida, água sólida, água vapor, açúcar dissolvido e óleo vegetal. Podemos dizer que, em relação ao número de fases e ao número de componentes, o sistema pode ser classificado em a) trifásico com cinco componentes. b) bifásico com três componentes. c) tetrafásico com quatro componentes. d) tetrafásico com cinco componentes. e) tetrafásico com três componentes.

a) elemento químico e substância composta. b) substância simples e substância composta. c) mistura homogênea e mistura homogênea. d) substância simples e mistura heterogênea. e) elemento químico e mistura heterogênea. 05. Correlacione a coluna da direita com a coluna da esquerda. 2- 3- 4- 1- 4- 4

( 1 ) Elemento químico ( 2 ) Substância composta ( 3 ) Substância simples ( 4 ) Mistura

( ( ( ( ( (

) Água ) Gás oxigênio ) Vinagre ) Sódio ) Água do mar ) Liga de cobre

06. Alotropia é o fenômeno em que um elemento forma duas ou mais substâncias simples diferentes entre si e sempre no mesmo estado físico. Cite as principais variedades alotrópicas dos elementos carbono e oxigênio, bem como as diferenças entre elas. 07. (Fuvest SP) Hidrogênio reage com nitrogênio formando amônia. A equação não balanceada que representa essa transformação é: H2 (g) + N2 (g) → NH3 (g)

Outra maneira de escrever essa equação química, mas agora balanceando-a e representando as moléculas dos três gases, é:

03. Considerando o sistema a seguir, responda: a) 5 moléculas. b) 4 substâncias. c) 4 elementos químicos. d) 1 substância simples e 3 substâncias

a) Qual o número de moléculas representadas? b) Qual o número de substâncias? c) Qual o número de elementos químicos combinados na forma de substâncias? d) Qual o número de substâncias simples e o de substâncias compostas? 04. O ferro (Fe) é um dos componentes da hemoglobina. A falta de ferro na alimentação causa anemia. O processo anêmico pode ser revertido com uma alimentação rica em carnes, verduras, grãos e cereais integrais, sendo, em alguns casos, necessário um suplemento de sulfato de ferroso (FeSO4).

08. O estudo de misturas de substâncias gasosas é de fundamental importância, pois elas são empregadas em diversos processos industriais. O gás liquefeito de petróleo (GLP), utilizado em botijões de cozinha, por exemplo, é uma mistura cujos principais componentes são os gases propano (C3H8) e butano (C4H10). Outros exemplos são o ar atmosférico - mistura cujos principais componentes são nitrogênio, oxigênio e argônio - e o gás natural, mistura formada principalmente de metano (CH4) e etano (C2H6). Do texto, temos que o número total de elementos químicos presentes nas substâncias citadas é a) 1 c) 3 e) 5 b) 2 d) 4

Nesse contexto, os termos sublinhados no texto acima se classificam, respectivamente, como Gabarito Questão 06 Elemento Metaestável Oxigênio Gás ozônio (O3) Carbono

Diamante (Cn)

Estável Gás oxigênio (O2)

Diferenças Atomicidade

Grafita (Cn)

Estrutura cristalina

201

A02  Materiais e substâncias químicas

compostas

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A03

ASSUNTOS ABORDADOS nn Estados físicos da matéria nn Estado sólido nn Estado líquido nn Estado gasoso nn Transformações físicas

ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA A superfície do planeta Terra é um dos poucos lugares no Universo onde a água pode ser encontrada em seus três estados: sólido (gelo), líquido e gasoso (vapor). As transições entre esses estados ocorrem o tempo todo e têm um importante papel na manutenção das condições climáticas e da vida. Os seres vivos, constituídos principalmente de água, interagem com o meio e dependem dessas mudanças. Como todas as substâncias químicas, a água é formada por moléculas. Uma só gota de água é composta por trilhões e trilhões delas. A molécula de água é formada por um átomo do elemento oxigênio ligado a dois átomos do elemento hidrogênio. É importante não confundir elementos com substâncias: o elemento é caracterizado por um tipo de átomo, existindo um pouco mais de cem tipos, e as moléculas são formadas por combinações de átomos, o que possibilita a existência de um número praticamente infinito de tipos de moléculas. Assim, dois átomos de oxigênio se unem para formar a molécula da substância oxigênio que encontramos na atmosfera, enquanto a união de três átomos de oxigênio produz a substância ozônio, com propriedades bastante diferentes da substância oxigênio.

Estado sólido Um bloco de gelo, por exemplo, está no estado sólido em condições de baixas temperaturas e, para transformá-lo no estado líquido, devemos submetê-lo ao aquecimento. Isso se deve aos tipos de interações que existem entre as partículas que o constituem. De maneira geral, para um material se apresentar no estado sólido em condições ambientes, deve haver fortes forças de interações entre as partículas constituintes (moléculas, átomos, íons). Isso porque nos sólidos as forças de coesão são mais intensas que as forças de repulsão. Além dessas características, os sólidos também apresentam forma e volume próprios; organizam-se em retículos cristalinos (iônicos, metálicos, moleculares ou covalentes); possuem baixa energia cinética se comparados aos líquidos e aos gases.

Fonte: shutterstock.com / Juancat

Figura 01 - Água nos estados sólido e líquido.

202

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

No estado sólido, as partículas estão unidas e organizadas sob a forma de retículos. O cloreto de sódio, um sólido iônico, tem seus íons fortemente atraídos entre si por forças eletrostáticas. Forças eletrostáticas são forças que existem entre cargas elétricas de sinais contrários. No cloreto de sódio, as forças eletrostáticas são o resultado da atração dos íons sódio (Na+) e cloreto (C−). O íon sódio, dotado de carga elétrica positiva (cátion), atrai fortemente o íon cloreto (ânion), dotado de carga elétrica negativa. Já a água, sob a forma de gelo, tem suas moléculas unidas por forças denominadas ligações de hidrogênio. As ligações de hidrogênio, bem como as forças eletrostáticas entre íons, serão estudas em aulas posteriores. Assim, os diversos materiais se apresentam na natureza. Há aqueles, contudo, que se encontram sob a forma de gás. Nesse estado, as moléculas estão afastadas entre si e praticamente não existem interações entre elas.

–

Ligações de Hidrogênio

– +

Na+ Na

C –

Na+ + Na

–

Na+ + Na+ Na

–

Na+ Na

–

Na+ + Na

+ –

C – +

C –

flickr / Kyle May

C –

H O

–

A03  Estudos físicos da matéria

Figura 02 - À esquerda, retículo cristalino do NaC. Ao centro, as forças eletrostáticas entre os íons Na+ e C-. À direita, arranjo do retículo cristalino no gelo estabelecido pelas interações de ligações de hidrogênio.

203

Química

Estado líquido

ça do estado líquido para o vapor) o aquecimento deve ser

Já dissemos que os materiais podem sofrer mudança de estado. A passagem do estado sólido para o estado líquido ocorre com absorção de calor, sendo denominada de fusão. No estado líquido, as partículas constituintes do material estão mais afastadas umas das outras quando comparadas com o estado sólido. No caso do gelo, há um afastamento entre as moléculas de água de tal forma que o retículo cristalino (gelo) é desmanchado. Dessa forma, podemos dizer que as forças de coesão diminuem quando um material muda do estado sólido para o líquido. Isso porque parte das forças de atração que ocorre entre as partículas constituintes de um sólido são rompidas para que ocorra a fusão. Outra característica que os líquidos possuem é sempre apresentar volume próprio, mas não forma própria, ou seja, assumem a forma do recipiente.

Estado gasoso Por sua vez, ao aquecer um líquido, este muda para o estado de vapor. O processo também ocorre com absorção de calor (endotérmico). Para que ocorra a vaporização (mudan-

suficiente para quebrar as forças de coesão. As moléculas se afastam o máximo entre si. Dizemos que no estado gasoso (vapor) as partículas constituintes do material se encontram o mais afastado possível, resultando num estado que além de não apresentar forma própria (assumem a forma do recipiente), também não possuem volume próprio. O volume no estado gasoso depende da temperatura e da pressão a que o material está submetido. Comparando as forças de coesão entre as partículas constituintes de um material nos três estados, podemos dizer que ela decresce à medida que mudamos do estado sólido para o líquido e depois para o estado de vapor. Isso ocorre devido ao afastamento entre as partículas que constituem o material. Por outro lado, também podemos avaliar a variação da energia cinética. Temperatura e energia cinética são grandezas diretamente proporcionais. Assim, as mudanças de estado do sólido para líquido e depois para o estado gasoso ocorrem com absorção de calor, consequente aumento de energia cinética.

Comparação entre os três estados físicos

A03  Estudos físicos da matéria

Estado

Forma

Volume

Forças de coesão

Compressibilidade

Sólido

Própria

Próprio

Altas

Insignificante

Líquido

Assume a forma do recipiente

Assume volume do recipiente

Médias

Muito pouco

Gasoso

Assume a forma do recipiente

Assume volume do recipiente

Baixas ou praticamente nenhuma

Alta

Transformações físicas Quando aquecemos água sólida (gelo), percebemos que ela se transforma em água líquida. Essa mudança de estado é denominada fusão. Ao aquecer a água líquida, entretanto, ela atinge o ponto de ebulição, transformando-se em vapor. Essas transformações ocorrem com absorção de calor (processo endotérmico). Os materiais, todavia, também podem mudar de estado por perda de calor (processo exotérmico), como a condensação e a solidificação. A sublimação, passagem do estado sólido para o estado gasoso, absorve calor (endotérmico); já do estado gasoso para o estado sólido, a sublimação (ressublimação) libera calor (exotérmico). 204

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Opirus/Arte

No diagrama a seguir, temos as diversas mudanças de estados físicos dos materiais.

Figura 03 - Diagrama de mudança de estado físico.

SAIBA MAIS DIFERENÇA ENTRE EVAPORAÇÃO, EBULIÇÃO E CALEFAÇÃO Chama-se vaporização a transformação de uma substância do estado líquido para o estado gasoso. O líquido, ao contrário do gás, é caracterizado por uma superfície bem definida. Dependendo da maneira como ocorre em relação à superfície do líquido, a vaporização recebe nomes diferentes: evaporação, ebulição ou calefação.

Evaporação

Ebulição Existe uma temperatura em que a mudança de estado passa a ocorrer no interior do líquido com a formação de bolhas: é a ebulição. A temperatura em que isso ocorre depende da pressão sobre o líquido. Variando a pressão, varia também a temperatura de ebulição desse líquido. Se continuarmos a aquecer o líquido após o início da ebulição, não observamos mais aumento na temperatura; toda a energia fornecida serve apenas para vaporizar o líquido.

Calefação A calefação ocorre quando a transmissão de calor para o líquido é tão rápida que a superfície atinge a temperatura de ebulição antes que o interior do líquido se aqueça. É o que observamos, por exemplo, quando jogamos algumas gotas de água sobre uma chapa de metal muito aquecida. A água muda do estado líquido para o estado gasoso quase que instantaneamente.

Figura 04 - Quanto maior a superfície de contato com o ar atmosférico, maior será a velocidade de evaporação da água. Por isso, que um pedaço de pano molhado de água, quando estendido e exposto ao sol, tem maior taxa de evaporação do que um pedaço de pano molhado e enrolado.

A03  Estudos físicos da matéria

Fonte: wikipedia / Michael Gäbler

Se ocorrer de maneira lenta por meio da superfície, é chamada evaporação. É o fenômeno que observamos quando a água líquida à temperatura ambiente muda para o estado de vapor. A velocidade de evaporação aumenta com a elevação da temperatura. Por exemplo, a velocidade com que a água evapora no interior de uma geladeira é bem menor do que a velocidade com que ela evapora quando exposta ao sol. A superfície de contato também é um fator que interfere nessa velocidade. Um pedaço de pano molhado seca mais rapidamente quando

esticado. Se esse pano for mantido molhado e enrolado, a velocidade de evaporação da água é menor.

205

A03  Estudos físicos da matéria

Química

206

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação 01. (UFG GO) Alimentos desidratados apresentam maior durabilidade e mantêm a maioria das propriedades nutritivas. Para que isso seja feito, as indústrias de alimentos utilizam técnicas de mudança de estado físico. Para cada uma das mudanças, um nome técnico é empregado. Abaixo, é fornecido o diagrama de fases da água. As setas verticais indicam processos que ocorrem à temperatura constante e as horizontais, processos que ocorrem à pressão constante.

03. (Ufu MG) Em pleno verão “escaldante”, uma jovem despejou 250 mL de água gelada, em temperatura de 2 °C, em um copo de vidro (SiO2), e observou imediatamente que a parede externa do copo adquiriu, até o nível de água, uma aparência esbranquiçada. Após 10 minutos, formaram-se gotículas de água na parede externa do copo que escorreram depois de 30 minutos. Passados 180 minutos, quando a água do copo ficou em temperatura ambiente, apareceram várias bolhas na parede interna do copo. As bolhas se formaram porque a água a) molhou o SiO2 e desprendeu O2 dentro do copo. b) absorveu gases atmosféricos através da parede vidro. c) dissolveu o O2 e impediu sua saída do interior do copo. d) evaporou e deixou o O2 menos solúvel no interior do copo. e) penetrou nos poros do vidro e manteve o O2 dentro do copo.

Com base no gráfico, responda: a) Dê o nome das mudanças de estados representados pe1-fusão; 2-solidificação; 3-vaporização; 4-condensação; 5-valas setas. porização; 6-condensação 7-sublimação; 8-sublimação; 9-sublimação; 10-sublimação. b) Qual é a sequência numérica que descreve corretamente o processo de desidratação dos alimentos?

04. (Enem MEC) O ciclo da água é fundamental para a preservação da vida no planeta. As condições climáticas da Terra permitem que a água sofra mudanças de fase e a compreensão dessas transformações é fundamental para se entender o ciclo hidrológico. Numa dessas mudanças, a água ou a umidade da terra absorve o calor do sol e dos arredores. Quando já foi absorvido calor suficiente, algumas das moléculas do líquido podem ter energia necessária para começar a subir para a atmosfera.

02. (UFPB) Os materiais podem ser reconhecidos por suas propriedades. No intuito de estudar as propriedades da água, foi realizado um experimento, usando chapas de aquecimento, béqueres e água, em diversos estados de agregação, sob pressão normal, como mostrado na figura a seguir, através das representações macro e microscópicas.

Observando o experimento e considerando os conhecimentos fundamentais da matéria, pode-se afirmar que: a) 2 representa a ebulição. b) 2 representa a sublimação. c) 1 tem temperatura inferior a 0 °C. d) 2 tem temperatura inferior de –10 °C. e) 3 tem temperatura superior a 100 °C.

Disponível em: http://www.keroagua.blospot.com. Acesso em: 30 mar. 2009 (adaptado).

A transformação mencionada do texto é a a) fusão. b) liquefação. c) evaporação. d) solidificação. e) condensação. 05. A baixa umidade do ar provoca uma série de incômodos, como ressecar a pele e favorecer o surgimento de doenças respiratórias. Os cuidados que devemos ter na proteção contra o tempo seco são diversos. Em casa, por exemplo, é comum colocar vasilhas cheias de água nos quartos e em outros ambientes para aumentar a umidade. Considerando seus conhecimentos sobre o tema, responda: Qual procedimento aumenta a umidade relativa do ar de forma mais rápida no interior de um apartamento, o uso de toalhas molhadas estendidas ou toalhas molhadas enroladas? Justifique sua resposta. Espera-se que o aluno responda que as toalhas molhadas estendidas aumentem a umidade relativa do ar mais rapidamente, uma vez que esse tipo de disposição apresenta maior superfície de contato.

207

A03  Estudos físicos da matéria

A sequência correta é líquido - sólido - gás. Portanto, 2 - 10

Química

Exercícios Complementares 01. (Unitau SP) O gelo seco utilizado em festas para produzir fumaça é um gás solidificado em temperaturas abaixo de –78 oC. Em condições normais de temperatura e pressão, o gelo seco passa direto do estado sólido para o gasoso. Essa transformação de estado físico é conhecida como a) fusão. b) sublimação. c) ebulição. d) condensação. e) vaporização. 02. (UFG GO) Os processos envolvidos nas mudanças de estado físico da matéria, conforme figura a seguir, envolvem transferência de calor.

Dentre esses processos, os que envolvem, respectivamente, absorção e liberação de calor são: a) solidificação e condensação b) sublimação e solidificação c) fusão e vaporização d) vaporização e fusão e) condensação e sublimação

A03  Estudos físicos da matéria

03. (IF SP) A mudança de fase denominada sublimação ocorre quando a) o gelo seco é exposto ao ar ambiente. b) o gelo comum é retirado do congelador. c) um prego se enferruja com a exposição ao ar úmido. d) uma porção de açúcar comum é aquecida até carbonizar-se. e) uma estátua de mármore é corroída pela chuva ácida. 04. (Uem PR) Assinale o que for correto. 01. Os estados físicos apresentados pela matéria também podem ser chamados de estados de agregação ou de fases de agregação. 02. As características macroscópicas do estado sólido são as seguintes: possuir forma própria e volume variável; não sofrer compressão; não se mover espontaneamente; poder escorrer. 04. A passagem direta do estado de vapor para o estado sólido é chamada de sublimação. 08. O estado líquido, quando analisado microscopicamente e comparado com o estado gasoso, apresenta partículas com maior organização e com forças de atração mais intensas. 01-04-08

208

05. (IF GO) Em relação aos três estados físicos de agregação da matéria: sólido, líquido e gasoso, é correto afirmar que: a) Todas as substâncias no estado sólido possuem forma definida e volume constante, pois suas partículas estão dispostas em arranjos bem organizados, obedecendo a uma estrutura cristalina. b) Quando a substância se encontra no estado líquido, suas partículas possuem maior liberdade para deslocamento, não existindo interação entre elas. c) O aumento da temperatura pode promover dilatação da matéria quando no estado sólido, variando seu volume. O mesmo não ocorre quando no estado líquido, em que o aumento da temperatura não influencia o volume. d) Os gases, em geral, apresentam uma menor densidade em relação aos sólidos e líquidos devido à maior distância média entre suas partículas. e) O aumento da pressão não interfere na densidade das substâncias quando no estado gasoso, tendo maior influência quando no estado sólido ou líquido. 06. (UEPG PR) Quanto aos estados físicos da matéria, assinale o que for correto. 01. A fusão é um processo que ocorre com rompimento de ligações e formação de átomos livres, elétrons e íons, numa distribuição neutra de cargas. 02. O ponto de ebulição de uma substância pura varia de acordo com a pressão atmosférica. 04. A passagem de uma substância do estado gasoso para o estado líquido pode ocorrer sem variação de temperatura. 08. A vaporização é um processo que ocorre à temperatura ambiente, embora se intensifique em temperaturas mais altas. 02-04-08 07. (IF RS) Após alguns anos de instabilidades climáticas, o inverno de 2013, no Rio Grande do Sul, caracterizou-se por um comportamento climático condizente com a estação do ano. Nesse período, houve chuvas, temperaturas baixas, geadas e, em algumas regiões, até neve. Fenômenos que embelezam a natureza e atraem muitos turistas para o estado, proporcionando um grande desenvolvimento na economia. Sobre esses fenômenos climáticos, pode-se afirmar que, na formação das geadas, há __________ da água, enquanto que, no derretimento da neve, há ___________. Assinale a alternativa que preenche, corretamente, as lacunas do enunciado acima. a) condensação – liquefação b) fusão – solidificação c) solidificação – condensação d) solidificação – fusão e) solidificação – liquefação

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

09. (UFPE) Num laboratório, existem cinco recipientes abertos contendo amostras de líquidos diferentes. As massas das amostras são diferentes e sabe-se que esses líquidos são substâncias puras. Os recipientes são aquecidos, de modo que todos os líquidos começam a entrar em ebulição, um de cada vez. A respeito da situação descrita, analise as proposições a seguir. 01. No momento em que todos os líquidos estão em ebulição, eles possuem a mesma temperatura. 02. No momento em que todos os líquidos estão em ebulição, eles possuem a mesma pressão de vapor. 03. A temperatura de cada líquido permanece constante durante a ebulição. 04 Com base nas informações fornecidas, é possível afirmar que a amostra contendo o líquido de menor ponto de ebulição é a que ferve primeiro. 05 No momento em que um líquido entra em ebulição, são normalmente rompidas interações de Van der Waals e ligações covalentes. 02-03 10. Em regiões de geleiras, ventos em alta velocidade conseguem vaporizar a água, seja ela líquida, seja ela sólida. Quando se encontra no estado líquido, a água é vaporizada por evaporação. Porém, a neve é transformada em vapor pelo processo de a) fusão. b) solidificação. c) sublimação.

d) decomposição. e) condensação.

11. (Vunesp SP) O naftaleno, comercialmente conhecido como naftalina, empregado para evitar baratas em roupas, funde em temperaturas superiores a 80 °C. Sabe-se que bolinhas de naftalina, a temperaturas ambientes, têm suas massas constantemente diminuídas, terminando por desaparecer sem deixar resíduos. Essa observação pode ser explicada pelo fenômeno de a) fusão d) liquefação e) ebulição b) sublimação c) solidificação 12. (UFG GO) Examine os dados do quadro a seguir. Substância

Ponto de fusão (°C)

Ponto de ebulição (°C)

-219,0

-188,2

-101,0

-34,7

III

-7,2

113,7

183

-40

-38,4

357

Considerando os dados apresentados e que as substâncias podem apresentar diferentes estados físicos, dependendo do ponto de fusão e ebulição, conclui-se que, à temperatura ambiente (25 °C), a substância: 01. I é gasosa 02. II é líquida 04. III é sólida 08. IV é sólida 16. V é volátil 32. VI é líquida 01-08-16-32 13. (Feevale RS) De acordo com a tabela, podemos dizer que o estado físico a 25 °C para o cloro, para o hidróxido de sódio e para o naftaleno é, respectivamente, Substância

Temperatura de fusão (°C)

Temperatura de ebulição (°C)

C2

-101,60

-34,5

NaOH

318,40

1390

Naftaleno

80,55

218

A03  Estudos físicos da matéria

08. (IF SC) Principalmente no setor industrial, as mudanças de fase das substâncias são fenômenos muito comuns. Elas vão desde a água fervente em uma caldeira, até o ferro derretido que é jogado em moldes para virar uma peça, quando esfriar. Com base nas mudanças de fase, analise as afirmações abaixo. Calefação é o nome dado à mudança em que a subsI. tância passa do estado líquido para o estado sólido. Fusão é a mudança do estado sólido para o estado líquiII. do; portanto, trata-se de uma reação que absorve calor. III. Liquefação é a mudança do estado gasoso para o estado líquido; portanto, trata-se de uma reação que libera calor. IV. Vaporização, calefação e ebulição são tipos de evaporação que um líquido pode sofrer quando passa para o estado gasoso. A sublimação é o nome dado à mudança de estado V. em que a substância passa do estado líquido para o estado gasoso. Assinale a alternativa CORRETA. a) Apenas as afirmações I e V são verdadeiras. b) Apenas as afirmações I e IV são verdadeiras. c) Apenas as afirmações III e V são verdadeiras. d) Apenas as afirmações II e III são verdadeiras. e) Apenas as afirmações I e III são verdadeiras.

a) gasoso, líquido e sólido. b) gasoso, sólido e sólido. c) líquido, gasoso e sólido. d) sólido, sólido e sólido. e) sólido, líquido e gasoso.

209

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A04

ASSUNTOS ABORDADOS nn Gráficos de mudanças de estado nn Substância nn Mistura comum nn Mudança de estado de misturas especiais

GRÁFICOS DE MUDANÇAS DE ESTADO O método de investigação utilizado pelos cientistas é o método científico, que utiliza propriedades físicas como ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade e outros para identificar os materiais. Por meio dessas propriedades, podemos identificar e diferenciar uma substância de uma mistura de substâncias. As substâncias têm propriedades físicas constantes. As misturas têm propriedades físicas variáveis. Existem misturas com propriedades especiais, são as misturas eutéticas e as misturas azeotrópicas.

Substância Uma substância sempre apresenta as mesmas propriedades físicas à pressão constante. A água, por exemplo, à pressão de 1 atm, tem ponto de fusão e de ebulição, respectivamente, de 0 °C e 100 °C. Ao investigar um líquido e encontrar esses valores, é de se suspeitar que o líquido seja a água. Contudo, esses parâmetros não são os únicos analisados no laboratório para identificar um material. Densidade, calor específico, condutividade elétrica, além de outras propriedades, também são analisados para se identificar um material. Conhecendo os valores dos pontos de fusão e ebulição, para a água, respectivamente, 0 °C e 100 °C, podemos construir um gráfico de mudança de estado (temperatura x tempo). É importante deixar claro que tipo de mudança de estado estamos analisando. Para a fusão ou a ebulição, devemos construir um gráfico de aquecimento do material. Caso seja a condensação ou solidificação, devemos construir um gráfico de resfriamento. A seguir, temos o gráfico de aquecimento da água, representando a fusão (patamar B) e vaporização (patamar D). Note que, nas mudanças de estado, a temperatura permanece constante. Isso indica que se trata de uma substância, e não de uma mistura.

em que: A - água no estado sólido (gelo) B - água nos estados sólido e líquido (fusão) C - água no estado líquido D - água nos estados líquido e gasoso (vaporização) E - água no estado gasoso. Gráfico 01 - Gráfico de mudança de estado da água, a 1 atm.

Pontos de fusão e de ebulição de algumas substâncias à pressão de 1 atm.

210

Substância

Oxigênio

Pentano

Etanol

Amônia

Bromo

Cálcio

Ouro

Cobre

Ponto de Fusão

-218,4 °C

-130 °C

-117 °C

-78 °C

-7,3 °C

810 °C

1063 °C

1083 °C

Ponto de ebulição

-183 °C

36,1 °C

78 °C

-33,5 °C

63 °C

1200 °C

2500 °C

2310 °C

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A seguir, mais um exemplo de gráfico de mudança de estado. O etanol, também conhecido como álcool etílico, utilizado em diversos produtos comerciais no Brasil e no mundo, apresenta pontos de fusão e de ebulição, respectivamente, de –117 °C e 78,3 °C.

A partir da análise desse gráfico, podemos determinar alguns tipos de calores. Por exemplo, durante a fusão (passagem do estado sólido para o estado líquido) notamos que a quantidade de calor necessária é de 200 cal (550 - 350). Essa quantidade de calor é denominada calor de fusão, desde que seja expressa em caloria por grama (cal/g) do material. Portanto, o calor latente de fusão dessa substância é de 80 cal/g, ou seja: 2,5 g ------------- 200 cal 1 g ------------- x

O calor sensível é aquele que produz variação de temperatura no material, sem que ocorra mudança de estado. Já o calor latente provoca mudança de estado físico. Caso seja uma substância, durante a mudança de estado, não há variação de temperatura. Mas, para misturas de materiais, ou seja, duas ou mais substâncias, as mudanças de estado são acompanhadas de variação de temperaturas, exceto para as misturas eutéticas ou azeotrópicas.

Vimos que as substâncias (materiais puros) têm pontos de fusão e de ebulição constantes. Assim, para esses materiais, os gráficos de mudança de estado apresentam patamares constantes (fusão e ebulição). Por outro lado, as misturas têm propriedades físicas variáveis. Para uma mistura de água e sal de cozinha (NaC), por exemplo, os pontos de fusão e de ebulição são, respectivamente, diferentes de 0 °C e 100 °C e são variáveis durante a mudança de estado físico. No gráfico abaixo, observamos que a mistura começa e termina o processo de fusão a uma temperatura inferior a 0 °C e começa e termina o processo de ebulição acima de 100 °C. T(°C)

Água + NaC

T>100 100

Líq uid o

A seguir, temos o gráfico de temperatura de aquecimento de 2,5 g de uma substância em função da quantidade de calor absorvida.

Mistura comum

0 T<0

Tempo Sólido

Gráfico 04 - Gráfico de mudança de estado de mistura comum, a 1 atm.

Mudança de estado de misturas especiais Gráfico 03 - Gráfico de temperatura em função da quantidade de calor envolvida.

Existem alguns sistemas homogêneos que apresentam mais de um componente e, mesmo assim, têm comportamento de substância pura durante a fusão ou a ebulição. Tais sistemas são denominados misturas eutéticas ou azeotrópicas. 211

A04  Gráficos de mudanças de estado

Outra forma de representar o processo de mudança de estado de uma substância, ou de qualquer outro material em questão, é por meio da quantidade de calor envolvida no processo. Para que um material mude de estado, é necessário absorção ou liberação de calor, processos denominados, respectivamente, endotérmico ou exotérmico. Utilizando os calores envolvidos nas mudanças de estados, podemos construir um gráfico. Diversos calores podem ser listados, por exemplo, calor sensível e calor latente.

2,5 g -------------1350 cal 1 g ------------- x x = 540 cal/g Assim, o calor latente de vaporização da substância é de 540 cal/g.

Note, no gráfico de mudança de estado, que o etanol apresenta dois patamares (temperaturas constantes), ou seja, a fusão e a ebulição.

Va p

Gráfico 02 - Gráfico de mudança de estado do etanol, a 1 atm.

x = 80 cal/g Da mesma forma, podemos calcular a quantidade de calor envolvida na vaporização de 2,5 g desse material. Note que para vaporizar 2,5 g do material são necessários 1350 cal, resultado da variação de calor no patamar de vaporização (2050 - 700 cal). Uma vez que o calor de vaporização é definido pela quantidade de calor envolvido na vaporização de 1g do material, temos:

Química

#Conceito

Misturas eutéticas

Uma mistura eutética tem o comportamento igual ao de substâncias puras quando submetidas à fusão, apesar de serem formadas por dois compostos distintos. O nome da mistura vem do grego eutekos = facilmente fundida. Em se tratando de fusão, logo percebemos que diz respeito a substâncias sólidas. Os principais exemplos de misturas eutéticas são as ligas metálicas, como a solda, mistura de estanho (Sn) e chumbo (Pb); o bronze, mistura de cobre (Cu) e estanho (Sn).

Os sistemas eutéticos apresentam temperatura de fusão constante e temperatura de ebulição variável. Contudo, só podemos dizer que um sistema é constituído por uma substância pura quando as duas mudanças de estados – fusão e ebulição – ocorrerem em temperaturas constantes. Observe os gráficos representativos de mudança de estado a seguir. No caso do chumbo e do estanho, os patamares de fusão e de ebulição são constantes, pois são substâncias puras. No caso do sistema chumbo e estanho (mistura), temos a fusão constante, porém a ebulição variável. Logo, trata-se de uma mistura eutética. Estanho

Chumbo T(°C)

T(°C) Vaporização

1749 Fusão

327

Vaporização

2602 Fusão

232 Tempo

Tempo

Mistura (37% Chumbo - 63% Estanho) T(°C) Gás T

ã Vaporizaç

183

Fusão Tempo

Gráfico 05 - Chumbo e estanho são substâncias puras. A mistura 37% de chumbo com 63% de estanho é uma mistura eutética.

Misturas Azeotrópicas O sistema álcool 96° GL é uma mistura azeotrópica. Esse sistema consta de uma mistura de 96% álcool (PE = 78,3 °C) e 4% água (PE = 100 °C). Durante a mudança de estado, a temperatura de fusão varia, mas a temperatura de ebulição permanece constante, característica das misturas azeotrópicas.

Água

A04  Gráficos de mudanças de estado

T(°C)

Vaporização

100

Etanol

T(°C)

T(°C) Vaporização

78,3

Fusão

0 –117

Fusão

Vaporização

78,2

Tempo

4% Água - 96% Etanol

Fusã

Gráfico 06 - Gráficos de mudança de estado de substâncias (álcool, água) e da mistura azeotrópica constituída de 4% água e 96% de álcool.

212

Tempo

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

100 80 60 40 20 0

60 80 100 tempo (minutos)

120

140

04. Ao se analisar o gráfico de aquecimento de um material em função da quantidade de calor absorvida, encontrou-se o seguinte:

Sabendo que foram utilizados 100 g da substância, responda: a) Qual a quantidade de calor envolvido no aquecimento do material de −15 oC até o início da fusão? a) 1500 cal b) Qual a quantidade de calor absorvida pelos 100 g dessa substância para sofrer fusão? b) 500 cal c) Qual o calor necessário para vaporizar completamente 15 g dessa substância? c) 225 cal d) Qual o calor latente de fusão dessa substância? d) 5cal/g e) Qual o calor latente de vaporização dessa substância?

Considerando seus conhecimentos, responda: a) Quais são os estados físicos desse material indicados pelas letras A, C e E? a) A: Sólido; C: Líquido; E: Gasoso b) Explique o fenômeno que ocorre na região indicada pela b) A região indica mudança do estado líquido para o estado galetra D. soso, onde o calor absorvido é utilizado para o rompimento da interação intermolecular das espécies no estado líquido. c) Qual é o ponto de ebulição desse material em oC? c) 30 oC d) Qual é o intervalo de temperatura em oC, no qual estará o ponto de fusão desse material? d) Entre 15 oC e 20 oC e) O material em questão é uma substância ou uma mistura? Justifique sua resposta.

05. O sistema álcool etílico 96 ºGL – mistura composta de 96% de álcool etílico e 4% de água que pode ser usada em produtos farmacêuticos, corantes, aditivos para gasolina, solvente para resinas, produtos de limpeza, entre outros – é um exemplo de mistura azeotrópica. Esse tipo de sistema se caracteriza por apresentar propriedades físicas tais como ponto de fusão e ebulição bastante característicos.

03. (UFRJ) Retira-se calor de um mol da substância pura A, inicialmente em estado gasoso, à pressão constante de 1 atm. Durante o processo, a substância passa a líquido e depois a sólido. A figura a seguir mostra o diagrama de resfriamento de A a velocidade constante de 100 calorias por minuto. Usando o diagrama, determine a temperatura normal de fusão dessa substância. 20 °C

Considerando seus conhecimentos sobre o assunto e as informações do texto, um sistema azeotrópico se diferencia de uma mistura comum por apresentar a) maior densidade. b) maior viscosidade. c) ponto de fusão constante. d) ponto de ebulição constante. e) pontos de fusão e ebulição variáveis.

e) Trata-se de uma mistura azeotrópica, pois apresenta ponto de ebulição constante e temperatura de fusão variável.

e) 15cal/g

213

A04  Gráficos de mudanças de estado

02. (Ufu MG) O gráfico a seguir representa a curva de aquecimento de um material à pressão constante de 1 atm.

120

Temperatura (°C)

01. (Puc MG) Durante a organização de um laboratório, um aluno percebeu que uma substância sólida e incolor estava armazenada em um recipiente sem identificação. Para tentar identificar qual substância era aquela, o aluno determinou quatro propriedades da matéria: I. Densidade II. Massa III. Temperatura de fusão IV. Volume Dentre as propriedades citadas, quais são as que melhor orientariam o aluno na identificação dessa substância? a) I e II b) II e IV c) I e III d) III e IV

Química

Exercícios Complementares 01. (Ufop MG) O gráfico abaixo representa a variação de temperatura observada ao se aquecer uma substância A durante cerca de 80 minutos.

III.

A amostra A é uma mistura em que o líquido predominante é aquele que constitui a amostra B. Quais estão corretas? a) Apenas I. d) Apenas II e III. b) Apenas III. e) I, II e III. c) Apenas I e II.

a) A faixa de temperatura em que a substância A permanece sólida é________. 10 a 20oC b) A faixa de temperatura em que a substância A permanece líquida é________. 20 a 40oC 40 oC c) A temperatura de ebulição da substância A é________. 02. (UFRN) Quitéria, para combater traças e baratas, foi aconselhada a colocar no guarda-roupa algumas bolinhas de naftalina (C10H8). Com o passar do tempo, notou que as bolinhas diminuíam de tamanho. Buscando nos livros alguma explicação para o curioso fato, encontrou que esse fenômeno é causado pela: a) evaporação. c) fusão. b) sublimação. d) condensação. 03. (UFRGS RS) Considere dois béqueres, contendo quantidades diferentes de duas amostras líquidas homogêneas A e B, a 25 oC, que são submetidos a aquecimento por 30 min, sob pressão de 1 atm, com fontes de calor equivalentes. A temperatura do líquido contido em cada béquer foi medida em função do tempo de aquecimento, e os dados obtidos foram registrados nos gráficos a seguir.

temperatura

04. (Unifor CE) O gráfico abaixo representa uma curva de aquecimento de uma substância:

Calor adicionado

Em relação à curva, analise as afirmações a seguir. I. Pode representar o aquecimento de uma mistura de líquidos imiscíveis. II. Pode representar o aquecimento de uma mistura eutética. III. Pode representar o aquecimento de uma mistura azeotrópica. IV. Pode representar o aquecimento de uma mistura heterogênea de sólido. V. Pode representar o aquecimento de uma mistura de líquidos miscíveis. É correto o que se afirma em: a) Apenas I e V. b) Apenas I, IV e II. c) Apenas II e III. d) Apenas III e V. e) Apenas II e IV.

A04  Gráficos de mudanças de estado

05. (UFJF MG) O gráfico a seguir apresenta a variação de temperatura observada ao se aquecer uma substância A, a partir de 25 °C, em função do tempo.

Sobre esses dados, são feitas as afirmações abaixo. I. Se TA = TB, então a amostra A e a amostra B provavelmente são a mesma substância pura. II. Se as amostras A e B são constituídas pela mesma substância, então o volume da amostra B é menor que o volume de amostra A.

214

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Assinale a alternativa CORRETA. a) A faixa de temperatura em que a substância permanece sólida é 25-41 oC. b) A substância A não é uma substância pura. c) A temperatura de ebulição da substância A é 41 oC. d) A faixa de temperatura em que a substância permanece líquida é 25 -182 oC. e) Em 25 oC, a substância é um líquido. 06. (Puc MG) O gráfico da temperatura em função do tempo mostra a mudança de estado físico de um material. O material encontra-se inicialmente no estado sólido, passando pela fase líquida e, por fim, gasosa.

08. (Unesp SP) Na indústria farmacêutica, substâncias específicas são utilizadas para revestir pílulas e comprimidos. Em um experimento, uma das substâncias sólidas foi retirada de uma formulação e purificada. Para verificar a eficiência da purificação, um termômetro foi colocado em um tubo de ensaio contendo uma amostra da substância derretida, a 1 atm. Durante o resfriamento e até que a amostra tenha se solidificado completamente, foram lidas as temperaturas em intervalos regulares. Com esses dados, foi traçada a curva de resfriamento, um gráfico que mostra a variação de temperatura em função do tempo, a 1 atm. O gráfico que corresponde à curva de resfriamento da substância pura está representado por:

07. A quantidade de calor absorvida ou liberada numa mudança de estado não implica mudança de temperatura da substância. Por isso, é geralmente referida como calor latente. Quando se fornece calor a um pedaço de gelo (0° C), por exemplo, a temperatura permanece constante até que o gelo se derreta. A energia é usada para romper a estrutura cristalina interna do gelo, produzindo mudança de estado. Essa energia não está disponível como calor até que o líquido retorne ao estado sólido. Por outro lado, se o calor envolvido produzir variação de temperatura, dizemos que o calor é dito sensível. Considerando seus conhecimentos e as informações presentes no texto, temos liberação de calor latente no(a) a) fusão d) calefação b) evaporação e) solidificação c) ebulição

09. Em 2009 completaram-se três décadas da implementação dos primeiros postos de distribuição de combustíveis que comercializaram o etanol, atualmente o mais importante biocombustível da matriz energética. Sua produção é baseada no melaço da cana-de-açúcar como matéria-prima. O processo utiliza a fermentação da sacarose, presente no melaço, pela proteína invertase, originando a glicose (C6H12O6) e a frutose (C6H12O6), que, sob influência de outra proteína, a zimase, e na presença de água, produzem o etanol (C2H6O) e gás carbônico. Para um aquecimento do biocombustível citado no texto, teremos: a) um processo de sublimação b) os patamares de fusão e ebulição variáveis c) os patamares de fusão e ebulição constantes d) o patamar de fusão constante e o de ebulição variável e) o patamar de fusão variável e o de ebulição constante

215

A04  Gráficos de mudanças de estado

Sobre esse material e suas transformações físicas, é CORRETO afirmar: a) A mudança de estado que ocorre entre as temperaturas T1 e T2 é uma fusão. b) A mudança de estado que ocorre entre as temperaturas T2 e T3 é uma evaporação. c) É possível observar duas fases na temperatura T2, entre os tempos t1 e t2. d) O material é uma mistura.

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento 01. (IF RS) Uma das principais propriedades específicas da matéria é a densidade, que corresponde a uma relação entre massa e volume. No Brasil, a gasolina é vendida em litros. Para reduzir problemas no abastecimento dos automóveis, os tanques de combustíveis, nos postos de abastecimentos brasileiros, são mantidos subterrâneos, de modo a manter a temperatura com mínima variação, uma vez que isso provocaria alteração na densidade da gasolina. Caso isso não ocorresse, analise as afirmativas abaixo para um motorista que abastecesse seu carro com 40 litros de gasolina e assinale a afirmativa correta. a) Se um automóvel fosse abastecido no verão, o motorista levaria vantagem. b) Se um automóvel fosse abastecido no inverno, o motorista levaria vantagem, pois estaria abastecendo com maior volume. c) Quando o motorista abastecesse seu automóvel no verão, para um mesmo volume, estaria colocando menos combustível. d) Como a gasolina é uma mesma substância, independente da estação do ano, não haveria alteração na quantidade de combustível abastecido. e) No inverno a gasolina é mais densa, portanto o motorista ao encher o tanque de seu automóvel estaria colocando menor volume de combustível. 02. (Fuvest SP) Cinco cremes dentais de diferentes marcas têm os mesmos componentes em suas formulações, diferindo, apenas, na porcentagem de água contida em cada um. A tabela a seguir apresenta massas e respectivos volumes (medidos a 25 °C) desses cremes dentais. Marca de creme dental

Massa (g)

Volume (mL)

120

180

120

Supondo que a densidade desses cremes dentais varie apenas em função da porcentagem de água, em massa, contida em cada um, pode-se dizer que a marca que apresenta maior porcentagem de água em sua composição é: Dado: densidade da água (a 25 °C) = 1,0 g/mL. a) A d) D b) B e) E c) C 216

03. (IF SC) Arquimedes descobriu que o volume de qualquer corpo podia ser calculado medindo-se o volume de água movida quando o corpo é submergido na água. Ele pôde concluir que a densidade de um corpo, a partir dessa descoberta, corresponde à relação entre sua massa e o volume deslocado desse corpo. Sobre a densidade dos materiais, é CORRETO afirmar que: a) Quanto maior o volume ocupado, maior é a densidade do material. b) A densidade é uma propriedade geral da matéria. c) Os materiais gasosos, em geral, são mais densos que os sólidos. d) A água é mais densa que a gasolina pois, quando misturadas, ela permanece sob a gasolina no recipiente. e) O chumbo, material usado na fabricação de baterias de automóvel, possui baixa densidade. 04. (Unesp SP) Alguns historiadores da Ciência atribuem ao filósofo pré-socrático Empédocles a Teoria dos Quatro Elementos. Segundo essa teoria, a constituição de tudo o que existe no mundo e sua transformação se dariam a partir de quatro elementos básicos: fogo, ar, água e terra. Hoje, a química tem outra definição para elemento: o conjunto de átomos que possuem o mesmo número atômico. Portanto, definir a água como elemento está quimicamente incorreto, porque se trata de a) uma mistura de três elementos. b) uma substância simples com dois elementos. c) uma substância composta com três elementos. d) uma mistura de dois elementos. e) uma substância composta com dois elementos. 05. (IF SC) Os veículos automotores emitem gases poluentes na atmosfera como o N2O e o NO, conhecidos pelos nomes de óxido nitroso e óxido nítrico, respectivamente, os quais reagem com a água da chuva precipitando na forma de ácido nítrico. Já o SO2, precipita na forma de ácido sulfúrico também quando reage com a água da chuva. Esses ácidos são altamente tóxicos e corrosivos: nos vegetais, retardam o crescimento e nos seres humanos, atacam as vias respiratórias. A respeito dessas substâncias poluentes grifadas no texto e os elementos químicos que a constituem, é CORRETO afirmar que: a) O SO2 é uma substância simples. b) O enxofre não constitui nenhuma dessas substâncias. c) As substâncias poluentes são constituídas por três elementos químicos. d) Não possuem nenhum elemento em comum. e) O nitrogênio é um metal.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

06. (IF RS) A água potável é definida como: a) Substância pura. b) Mistura contendo hidrogênio e oxigênio na proporção de 2 para 1. c) Substância formada somente por H2O. d) Mistura de água e outros compostos dissolvidos, isentos de organismos patológicos. e) Substância formada pela mistura entre hidrogênio gasoso e oxigênio gasoso em condições assépticas, que não permitem a contaminação por bactérias.

a) Água, granito, alumínio, aço. b) Água, aço, alumínio, granito. c) Alumínio, aço, água, granito. d) Alumínio, água, aço, granito. e) Alumínio, água, granito, aço. 10. (UEPG PR) Dados os sistemas abaixo e considerando que apenas o sistema 1 apresenta pontos de fusão e ebulição constantes durante a mudança de estado, assinale o que for correto. 1

07. (Puc MG) Observe os quatro recipientes numerados de I a IV. Nesses recipientes, os círculos representam átomos. Átomos de diferentes elementos são retratados por cores diferentes. água + gelo 3

08. (Fuvest SP) Na obra O poço do Visconde, de Monteiro Lobato, há o seguinte diálogo entre o Visconde de Sabugosa e a boneca Emília: – Senhora Emília, explique-me o que é hidrocarboneto. A atrapalhadeira não se atrapalhou e respondeu: – São misturinhas de uma coisa chamada hidrogênio com outra coisa chamada carbono. Os carocinhos de um se ligam aos carocinhos de outro. Nesse trecho, a personagem Emília usa o vocabulário informal que a caracteriza. Buscando-se uma terminologia mais adequada ao vocabulário utilizado em Química, devem-se substituir as expressões “misturinhas”, “coisa” e “carocinhos”, respectivamente, por: a) compostos, elemento, átomos. b) misturas, substância, moléculas. c) substâncias compostas, molécula, íons. d) misturas, substância, átomos. e) compostos, íon, moléculas. 09. (FGV SP) A química é responsável pela melhora em nossa qualidade de vida e está inserida em nosso cotidiano de muitas formas em substâncias e misturas que constituem diversos materiais. Assinale a alternativa que apresenta, respectivamente, substância simples, substância composta, mistura homogênea e mistura heterogênea.

água + NaC dissolvido

água + areia

01. O sistema 1 é composto de substância pura. 02. Os sistemas 2 e 4 são denominados sistemas heterogêneos. 04. Os sistemas 2, 3 e 4 consistem de misturas, sendo que os sistemas 2 e 4 são misturas heterogêneas e o sistema 3 é uma mistura homogênea. 08. Os sistemas 3 e 4 podem ser totalmente separados por filtração simples. 16. O sistema 2 pode ser separado por decantação, utilizando-se, por exemplo, um funil de decantação.

01 - 02 - 04 - 16

11. (UEPG PR) Considerando as amostras abaixo, em sistemas isolados, assinale o que for correto. Vinagre

Grafite

Acetona

Gasolina comum

Água potável

Gás carbônico

Ar atmosférico não poluído

Hidrogênio gasoso

01. Gás carbônico e acetona são substâncias compostas. 02. Vinagre, gasolina comum e ar atmosférico não poluído são exemplos de misturas. 04. Hidrogênio gasoso é uma substância simples. 08. Água potável, grafite e gás carbônico são misturas homogêneas.

01 - 02 - 04

12. (FGV SP) Em um experimento, na aula de laboratório de química, um grupo de alunos misturou em um recipiente aberto, à temperatura ambiente, quatro substâncias diferentes: 217

FRENTE A  Exercícios de Aprofundamento

Assinale a afirmativa INCORRETA. a) Os recipientes II e III têm os mesmos compostos. b) A passagem de I para II representa uma transformação química. c) O recipiente IV contém uma mistura de quatro compostos diferentes. d) A passagem de I para III representa uma mudança de estado físico.

óleo + água

Química

Quantidade

Densidade (g/cm3)

Polietileno em pó

0,9

Água

20 mL

1,0

Etanol

5 mL

0,8

Grafite em pó

2,3

13. Qual o número de elementos químicos presentes na caulinita (Al2O3.2SiO2.2H2O), o principal componente da argila? b) 4

c) 5

d) 11

Nas anotações dos alunos, consta a informação correta de que o número de fases formadas no recipiente e sua ordem crescente de densidade foram, respectivamente, a) 2; mistura de água e etanol; mistura de grafite e polietileno. b) 3; polietileno; mistura de água e etanol; grafite. c) 3; mistura de polietileno e etanol; água; grafite. d) 4; etanol; polietileno; água; grafite. e) 4; grafite; água; polietileno; etanol.

a) 3

T(°C)

Substância

e) 17

14. (Vunesp SP) O naftaleno, comercialmente conhecido como naftalina, empregado para evitar baratas em roupas, funde em temperaturas superiores a 80 °C. Sabe-se que bolinhas de naftalina, a temperaturas ambientes, têm suas massas constantemente diminuídas, terminando por desaparecer sem deixar resíduos. Essa observação pode ser explicada pelo fenômeno de a) fusão. d) liquefação. b) sublimação. e) ebulição. c) solidificação. 15. (UFRN) O modelo abaixo representa processos de mudanças de estado físico para uma substância pura.

0 t0

t(s)

No ponto t6, existe a última gota do sistema no estado líquido.

II.

No ponto t0, o sistema está em repouso e no estado amorfo.

III.

Entre t1 e t3, coexistem duas fases: sólido e líquido.

IV.

No ponto t4, aparece a primeira molécula da substância

Nas temperaturas 2 e 4, o sistema está estacionário e só

no estado vapor. há uma fase em cada patamar. a) I e II b) II e V c) Somente a V d) Todas são verdadeiras e) I, III e IV 17. (Fatec SP) Duas amostras de naftalina, uma de 20,0 g (amostra A) e outra de 40,0 g (amostra B), foram colocadas em tubos de ensaio separados, para serem submetidas à fusão. Ambas as amostras foram aquecidas por uma mesma fonte de calor. No decorrer do aquecimento de cada uma delas, as temperaturas foram anotadas de 30 em 30 segundos. Um estudante, considerando tal procedimento, fez as seguintes previsões: I

A fusão da amostra A deve ocorrer à temperatura mais baixa do que a da amostra B.

FRENTE A  Exercícios de Aprofundamento

A temperatura de fusão da amostra B deve ser o dobro da temperatura de fusão da amostra A.

Assinale a opção correta. a) Os processos I e II denominam-se, respectivamente, condensação e fusão. b) Os processos II e III ocorrem a temperaturas diferentes. c) Os processos III e IV ocorrem com variação de temperatura. d) Os processos IV e V denominam-se, respectivamente, vaporização e sublimação. 16. (Ufam AM) Considere o gráfico abaixo, relativo ao aquecimento de uma substância pura e as respectivas afirmativas. Estão erradas as afirmativas: 218

III

A amostra A alcançará a temperatura de fusão num tempo menor que a amostra B.

Ambas as amostras devem entrar em fusão à mesma temperatura.

É correto o que se afirma apenas em: a) I b) II c) III d) II e III e) III e IV

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

18. (UFSCar SP) Considere os seguintes dados obtidos sobre propriedades de amostras de alguns materiais.

20. (ITA SP) Assinale a opção que contém a afirmação ERRADA relativa à curva de resfriamento apresentada abaixo.

Volume Temperatura Temperatura de (mL, a 20ºC) de fusão (°C) ebulição (ºC)

115

100

218

174

100

650

1120

0,13

100

-219

-183

100

-57 a -51

115 a 120

100

Com respeito a esses materiais, pode-se afirmar que: a) A 20 OC, os materiais X e Y estão no estado líquido. b) A 20 OC, apenas o material Z está no estado gasoso. c) Os materiais Z, T e W são substâncias. d) Os materiais Y e T são misturas. e) Se o material Y não for solúvel em W, então ele deverá flutuar se for adicionado a um recipiente contendo o material W, ambos a 20 OC. 19. (UEPB) Os estados de agregação das substâncias (sólido, líquido e gasoso) dependem das condições de temperatura (T) e pressão (P) a que estão submetidas. Por exemplo, ao nível do mar (P = 1 atm), a água é um sólido em temperaturas abaixo de 0 °C, líquido no intervalo de 0 °C a 100 °C e um gás em temperaturas superiores. A tabela 1 mostra os valores de transições de fases de algumas substâncias para P = 1 atm. Substância

Temperatura de fusão

Temperatura de ebulição

Água

0,0 °C

100,0 °C

Clorofórmio

-63,0 °C

62,7 °C

Naftaleno

80,6 °C

218 °C

Pentano

-131,0 °C

36 °C

Tabela 01 - Temperaturas de fusão e ebulição de algumas substâncias.

Com base nessas informações, analise as sentenças a seguir: I. O maior número dessas substâncias no estado líquido, é encontrado no intervalo 0 oC < T < 36 oC. II. Todas as substâncias acima estarão no estado sólido em qualquer temperatura abaixo de –63 oC. III. Apenas a substância naftaleno está no estado líquido a 90 °C. Está(ão) correta(s): a) As alternativas I e II b) As alternativas II e III c) As Alternativas I e III d) Apenas a alternativa I e) Apenas a alternativa III

a) A curva pode representar o resfriamento de uma mistura eutética. b) A curva pode representar o resfriamento de uma substância sólida, que apresenta uma única forma cristalina. c) A curva pode representar o resfriamento de uma mistura azeotrópica. d) A curva pode representar o resfriamento de um líquido constituído por uma substância pura. e) A curva pode representar o resfriamento de uma mistura líquida de duas substâncias que são completamente miscíveis no estado sólido. 21. (Efei SP) O processo de resfriamento de uma substância foi monitorado, obtendo-se o gráfico abaixo. 60 50 40 30 20 10 0

10 15 Tempo (min)

Um aluno, observando o gráfico, fez as seguintes anotações. Todas estão corretas, exceto uma. Qual delas? a) Após 15 minutos a substância se apresenta somente na fase sólida. b) A temperatura de solidificação é de 40 °C. c) O processo de solidificação durou 15 minutos. d) No processo de refrigeração, houve um período de 5 minutos durante o qual a substância se apresentou nas fases líquida e sólida. e) Nos primeiros 10 minutos, a substância se encontra na fase líquida.

219

FRENTE A  Exercícios de Aprofundamento

Massa (g)

Temperatura (°C)

Material

FRENTE

B Joseph Thomson

pixabay / Andy

John Dalton

Fonte: Wikimedia Commons

Ernest Rutherford

QUÍMICA Por falar nisso À medida que pesquisas sobre diversas combinações de substâncias químicas evoluíam, novos questionamentos eram feitos acerca da estrutura da matéria. Dalton, inicialmente, havia proposto um modelo de átomo ponderal, também chamado de”bola de bilhar”, o qual, entretanto, não explicava os fenômenos elétricos. Em seguida, Thomson, com base no estudo de descargas elétricas em tubos catódicos, propôs um modelo de átomo elétrico, conhecido como “pudim de passas”. Anos adiante, sua teoria fora complementada por Rutherford, que apresentou um modelo de átomo nuclear, por meio de um estudo sobre o bombardeamento de partículas alfa em lamínulas de ouro. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

B01 B02 B03 B04

Modelo corpuscular da matéria.................................................... 222 Modelo de átomo de Thomson..................................................... 226 Modelo de átomo de Rutherford.................................................. 231 Partículas fundamentais da matéria.............................................. 236

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B01

ASSUNTOS ABORDADOS nn Modelo corpuscular da matéria nn O modelo de átomo de Dalton nn Os modelos representativos e as analogias

MODELO CORPUSCULAR DA MATÉRIA O conceito de elemento começou a se estruturar a partir da necessidade de explicação das mudanças observadas na natureza. Os filósofos pré-socráticos foram os primeiros a tentar justificar o que aparentemente mudava e o que permanecia sem alteração. Esse conceito estava vinculado às especulações dos filósofos sobre os princípios constituintes da matéria, ou seja, a sua causa primária, a sua essência. Tales de Mileto (624-544 a.C.) considerou a água como sendo o único elemento de princípio da constituição da matéria. Anaximandro (610-546 a.C.), discípulo de Tales, foi o primeiro a usar o termo “arché”, que significa princípio. No entanto, discordava de Tales em relação à explicação da existência de um único princípio, o que considerava uma limitação. Segundo ele, o princípio de tudo seria o “apeíron”, uma substância primária, indeterminada e imaterial. Empédocles (490-430 a.C.) usou, em suas explicações, a ideia de quatro princípios ou elementos primordiais: terra, água, ar e fogo. O amor e o ódio eram as forças antagônicas que promoveriam a união ou dissociação desses elementos e explicariam as mudanças observadas no mundo. Esse filósofo não utilizou em seus textos a palavra elemento, optando por raízes, mas ainda mantendo o mesmo significado. Supõe-se que o termo elemento foi utilizado pela primeira vez por Platão. Os quatro “elementos-princípios” de Empédocles foram adotados pelo importante filósofo grego Aristóteles (384-322 a.C.), que lhes atribuiu qualidades. Um estudo das obras de Aristóteles revela que a sua visão sofreu algumas modificações ao longo do tempo, como a introdução do quinto elemento: o éter, a matéria constituinte dos corpos celestes.

Opirus/Arte

Posteriormente, esse último elemento foi chamado de quinta-essência, caracterizando-se como o princípio formador de todos os corpos existentes no mundo supralunar, ou seja, a parte do Universo que se inicia com a Lua. Aristóteles considerava que tudo era formado por uma matéria de base ou substrato “hylé”. A este se juntavam as qualidades responsáveis pela sua aparência e forma. Essas qualidades elementares eram: quente, seco, frio e úmido. Todas as substâncias existentes seriam formadas pelos quatro elementos e cada elemento era caracterizado por um par de qualidades. Figura 01 - Os quatro elementos de Aristoteles e suas qualidades.

222

Figura 01 - Elementos e qualidades primárias, segundo Aristóteles.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

nn Quente

e seco combinavam-se para formar o fogo;

nn Quente

e úmido combinavam-se para formar o ar;

nn Frio

e seco combinavam-se para formar a terra;

nn Frio

e úmido combinavam-se para formar a água.

Nesse período, os quatro elementos de Empédocles e, posteriormente, de Aristóteles, eram considerados como existentes em todas as substâncias; os metais, por exemplo, não eram considerados como corpos simples.

O modelo de átomo de Dalton A concepção filosófica do átomo perdurou por séculos. Somente nos séculos XVII e XVIII, essa concepção foi alterada. Isso porque novos métodos de pesquisas e de observações foram introduzidos na ciência. Lavoisier (1743-1794) usou meios empíricos para contestar os conceitos da Antiguidade – herdados de Aristóteles e dos alquimistas – adotando o conceito introduzido por Boyle, e definindo claramente elemento químico em seu livro “Tratado Elementar de Química” (1789). Além de contribuir grandemente para o conceito de elemento químico, Lavoisier realizou diversas experiências no campo das transformações químicas. Num de seus experimentos, Lavoisier registrou por diversas vezes as transformações da matéria em termos de combinação em massa. A partir dos resultados desses experimentos, Lavoisier enunciou a “Lei da conservação das massas” para as transformações químicas da matéria. Os experimentos de Lavoisier e outros, relacionando massa nas transformações químicas, foram fundamentais para o entendimento e a elaboração de um modelo de átomo. Com base nas “Leis Ponderais”, do início do século XIX, Dalton teve à disposição a base para uma nova teoria atômica, isto é, um novo conceito de átomo, que compunha a estrutura da matéria, podia ser criado. Assim, entre 1803 e 1808, John Dalton estabeleceu os postulados de sua teoria sobre a indivisibilidade do átomo, a menor partícula da matéria, abandonando, de vez, os conceitos de átomo dos filósofos gregos. Os principais postulados de John Dalton nn Os

elementos são constituídos por átomos indestrutíveis e indivisíveis.

nn Os

átomos de um mesmo elemento são iguais em todas as suas qualidades, inclusive na massa.

nn Átomos

de elementos distintos apresentam propriedades e massas distintas.

nn Na

natureza existe um número pequeno de átomos diferentes entre si que se combinam formando os “átomos compostos”, numa proporção fixa ou em uma relação numérica simples, quando formam mais de um composto.

Dessa forma, Dalton levava a crer que as partículas constituintes da matéria, os átomos, poderiam ser interpretadas como pequenas esferas homogêneas, maciças, indivisíveis e indestrutíveis. Veja a ilustração a seguir.

Figura 02 - Modelo de átomo de Dalton (bolas de bilhar). Da esquerda para a direita, temos: Hidrogênio (verde), Hélio (azul), Oxigênio (amarelo) e Nitrogênio (vermelho). Imagens fora de escala e em cores ilustrativas.

Os modelos representativos e as analogias Quando um cientista investiga uma situação e chega a determinadas conclusões, ele deve organizar formas adequadas de tradução do conhecimento que possibilitem uma boa interpretação da leitura de suas descobertas. Uma das ferramentas utilizadas nessa interpretação são os modelos. É por meio deles que a Ciência consegue elaborar, descrever, interpretar, explicar e criar novas hipóteses para os fenômenos estudados. Entretanto, é importante deixar claro que um modelo não é algo real, isto é, não possui representação física. Isso é de extrema importância na Ciência. Assim, entender um modelo é compreender uma representação imaginária de um objeto, de um sistema ou de uma atividade mental. Um modelo elaborado mentalmente, representado por símbolos escritos e aceito por uma comunidade científica é um modelo consensual. Quando explicamos um fenômeno e as pessoas elaboram um modelo da situação envolvida, elas estão fazendo uso de atividades mentais sobre o fenômeno e, portanto, estão elaborando um modelo. Assim, um modelo elaborado por um grupo pode divergir do modelo de outro grupo, apresentando limitações ou vantagens na interpretação dos fenômenos estudados. Portanto, não devemos desprezar as ideias dos diversos modelos elaborados, mas, sim, permitir a exposição dos conceitos que foram discutidos. Nos módulos seguintes, faremos o estudo dos aspectos químicos da matéria e representaremos alguns fenômenos utilizando modelos próximos dos modelos consensuais empregados pelas comunidades científicas. No entanto, em alguns casos, torna-se muito difícil atingir e transmitir o conceito de um modelo por meio de uma definição. Nesses casos, temos que recorrer às analogias entre o modelo consensual e algo conhecido. Para isso, vamos tentar estabelecer uma ponte entre um foco desconhecido e outro comum ao cotidiano das pessoas. 223

B01  Modelo corpuscular da matéria

Assim, segundo Aristóteles, apenas quatro das seis combinações possíveis seriam permitidas:

Química

Exercícios de Fixação 01. A ideia dos quatro elementos surgiu na Grécia antiga com o filósofo Empédocles e foi aprimorada por Aristóteles, em 350 a.C. Com base em seus conhecimentos a respeito do assunto, responda: a) Quais eram os quatro elementos de Empédocles? b) Em que aspecto Aristóteles contribuiu para aprimorar o conceito filosófico de Empédocles? c) Segundo Aristóteles, cada um dos elementos seria resultado da combinação de duas das quatro qualidades primárias. Quais qualidades deveriam ser associadas para gerar os elementos: a) água, terra, fogo e ar b) Aristóteles introduziu qualidades que nn terra nn fogo nn ar nn água

associadas aos elementos de Empédocles formariam qualquer tipo de matéria. c) terra - frio e seco fogo - quente e seco ar - quente e úmido água - frio e úmido

02. (Fac. de Ciências da Saúde de Barretos SP) O modelo atômico que considera como elemento químico o conjunto de partículas maciças, indestrutíveis, de mesma massa e sem a presença de cargas elétricas é o de Gabarito questão 05 a) Dalton. a) d) b) Rutherford. b) c) Demócrito. e) Fe d) Böhr. c) e) Thomson.

B01  Modelo corpuscular da matéria

03. (UECE) A primitiva ideia da existência do átomo é atribuída a Demócrito e Leucipo, mas a primeira teoria atômica é atribuída a Epicuro (341-271 a.C.), conforme registros na obra de Titus Lucretius Carus (99-55 a.C.), no livro De Rerum Natura. Durante muitos séculos, a teoria atômica permaneceu latente e só foi resgatada em pleno século XIX, com o modelo atômico conhecido como “bola de bilhar” atribuído a a) Böhr. b) Dalton. c) Proust. d) Thomson. 04. (Unimontes MG) A busca da simplicidade dentro da complexidade da natureza levou John Dalton a propor o seu modelo de átomo, tendo como base as razões das massas dos elementos que se combinaram para formar compostos. A hipótese atômica que CONTRARIA o modelo proposto por Dalton é: a) uma transformação que resulta em novos átomos. b) os átomos de um mesmo elemento são idênticos. c) átomos diferentes apresentam massas diferentes. d) um composto resulta da combinação de átomos.

224

05. Utilizando o modelo de átomo de Dalton e obedecendo ao proposto na tabela a seguir, responda:

Com base na tabela de elementos acima, represente por meio de desenhos as seguintes substâncias: a) O gás hidrogênio - uma substância simples biatômica. b) Gás cloro - substância simples biatômica. c) Água - substância composta triatômica. d) Gás metano - substância composta, pentatômica em que a atomicidade do hidrogênio é 4. e) Obedecendo aos postulados da teoria de John Dalton, qual dos elementos químicos citados apresenta a maior massa? 06. Considerando as leis de Lavoisier, de Proust e sua própria lei, Dalton tinha à disposição a base para uma nova teoria atômica, isto é, um novo conceito de átomo que compunha a estrutura da matéria podia ser criado. Assim, entre 1803 e 1808, John Dalton estabeleceu os postulados de sua teoria sobre a indivisibilidade do átomo, a menor partícula da matéria. Considerando seus conhecimentos e o estabelecimento dos postulados de Dalton, julgue os itens a seguir em certo (C) ou errado (E). 01. Os elementos são constituídos por átomos indestrutíveis e indivisíveis. 02. Os átomos de um mesmo elemento são iguais em todas as suas qualidades, inclusive na massa. 03. Átomos de elementos distintos apresentam propriedades e massas distintas. 04. Na natureza existe um número pequeno de átomos diferentes entre si que se combinam formando os “átomos compostos”, numa proporção fixa ou em uma relação numérica simples, quando formam mais de um composto. C-C-C-C

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

01-08-16

02. (Unifor CE) A interpretação de novos fenômenos fez com que os modelos atômicos fossem evoluindo com o passar do tempo. Por exemplo, o modelo de Dalton teve que ser reformulado por não interpretar satisfatoriamente a) a natureza elétrica da matéria. b) as mudanças de estado físico. c) a maleabilidade dos metais. d) a densidade das substâncias. e) a conservação de massa nas reações químicas. 03. (FFFCMPA RS) De acordo com a teoria atômica de Dalton (1766–1844), assinale a alternativa correta. a) O átomo possui partículas de carga negativa que estão em órbita de um núcleo de carga positiva. b) No núcleo atômico, existem partículas de carga nula denominadas nêutrons. c) Átomos de elementos diferentes possuem diferentes massas e propriedades. d) O átomo é uma esfera sólida que possui partículas de carga negativa em sua superfície, semelhante a um “pudim de passas”. e) Dois elétrons de mesmo spin não podem ser encontrados dentro de um mesmo orbital. 04. (Puc MG) Assinale a afirmativa abaixo que NÃO é uma ideia provida do modelo atômico de Dalton. a) Átomos de um elemento podem ser transformados em átomos de outros elementos por reações químicas. b) Todos os átomos de um dado elemento têm propriedades idênticas, as quais diferem das propriedades dos átomos de outros elementos. c) Um elemento é composto de partículas indivisíveis e diminutas chamadas átomos. d) Compostos são formados quando átomos de diferentes elementos se combinam em razões bem determinadas.

05. (UFG GO) No Estado de Goiás, mais de 50% da arrecadação do ICMS provém de atividades industriais da área da Química, o que ressalta o seu papel fundamental no desenvolvimento do estado. Sobre a Química, é correto afirmar que: 01. O principal setor industrial, em Goiás, é o petroquímico. 02. Está presente em indústrias como as de couro, perfume, têxtil, bebida, papel e plástico. 03. Foi precedida pela Alquimia, que visava às descobertas da Pedra Filosofal e do Elixir da Longevidade. 04. Estuda a estrutura e a transformação das substâncias, correlacionando-as com as propriedades macroscópicas. 02-03-04

06. (ITA SP) Em 1803, John Dalton propôs um modelo de teoria atômica. Considere que sobre a base conceitual desse modelo sejam feitas as seguintes afirmações: I. O átomo apresentará a configuração de uma esfera rígida. II. Os átomos caracterizam os elementos químicos e somente os átomos de um mesmo elemento são idênticos em todos os aspectos. III. As transformações químicas consistem de combinação, separação e/ou rearranjo de átomos. IV. Compostos químicos são formados de átomos de dois ou mais elementos unidos em uma razão fixa. Qual das opções abaixo se refere a todas as afirmações CORRETAS? a) I e IV b) II e III c) II e IV d) II, III e IV e) I, II, III e IV 07. Questionar a composição da matéria não foi uma tarefa puramente metódica. Inicialmente, pensadores gregos, como Demócrito, Leucipo e Epicuro imaginavam a matéria formada de partículas que deveriam guardar alguma relação de formato com suas propriedades cotidianas: Epicuro, por exemplo, propunha que os átomos constituintes de materiais diferentes tivessem formas geométricas diferentes. Dessa maneira surgiram as primeiras ideias sobre a estrutura da matéria, passando pela criação de modelos de átomos que satisfaziam aos interesses da época. Posteriormente, com a observação de novos fenômenos naturais e o surgimento de novas formas de experimentação, esses modelos evoluíram até chegar ao modelo atual de átomo. Sob a óptica desse contexto, pede-se: a) Os modelos têm existência física real? b) Quando um modelo é abandonado em detrimento de outro modelo ele deixa de existir? a) Não. Os modelos não têm existência física real. Eles não podem ser palpáveis. Os modelos são apenas concepções mentais idealizadas de determinadas situações. b) Não. Quando abandonamos um modelo em prol de um outro modelo mais adequado, o modelo abandonado não deixa de existir. Ele apenas é considerado inadequado para explicar algumas situações.

225

B01  Modelo corpuscular da matéria

01. (Uem PR) Sobre os principais fundamentos da teoria atômica de Dalton, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01. A massa fixa de um elemento pode combinar-se com massas múltiplas de outro elemento para formar substâncias diferentes. 02. O átomo é semelhante a uma massa gelatinosa carregada positivamente, tendo cargas negativas espalhadas nessa massa. 04. A carga positiva de um átomo não está distribuída por todo o átomo, mas concentrada na região central. 08. Existem vários tipos de átomos e cada um constitui um elemento químico. Átomos de um mesmo elemento químico são idênticos, particularmente em seu peso. 16. Toda matéria é composta por átomos, que são partículas indivisíveis e não podem ser criados ou destruídos.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B02

ASSUNTOS ABORDADOS nn Modelo de átomo de Thomson nn Tubos de descarga nn Eletrocondutividade das soluções nn A descoberta do elétron

MODELO DE ÁTOMO DE THOMSON Até o século XVIII, os cientistas dificilmente entravam em acordo quanto ao método de investigação dos fenômenos e dos experimentos realizados. Entretanto, a Química é uma ciência natural, experimental e, por isso, os fenômenos e os acontecimentos registrados por um químico devem seguir um procedimento padrão que verifique determinados pontos de investigação. Esse método é chamado método científico e é uma abordagem geral de problemas que envolvem observar, procurar padrões nas observações, formular e testar hipóteses, e elaborar uma teoria. No método científico, inicialmente, aglomeramos o maior número de informações e dados sobre o experimento. O intuito de tal procedimento é encontrar alguma forma de repetição da propriedade observada. À medida que surgem tais repetições, tentamos elaborar uma explicação, ou hipótese, que nos oriente durante novos experimentos. Com base nessas hipóteses, temos a possibilidade de elaborar uma lei científica, que pode ser uma equação matemática que resume um grande número de observações. Se uma hipótese se mantém efetiva na previsão de fatos que ainda estão por acontecer, ela é chamada de teoria ou modelo. Após a teoria atômica de Dalton, em 1803, novos experimentos e observações eram feitos e os cientistas inquietos buscavam incessantemente um novo caminho para a Química. O desafio científico estava lançado: a matéria seria mesmo constituída por pequenas partículas, os átomos? Os átomos seriam, de fato, esferas indivisíveis, como havia dito Dalton? Em busca de novas respostas, na segunda metade do século XIX, vários experimentos foram realizados no sentido de se estabelecer uma constituição para o átomo. Os tubos de descarga, a condutividade elétrica das soluções iônicas, os raios X e a radioatividade levavam a crer na divisibilidade do átomo.

Tubos de descarga Os experimentos com tubos de descarga, sob baixa pressão (tubo de descarga), sugeriam que os átomos apresentavam pequenas partículas em sua estrutura ou que podiam emitir uma forma de radiação. Esses raios foram denominados de raios catódicos, em 1886, por Eugen Goldstein, porque tinham origem no eletrodo negativo, chamado cátodo.

Opirus/Arte

Tubos de descarga são tubos de vidro, de cerca de 40 cm de comprimento e 5 cm de diâmetro, nos quais se aprisiona um gás qualquer que é submetido à ação de uma bomba de vácuo e a uma tensão de dezenas de milhares de volts.

Figura 01 - Ilustração de uma ampola (tubo catódico). Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

226

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A essa altura, os cientistas apresentavam opiniões divergentes a respeito dos raios catódicos e se questionavam: seriam partículas dotadas de massa ou apenas uma forma de radiação emitida pelo átomo? A resposta a essa pergunta só veio mais tarde com as observações de Thomson sobre os tubos de descarga.

Eletrocondutividade das soluções Por volta de 1884, o sueco Svante August Arrhenius apresentou em sua tese de doutorado a teoria da dissociação eletrolítica. Arrhenius demonstrou, por meio de experimentos, que uma substância eletrolítica em contato com um solvente polar (constante dielétrica apreciável) era capaz de conduzir corrente elétrica. Segundo Arrhenius, as substâncias se dissociam em íons positivos (cátions) e negativos (ânions) responsáveis pela condução da corrente elétrica. Inaugurava-se uma nova fase na Ciência. As observações indicavam que as partículas constituintes da matéria deveriam ter uma forma de divisibilidade, contrariando o modelo de átomo proposto por Dalton.

nn A

natureza dos raios catódicos é sempre a mesma, independentemente do tipo de material analisado. Portanto, os raios catódicos eram partículas fundamentais e deveriam estar presentes em toda a matéria.

Em 1897, o cientista Joseph John Thomson apresentou suas conclusões a respeito da natureza dos raios catódicos lançando, em 1898, um novo modelo de átomo. Thomson estava ciente de que o átomo apresentava novas divisões e denominou essa nova partícula de elétron em homenagem ao termo eléktron, do grego. Segundo o modelo de Thomson, as partículas constituintes da matéria eram pequenas esferas, dotadas de carga elétrica positiva e negativa. As cargas positivas estariam uniformemente distribuídas pela esfera, enquanto as cargas negativas estariam incrustadas em sua superfície, e a quantidade total de carga seria nula. Foi feita uma analogia entre esse modelo e as passas de um panetone, o que deu a ele o apelido de “pudim de passas”.

nn Substância eletrolítica: é aquela capaz de produzir ou

liberar íons – átomos ou grupos de átomos carregados eletricamente – e de conduzir corrente elétrica, quando em contato com um solvente não condutor.

nn Constante dielétrica: é a constante que mede o poder

ionizante de um solvente.

Por meio de experimentos, Thomson conseguiu medir a velocidade e a relação entre a carga e a massa dos raios catódicos, comprovando uma natureza corpuscular para eles. Diante disso, Thomson fez as seguintes observações: nn Os

raios catódicos projetam sombra quando incidem sobre um anteparo, portanto, apresentam trajetória retilínea (tubo A, na ilustração abaixo).

nn Os raios catódicos movimentam um cata-vento de mica

quando nele colidem, portanto, apresentam inércia, que está associada à medida da massa (tubo B, na ilustração abaixo). raios catódicos sofrem atração por uma placa dotada de carga elétrica positiva, portanto, apresentam carga elétrica negativa (tubo C, na ilustração abaixo).

A interpretação dos experimentos de Thomson levou a crer na divisibilidade da matéria. Assim, os cientistas tinham em mão um novo modelo explicativo para ser empregado na compreensão de diversos fenômenos. Isso não significa dizer que o modelo de átomo de Dalton tenha sido abandonado. O modelo de átomo de Thomson complementou o modelo até então estudado, ou seja, dependendo do fenômeno em questão, a aplicação do modelo de átomo de Dalton pode ser limitada. Nesses casos, pode-se fazer uso do modelo de átomo de Thomson, que propunha que a matéria era constituída de partículas que apresentavam cargas elétricas.

Opirus/Arte

nn Os

Figura 03 - Modelo de átomo de Thomson.

Figura 02 - Experimentos de Thomson com tubos de descarga. Imagens fora de escala e em cores ilustrativas.

227

B02  Modelo de átomo de Thomson

A descoberta do elétron

Química

Exercícios de Fixação 01. (Ufla MG) O elétron foi descoberto por Thomson no fim do século XIX, o que lhe rendeu o prêmio Nobel. Uma característica do modelo atômico proposto por ele é: a) O átomo é indivisível. b) Os elétrons ocupam orbitais com energias bem definidas. c) O átomo sofre decaimento radioativo naturalmente. d) O átomo é maciço e poderia ser associado a um “pudim de passas”.

B02  Modelo de átomo de Thomson

02. (Uema MA) Ao longo da história da evolução do estudo do átomo, diversos modelos atômicos foram propostos até a obtenção do atual. Com relação ao modelo de Thomson, pode-se afirmar que: a) Os elétrons têm caráter corpuscular e de onda, simultaneamente. b) Toda matéria é formada por partículas extremamente pequenas. c) No centro do átomo, existe um núcleo muito pequeno e denso, cercado por elétrons. d) O elétron se movimenta ao redor do núcleo em órbitas circulares. e) O átomo é constituído de cargas positivas e negativas. 03. (FPS PE) A Química pode ser considerada como o estudo da natureza da matéria e de suas interações. A matéria é constituída por partículas extremamente pequenas (átomos, moléculas ou íons) que se encontram em constante movimento. Sobre a estrutura da matéria, analise as seguintes afirmações: 1) Uma propriedade facilmente observada na matéria é o seu estado físico, isto é, se a substância é sólido, líquido ou gás. 2) Em um dia seco, se friccionarmos uma bexiga nos cabelos, estes serão atraídos pela bexiga, ou seja, uma carga estática se acumulará na superfície do balão. Objetos com cargas opostas se repelem, enquanto objetos com cargas elétricas iguais se atraem. 3) J. J. Thomson supôs que um átomo era uma esfera uniforme de matéria positivamente carregada, dentro da qual os elétrons de carga negativa estavam incrustados. Já o modelo para o átomo proposto por E. Rutherford supõe um núcleo, no qual se concentravam as cargas positivas e a maior parte da massa; os elétrons ocupariam o resto do espaço do átomo. 4) Os elementos essenciais são nutrientes inorgânicos importantes para a vida. Deficiência de qualquer um deles pode resultar em anormalidades severas de desenvolvimento, em doenças crônicas ou até mesmo na morte. Estão corretas: a) 1, 2, 3 e 4. b) 1, 2 e 3, apenas. c) 1, 3 e 4, apenas. d) 2 e 3, apenas. e) 2 e 4, apenas.

228

04. (UFG GO) O esquema a seguir representa, de modo simplificado, o experimento de J. J. Thomson. Um feixe de partículas sai do cátodo, passa através de um orifício no ânodo e sofre a influência das placas metálicas A e B.

De acordo com esse esquema, o feixe se aproxima de A quando a) as placas A e B forem negativas. b) a placa A for negativa e a B, positiva. c) a placa A for positiva e a B, negativa. d) as placas A e B forem positivas. e) as placas A e B forem neutras. 05. (Unifor CE) A descoberta do átomo representou um importante passo para o homem no reconhecimento dos materiais e suas propriedades e o estabelecimento do modelo atômico atual foi uma construção científica de diversos autores: Leucipo\Demócrito; Dalton, Thomson, Rutherford\Böhr, entre outros. A figura abaixo apresenta o modelo atômico (de Thomson) que contribuiu significativamente para o estabelecimento do conceito de átomo moderno, pois este defendia que:

Representação do modelo de átomo de Thomson. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

a) A divisibilidade do átomo em uma massa protônica positiva e partículas negativas denominadas elétrons. b) A divisibilidade do átomo em uma massa neutra composta por cargas negativas denominadas elétrons. c) A existência de um átomo negativo e indivisível. d) O átomo era divisível em partículas negativas conhecidas como prótons. e) O átomo era formado somente por uma massa de elétrons positivos inseridos em uma matriz protônica negativa.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

01. (FGV SP) As figuras representam alguns experimentos de raios catódicos realizados no início do século passado, no estudo da estrutura atômica.

03. (Unesp SP) No ano de 1897, o cientista britânico J.J. Thomson descobriu, por meio de experiências com os raios catódicos, a primeira evidência experimental da estrutura interna dos átomos. O modelo atômico proposto por Thomson ficou conhecido como “pudim de passas”. Para esse modelo, pode-se afirmar que: a) O núcleo atômico ocupa um volume mínimo no centro do átomo. b) As cargas negativas estão distribuídas homogeneamente por todo o átomo. c) Os elétrons estão distribuídos em órbitas fixas ao redor do núcleo. d) Os átomos são esferas duras, do tipo de uma bola de bilhar. e) Os elétrons estão espalhados aleatoriamente no espaço ao redor do núcleo.

O tubo nas figuras (a) e (b) contém um gás submetido à alta tensão. Figura (a): antes de ser evacuado. Figura (b): a baixas pressões. Quando se reduz a pressão, há surgimento de uma incandescência, cuja cor depende do gás no tubo. A figura (c) apresenta a deflexão dos raios catódicos em um campo elétrico. Em relação aos experimentos e às teorias atômicas, analise as seguintes afirmações: I. Na figura (b), fica evidenciado que os raios catódicos se movimentam numa trajetória linear. II. Na figura (c), verifica-se que os raios catódicos apresentam carga elétrica negativa. III. Os raios catódicos são constituídos por partículas alfa. IV. Esses experimentos são aqueles desenvolvidos por Rutherford para propor a sua teoria atômica, conhecida como modelo de Rutherford. As afirmativas corretas são aquelas contidas apenas em: a) I, II e III. b) II, III e IV. c) I e II. d) II e IV. e) IV.

04. (Ufam AM) Willian Crookes, em sua famosa experiência conhecida pela confecção do tubo de Crookes, construiu uma ampola contendo gás a baixíssima pressão e inseriu dois polos elétricos, um cátodo e um ânodo, nos quais aplicou uma diferença de potencial. Ao submeter sua ampola a várias situações observou os seguintes fenômenos: I. O aparecimento de um fluxo luminoso que se originava do cátodo até a parede oposta. II. Quando era colocado um anteparo entre o cátodo e o ânodo era projetada a sombra desse anteparo sobre a parede oposta ao cátodo. III. Quando era colocada uma levíssima ventoinha entre o cátodo e a parede, essa ventoinha girava. IV. Quando submetidos a um campo elétrico externo, os raios catódicos desviavam-se sempre para a placa positiva. V. Gases diferentes produziam os mesmos resultados. Considerando as afirmações acima, e em sua respectiva ordem, Willian Crookes concluiu: a) A existência de um raio fluorescente; que este se movia linearmente; tinha peso; possuía carga positiva; independiam do gás utilizado. b) A existência de um raio fluorescente; que este não penetrava na matéria do anteparo; girava a ventoinha; possuía carga elétrica; independia do gás utilizado. c) A existência de um raio, chamado de anódico; que este produzia sombra; tinha massa; possuía carga positiva; dependiam do gás utilizado. d) A existência de um raio, chamado de catódico; que este não penetrava na matéria do anteparo; imantava a ventoinha; possuía carga negativa; independiam do gás utilizado. e) A existência de um raio, chamado de catódico; que este se movia em linha reta; tinha massa; possuía carga negativa; independia do gás utilizado.

02. (Ufop MG) A evolução da Teoria Atômica se deu por meio de modelos e conceitos propostos por diversos cientistas com base em suas experiências e observações. O conceito de matéria, como uma massa de carga positiva uniformemente distribuída, com os elétrons espalhados de modo a minimizar as repulsões eletrostáticas, pode ser creditado a: a) Böhr. b) Dalton. c) Thomson. d) Rutherford.

229

B02  Modelo de átomo de Thomson

Exercícios Complementares

Química

05. (UFMG) No fim do século XIX, Thomson realizou experimentos em tubos de vidro que continham gases a baixas pressões, em que aplicava uma grande diferença de potencial. Isso provocava a emissão de raios catódicos. Esses raios, produzidos num cátodo metálico, deslocavam-se em direção à extremidade do tubo (E). (Na figura, essa trajetória é representada pela linha tracejada X.)

Observando os fenômenos que ocorrem nos tubos, podemos afirmar CORRETAMENTE que: 01. gases são bons condutores da corrente elétrica. 02. os elétrons possuem massa – são corpusculares. 04. os elétrons possuem carga elétrica negativa. 08. os elétrons partem do cátodo. 16. os elétrons se propagam em linha reta. 32. o cata-vento entrou em rotação devido ao impacto dos elétrons na sua superfície. 02-04-08-16-32 07. (Puc RS) O átomo, na visão de Thomson, é constituído de: a) níveis e subníveis de energia. b) cargas positivas e negativas. c) núcleo e eletrosfera. d) grandes espaços vazios. e) orbitais.

Nesses experimentos, Thomson observou que I. a razão entre a carga e a massa dos raios catódicos era independente da natureza do metal constituinte do cátodo ou do gás existente no tubo; e II. os raios catódicos, ao passarem entre duas placas carregadas, com cargas de sinal contrário, se desviavam na direção da placa positiva. (Na figura, esse desvio é representado pela linha tracejada Y.) Considerando-se essas observações, é CORRETO afirmar que os raios catódicos são constituídos de a) elétrons. c) prótons. b) ânions. d) cátions.

B02  Modelo de átomo de Thomson

06. (UFSC) Uma das principais partículas atômicas é o elétron. Sua descoberta foi efetuada por J. J. Thomson em uma sala do Laboratório Cavendish, na Inglaterra, ao provocar descargas de elevada voltagem em gases bastante rarefeitos, contidos no interior de um tubo de vidro.

No tubo de vidro “A”, observa-se que o fluxo de elétrons (raios catódicos) colide com um anteparo e projeta sua sombra na parede oposta do tubo. No tubo de vidro “B”, observa-se que o fluxo de elétrons (raios catódicos) movimenta um cata-vento de mica. No tubo de vidro “C”, observa-se que o fluxo de elétrons (raios catódicos) sofre uma deflexão para o lado em que foi colocada uma placa carregada positivamente. 230

08. (UFG GO) Leia o texto a seguir: Há cem anos, a ciência dividiu o que era então considerado indivisível. Ao anunciar, em 1897, a descoberta de uma nova partícula que habita o interior do átomo, o elétron, o físico inglês Joseph Jonh Thompson mudou dois mil anos de uma história que começou quando filósofos gregos propuseram que a matéria seria formada por diminutas porções indivisíveis, uniformes, duras, sólidas e eternas. Cada um desses corpúsculos foi denominado átomo, o que, em grego, quer dizer ‘não divisível’. A descoberta do elétron inaugurou a era das partículas elementares e foi o primeiro passo do que seria no século seguinte uma viagem fantástica ao microuniverso da matéria. Ciência Hoje, vol. 22, nº131, 1997, p.24

A respeito das ideias contidas nesse texto, é correto afirmar-se que: 01. Faz cem anos que se descobriu que os átomos não são os menores constituintes da matéria. 02. Os elétrons são porções indivisíveis, uniformes, duros, sólidos, eternos e são consideradas as partículas fundamentais da matéria. 04. Os átomos, apesar de serem indivisíveis, são constituídos por elétrons, prótons e nêutrons. 08. Com a descoberta do elétron, com a carga elétrica negativa, pode-se concluir que deveriam existir outras partículas, os nêutrons, para justificar a neutralidade elétrica do átomo. 16. A partir da descoberta dos elétrons, foi possível determinar as massas dos átomos. 01 09. (UEFS BA) Segundo o modelo de Thomson, o átomo a) poderia ser caracterizado por uma esfera gelatinosa com carga positiva, na qual estariam incrustados os elétrons, neutralizando a carga positiva. b) não é maciço, mas é formado por um núcleo com carga positiva, no qual se concentra praticamente toda a sua massa, e ao redor do qual ficam os elétrons, neutralizando a carga positiva. c) é formado por elétrons que giram ao redor do núcleo em determinadas órbitas. d) é neutro, cercado de elétrons que estariam dispostos ao redor do núcleo, como os planetas ao redor do Sol. e) é formado por um pequeno núcleo maciço e positivo, e os elétrons movimentam-se em órbitas estacionárias, sendo que nesse movimento não emitem energia.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B03

MODELO DE ÁTOMO DE RUTHERFORD O modelo de Thomson não foi suficiente para acalmar a busca dos cientistas por novas descobertas sobre as partículas que estruturavam a matéria. Os físicos já desenvolviam, àquela época, equipamentos e experimentos capazes de produzir resultados que exigiam melhores interpretações.

ASSUNTOS ABORDADOS nn Modelo de átomo de Rutherford nn Experimento de Rutherford, Geiger e Marsdsen nn Conclusões de Rutherford

Dois estudantes, que trabalhavam com Rutherford – Geiger e Marsdsen – tinham desenvolvido um método de contagem de partículas alfa emitidas durante um fenômeno radioativo. Foi então que, em 1908, Rutherford decidiu empregar esse experimento na tentativa de comprovar a existência do modelo de átomo de Thomson. Resolveu bombardear uma finíssima lâmina de ouro e contar o número de emissões que atravessavam o material. Com o desenvolvimento da eletrostática – parte da Física que estuda as cargas elétricas –, já se podiam fazer previsões sobre o comportamento das cargas elétricas presentes no modelo de átomo de Thomson, de tal maneira que: nn as

forças elétricas de Coulomb são grandezas que traduzem interações entre cargas elétricas e dependem de fatores como intensidade e sinal das cargas, além da distância entre elas; nn cargas elétricas de sinais contrários apresentam forças elétricas de atração; nn cargas

elétricas de mesmos sinais apresentam forças elétricas de repulsão;

nn a intensidade da força elétrica foi calculada por Coulomb da seguinte maneira:

F = ko

Q ⋅q , em que: d2

F = força de atração ou repulsão Q e q = cargas das partículas d = distância entre as cargas elétricas

Como a força de atração ou repulsão é diretamente proporcional ao produto da intensidade das cargas elétricas, mas inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, eram esperadas interações de pequenas intensidades entre uma partícula alfa e as cargas positivas (interação repulsiva), presentes no modelo de Thomson. Isso porque as cargas positivas estavam uniformemente distribuídas pela partícula, tornando a distância entre elas relativamente grande. Outro fator importante seria a alta inércia de uma partícula alfa, que dificilmente poderia ser desacelerada pelo material. Desse modo, Geiger, Marsdsen e Rutherford iniciaram o experimento já prevendo que todas as emissões alfa, lançadas sobre o anteparo, deveriam atravessá-lo sem sofrer grandes desvios: os possíveis ângulos de desvio não podiam ser superiores a 3o (três graus).

Experimento de Rutherford, Geiger e Marsdsen Nesse experimento, podemos observar uma fonte emissora de partículas alfa, uma fina lâmina de ouro e um anteparo revestido de sulfeto de zinco. As cintilações, produzidas pela colisão das partículas alfa com o anteparo, indicavam que essas partículas atravessavam a lamínula de ouro. Porém, algumas partículas não atravessaram a folha de ouro, indicando que a matéria era formada de partículas cuja composição não obedecia à uniformidade de distribuição de cargas proposta por Thomson.

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) Cientista francês que descobriu várias leis da Eletricidade, as leis de Coulomb, envolvendo forças de atração e repulsão. 231

Química

Com base nesse experimento, Rutherford elaborou um novo modelo de átomo em que a distribuição de cargas elétricas positivas era desigual, havendo regiões cuja densidade de cargas positivas era muito elevada, impedindo a passagem das partículas alfa. No entanto, eles se depararam com uma situação confusa: os resultados obtidos não condiziam com a estrutura da matéria representada no modelo de Thomson. Se a matéria tivesse partículas constituintes segundo o modelo de Thomson, todas as emissões alfa atravessariam a lamínula de ouro. No entanto, eles observaram que a maioria delas, de fato, atravessava a lâmina, mas algumas eram desviadas em ângulos muito superiores a três graus (3o) e um número muito pequeno de partículas alfa refletia em ângulos de 180o, não atravessando o material utilizado.

Fonte: Editora Opirus

Para Rutherford, aquilo era realmente espantoso. Ou o experimento apresentava imperfeições ou a constituição da matéria não obedecia ao modelo de partícula proposto por Thomson.

Figura 01 - Experimento de Rutherford com partícula alfa sobre lamínula de ouro. À esquerda, no canto inferior, modelo de átomo nuclear proposto por Rutherford. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

B03  Modelo de átomo de Rutherford

Conclusões de Rutherford Após várias repetições, Rutherford propôs, em 1911, um novo modelo para o átomo: nn A matéria é formada de partículas em que a distribuição de massa ocorre de forma desigual. nn Há uma região pequena, densa e dotada de carga positiva que concentra praticamente toda a massa da partícula. O restante da partícula é desprovido de massa, representando um imenso vazio de matéria, e constituído de partículas de carga elétrica negativa, os elétrons. nn A região pequena, densa e de carga positiva foi denominada por Rutherford de núcleo e o imenso vazio foi chamado de eletrosfera. O átomo ganhava uma nova representação, segundo os experimentos e a concepção de Rutherford. Esse modelo faz uma analogia ao Sistema Solar e, por isso, foi chamado de modelo planetário do átomo. O fato de o núcleo ser uma região muito pequena e de alta densidade intrigou Rutherford, que já desconfiava da existência de outra partícula, de massa elevada e sem carga elétrica, também presente no núcleo do átomo. Rutherford acreditava que só a massa dos prótons não poderia ser responsável por uma região de densidade tão elevada como aquela. Possivelmente, foi Rutherford quem fez as primeiras previsões sobre a existência dos nêutrons, muito antes de comprovarem a sua descoberta em 1932 por James Chadwick. 232

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

e) elétron 02. (UFG GO) Leia o poema apresentado a seguir. Pudim de passas Campo de futebol Bolinhas se chocando Os planetas do sistema solar Átomos Às vezes São essas coisas Em química escolar LEAL, Murilo Cruz. Soneto de hidrogênio. São João del Rei: Editora UFSJ, 2011.

O poema faz parte de um livro publicado em homenagem ao Ano Internacional da Química. A composição metafórica presente nesse poema remete a) aos modelos atômicos propostos por Thomson, Dalton e Rutherford. b) às teorias explicativas para as leis ponderais de Dalton, Proust e Lavoisier. c) aos aspectos dos conteúdos de cinética química no contexto escolar. d) às relações de comparação entre núcleo/eletrosfera e bolinha/campo de futebol. e) às diferentes dimensões representacionais do sistema solar. 03. (Mackenzie SP) Comemorou-se no ano de 2011, o centenário do modelo atômico proposto pelo físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937), prêmio Nobel da Química em 1908. Em 1911, Rutherford, bombardeou uma finíssima lâmina de ouro com partículas alfa, oriundas de uma amostra contendo o elemento químico polônio. De acordo com o seu experimento, Rutherford concluiu que a) o átomo é uma partícula maciça e indestrutível. b) existe, no centro do átomo, um núcleo pequeno, denso e negativamente carregado. c) os elétrons estão mergulhados em uma massa homogênea de carga positiva. d) a maioria das partículas alfa sofria um desvio ao atravessar a lâmina de ouro. e) existem, no átomo, mais espaços vazios do que preenchidos.

04. (UFG GO) Em um determinado momento histórico, o modelo atômico vigente, que explicava parte da constituição da matéria, considerava que o átomo era composto de um núcleo com carga positiva. Ao redor deste, havia partículas negativas uniformemente distribuídas. A experiência investigativa que levou à proposição desse modelo foi aquela na qual a) se realizou uma série de descargas elétricas em tubos de gases rarefeitos. b) se determinou as leis ponderais das combinações químicas. c) se analisou espectros atômicos com emissão de luz com cores características para cada elemento. d) se caracterizou estudos sobre radioatividade e dispersão e reflexão de partículas alfa. e) se providenciou a resolução de uma equação para determinação dos níveis de energia da camada eletrônica. 05. (UFT TO) De posse do conhecimento das teorias atômicas, desenvolvidas por Dalton, Thomson e Rutherford, marque a alternativa INCORRETA. a) De acordo com Dalton, os átomos são as menores partículas de um elemento e são os componentes básicos da matéria. b) Segundo Dalton, ao participarem de reações químicas, os átomos se alteram para formar novas substâncias. c) Thomson, ao descobrir os elétrons, propôs que essas partículas negativas estariam dispersas no átomo positivo, como “passas em um pudim”. d) Rutherford descobriu que os átomos continham partículas positivas, o que derrubou a teoria de Thomson sobre a estrutura atômica. e) Rutherford propôs uma estrutura planetária para o átomo, com a carga positiva no núcleo e as cargas negativas orbitando ao seu redor. 06. As dimensões do núcleo e do átomo foram determinadas por Geiger e Marsdsen. Os dois utilizaram uma lamínula de ouro extremamente fina e de dimensões conhecidas. Àquela época, já se podia realizar corte em metais obtendo lâminas com espessura da ordem de 300 planos de átomos enfileirados, aproximadamente. Atualmente, são admitidos os seguintes valores de diâmetro do átomo e do núcleo:

φm(átomo) = 10 −8 cm φm(núcleo) = 10 −12 cm Logo, podemos concluir que o diâmetro médio de um átomo é maior que o diâmetro médio do núcleo na ordem de a) 10 vezes d) 10.000 vezes b) 100 vezes e) 100.000 vezes c) 1000 vezes

233

B03  Modelo de átomo de Rutherford

01. (UFPA) A experiência do espalhamento das partículas alfa (Rutherford) evidenciou a existência do a) dêuteron b) núcleo c) próton d) nêutron

Química

Exercícios Complementares 01. (IME RJ) Os trabalhos de Joseph John Thomson e Ernest Rutherford resultaram em importantes contribuições na

05. (Unimontes MG) A figura abaixo mostra o experimento de Rutherford com o uso de uma lâmina de ouro e partículas α.

história da evolução dos modelos atômicos e no estudo de fenômenos relacionados à matéria. Das alternativas abaixo, aquela que apresenta corretamente o autor e uma de suas contribuições é: a) Thomson - Concluiu que o átomo e suas partículas formam um modelo semelhante ao sistema solar. b) Thomson - Constatou a indivisibilidade do átomo. c) Rutherford - Pela primeira vez, constatou a natureza elétrica da matéria. d) Thomson - A partir de experimentos com raios catódicos, comprovou a existência de partículas subatômicas. e) Rutherford - Reconheceu a existência das partículas nucleares sem carga elétrica, denominadas nêutrons. 02. (Uem PR) O modelo de estrutura atômica que compara o átomo com o nosso sistema solar (núcleo = sol, elétrons = planetas) foi proposto por a) Thomson. b) Henri Becquerel. c) Goldstein. d) Chadwick. e) Rutherford. 03. (Uema MA) Ao longo da história da evolução do estudo do átomo, diversos modelos atômicos foram propostos até a obtenção do atual. Com relação ao modelo de Thomson, pode-se afirmar que: a) Os elétrons têm caráter corpuscular e ondulatório, simultaneamente. b) Toda matéria é formada por partículas extremamente pequenas. c) No centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso, cercado por elétrons. d) O elétron se movimenta ao redor do núcleo em órbitas

B03  Modelo de átomo de Rutherford

circulares. e) O átomo é constituído de cargas positivas e negativas. 04. (UCBA) Uma semelhança entre os modelos atômicos de Dalton e de Thonson está no fato de ambos considerarem que o átomo: a) é maciço. b) é constituído por prótons, nêtrons e elétrons. c) apresenta elétrons em camadas. d) é semelhante ao sistema solar. e) possui núcleo e eletrosfera.

234

Supondo que esse experimento fosse realizado com átomos que tivessem a estrutura proposta pelo modelo de Thomson, pode-se afirmar que: a) As partículas α atravessariam a lâmina de ouro, sendo observados poucos desvios. b) O anteparo apresentaria manchas luminosas dispersas de forma homogênea. c) Os átomos da folha de ouro impediriam totalmente a passagem das partículas α. d) Os núcleos e elétrons dos átomos da lâmina de ouro absorveriam as partículas. 06. (Unesp SP) Por meio de bombardeio de lâmina de ouro com partículas α, Rutherford concluiu que: a) Átomos do mesmo elemento, que diferem entre si na massa, são isótopos. b) A massa do elétron é igual a 9,1 ⋅ 10-28 g e a carga, igual à do próton, porém de sinal contrário. c) A energia é emitida descontinuamente pelos átomos sob a forma de fótons. d) Os átomos de ouro possuem elétrons desemparelhados. e) No núcleo do átomo, estão concentradas sua massa e sua carga. 07. (UFMG) Na experiência de espalhamento de partículas alfa, conhecida como “experiência de Tutherford”, um feixe de partículas alfa foi dirigido contra uma lâmina finíssima de ouro, e os experimetadores (Geiger e Marsden) observaram que um grande número dessas partículas atravessava a lâmina sem sofrer desvios, mas que um pequeno número sofria desvios muitos acentuados. Esse resultado levou Rutherford a modificar o modelo atômico de Thomson, propondo a existência de um núcleo de carga positiva, de tamanho reduzido e com, praticamente, toda a massa do átomo.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

08. (UECE) Atente para as seguintes afirmações a respeito das conclusões a que chegou Rutherford durante a experiência sobre a estrutura da matéria. I. O átomo é constituído por duas regiões distintas: o núcleo e a eletrosfera. II. O núcleo atômico é extremamente pequeno em relação ao tamanho do átomo. III. O átomo tem uma região em que existe muito espaço vazio. IV. As partículas negativas do átomo podem ter quaisquer valores de energia. V. A eletrosfera é a região que concentra praticamente toda a massa elétrica do átomo. No que diz respeito à estrutura da matéria, corresponde às conclusões de Rutherford o que se afirma em a) I, II, III, IV e V. b) I, II e III apenas. c) III, IV e V apenas. d) I, II e V apenas. 09. Em 1896, Henry Becquerel descobriu que um minério de urânio emitia raios capazes de escurecer uma placa fotográfica, mesmo que a placa estivesse coberta por papel preto para evitar a exposição à luz. Em 1898, Marie Curie e seus colaboradores isolaram o rádio e o polônio, que também apresentavam as mesmas propriedades observadas por Henry Becquerel. Era o início de uma nova era no estudo das partículas que compunham a matéria. O uso da radioatividade aplicada ao estudo do átomo culminou com o experimento de Enerst Rutherford e seus alunos, Geiger e Marsdsen, que utilizaram as emissões radioativas para bombardear lamínulas de ouro. 01-02 Sobre o experimento de espalhamento de partículas alfa em lamínulas de ouro, julgue os itens a seguir em certo (C) ou errados (E). 01. As partículas alfa são dotadas de carga elétrica positiva. 02. Rutherford esperava que todas as partículas atravessassem a lâmina de ouro sem sofrer grandes desvios, caso a matéria estivesse de acordo com o modelo de Thonsom. 03. Ao bombardear a lâmina de ouro, Rutherford pôde notar que todas as partículas alfa atravessavam a lâmina de ouro sem sofrer nenhum desvio.

04. Após o experimento, Rutherford não fez nenhuma alteração no modelo de átomo proposto por Thomsom. 05. O experimento de Rutherford consolida de vez a indivisibilidade da matéria proposta por Dalton. 10. Para Rutherford aquilo era realmente espantoso. Imaginar que uma partícula de alta inércia e elevada carga positiva (partículas alfa) não atravessasse um material em que as cargas elétricas positivas estavam uniformemente distribuídas em um grande volume?! Pouco provável! Ou o experimento apresentava imperfeições ou a constituição da matéria não obedecia ao modelo de partícula proposto por Thomson.

O texto acima faz referência ao experimento realizado por Rutherford na tentativa de se provar que a matéria obedecia ao modelo de Thomson. Para desespero de Rutherford, o experimento dizia o oposto ao que havia sido proposto até aquele momento. O modelo de átomo de Rutherford foi elaborado com base a) na física clássica. b) no modelo ponderal. c) no modelo de emissão de luz. d) no método científico de análise e) no modelo de átomo de “pudim de passas”. 11. Ernest Rutherford foi um físico e químico neozelandês naturalizado britânico, que se tornou conhecido como o pai da física nuclear. Num trabalho no começo da carreira, descobriu o conceito de meia-vida radioativa, provou que a radioatividade causa a transmutação de um elemento químico em outro, e também distinguiu e nomeou as radiações alfa e beta. Foi premiado com o Nobel de Química em 1908 “por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas”. Contudo, Rutherford também é mundialmente reconhecido pelas contribuições na evolução dos modelos de atômicos, isso porque Rutherford propôs o modelo de átomo a) Ponderal b) Elétrico c) Nuclear d) Quântico e) Mecânico-quântico 235

B03  Modelo de átomo de Rutherford

Assinale a alternativa que apresenta o resultado que era previsto para o experimento de acordo com o modelo de Thomson. a) A maioria das partículas atravessaria a lâmina de ouro sem sofrer desvios e um pequeno número sofreria desvios muito pequenos. b) A maioria das partículas sofreria grandes desvios ao atravessar a lâmina. c) A totalidade das partículas atravessaria a lâmina de ouro sem sofrer nenhum desvio. d) A totalidade das partículas ricochetearia ao se chocar contra a lâmina de ouro, sem conseguir atravessá-la.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B04

ASSUNTOS ABORDADOS nn Partículas fundamentais da ma-

téria

nn Número atômico (Z) nn Número de massa (A) nn Relações internucleares nn Espécies isoeletrônicas

PARTÍCULAS FUNDAMENTAIS DA MATÉRIA Em 1911, ao propor o modelo atômico nuclear, Rutherford e sua equipe ficaram bastante intrigados com o fato de o núcleo ser uma região muito pequena e de alta densidade. Os experimentos de bombardeamento de lamínulas de ouro com partículas alfa mostravam que o átomo era constituído de um “imenso vazio de matéria”, a eletrosfera. Rutherford afirmou isso com base no grande número de partículas alfa que atravessavam a lamínula de ouro sem sofrer qualquer desvio ou impedimento na trajetória. Ao mesmo tempo, esse experimento também mostrava que havia uma região muito pequena e de alta densidade, impossível de ser atravessada pelas partículas alfa. Rutherford e sua equipe denominaram essa região de núcleo do átomo. O tamanho do núcleo foi determinado com base no número de partículas que atravessa a lamínula em relação ao número de partículas que era “richecoteada”, ou seja, que não atravessava a lamínula. Contudo, a explicação para a alta densidade dessa região era quase uma incógnita para todos. Até aquele momento, os modelos de átomos propostos não explicavam tal fato. Rutherford havia proposto que o núcleo era constituído de partículas dotadas de carga elétrica positiva (os prótons). Contudo, Rutherford desconfiava da existência de outra partícula no núcleo do átomo, além dos prótons. Segundo as suposições de Rutherford, a massa dos prótons não seria suficientemente grande para produzir a densidade apresentada pelo núcleo. Rutherford chegou a conjecturar, para o núcleo, a existência de uma partícula de massa elevada e sem carga elétrica. Possivelmente, foi Rutherford quem fez as primeiras previsões sobre a existência dos nêutrons, muito antes da sua descoberta ser comprovada, o que aconteceu em 1932, por James Chadwick. Portanto, para efeito de estudo da constituição atômica básica da matéria, é necessário saber que o átomo é constituído de três partículas fundamentais: os prótons, os elétrons e os nêutrons, sendo que os prótons e os nêutrons encontram-se localizados no núcleo do átomo, enquanto os elétrons estão na eletrosfera.

Fonte: wikimedia commons / Los Alamos National Laboratory

A partir de agora, faremos o estudo detalhado dessas três partículas do átomo, também chamadas de partículas fundamentais do átomo. Caracterização das partículas fundamentais Partícula

Massa em unidades de massa atômica

Carga em Coulomb

Carga relativa

Próton

1,007 u

+ 1,6 · 10–19C

Nêutron

1,008 u

zero

Elétron

5,48 · 10–4 u

– 1,6 · 10–19C

1 unidade de massa atômica (u) = 1,66 10

−24

James Chadwick (1891 - 1974) foi um físico britânico, colaborador de Ernest Rutherford. Sua principal contribuição para a ciência foi a prova da existência do nêutron. Por essa descoberta, foi-lhe atribuído o Nobel de Física em 1935. 236

–1

g (grama)

Número atômico (Z) O número atômico é definido como sendo a quantidade de prótons (p) que um átomo possui no seu núcleo e sua representação é feita por meio da letra maiúscula Z. A seguir, temos a representação de um elemento químico X e seu número atômico Z. Z

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

H - Deutério ou hidrogênio pesado

2 1

H - Trítio ou trício

3 1

As três representações dos átomos de hidrogênio são nuclídeos, ou seja, átomos caracterizados por um número atômico e um número de massa. Os nuclídeos de hidrogênio são os únicos que possuem nomes próprios: prótio, deutério e trítio. Em aulas anteriores, dissemos que a definição atual de um elemento químico é feita com base em um modelo de átomo. Pois bem, o modelo de átomo utilizado para definição de elemento químico é o átomo nuclear. Assim, temos que o elemento químico constitui uma classe de átomos formada pelos diferentes nuclídeos ou por um tipo de átomo caracterizado por um número atômico específico.

Número de massa (A) Trata-se da soma do número de prótons e do número de nêutrons existentes no núcleo, ou seja, dos núcleons. A representação do número de massa é feita pela letra maiúscula A. Matematicamente, podemos calcular o número de massa pela fórmula: A = Z + N, em que N representa o número de nêutrons. Costumamos representar genericamente um elemento químico da seguinte forma: AZ X, em que: A = número de massa

Exemplos: nn Fe

= átomo de ferro = eletricamente neutro nn Fe = íon cátion ferro = eletricamente carregado nn N = átomo de nitrogênio = eletricamente neutro nn N3- = íon ânion (nitreto) = eletricamente carregado 2+

Relações internucleares Após a comprovação da existência da partícula nêutron em 1932 por James Chadwick, algumas relações internucleares foram mais bem entendidas. Isso porque, embora o número de prótons seja sempre constante para átomos de um mesmo elemento químico, o número de nêutrons é variável. Esse fato implicava diretamente na alteração do número de massa desses átomos, uma vez que o número de massa é dado pela soma do número de prótons e do número de nêutrons. Frederick Soddy (1877 - 1956) foi quem primeiro empregou o termo isótopo para designar átomos de mesmo número atômico (do grego, isos, mesmo, e topos, lugar). Dessa forma, podemos dizer que isótopos são átomos diferentes de um mesmo elemento químico. Logo, os isótopos têm o mesmo número de prótons (Z) e diferente número de nêutrons (N) e diferente número de massa (A). Por outro lado, há átomos de elementos químicos diferentes cuja soma do número de prótons e do número de nêutrons é igual, ou seja, átomos que apresentam mesmo número de massa. Para esse tipo de relação internuclear foi dada a denominação de átomos isóbaros. Por fim, podemos citar a relação internuclear denominada de isótonos. Os átomos isótonos são aqueles cujos núcleos apresentam o mesmo número de nêutrons (N) e diferente número de prótons (Z) e diferente número de massa (A).

Z = número atômico

Relações Internucleares

56 Exemplos: 11 H, 126 C, 26 Fe, 80 35 Br

Diferenças entre átomos e íons

Isótopo

≠

Os átomos são sistemas eletricamente neutros. Para que haja essa neutralidade de cargas elétricas é necessário que o número de prótons (partículas de carga elétrica positiva) seja igual ao número de elétrons (partículas de carga elétrica negativa). Já os íons, são espécies químicas dotadas de carga, ou seja, eletricamente carregados, podendo ser cátions (dotados de carga positiva), ou ânions (dotados de carga negativa).

Isótono

≠

Isóbaro

≠

Para um átomo dar origem a um íon, seja ele cátion, seja ele ânion, é necessário que ocorra, respectivamente, perda ou ganho de elétrons. Um cátion é o resultado da perda de elétrons por um átomo. Se o átomo perde um elétron, temos um cátion monovalente; se o átomo perde dois elétrons, temos um cátion bivalente, e assim por diante. Por outro lado, um ânion é formado pelo ganho de elétrons. Se um átomo ganhar um elétron, temos um ânion monvalente; se um átomo ganhar dois elétrons, temos um ânion bivalente, e assim por diante.

Espécies isoeletrônicas Duas ou mais espécies químicas cujas eletrosferas têm o mesmo número de elétrons são denominadas de espécies isoeletrônicas. Espécies Químicas Isoeletrônicas Ânions N3-

O2-

10e-

Átomo F-

10e-

Cátions Na+

10e-

Mg2+

10e-

Al3+

10e-

237

B04  Partículas fundamentais da matéria

Observe que o número atômico é representado do lado esquerdo do símbolo do elemento químico e subscrito. Como exemplo, vamos representar os átomos de hidrogênio. Temos três isótopos de hidrogênio, o prótio, o deutério e o trítio. Todos têm o mesmo número atômico, mas apresentam número de massa diferentes. Por isso são denominados de isótopos. 1 H 1 - Prótio ou hidrogênio

Química

Exercícios de Fixação 01. (Uerj RJ) Com base no número de partículas subatômicas que compõem um átomo, as seguintes grandezas podem ser definidas:

Grandeza

Símbolo

Número atômico

Número de massa

Número de nêutrons

Número de elétrons

O oxigênio é encontrado na natureza sob a forma de três átomos: 16O, 17O e 18O. No estado fundamental, esses átomos possuem entre si quantidades iguais de duas das grandezas apresentadas. Os símbolos dessas duas grandezas são: a) Z e A b) E e N c) Z e E d) N e A 02. (Unesp SP) O estrôncio-90, 90 38 Sr , é o principal isótopo desse elemento químico encontrado nos reatores nucleares. Sobre esse isótopo, é correto afirmar que seu cátion bivalente possui a) 38 prótons, 50 nêutrons e 36 elétrons. b) 36 prótons, 52 nêutrons e 38 elétrons. c) 38 prótons, 50 nêutrons e 38 elétrons. d) 38 prótons, 52 nêutrons e 36 elétrons. e) 36 prótons, 52 nêutrons e 36 elétrons. 03. (UEFS BA) Sejam as espécies químicas:

B04  Partículas fundamentais da matéria

I. II. II. IV.

Cl-

37 17

Ar40 Ca2+ Mn2+

18 40 20 55 25

Apresenta igual número de nêutrons e também igual número de elétrons: a) I e II b) I e III c) II e III d) II e IV e) III e V 04. (IF SP) O elemento químico Mg (magnésio), de número atômico 12, é um micronutriente indispensável para a realização de fotossíntese, sob a forma de íons Mg2+.

238

Pode-se afirmar que o número de prótons e o número de elétrons presentes no íon Mg2+ são, respectivamente, a) 2 e 2. b) 2 e 10. c) 10 e 10. d) 10 e 12. e) 12 e 10. 05. (Udesc SC) Assinale a alternativa correta. Os isótopos são átomos: a) de um mesmo elemento químico, apresentam propriedades químicas praticamente idênticas, mas têm um número diferente de nêutrons no seu núcleo. b) que têm o mesmo número de prótons e um número diferente de nêutrons no seu núcleo, apresentando propriedades químicas totalmente distintas. c) de um mesmo elemento químico, apresentam propriedades químicas idênticas, mas têm um número diferente de prótons no seu núcleo. d) de elementos químicos diferentes, com o mesmo número de nêutrons no seu núcleo e apresentam propriedades químicas semelhantes. e) de elementos químicos diferentes, apresentam propriedades químicas distintas, mas têm o mesmo número de nêutrons no seu núcleo. 06. (UEPG PR) Considerando os elementos químicos representados por 19A42, 19B40 e 21C42, assinale o que for correto. 01. Os elementos A e B são isótopos. 02. Os elementos A e C são isóbaros. 04. Os elementos B e C são isótonos. 08. O elemento A é o que possui maior número de nêutrons no núcleo. 01-02-04-08 07. (Mackenzie SP) Sabendo-se que dois elementos químicos 6x+8 3x+20 são isóbaros, é correto afirmar que o núme3x+3 A e 2x+8 B ro de nêutrons de A e o número atômico de B são, respectivamente, a) 15 e 32. b) 32 e 16. c) 15 e 17. d) 20 e 18. e) 17 e 16. 08. Analise as espécies químicas a seguir: Fe2+, 13Al3+, 8O2-, 7N3-, 17Cl

Considerando seus conhecimento sobre o assunto quais espécies químicas são isoeletrônicas? 13Al3+, 8O2-, 7N3-

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares 01. O ferro (56 Fe) está presente numa série de alimentos, po26 rém é assimilado principalmente na forma de íon Ferroso (Fe2+), embora exista também na forma de íon Férrico (Fe3+). Para evitar carência nutricional, um dos procedimentos básicos utilizados hoje no Brasil é a adição de sulfato ferroso nas farinhas para produção de pão (alimento básico nas populações de baixa renda). Baseado no texto acima, podemos afirmar que o íon ferroso apresenta: a) 26 prótons, 26 elétrons e 56 nêutrons. b) 26 prótons, 24 elétrons e 56 nêutrons. c) 26 prótons, 24 elétrons e 30 nêutrons. d) 24 prótons, 26 elétrons e 56 nêutrons. e) 24 prótons, 26 elétrons e 30 nêutrons.

c) foram produzidos pela perda de elétrons, a partir do átomo de cada elemento químico, no estado fundamental. d) possuem o mesmo número de prótons. e) possuem o mesmo número de nêutrons. 05. (Udesc SC) O número de elétrons no estrôncio na forma de cátion (38Sr2+) é: a) 40 elétrons. b) 36 prótons. c) 40 nêutrons. d) 7 elétrons na camada de valência. e) 36 elétrons. 06. (Uesc BA) As espécies químicas iônicas: Pb2+ e 82Pb4+

03. (Unemat MT) Assinale abaixo a alternativa que representa, de forma correta, as quantidades de prótons, nêutrons e elétrons, respectivamente, do íon 138 Ba2+ 56 a) 56, 54 e 82 b) 56, 82 e 54 c) 54, 82 e 56 d) 56, 138 e 56 e) 54, 82 e 138 04. (Udesc SC) Os íons Mg+2 e F–1, originados dos átomos no estado fundamental dos elementos químicos magnésio e flúor, respectivamente, têm em comum o fato de que ambos: a) possuem o mesmo número de elétrons. b) foram produzidos pelo ganho de elétrons, a partir do átomo de cada elemento químico, no estado fundamental.

provenientes de isótopos distintos de chumbo encontrados na natureza, apresentam 01. massas atômicas iguais. 02. número de massa e de nêutrons iguais. 03. número atômico e de prótons diferentes. 04. diferentes números de elétrons. 05. raios iônicos e configurações eletrônicas iguais. 04 07. (Ufal AL) Os compostos de sódio são importantes principalmente porque são baratos e solúveis em água. O cloreto de sódio é obtido da água do mar (processo de salinas) ou de minas subterrâneas (salgema). Ao se compararem os íons Na+ e C− com os seus respectivos átomos neutros de onde se originaram, é correto afirmar que: a) O número de elétrons permanece inalterado. b) Ambos os íons são provenientes de átomos que perderam elétrons. c) O cátion originou-se do átomo neutro a partir do recebimento de um elétron. d) Houve manutenção da carga nuclear de ambos os íons. e) O número de prótons aumentou. 08. (Udesc SC) Um íon de carga +2 possui 33 elétrons. O seu número de nêutrons é duas unidades maior que o número de prótons. O número de massa do elemento correspondente será: a) 37 b) 33 c) 35 d) 72 e) 31

239

B04  Partículas fundamentais da matéria

02. (UCS RS) Pesquisadores norte-americanos conseguiram sintetizar um elemento químico por meio de um experimento em um acelerador de partículas, a partir de átomos de cálcio (40Ca), de número de massa 48, e de átomos de plutônio (94Pu), de número de massa 244. Em decorrência dos choques efetivos entre os núcleos de cada um dos átomos citados, surgiu um novo elemento químico. Sabendo que nesses choques foram perdidos apenas três nêutrons, os números de prótons, nêutrons e elétrons de um átomo neutro desse novo elemento químico são, respectivamente, a) 111, 175 e 111. b) 111, 292 e 111. c) 112, 289 e 112. d) 114, 175 e 114. e) 114, 178 e 114.

FRENTE

QUÍMICA

Resposta 03. Demócrito e Leucipo já afirmavam, por volta de 500 a 400 anos antes de Cristo, que a matéria era formada de átomos, ou seja, partículas pequenas e indivisíveis. No entanto, para Aristóteles, a matéria era contínua e formada na combinação de quatro fatores: Fogo, Ar, Terra e Água, chamados de elementos fundamentais. No século XVII, Robert Boyle propôs que a matéria era formada por elementos químicos primitivos perfeitamente livres de qualquer mistura. Em 1803, Dalton propôs a teoria de que a matéria era formada por partículas indivisíveis chamadas de átomos; que os átomos de um dado elemento apresentavam as mesmas propriedades; que havia em número pequeno de “átomos diferentes” na natureza e que eles podiam se combinar formando os átomos compostos.

Exercícios de Aprofundamento 01. (ITA SP) São feitas as seguintes afirmações a respeito das contribuições do pesquisador francês A. L. Lavoisier (1743-1794) para o desenvolvimento da ciência: I. Desenvolvimento de um dos primeiros tipos de calorímetros. II. Participação na comissão responsável pela criação do sistema métrico de medidas. III. Proposta de que todos os ácidos deveriam conter pelo menos um átomo de oxigênio. IV. Escolha do nome oxigênio para o componente do ar atmosférico indispensável para a respiração humana. V. Comprovação experimental da conservação de massa em transformações químicas realizadas em sistemas fechados. Qual das opções abaixo contém a(s) afirmação(ões) CORRETA(S)? a) I, II, III, IV e V b) Apenas I, II e IV c) Apenas II e III. d) Apenas IV e V e) Apenas V 02. (UFGD MS) Dalton, na sua teoria atômica, propôs, entre outras hipóteses, que: a) Não. Os átomos são considerados, a) “os átomos são indivisíveis”; atualmente, como partículas divisíveis. b) “os átomos de um determinado elemento são idênticos em massa”; b) Não. Os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos em número de prótons. À luz dos conhecimentos atuais, quais são as críticas que podem ser formuladas a cada uma dessas hipóteses? 03. (ITA SP) Discuta como as ideias associadas com os termos átomo e elemento químico evoluíram desde a Antiguidade até a teoria atômica proposta por J. Dalton. Procure apontar semelhanças e/ ou diferenças entre as ideias mais antigas e as de Dalton. Entre outros itens que julgar relevantes, procure abordar os seguintes: - Que propostas sobre número, variedade e comportamento dos átomos foram feitas por certos filósofos gregos já cerca de 400 anos a.C.? Na mesma época, outros filósofos defendiam outras ideias sobre a constituição da matéria. Que alternativas eram essas? - O que foi proposto por R. Boyle (1664) em relação ao termo “elemento químico”? Quais são os méritos dessa proposta? Ela contradiz, complementa ou independe da ideia que temos de átomos? - Quais são os pontos essenciais da teoria atômica proposta por J. Dalton (1800)? Em quais conhecimentos experimentais prévios ele se baseou? Ele foi capaz de fazer previsões corretas? Quais? Como? 240

04. (ITA SP) No ano de 1998 comemorou-se o centenário da descoberta do elétron. Qual dos pesquisadores abaixo foi o principal responsável pela determinação de sua carga elétrica? a) R. A. Milikan b) E. R. Rutherford c) M. Faraday d) J.J. Thomson e) C. Coulomb 05. (UFMG) Todas as alternativas se referem a processos que evidenciam a natureza elétrica da matéria, exceto a) aquecimento da água pela ação de um ebulidor elétrico. b) atração de pequenos pedaços de papel por um pente friccionado contra o couro cabeludo. c) decomposição da água pela passagem da corrente elétrica. d) desvio da trajetória de raios catódicos pela ação de um ímã. e) repulsão entre dois bastões de vidro atritados com um pedaço de lã. 06. (UEPB) O modelo atômico de Thomson sugere que o átomo (do grego, “indivisível”) é uma esfera de carga elétrica positiva, não maciça, incrustada de elétrons, de tal sorte que a carga elétrica líquida é nula, apontando para o átomo não mais como a menor partícula de matéria. Para corroborar com as ideias de Thomson, um aluno seu, Ernest Rutheford, propôs um experimento que conseguiria provar a veracidade das conclusões de seu orientador. A atividade baseava-se em passar a radiação proveniente de Polônio radioativo por um conjunto de lâminas de Chumbo com um orifício central e atingir uma lâmina de ouro extremamente fina, anterior a um anteparo móvel recoberto com sulfeto de zinco. Entretanto, seus resultados não foram os esperados por Rutheford. Qual das alternativas abaixo apresenta uma observação que NÃO pode ser concluída a partir dos resultados do experimento? a) O átomo contém imensos espaços vazios. b) A maioria das partículas alfa, provenientes da amostra de polônio, atravessou a placa de ouro sem sofrer desvio considerável em sua trajetória. c) O núcleo do átomo tem carga positiva. d) No centro do átomo, existe um núcleo muito pequeno e denso. e) O átomo é composto de um núcleo e de elétrons em seu redor, que giram em órbitas elípticas. 07. (UEFS BA) Sabendo que os átomos xY2x e 18Ar40 são isótopos, pode-se afirmar que o número de massa de Y é igual a : a) 10 b) 18 c) 20 d) 36 e) 40

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

09. (Puc Campinas SP) Dados os três átomos A, B, e C, notamos que: A e B são isótopos; A e C são isótonos; B e C são isóbaros. Sabemos ainda que: - a soma dos números de prótons existentes em A, B e C é 79; - a soma dos números de nêutrons existentes em A, B e C é 88; - o número de massa de A é 55. Consequentemente, podemos concluir que os átomos A, B e C têm respectivamente: números números atômicos de massa a) 26-26-27 55-56-56 b) 25-25-29 55-59-59 c) 24-24-31 55-62-62 d) 27-27-25 55-53-53 e) 28-28-23 55-50-50 10. (Uel PR) Os átomos isótopos 2x+6X54 e 3x-4Y56 têm número atômico: a) 26 b) 27 c) 28 d) 54 e) 56 11. (Mauá SP) Certa variedade atômica do estrôncio, cujo número atômico é 38, tem número de massa igual a 87. Por outro lado, certa variedade de criptônio, cujo número atômico é 36, apresenta número de massa igual a 83. Qual é o número de nêutrons contido num átomo de X que é, simultaneamente, isótopo do estrôncio e isóbaro do criptônio? 45 12. (Fei SP) Num exercício escolar, um professor pediu aos seus alunos que imaginassem um átomo que tivesse o número atômico igual ao seu número de chamada e o número de nêutrons 2 unidades a mais que o número de prótons.

O aluno número 15 esqueceu de somar 2 para obter o número de nêutrons e, consequentemente, dois alunos imaginaram átomos isóbaros. Isso ocorreu com os alunos cujos números de chamada são: a) 14 e 15 b) 13 e 15 c) 15 e 16 d) 12 e 15 e) 15 e 17 13. (Puc Campinas SP) O silício, elemento químico mais abundante na natureza depois do oxigênio, tem grande aplicação na indústria eletrônica. Por outro lado, o enxofre é de importância fundamental na obtenção do ácido sulfúrico. Sabendo-se que o átomo 14Si28 é isótono de uma das variedades isotópicas do enxofre, 16S, pode-se afirmar que este tem número de massa: a) 14 b) 16 c) 30 d) 32 e) 34 14. (UFV MG) Considerando-se os elementos X, Y e Z e sabendo-se que eles apresentam as seguintes características: X...tem n prótons, n elétrons e n nêutrons Y...tem n-1 prótons, n-1 elétrons e n nêutrons Z...tem n+1 prótons, n+1 elétrons e n+2 nêutrons Podemos afirmar que: a) Y e Z são isótopos. b) Y torna-se isótopo de Z quando ganha 1 próton e 1 elétron. c) X torna-se isótopo de Z quando ganha 1 próton e 1 elétron. d) Y e Z são isótonos. e) Z torna-se isótopo de Y quando ganha 2 elétron e 1 próton. 15. (Uneb BA) O número de elétrons do cátionn X3+ é igual ao número de prótons do átomo Y, que por sua vez é isótopo do átomo W, que apresenta número atômico e número de massa, respectivamente: 36 e 84. O número atômico do elemento X é: a) 33 b) 36 c) 39 d) 45 e) 51 16. (Osec SP) Levando em conta a existência dos três isótopos do hidrogênio (1H!, 1H2 e 1H3) e de apenas um isótopo do oxigênio (8O16), o número de nêutrons impossível de se encontrar numa molécula de água é: a) 9 b) 10 c) 11 d) 12 e) 13 241

FRENTE B  Exercícios de Aprofundamento

08. (UFPE) Muitos cientistas consideram que Demócrito foi o último grande filósofo da natureza. Ele presumiu que a matéria fosse formada por partículas minúsculas. A concepção filosófica do átomo abriu caminho para que, muito tempo depois, fossem desenvolvidos os modelos atômicos, baseados em observações experimentais. Analise as proposições a seguir, com base na evolução dos modelos atômicos. 01. O modelo atômico de Dalton explica a existência de cátions e ânions. 02. O modelo atômico de Thomson é capaz de explicar o fato de que um bastão atritado pode atrair um pequeno pedaço de papel. 03. O experimento de Rutherford mostrou que o núcleo atômico é muito pequeno em comparação ao tamanho do átomo. 04. De acordo com o modelo atômico mais recente, os elétrons se movem em trajetórias circulares bem definidas, denominadas órbitas estacionárias. 05. Atualmente, equipamentos modernos podem determinar ao mesmo tempo a posição exata e a velocidade de um elétron num orbital. F-V-V-F-F

pixabay / Andy

FRENTE

QUÍMICA Por falar nisso Ir a uma feira e contar quantas dúzias de laranja foram vendidas por um feirante durante um dia parece algo natural e não causa estranhamento em ninguém. Mas contar o número de grãos que existem em um quilograma de areia não parece ser pertinente. E menos pertinente seria pedir para alguém contar o número de átomos que existem em alguns gramas de matéria. A padronização de uma unidade referencial para medir a massa relativa dos átomos ou determinar o número de átomos se tornou necessária no decorrer da evolução científica e tecnológica. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

C01 C02 C03 C04

Teoria atômico-molecular.............................................................. 244 Massa atômica do elemento químico........................................... 248 Determinação de fórmulas químicas............................................. 252 Fórmulas mínima e molecular....................................................... 255

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C01

ASSUNTOS ABORDADOS nn Teoria atômico-molecular nn Unidade padrão de massa atômica nn Massa atômica nn Massa molecular nn Massa molar

TEORIA ATÔMICO-MOLECULAR Concomitante ao surgimento da escrita, os números também foram criados à medida que se tornaram necessárias as notações metrológicas, isto é, a composição de medidas e contagem. O termo metrologia vem do grego metron, que significa medida, e logos, que significa ciência. Metrologia, segundo o dicionário Houaiss da língua portuguesa, é a ciência das medições e suas aplicações. Engloba todos os aspectos teóricos e práticos da medição, qualquer que seja sua incerteza e o campo de aplicação. No decorrer da história humana, a representação numérica (algarismos) passou por alterações que buscavam mais efetividade e praticidade. A notação numérica evoluiu de acordo com o desenvolvimento da humanidade. Nesse sentido, o espaço de atividade humana, seja ele natural, seja ele artificial, torna-se um espaço cercado de grandezas, capazes de fornecer informações precisas acerca da característica estudada. Com auxílio de um sistema de numeração, pode-se saber o comprimento e largura de uma quadra, a capacidade volumétrica de um bule de chá, a massa de um carro, como também, a temperatura de uma pessoa. Todos esses aferimentos se expressam por meio de números, que são dotados de sentido juntamente às grandezas que os acompanham. E, diferentemente de um sistema linguístico, a metrologia é universal. Há, portanto, um padrão em que se encaixa cada grandeza. Padrão compartilhado e entendido por todos os países, mesmo que não seja o usual de determinada região. Ao longo dos séculos, diversos métodos de contagem foram desenvolvidos e várias unidades de medida foram criadas e padronizadas. Algumas delas não são muito utilizadas em nosso cotidiano, como a polegada, a jarda e a grosa. Já outras, como a dúzia, a centena, a arroba e o quilograma, são bastante comuns entre nós.

Unidade padrão de massa atômica

Opirus/Arte

Inicialmente, o hidrogênio foi utilizado como unidade referencial de massa atômica e a ele foi atribuído o valor 1. As massas dos outros elementos químicos foram determinadas em relação ao hidrogênio e nem todos os elementos químicos apresentaram massa atômica como múltiplo inteiro desse valor (um dos motivos que levou ao abandono dessa referência). Uma nova unidade referencial foi criada, utilizando como base a massa atômica do oxigênio, cujo valor convencionado foi de 16 unidades. Entretanto, novos problemas surgiram e esse referencial de massa também foi abandonado. Só em 1961, a IUPAC convencionou um valor arbitrário para a unidade de massa atômica, sendo escolhido o isótopo do carbono mais estável. Para o carbono foi atribuído o valor de 12 unidades de massa atômica. Desse modo, definimos a unidade 1 de massa atômica como da massa desse isótopo. 12

244

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Massa atômica Massa atômica é a massa de um átomo expressa em unidades de massa atômica. Ela indica o número de vezes 1 que a massa do átomo é maior que da massa do 12 carbono-12. Por exemplo, quando falamos que a massa do átomo de hélio (He) é de quatro unidades de massa atômica, estamos de fato comparando a massa do átomo de hélio com a unidade padrão de massa atômica (u). Assim, devemos entender que a massa do átomo de hélio tem valor quatro vezes maior que a unidade padrão de massa atômica, ou seja, a massa do átomo de hélio corresponde a quatro 1 vezes a massa de da massa do carbono-12. 12

Em termos numéricos, o mol é uma grandeza que corresponde ao número de átomos de carbono que existem em 0, 012 kg desse elemento. Fazendo os devidos cálculos, chegaremos à conclusão de que em 1 mol de carbono existem 6,02 x 1023 átomos de carbono. Esse número é realmente muito grande, ou seja, trata-se de seiscentos sextilhões de átomos de carbono. Então, a massa molar é a massa de 6,02 x 1023 moléculas ou outra espécie química em análise. Por exemplo, a massa molecular da água (H2O) é de 18 unidades de massa atômica, logo, trata-se da massa de uma molécula de água. Já a massa molar da água é de 18 g.mol-1. Nesse caso, não temos a massa de uma molécula de água e, sim, a massa de seiscentos sextilhões de moléculas de água. De maneira breve, podemos dizer que a massa molar de uma espécie química (átomos, moléculas ou íons) é a massa dessa espécie química quando expressa em gramas.

Símbolo do elemento químico

Massa atômica

Substância

Fórmula

Massa molar

Hidrogênio

2 g ⋅ mol-1

Metano

CH4

16 g ⋅ mol-1

Amônia

NH3

17 g ⋅ mol-1

Dióxido de carbono

CO2

44 g ⋅ mol-1

Glicose

C6H12O6

180 g ⋅ mol-1

Sacarose

C12H22O11

342 g ⋅ mol-1

Massa molecular é a massa de uma molécula expressa em unidades de massa atômica. Ela indica o número de 1 vezes que a massa da molécula é maior que da massa 12 do carbono 12. A sacarose (C12H22O11) apresenta massa molecular igual a 342 u. Isso significa dizer que a massa da 1 molécula de sacarose tem valor 342 vezes maior que da 12 massa do carbono-12.

SAIBA MAIS A seguir são exemplificadas algumas situações em que o uso de certas expressões não é mais recomendado por serem ambíguas ou induzirem a erros conceituais.

Uso não recomendado

Uso recomendado

peso atômico

massa atômica

CH4

16 u

peso molecular

massa molecular

Amônia

NH3

17 u

Dióxido de carbono

CO2

44 u

número de moles, número de átomos-grama, número de íons-grama

quantidade de matéria

Glicose

C6H12O6

180 u

átomo-grama, molécula-grama (ou mol), peso-fórmula etc.

massa molar

moles

mols

u.m.a

Molécula

Massa molecular

Hidrogênio

Metano

Massa molar Para expressar a massa molar de uma espécie química, é necessário fazer um breve comentário da grandeza mol. Contudo, nesta aula, vamos nos ater a uma breve noção do que vem a ser o mol. Isso porque essa grandeza será trabalhada em aulas posteriores.

C01  Teoria atômico-molecular

Massa molecular

245

Química

Exercícios de Fixação 01. Para se medir a massa de um objeto como um copo, utilizamos como referencial o quilograma ou seus múltiplos e submúltiplos. Para medir a massa de um átomo utilizamos como referência a unidade de massa atômica, que por definição é a) a massa de um mol de átomos de 12C. b) 1/12 da massa de um átomo de 12C. c) a massa de 1 mg de átomos de 12C. d) 1/12 da massa de um mol de átomos de 12C. e) a massa de um átomo de 12C. 02. (UFPI) Observe a figura:

A massa atômica de A será: a) 20 u. b) 16 u. c) 18 u. d) 14 u. e) 12 u. 03. (UFGD MS) Determinado óxido de nitrogênio é constituído de moléculas N2Ox. Sabendo-se que sua massa molecular é de 76 u, o valor de x é: a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5

C01  Teoria atômico-molecular

04. Utilizando uma tabela periódica para se obter as massas atômicas dos elementos químicos, determine, para as substâncias a seguir, a massa molecular. I. C2H6 II. PH3 I. MM = 30 u II. MM = 34 u III. NO2 III. MM = 46 u IV. N2O3 IV. MM = 76 u 05. A glicose, monossacarídeo presente em frutos, tem fórmula molecular C6H12O6. Determine a massa molecular e a massa molar da glicose. MM = 180 u; M = 180g/mol 06. Um dos óxidos responsáveis pelo aumento de acidez das chuvas nos grandes centros urbanos tem fórmula SOx. Sabendo que a massa molecular desse óxido é 80 u, e que as massas atômicas do enxofre e do oxigênio são, respectiva-

246

mente, 32 e 16 unidades de massa atômica, determine o valor da atomicidade do oxigênio no referido óxido. a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 07. (Ufac AC) A massa molecular do composto Na2SO4 ⋅ 3H2O é igual a: a) 142 u b) 196 u c) 426 u d) 444 u e) 668 u 08. Um hidrocarboneto alceno tem fórmula geral CnH2n. Sabendo que as massas atômicas do carbono e do hidrogênio são, respectivamente, 12 e 1 e que a massa molecular desse hidrocarboneto é 70 u, determine a massa fórmula molecular. Fórmula molecular = C5H10

09. Um composto apresenta fórmula NaHCOx. Sabendo que as massas atômicas do sódio, hidrogênio, carbono e oxigênio são, respectivamente, 23, 1, 12 e 16, e que a massa molecular desse hidrocarboneto é 84 u, determine sua fórmula molecular. Fórmula molecular = NaHCO3

10. Com o auxílio da tabela periódica, determine a massa molar das espécies químicas a seguir: I. II. III. IV. V. VI. VII.

NaCl C8H18 Na2CO3 K2Cr2O7 C3H8O CH3 - CO2H C12H22O11

I. M = 58 g ⋅ mol-1 II. M = 114 g ⋅ mol-1 III. M = 106 g ⋅ mol-1 IV. M = 354 g ⋅ mol-1 V. M = 60 g ⋅ mol-1 VI. M = 60 g ⋅ mol-1 VII. M = 342 g ⋅ mol-1

11. O açúcar comum, conhecido como sacarose (C12H22O11), é composto de moléculas de dois outros açucares mais simples: a glicose (C6H12O6) e a frutose (C6H12O6). Quando a sacarose é misturada com água, ocorre uma reação química chamada hidrólise, que separa os dois açúcares. Esse açúcar decomposto é chamado açúcar invertido. Ele recebe tal denominação porque tem propriedade de girar a direção da propagação da luz polarizada. Quanto atravessa um copo de água com sacarose, sofre um desvio para a direita, e, quando a mistura é de água com açúcar invertido, o desvio é para a esquerda. Considerando o exposto, determine a soma das massas moleculares dos componentes do açúcar invertido. 360

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

02. Um hidrocarboneto de fórmula geral CnH2n+2 tem massa molecular de 114u. Determine a menor proporção inteira entre os átomos de C é H. a) 2 : 5 c) 4 : 9 e) 7 : 16 b) 3 : 8 d) 5 : 12 03. (Efoa MG) A massa de 1 mol de carbono é: a) 1,2 × 10-2 kg b) 1,2 × 102 g c) 1,2 × 100 kg d) 1,2 × 10-1 g e) 1,2 × 10-2 g 04. (Puc RS) Considere as seguintes séries de elementos químicos: I. fósforo, magnésio, cobre e mercúrio. II. sódio, ferro, prata e chumbo. III. carbono, cloro, ouro e urânio. IV. alumínio, cálcio, zinco e hidrogênio. Assinale a alternativa que apresenta os elementos em ordem crescente de massas atômicas: a) I e II b) I e III c) I e IV d) II e III e) III e IV 05. (UFPE) As massas atômicas são essenciais para os cálculos da química. Se uma nova escala de massas atômicas médias fosse definida, baseada na suposição da massa de um átomo de carbono-12 (12C) ser exatamente 1 u, qual seria a massa atômica média do neônio? (massa atômica média do neônio na escala atual = 20,18 u). a) 20,18/12 u b) 12 u c) 20,18 u d) 20,18 × 12 u e) 12/20,18 u 06. (UDESC SC) Analise as afirmações em relação a duas moléculas de ácido ascórbico (vitamina C) C6H8O8. I.

Contém 6 átomos de carbono, 8 átomos de hidrogênio e 8 átomos de oxigênio.

II.

Contém 12 átomos de carbono, 16 átomos de hidro-

III.

Sua massa corresponde a 208 gramas.

gênio e 16 átomos de oxigênio. É (são) correta(s): a) apenas III. b) apenas I. c) apenas II. d) I e II. e) I e III. 07. (Efei SP) Uma molécula desconhecida é composta somente por átomos de carbono (12 g/mol) e de hidrogênio (1 g/ mol), ou seja, é um hidrocarboneto. O número total de átomos nessa molécula é nove. Se “x” representa o número de átomos de carbono em cada molécula, qual das equações abaixo descreve melhor a massa de 1 mol dessa molécula? a) 11x + 9. b) 13x. c) 9x(12 + y). d) 9/(12x + y). 08. (FGV SP) Um professor propôs um trabalho a um grupo de alunos empregando um conjunto de 14 bolas de diferentes tipos de plásticos, para montar um modelo, com bolas e varetas, da estrutura molecular do acetato de etila, fórmula molecular C4H8O2. Para o experimento, os alunos dispuseram de balança e régua. Para representarem corretamente o modelo da molécula do C4H8O2, as bolas de plástico tinham tamanhos diferentes (pequenas, médias e grandes). Suas massas, em gramas, eram iguais aos valores das massas molares dos elementos C, H e O. Em escala ampliada para centímetros, seus raios tinham a mesma ordem de tamanho dos raios atômicos dos átomos que representavam. Sobre essas bolas de plástico que representam as características de tamanho e massa dos átomos de C, H e O, os alunos concluíram: I. as bolas que representam os átomos de H eram as pequenas, e as que representam os átomos de O eram as grandes; II. a massa total das bolas grandes correspondia a seis vezes a massa total das bolas de tamanho pequeno; III. a massa total das bolas pequenas correspondia a ¼ da massa total das bolas de tamanho médio. Classificando cada uma das conclusões como verdadeira (V) ou falsa (F), tem-se, correta e respectivamente: a) F, V, V. d) V, F, F. b) F, F, V. e) V, F, V. c) V, V, F.

247

C01  Teoria atômico-molecular

01. (Fei SP) Se um átomo apresentar a massa de 60 u, a relação entre a massa desse átomo e a massa do átomo de carbono-12 valerá: a) 1 d) 4 b) 2 e) 5 c) 3

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C02

ASSUNTOS ABORDADOS

MASSA ATÔMICA DO ELEMENTO QUÍMICO

nn Massa atômica do elemento

O meio mais prático, preciso e seguro de determinar a massa de átomos e moléculas é pelo espectrômetro de massa (Figura 01).

nn Determinando a massa atômica média a partir dos isótopos

Uma amostra gasosa de uma substância é injetada no sistema e bombardeada por um feixe de elétrons ionizantes, produzindo íons positivos. Esses íons são acelerados e atravessam, por meio de uma fenda minúscula, os polos positivo e negativo de um ímã. Já os elétrons utilizados no bombardeamento são desviados por um campo magnético.

químico

O grau de desvios dos íons depende da carga e da massa de cada um. Quanto maior a massa e menor a carga, menor será o desvio do íon. Normalmente, os íons adquirem carga +1. Mudando-se a intensidade de força do campo magnético ou a voltagem de aceleração dos íons (grade de aceleração), podem-se selecionar os íons de massas diferentes para a detecção final. Um gráfico de identificação será gerado na tela de apresentação.

Figura 01 - Espectrômetro de Massa

Opirus/Arte

Os espectrômetros de massa são muito importantes para os químicos. Por meio deles é possível identificar e analisar os diversos componentes de uma mistura. Os gráficos gerados por esse dispositivo tecnológico são verdadeiras “impressões digitais” das espécies químicas, indicando a maneira como os átomos estão dispostos em uma molécula.

Determinando a massa atômica média a partir dos isótopos A grande maioria dos elementos químicos é encontrada na natureza na forma de isótopos. O cloro, por exemplo, é encontrado na forma de C35 (75%) e C37 (25%). No entanto, quando utilizamos a massa atômica disponível na tabela periódica, o valor normalmente encontrado é 35,5 u. O que significa que não há nem o valor de 35 nem de 37 unidades de massa atômica. 248

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O valor 35,5 u é encontrado a partir da média ponderada com relação à abundância dos isótopos presentes na natureza e é o que denominamos massa atômica do elemento. Abundância natural dos isótopos do elemento cloro Elemento químico Cloro

Isótopo

Símbolo

Abundância natural

Massa atômica

C

75%

34,96

C

25%

36,96

Cloro 35

Cloro 37

Utilizando as massas atômicas dos isótopos, podemos determinar a massa atômica do elemento químico cloro. Essa massa é calculada pela média aritmética ponderada das massas atômicas dos isótopos em termos de abundância na natureza. MAc =

(35u ⋅ 75%)+(37u ⋅ 25%) ∴MAC = 35,5 u 100%

Observe que não há nenhum isótopo na natureza com esse valor de massa atômica. Assim, massa atômica do elemento é um número que expressa a quantidade de vezes que a massa do elemento é maior que a unidade de massa atômica, ou seja, 1 da massa do 12C. 12 Exercícios de Fixação

02. (Ufam AM) Grande parte dos elementos químicos ocorre na natureza como mistura de isótopos. Sabendo-se que um elemento hipotético X possui massa atômica igual a 69,8 u e dois isótopos com as características descritas no quadro a seguir:

Isótopo

Massa (u)

69 71

As abundâncias relativas dos isótopos 69X e 71X são, respectivamente, a) 35% e 75% b) 45% e 65% c) 50% e 50% d) 60% e 40% e) 70% e 30%

03. (UFG GO) A análise de massas de um elemento químico demonstrou a existência de três isótopos, conforme apresentado na figura a seguir:

Considerando as abundâncias apresentadas, conclui-se que a massa média para esse elemento é: a) 20,05 c) 20,80 e) 20,40 b) 21,00 d) 19,40 04. (Puc RJ) Oxigênio é um elemento químico que se encontra na natureza sob a forma de três isótopos estáveis: oxigênio 16 (ocorrência de 99%); oxigênio 17 (ocorrência de 0,60%) e oxigênio 18 (ocorrência de 0,40%). A massa atômica do elemento oxigênio, levando em conta a ocorrência natural dos seus isótopos, é igual a: a) 15,84 d) 16,116 b) 15,942 e) 16,188 c) 16,014

249

C02  Massa atômica do elemento químico

01. (Uerj RJ) Em 1815, o médico inglês William Prout formulou a hipótese de que as massas atômicas de todos os elementos químicos corresponderiam a um múltiplo inteiro da massa atômica do hidrogênio. Já está comprovado, porém, que o cloro possui apenas dois isótopos e que sua massa atômica é fracionária. Os isótopos do cloro, de massas atômicas 35 e 37, estão presentes na natureza, respectivamente, nas porcentagens de: a) 55% e 45% b) 65% e 35% c) 75% e 25% d) 85% e 15%

Química

Exercícios Complementares 01. (FMJ SP) O magnésio é composto por três isótopos naturais, cujos valores aproximados de suas massas molares e as respectivas abundâncias isotópicas são indicados na tabela. Isótopos

Massa Molar (g/mol)

Abundância (%)

24 25 26

O valor de x na tabela pode ser corretamente substituído por: a) 80. b) 70. c) 65. d) 45. e) 25.

C02  Massa atômica do elemento químico

02. (Unimontes MG) O átomo do elemento químico cálcio (Ca), de número atômico 20, é encontrado na natureza como uma mistura de 6 isótopos, nas seguintes abundâncias relativas (%): Isótopos

Abundâncias relativas (%)

96,96

0,64

0,145

2,07

0,0033

0,185

De acordo com a tabela mostrada e as propriedades dos isótopos, é INCORRETO afirmar que: a) A abundância relativa de amostras naturais diferentes é a mesma. b) O número de nêutrons de todos os isótopos do Ca é igual a 22. c) O isótopo 48 do átomo de cálcio possui o maior número de massa. d) O núcleo do isótopo 40 é o que apresenta a maior estabilidade. 03. (Ufal AL) As considerações a seguir são referentes aos isótopos do ferro representados na tabela abaixo: Isótopo

Abundância (%)

5,845

91,754

2,119

0,282

54 56 57 58

250

A massa atômica do ferro a ser representada na tabela periódica deve se aproximar de 58. II. Nesses isótopos, o número de prótons é constante. III. Esses isótopos são caracterizados por diferentes números de camadas eletrônicas nos átomos, no estado fundamental. Está correto o que se afirma em a) I, somente. d) II e III, somente. b) II, somente. e) I, II e III. c) III, somente. 04. (Ufam AM) O cloro existente no planeta tem composição em massa igual a 75% de 17Cl35 e 25% de 17Cl37. Pode-se afirmar corretamente que: a) A massa média ponderada do átomo de cloro, a partir desses dados, é 35,5 u. b) O átomo de cloro 35 é isótono ao átomo de cloro 37. c) A maior abundância é do isótopo 37. d) A massa média simples do átomo de cloro, a partir desses dados, é 35,5 u. e) O Cl35 é encontrado naturalmente e o Cl37 não. 05. (UFPI) O lítio (6,941 g ⋅ mol−1) tem dois isótopos estáveis, 6Li e 7Li. Sobre esses isótopos, podemos afirmar que: a) O 7Li tem número atômico maior que o 6Li. b) O 7Li e o 6Li têm o mesmo número de nêutrons. c) O 7Li é mais abundante que o 6Li, na natureza. d) O número de massa desses isótopos é o mesmo. e) O 7Li tem maior número de elétrons que o 6Li. 06. (Puc RJ) O elemento boro tem número atômico 5, faz parte do terceiro grupo de elementos representativos e sua massa atômica é 10,8u.m.a. Sendo o boro natural constituído por dois isótopos, 11B e 10B, a) calcule a abundância relativa dos dois isótopos do elemento boro. a) 11B = 80%; 10B = 20%; b) calcule o número de prótons, de nêutrons e de elétrons do nuclídeo neutro 11B. b) 5 prótons, 6 nêutrons e 5 elétrons; c) calcule a porcentagem em massa do elemento boro no bórax, cuja fórmula é Na2B4O7 ⋅ 10H2O. c) 11,3% 07. (Unicastelo SP) Além do isótopo natural 6Li, que corresponde a 7,5% do total de lítio na natureza, o elemento possui mais um isótopo, cuja abundância é de 92,5 % do total. Considerando a massa atômica relativa do elemento lítio 6,94, é correto afirmar que o número de massa desse isótopo mais abundante é igual a a) 9. b) 5. c) 7. d) 6. e) 3.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

09. (Cesgranrio RJ) Um elemento X tem massa atômica 63,5 e apresenta os isótopos 63X e 65X. A abundância do isótopo 63 no elemento X é: a) 25% b) 63% c) 65% d) 75% e) 80% 10. (UFPB) A massa de três átomos do isótopo 12 do carbono é igual à massa de dois átomos de um certo elemento X. Pode-se dizer, então, que a massa atômica de X, em unidades de massa atômica, é: Dados: C = 12 a) 12 b) 36 c) 18 d) 3 e) 24 11. (UFPE) O cobre consiste em dois isótopos com massa 62,96 u e 64,96 u e abundância isotópica de 70,5% e 29,5%, respectivamente. A massa atômica do cobre é: a) 63,96 u b) 63,00 u c) 63,80 u d) 62,55 u e) 63,55 u 12. (UCS RS) Segundo matéria publicada na “Folha Online Ciência”, de 19 de setembro passado, foram registrados pela primeira vez perigos da Nanotecnologia para os seres humanos. Trabalhadoras chinesas teriam sofrido danos pulmonares permanentes por exposição por longo tempo, sem proteção adequada, a nanopartículas, em uma fábrica de tintas. Como se sabe, a Nanotecnologia é largamente utilizada na indústria, com emprego, por exemplo, em artigos esportivos, eletrônicos, cosméticos, roupas, desinfetantes, utensílios domésticos, revestimento de superfícies, tintas e vernizes e também mesmo na medicina. Pelo seu minúsculo diâmetro, entre 1 e 100 nanômetros, as nanopartículas podem ultrapassar as barreiras naturais do corpo humano por meio de contato com a pele com problemas ou pela ingestão ou inalação. Sendo um bilionésimo de um metro, um nanômetro corresponde a a) 1 x 10-6 metros. b) 1 x 10-9 metros. c) 1 x 10-12 metros. d) 1 x 109 metros. e) 1 x 106 metros.

13. (Unimontes MG) Em 1805, Dalton apresentou os pesos atômicos de átomos e moléculas que ele havia determinado. A tabela abaixo apresenta alguns valores: Substâncias

Pesos atômicos

Hidrogênio

Azoto (nitrogênio)

4,2

Carbono

4,3

Amônia (NxHy)

5,2

Oxigênio

5,5

Água

6,5

Enxofre

14,4

Ácido carbônico (CzOw)

15,3

Gás olefiante (CKHJ)

5,3

Nessa tabela, os nomes eram aqueles usados por Dalton, e as fórmulas químicas, entre parênteses, não eram conhecidas por ele. Analisando a tabela sobre o conhecimento dos átomos e moléculas naquela época, todas as alternativas estão corretas, EXCETO a) o oxigênio e o nitrogênio são moléculas diatômicas. b) a fórmula química da água é HO. c) a proporção carbono e hidrogênio no gás olefiante é 1:1. d) a fórmula química da amônia é NH. 14. (Uem PR) O espectrômetro de massa é um equipamento capaz de determinar massas atômicas e moleculares de íons, por meio da análise do movimento dessas partículas sob a ação de campos magnéticos uniformes e ortogonais à direção de propagação desses íons. Considere um espectrômetro de massa no qual a velocidade dos íons injetados na região do campo magnético é sempre a mesma. Analise as alternativas abaixo e assinale o que for correto. 01. Para íons de mesma massa, quanto maior a carga do íon analisado por espectroscopia de massa, tanto maior será o raio de curvatura da trajetória deste íon na região de detecção do equipamento. 02. Para íons de mesma carga, quanto maior quantidade de movimento de um íon analisado por espectroscopia de massa, tanto maior será o raio de curvatura da trajetória deste íon na região de detecção do equipamento. 04. Íons de isótopos são distinguíveis por espectroscopia de massa. 08. Íons de isóbaros são distinguíveis por espectroscopia de massa. 16. Íons de isótonos são distinguíveis por espectroscopia de massa. 01-04-16 251

C02  Massa atômica do elemento químico

08. (UFF RJ) O elemento cobre, que é utilizado em cabos elétricos, circuitos impressos e hélices para navios, entre outras aplicações , tem massa atômica 63,5 e apresenta os isótopos 63Cu e 65 Cu. A abundância do isótopo 65 no cobre é: 25%

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C03

ASSUNTOS ABORDADOS nn Determinação de fórmulas quí-

micas

nn Fórmula percentual

DETERMINAÇÃO DE FÓRMULAS QUÍMICAS Com o desenvolvimento das Leis Ponderais, foi possível prever a constituição da matéria em nível molecular. As transformações químicas passaram a ser analisadas dentro do método científico e novos modelos de átomos foram estabelecidos como constituintes da matéria. Em 1808, John Dalton, com base nas leis ponderais, elaborou o modelo de átomo de “bola de bilhar”. Utilizando esse modelo de átomo, as substâncias químicas começavam a ser representadas em termos de fórmulas químicas. Estas, por sua vez, eram determinadas a partir de processos reacionais, por meio dos quais se puderam conhecer, com precisão, as massas envolvidas. A evolução do processo de interpretação das transformações químicas seguiu de tal forma que os experimentos comprovavam o comportamento da matéria em termos de reações químicas. Ao analisar a reação do carbono com o oxigênio, por exemplo, pode-se prever a quantidade de átomos de cada um dos elementos que realmente participavam do processo reacional. Por exemplo, já se sabia naquela época que: nn a)

1,00 g de C combina-se com 1,33 g de O formando 2,33 g de produto. nn b) 1,00 g de C combina-se com 2,66 g de O formando 3,66 g de produto. Levando em consideração a lei de Proust, podemos concluir que as reações descritas em (a) e (b) levam à formação de dois produtos diferentes, mesmo que formados pelos mesmos elementos químicos, C e O. Mas, como isso é possível? Como sabemos, não é só a natureza (qualidade) dos elementos químicos presentes em uma fórmula que define a substância que está sendo representada. Conta também a quantidade que cada elemento químico participa da fórmula. Por essa razão, monóxido e dióxido de carbono são substâncias diferentes, mesmo que igualmente formadas por C e O. Para mais um exemplo, também podemos citar os gases metano (CH4) e etano (C2H6). Verifique que são substâncias diferentes, mas igualmente formadas por C e H. O mesmo é válido para H2O e H2O2. Voltemos à análise dos dados de (a) e (b). nn (a)

1,00 g de C combina-se com 1,33 g de O formando 2,33 g de produto. nn (b) 1,00 g de C combina-se com 2,66 g de O formando 3,66 g de produto. Pelas informações apresentadas, e pensando de acordo com a visão que Dalton tinha de reação, concluímos, como já foi dito, que nos dois casos os produtos são compostos formados por C e O. A quantidade de C envolvida nas duas reações é a mesma. Entretanto, a quantidade de O em (b) é o dobro da quantidade em (a). Se a quantidade em massa de oxigênio é o dobro no processo reacional em (b), é de se esperar que a quantidade de átomos de oxigênio envolvidos no processo (b) seja o dobro da quantidade de átomos envolvidos no processo (a). Assim, podemos prever que, se a fórmula mínima do composto formado em (a) for CO, a fórmula mínima dos compostos formados em (b) é CO2.

Fórmula percentual Usando os dados do problema anterior em que a fórmula da substância foi determinada e utilizando as leis ponderais, podemos determinar a fórmula percentual. Para isso, basta admitir que, na formação de 2,33 g de do monóxido de carbono, (CO) foram utilizados: C = 1,00g O = 1,33g 252

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Para o cálculo da fórmula percentual, utilizaremos o seguinte raciocínio: 2,33 g ---------------- 100%

3,66 g ---------------- 100% 2,66 g ---------------- O

1,00 g ---------------- C

3,66 g ---------------- 100% 1,00 g ---------------- C C = 27,32%

C = 42,91%

O = 72,68% 2,33 g ---------------- 100% 1,33 g ---------------- O O = 57,09% Utilizando o mesmo raciocínio, podemos determinar a fórmula percentual do dióxido de carbono, ou seja, para se formar 3,66 g dessa substância, utilizamos 1,00 g de carbono e 2,66 g de oxigênio. Para o cálculo da fórmula percentual, adotaremos o seguinte raciocínio:

Significado da Fórmula Percentual Desse modo, podemos dizer que a fórmula percentual é um tipo de expressão em que a substância é representada pelas participações percentuais em massa de cada um dos elementos químicos que a constitui. No caso do monóxido de carbono, podemos entender que para cada 100 g dessa substância 42,91 g são do elemento carbono, e 57,09 g são do elemento oxigênio. Já para o dióxido de carbono, temos que em 100 g dessa substância 27,32 g são de carbono e 72,68 g são de oxigênio.

Exercícios de Fixação

Com base nesses dados, responda: a) Considerando as informações, represente a transformação por meio de uma equação química. C(s) + H2(g) → CH4(g) b) Qual a massa de gás metano formada? 32 g c) Qual a fórmula percentual do gás metano? C = 75% H = 25%

02. (Fatec SP) O pigmento branco mais utilizado em tintas e em esmaltes é o dióxido de titânio, TiO2. A porcentagem em massa de titânio nesse pigmento é de Massas molares em g/mol: Ti = 48; O = 16 a) 20 %. b) 40 %. c) 60 %.

d) 80 %. e) 100 %.

03. (UECE) Quando aquecemos 1,63 g de Zn, este se combina com 0,4 g de oxigênio para formar um óxido de zinco. A composição porcentual do composto é: a) 83,0% de Zn e 17,0% de oxigênio b) 80,3% de Zn e 19,7% de oxigênio c) 20,0% de Zn e 80,0% de oxigênio d) 40,0% de Zn e 60,0% de oxigênio 04. (Puc Campinas SP) Nos processos de fermentação, pode-se usar o fermento biológico, formado por lêvedos, ou o fermento químico, cujo componente principal é o bicarbonato de sódio, NaHCO3. Nessa substância, a porcentagem, em massa, do elemento hidrogênio é igual a

Dados: Massas molares (g/mol): H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0; Na = 23,0 a) 1,2%. b) 3,4%. c) 7,4%. d) 10%. e) 12%. 05. (Unicamp SP) O corpo humano é composto majoritariamente por água, cuja porcentagem, em massa, pode variar entre 80%, quando se nasce, e 50%, quando se morre, ou seja, perde-se água enquanto se envelhece. Considere que, aos 3 anos de idade, 75% do corpo humano é água, e que todo o oxigênio do corpo humano seja o da água aí presente. Nesse caso, pode-se afirmar que a proporção em massa de oxigênio no corpo é de aproximadamente Massas molares em g mol–1: H =1 e O = 16 a) 3/4. b) 2/3. c) 1/2. d) 3/5. 06. (Mackenzie SP) A ureia, que tem fórmula molecular CH4N2O, constitui um dos produtos finais do metabolismo da maioria dos vertebrados, sendo excretada pela urina. A porcentagem de nitrogênio, em massa, na molécula de ureia é aproximadamente igual a Dado: massa molar (g/mol): H = 1 , C = 12 , N = 14 , O = 16 a) 23,3 %. d) 46,7%. b) 20,0 %. e) 28,0 %. c) 60,8%.

253

C03  Determinação de fórmulas químicas

01. Em um processo reacional, 24 g de carbono reagem com 8 g de gás hidrogênio para formar gás metano.

Química

Exercícios Complementares 01. (UFT TO) O ácido ascórbico (C6H8O6), também conhecido como vitamina C, é uma substância importante para o organismo humano, pois atua como um bom antioxidante e um composto que pode proteger outras espécies químicas de possíveis oxidações, devido ao seu próprio sacrifício. FLORUCCI, A.R., et al., 2003. Química Nova na Escola, 17, pg. 3.

Dados: massas molares (g/mol): C = 12,00; H = 1,00; O = 16,00 Os percentuais, em massa, de carbono e oxigênio no ácido ascórbico são, respectivamente, a) 36,50% e 50,54% b) 40,90% e 54,54% c) 30,25% e 35,75% d) 25,10% e 33,80% e) 75,00% e 25,00% 02. (Univag MT) No início dos anos 80, cerâmicas de hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2, foram consideradas os materiais por excelência para a remodelação e reconstrução de defeitos ósseos. O teor de fósforo, em massa, na hidroxiapatita é próximo de a) 37,2%. b) 18,5%. c) 20,2%. d) 6,05%. e) 31,0%. 03. (UFPB) Uma reportagem veiculada em jornal local trouxe a seguinte manchete: “PB tem depósito de titânio mais importante do país”. A matéria trata da importância desse metal e suas diversas aplicações nas indústrias aeronáutica, química, naval, nuclear, bélica e metalúrgica. No detalhamento do texto, tem-se que “a ilmenita (FeTiO2) teoricamente possui 53% de titânio e 47% de ferro”. (CARVALHO, A. Correio da Paraíba, 8 abr. 2012, F1)

C03  Determinação de fórmulas químicas

Considerando a composição da ilmenita, conclui-se que a informação apresentada está a) equivocada quanto ao teor de Fe que, na verdade, corresponde a 56,2%. b) equivocada quanto ao teor de Ti que, na verdade, corresponde a 48,1%. c) equivocada quanto ao teor de Ti que, na verdade, corresponde a 35,3%. d) correta quanto ao teor de Ti. e) correta quanto ao teor de Fe.

254

04. (Puc RS) Na preparação de 100,0 g de um creme dental, foi adicionado 1,440 g de monofluorfosfato de sódio, de fórmula Na2PO3F. O teor de flúor expresso em mg por grama de creme dental é, aproximadamente, a) 1,900. b) 1,400. c) 0,900. d) 0,050. e) 0,002. 05. (Uespi PI) Durante o policiamento em rodovias, o “bafômetro” é usado para medir a quantidade de etanol presente no ar exalado por uma pessoa que ingeriu bebida alcoólica. Esse instrumento descartável apresenta como um dos componentes químicos, o dicromato de potássio (K2Cr2O7). Os percentuais, em massa, de potássio, cromo e oxigênio nesse composto são, respectivamente, a) 32,2%, 21,5%, 46,3%. b) 31,7%, 42,3%, 13,0%. c) 46,3%, 21,5%, 32,2%. d) 13,0%, 31,7%, 42,3%. e) 42,3%, 13,0%, 31,7%. 06. (UFF RJ) O esmalte dos dentes contém um mineral chamado hidroxiapatita – Ca5(PO4)3OH. Os ácidos presentes na boca, ao reagirem com a hidroxiapatita, provocam o desgaste do esmalte, originando as cáries. Atualmente, com o objetivo de prevenção contra as cáries, os dentifrícios (cremes dentais) apresentam, em suas fórmulas, o fluoreto de cálcio. Este é capaz de reagir com a hidroxiapatita, produzindo a fluorapatita - Ca5(PO4)3F – uma substância que adere ao esmalte, dando mais resistência aos ácidos produzidos, quando as bactérias presentes na boca metabolizam os restos de alimentos. Com base nas fórmulas mínimas das duas substâncias, pode-se afirmar que o percentual de fósforo nos compostos é aproximadamente, a) 0,18 % b) 0,60 % c) 6,00 % d) 18,50 % e) 74,0 % 07. (Ufu MG) O sulfato de cobre é um dos componentes da “calda bordalesa”, mistura muito utilizada na agricultura para combater as doenças fúngicas em hortaliças e árvores frutíferas. A porcentagem de água presente no sulfato de cobre penta-hidratado puro (CuSO4 ⋅ 5H2O) é de, aproximadamente, a) 36% b) 56% c) 11% d) 5%

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C04

FÓRMULAS MÍNIMA E MOLECULAR Vimos, na aula anterior, que podemos representar as substâncias por meio das fórmulas percentuais. O gás metano, por exemplo, apresenta composição percentual em massa de 25% de hidrogênio e 75% de carbono. Para determinar esses valores, dependemos de quanto, em massa, participa da reação. No caso do gás metano, temse que, para cada 12 g de carbono, são necessários 4 g de hidrogênio para formar 16 g de produto. Portanto, em 16 g de gás metano, há as seguintes porcentagens:

ASSUNTOS ABORDADOS nn Fórmulas mínima e molecular nn Fórmula mínima nn Fórmula molecular

16 g ----------------- 100% 12 g ----------------- C C = 75% 16 g ----------------- 100% 4 g ----------------- H H = 25% A partir de agora, determinaremos as fórmulas mínima e molecular de uma substância a partir dos valores percentuais em massa de cada um dos elementos químicos que constitui essa substância.

Fórmula mínima A fórmula mínima ou fórmula empírica é uma maneira que os químicos têm de expressar as menores proporções de átomos que compõem a substância. A unidade utilizada na expressão das proporções é a quantidade de matéria. Por exemplo, vimos que, no caso do gás metano (CH4), a participação percentual é de 25% de hidrogênio para 75% de carbono. Assim, podemos estabelecer que em 100 g de gás metano, há 25 g de hidrogênio e 75 g de carbono. nn 25% nn 75%

são de hidrogênio. Portanto, 25 g. são de carbono. Portanto, 75 g.

Sabendo que os pesos atômicos do hidrogênio e do carbono são, respectivamente, 1 g ⋅ mol–1 e 12 g ⋅ mol–1, podemos determinar a quantidade de matéria (número de mols) do hidrogênio e do carbono. 25g  25 g de H → 1g ⋅ mol-1 =25 mol em 100 g de metano  75 g de C → 75g =6,25 mol 12g ⋅ mol-1  Para determinar a menor proporção inteira em termos de quantidade de matéria (número de mols) devemos dividir todos os resultados por 6,25. Assim, temos: 25 mol  = H 25 mol → 6,25 = 4 mol  C 6,25 mol → 6,25 mol =1 mol =  6,25 255

Química

Logo, a menor proporção inteira entre os elementos químicos hidrogênio e carbono na formação do gás metano é de 4 : 1. Assim, a fórmula empírica ou mínima do gás metano é CH4. Vamos para mais um exemplo. Para se produzir 100 g de água, são necessários 11,11 g de hidrogênio e 88,88% de oxigênio. Considerando uma amostra de 100 g de água, podemos determinar a quantidade em massa de hidrogênio e oxigênio, ou seja, 11,11% são de hidrogênio. Portanto, 11,11 g. 88,88% são de oxigênio. Portanto, 88,88 g. Sabendo que os pesos atômicos do hidrogênio e do oxigênio são, respectivamente, 1 g ⋅ mol–1 e 16 g ⋅ mol–1, podemos determinar a quantidade de matéria (número de mols) do hidrogênio e do oxigênio.

Logo, a menor proporção inteira entre os elementos químicos hidrogênio e oxigênio na formação da água é de 2 : 1. Assim, a fórmula empírica ou mínima da água é H2O. Passos para determinar a fórmula mínima De maneira geral, podemos dizer que a partir da fórmula percentual em massa, podemos obter a fórmula mínima ou empírica seguindo os seguintes passos: 1º Considerar 100 g da amostra e aplicar a porcentagem de cada elemento químico; 2º Dividir os valores em massa pela massa molar do respectivo elemento químico; 3º Dividir quantidade de matéria encontrada pelo menor valor dentre eles; 4º Observar se há formação dos menores números inteiros. Vejamos mais um exemplo. A glicose é uma substância que apresenta composição percentual em massa:

11,11g  11,11g → 11,11mol = H = 1g.mol-1 em 100 g de água  88,88g O = 88,88 g → 5,55 mol =  16g.mol-1

C = 40%  Glicose H = 6,67% O = 53,3% 

Para determinar a menor proporção inteira em termos de quantidade de matéria (número de mols) devemos dividir todos os resultados por 5,55. Assim, temos: = = 2 mol H 11,11 mol ÷ 5,55  = O 5,55 mol ÷ 5,55 = 1 mol 

Considerar 100 g e aplicar porcentagem C = 40%  100 g H = 6,66% O = 53,3% 

Como a fórmula expressa as porcentagens relativas dos elementos químicos em termos de massa, podemos determinar a fórmula mínima. Para isso, consideraremos 100 g para a substância, cujo valor é arbitrário. Podia ser qualquer outro valor de massa. Consideramos 100 g apenas para facilitar nossos cálculos porque estamos partindo da fórmula centesimal.

1º passo

2º passo

3º passo

Dividir pela massa molar

Dividir pelo menor valor

Menor proporção inteira

C 40 ,0g /12g⋅ mol−1 =  −1 ⇒ = H 6 ,66g /1g⋅ mol  −1 = O 53 ,3g /16g⋅ mol

= C 3 ,33mol ÷ 3 ,33  ⇒= H 6 ,66mol ÷ 3 ,33 O 3 ,33mol ÷ 3 ,33 = 

C = 1mol  ⇒ H = 2mol O = 1mol 

Fórmula mínima

CH2O

C04  Fórmulas mínima e molecular

Fórmula molecular Para determinar a fórmula molecular de uma substância a partir da fórmula mínima, é necessário conhecer a massa molecular da substância. No caso da glicose, o valor é de 180 u; ou massa molar 180 g ⋅ mol–1. Numericamente, podemos dizer que a massa da glicose é 180. Uma vez que a fórmula mínima foi determinada (CH2O), podemos admitir que a fórmula molecular seja um múltiplo (n) da fórmula mínima. Dessa forma, podemos determinar o valor de n utilizando os valores de massa da fórmula mínima e da fórmula molecular.

(fórmula mínima) n = (fórmula molecular)  fórmula   fórmula  = n  ∴  mínima   molecular  ( CH2O )n= C6H12O6 ⇒ 30n= 180 ⇒ n= 6

256

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

a) 3 b) 6 c) 9 d) 12 e) 15 02. Determine a fórmula molecular de um composto, cuja massa molecular é 78 e a fórmula mínima é CH. a) C6H6 b) C12H12 c) C3H3 d) C6H14 e) C6H10 03. (UFGD MS) Uma substância orgânica de massa molecular 42 é representada pela fórmula mínima CH2. O número de átomos de carbono em cada molécula da substância é igual a: (Dados C = 12,0; H = 1,0) a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 6 04. (Puc Campinas SP) Uma substância de fórmula mínima C2H3O2 tem massa molecular igual a 118. Sua fórmula molecular é: a) C2H3O2 b) C2H6O2 c) C4H3O2 d) C4H6O4 05. (UFGD MS) Uma substância X tem fórmula mínima CH2NO e massa molecular 88. O número de átomos existentes na molécula X é: a) 4 b) 5 c) 6 d) 8 e) 10 06. (Uespi PI) Um composto de massa molar igual a 92 g/mol apresenta fórmula percentual N30,43%O69,57%. Sua fórmula molecular é representada por:

Dados: N = 14 u; O = 16u. a) N2O3 b) N2O c) NO d) N2O5 e) N2O4 07. (UFGD MS) Determine a fórmula molecular de um óxido de fósforo que apresenta 43,6% de fósforo, 56,4% de oxigênio (% em massa) e massa molecular 284.

P4O10

Dados: P = 31 u; O = 16 u 08. (Mogi SP) Um sal higroscópico, muito usado nas indústrias farmacêuticas, tem uma massa molecular 280 e contém 25,8% de água de cristalização (dados: H = 1; O = 16). O número de moléculas de água de cristalização que existe em cada molécula do sal higroscópico mencionado é: a) 3 moléculas b) 4 moléculas c) 5 moléculas d) 10 moléculas e) 12 moléculas 09. (FCM PB) A análise de 37,0 g de uma substância desconhecida mostrou que, quando decomposta completamente, apresentava 18,0 g de carbono, 3,0 g de hidrogênio e 16,0 g de oxigênio. Sabendo que sua massa molecular é 148 u e que esses elementos são os únicos em sua constituição, qual a sua fórmula molecular? a) C3H6O b) C6H12O4 c) C7H16O3 d) C5H8O5 e) C5H10O4 10. (Unesp SP) Lindano, usado como um inseticida, tem composição percentual em massa de 24,78% de carbono, 2,08% de hidrogênio e 73,14% de cloro, e massa molar igual a 290,85 g ⋅ mol–1. Dadas as massas atômicas dos elementos: C = 12, H = 1 e Cl = 35,5, a fórmula molecular do lindano é: a) C4H5Cl2 b) C5H7Cl6 c) C6H5Cl6 d) C6H6Cl2 e) C6H6Cl6

257

C04  Fórmulas mínima e molecular

01. Um alceno cuja fórmula mínima é CH2 apresenta massa molecular igual a 56 unidades de massa atômica. Considerando que a massa atômica do carbono e hidrogênio são, respectivamente, 12 e 1, determine o número total de átomos contidos em uma única molécula desse composto.

Química

Exercícios Complementares 01. (Puc Campinas SP) A análise de uma substância desconhecida revelou a seguinte composição centesimal: 62,1 % de carbono, 10,3% de hidrogênio e 27,5% de oxigênio. Pela determinação experimental de sua massa molar, obteve-se o valor 58,0 g/mol. É correto concluir que se trata de um composto orgânico de fórmula molecular: a) C3H6O2 b) CH6O2 c) C2H2O2 d) C2H4O2 e) C3H6O 02. (FCChagas BA) Na análise de uma dada planta seca, os elementos mais abundantes foram determinados na proporção representada por C106H181O45N16P. Em qualquer amostra desse material, qual elemento participa com maior massa? Dado: C = 12, H= 1, O = l6, N= 14, P = 31) a) Carbono b) Hidrogênio c) Oxigênio d) Nitrogênio e) Fósforo

C04  Fórmulas mínima e molecular

03. (FCChagas BA) Uma substância possui fórmula mínima C4H5N2O e massa molecular 194 u. O número de átomos de nitrogênio contidos em uma única molécula da substância vale: (Dado: C = 12, H = 1, N = 14 e O = 16) a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 04. (Fesp PE) A pirita de ferro, conhecida como “ouro dos trouxas”, tem a seguinte composição centesimal: 46,67% de Fe e 53,33% de S. Sabe-se também que 0,01 mol de pirita tem massa correspondente a 1,20 g. A fórmula que corresponde à pirita é: Dados: Fe = 56u; S = 32u a) FeS2 b) FeS c) Fe2S d) Fe2S3 e) Fe3S 05. (Puc RJ) As fórmulas dos hidretos de alguns ametais e semimetais estão apresentadas a seguir: AlH3, SiH4, PH3, GaH3, AsH3, InH3, SnH4, SbH3. Com base nesses dados e com o auxílio da tabela periódica, pode-se dizer que a fórmula correta para o hidreto de germânio será:

258

a) GeH. b) GeH2 c) GeH3 d) GeH4 e) GeH5 06. (UFGD MS) Uma substância de massa molecular 120 contém 40% de C, 53,3% de O e 6,7% de H. Qual sua fórmula molecular? a) C2H2O4 b) C2H4O2 c) CH2O d) C4H8O4 e) C4H2O4 07. (UPF RS) Um sal hidratado tem 1,095 g de massa e massa molecular 219. Por desidratação, sua massa reduz-se a 0,555 g. A água de cristalização obtida por desidratação equivale, em número de moléculas, a: a) duas b) três c) quatro d) cinco e) seis 08. (Puc Campinas SP) A combustão realizada em altas temperaturas é um dos fatores da poluição do ar pelos óxidos de nitrogênio, causadores de afecções respiratórias. A análise de 0,5 mol de um desses óxidos apresentou 7,0 g de nitrogênio e 16 g de oxigênio. Qual a sua fórmula molecular? a) N2O5 b) N2O3 c) N2O d) NO2 e) NO 09. (Mackenzie SP) Na análise de 3,75 g de um composto orgânico CxHYOw, encontrou-se 1,8g de carbono e 6 × 1022 átomos de oxigênio, além de hidrogênio. Se 0,75 mol desse composto pesa 112,5 g, então sua fórmula molecular é: Dadas as massas atômicas: C = 12, H = 1 e O = 16 a) C15H35O10 b) C6H14O4 c) C9H21O6 d) C12H9O4 e) C3H7O2

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento 01. (Unifesp SP) O gráfico apresenta a curva da decomposição térmica do oxalato de magnésio, MgC2O4. Nessa reação, os produtos da decomposição são CO, CO2 e MgO (massa molar 40 g/ mol). Neste gráfico, são apresentados os valores da massa da amostra em função da temperatura.

Se a diferença entre as massas X e Y no gráfico for 576 mg, o valor de Y e a porcentagem de perda da massa da reação de decomposição térmica do oxalato de magnésio são, respectivamente, a) 320 e 35,7%. d) 576 e 35,7%. b) 320 e 64,3%. e) 576 e 64,3%. c) 352 e 39,2%. 02. (FGV SP) A dolomita, CaMg(CO3)2, é um minério utilizado como fonte de magnésio e para fabricação de materiais refratários. A figura apresenta a curva da decomposição térmica de uma mistura de carbonatos de cálcio e magnésio e é o resultado de medidas de variação da massa da amostra em função do aumento da temperatura. A decomposição desses carbonatos resulta na liberação de CO2 e na formação do respectivo óxido. Cada carbonato decompõe-se totalmente em diferentes temperaturas, sendo que o carbonato de cálcio apresenta maior estabilidade térmica.

03. (Puc Campinas SP) Na formação de um óxido de nitrogênio, verificou-se que, para cada 9,03 × 1022 átomos de nitrogênio, foram necessários 4,80 g de oxigênio. (Dados: N = 14; O = 16.) Determine: a) a fórmula mínima desse óxido; a) NO2 b) sua fórmula molecular, sendo 92 a sua massa molecular. b) N2O4 04. (Fuvest SP) Com a finalidade de determinar a fórmula de certo carbonato de um metal Me, seis amostras, cada uma de 0,0100 mol desse carbonato, foram tratadas, separadamente, com volumes diferentes de ácido. Com a finalidade de determinar a fórmula de certo carbonato de um metal Me, seis amostras, cada uma de 0,0100 mol clorídrico de concentração 0,500 mol/L. Mediu-se o volume de gás carbônico produzido em cada experiência, à mesma pressão e temperatura. V (HC) /mL

120

150

180

V (CO2)/mL

186

372

558

744

O volume molar do gás carbônico, nas condições da experiência, é igual a 24,8 L/mol. Então, a fórmula do carbonato deve ser: a) Me2CO3 b) MeCO3 c) Me2(CO3)3 d) Me(CO3)2 e) Me2(CO3)5 05. (Unesp SP) Um composto orgânico destilado da madeira possui massa molar de 32,4 g.mol–1 e a composição: 37,5% de carbono, 12,6% de hidrogênio e 49,9% de oxigênio. Dados: Massas atômicas: C = 12,0 u, H = 1,01 u, O = 16,0 u Números atômicos: C = 6, O = 8 e H = 1 Determine a fórmula molecular do composto orgânico e deduza o grupo funcional. CH4O

Dados: massas molares (g/mol): CO2 = 44, MgCO3 = 84 e CaCO3 = 100 Pode-se concluir que a mistura de carbonatos analisada contém a composição em massa de carbonato de cálcio igual a a) 40%. d) 55%. b) 45%. e) 60%. c) 50%.

06. (UFMS) Um certo éster, com massa molar igual a 116 g ⋅ mol–1, é um aromatizante utilizado na indústria alimentícia como essência artificial de morango. Calcule a atomicidade do hidrogênio na fórmula molecular dessa substância, sabendo que a decomposição de 5,8 g desse éster fornece 3,6 g de carbono, 0,6 g de hidrogênio e 1,6 g de oxigênio. Considere as massas atômicas: C = 12,0, H = 1,0 e O = 16,0. 12 259

Química

07. (Unesp SP) Em um experimento de combustão, 3,69 g de um hidrocarboneto formaram 11,7 g de dióxido de carbono e 4,50 g de água. Considerando as massas molares (g ⋅ mol–1), H = 1, C = 12 e O = 16, podemos afirmar que a fórmula mínima e a classificação do hidrocarboneto são, respectivamente, a) CH e alcano. b) CH2 e alceno. c) CH3 e alcano. d) C3H4 e alcino. e) C3H4 e cicloalcano. 08. (Ufam AM) Uma substância possui em sua composição 0,04 mol de carbono, 0,08 mol de hidrogênio e 0,04 mol de oxigênio. Considerando que a massa molar do composto seja duas vezes a massa molar da fórmula mínima, a fórmula percentual, a mínima e a molecular são, respectivamente: (C = 12 g/mol, O = 16 g/mol, H = 1 g/mol) a) 40,0%C, 6,66%H, 53,3%O, CHO e CH2O b) 40,0%C, 6,66%H, 53,3%O, CH2O e C2H4O2 c) 53,3%C, 6,66%H, 40,0%O, CH2O e C2H4O2 d) 53,3%C, 8,00%H, 46,0%O, CHO e C2H2O2 e) 40,0%C, 8,00%H, 40,0%O, CH2O e C2H4O2 09. (Puc PR) Qual a porcentagem mais aproximada de fósforo e nitrogênio no fosfato de amônio? (Massas atômicas: H = 1, O = 16, P = 31, N = 14, NH+4, PO43-) a) 29,5 e 10,1 b) 30,2 e 7,3 c) 20,8 e 28,2 d) 30,7 e 11,2

FRENTE C  Exercícios de Aprofundamento

e) 50,1 e 20,2 10. (UEPB) Qual é o percentual de ferro e de oxigênio, respectivamente, de uma amostra de óxido de ferro que pesa 0,50 g, sabendo-se que a sua análise determinou uma composição de 0,35 g de ferro e 0,15 g de oxigênio? a) 25% 75% b) 75% 25% c) 30% 70% d) 70% 30% e) 85% 15% 11. (UFF RJ) Atualmente, os joalheiros estão utilizando uma liga metálica de Ag / Cu, para confeccionar algumas joias. Um bracelete de massa 17,6 g que contém 14 g de Ag apresenta, na sua composição, os seguintes percentuais de Ag e Cu, respectivamente: a) 82,4 e 17,6 b) 19,9 e 80,1 c) 85,9 e 14,1 d) 80,1 e 19,9 e) 37,7 e 68,3 260

12. (Vunesp SP) As substâncias indicadas abaixo são de grande importância como fertilizantes porque fornecem nitrogênio. Indique qual delas é potencialmente a mais rica fonte desse elemento. (Massas Atômicas: H = 1; C = 12; N = 14; S = 32; K = 39) a) ureia, CO(NH2)2 b) nitrato de amônio, NH4NO3 c) sulfato de amônio, (NH4)2SO4 d) guanidina, HCN(NH2)2 e) nitrato de potássio, KNO3 13. (UFPI) A ureia, produto de grande aplicação na agricultura, tem a seguinte fórmula molecular: OC(NH2)2 A massa de nitrogênio em um saco de 60 kg desse material é de: (Massa Atômicas: H = 1,0; O = 16,0; C = 12,0; N = 14,0) a) 14 kg b) 21 kg c) 28 kg d) 40 kg e) 56 kg 14. (UEFS BA) As percentagens aproximadas, em massa, de MoO3 e K2O existentes no dimolibdato de potássio, K2Mo2O7, são respectivamente iguais a: a) 75,39% e 24,61% b) 37,7% e 62,3% c) 68,32% e 31,68% d) 78,4% e 21,6% 15. (UFSE SE) Os ossos possuem 65% de sua massa constituída de matéria mineral. Esta, por sua vez, contém 80% de fosfato de cálcio e 20% de carbonato de cálcio. As massas de fósforo e cálcio que podem ser obtidas a partir de uma tonelada de ossos são, respectivamente: a) 104 kg e 253 kg b) 104 kg e 201 kg c) 130 kg e 510 kg d) 119 kg e 106 kg e) 92 kg e 289 kg 16. (UFABC SP) O hexafluoreto de urânio empobrecido (238UF6), produto residual do processo de enriquecimento do urânio, é geralmente armazenado em cilindros de aço em áreas abertas próximas às usinas de enriquecimento. Os cilindros são examinados regularmente, pois qualquer vazamento pode causar danos à saúde e contaminação do meio ambiente, principalmente por causa dos produtos tóxicos formados quando o material interage com a água, ainda que em quantidades muito pequenas. Uma amostra de 4,22g de 238UF6, em contato com água, produziu 3,7g de um sólido X que contém U, O e F e 0,96g de um gás Y que contém 95% de flúor e 5% de hidrogênio. a) Determine a fórmula do produto sólido X. a) a fórmula de X é UO2F2 b) Calcule a percentagem do flúor contido no 238UF6 que é convertido em Y. b) p = 66,7%