Química Aplicada às Engenharias - Notas de Aula Completas

1 IPUC Instituto Politécnico ICEI Instituto de Ciências Exatas e de Informática Departamento de Física e Química Notas de aula de aplicada às engenharias 1º período Elaboração prof Luiz Eduardo Oliveira Carmo Rodrigues 2 ÍNDICE DAS UNIDADES 1 Tabela Periódica dos elementos químicos3 2 Introdução à química4 3 Tipos de substâncias principais tipos e classes de compostos químicos6 4 Números de oxidação NOXs9 5 Reações químicas e cálculos estequiométricos12 6 Reações eletroquímicas oxirredução15 7 Balanceamento de reações químicas de oxirredução18 8 Tabela dos potenciais elétricos padrão EoV oxidação e redução e força relativa de agentes oxidantes e redutores21 9 Critérios de espontaneidade de reações eletroquímicas26 10 As células voltaicas simples ou pilhas28 11 As pilhas e baterias comerciais37 12 Células eletrolíticas e eletrólises42 13 Eletrólise quantitativa Lei de Faraday45 14 Eletrólises com eletrodos ativos eletrodeposição de metais e eletrólises em série48 15 Estudos dirigidos 01 a 0351 16 Exercícios avaliativos60 17 Corrosão e degradação de materiais67 18 Estudos de caso de corrosão82 19 Modelos atômicos e teoria atômica91 20 Estudo dirigido 04113 21 Ligações químicas e propriedades dos compostos117 22 Estudo dirigido 05144 23 Equilíbrios químicos e princípio de Le Chatelier147 24 Soluções e suas propriedades150 25 Referências bibliográficas152 CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS 1A 1 2A 2 3A 13 4A 14 5A 15 6A 16 7A 17 8A 18 100794 H Hidrogênio 4002602 He Hélio 6941 Li Lítio 9012182 Be Berílio 201797 Ne Neônio 22989770 Na Sódio 243050 Mg Magnésio 39948 Ar Argônio 390983 K Potássio 40078 Ca Cálcio 838 Kr Criptônio 449559 Sc Escândio 47867 Ti Titânio 509415 V Vanádio 519661 Cr Cromo 54938 Mn Manganês 55845 Fe Ferro 589332 Co Cobalto 586934 Ni Níquel 63546 Cu Cobre 6539 Zn Zinco 2698153 Al Alumínio 280855 Si Silício 309737 P Fósforo 32006 S Enxofre 354527 Cl Cloro 39948 Ar Argônio 79904 Br Bromo 838 Kr Criptônio 13129 Xe Xenônio 8762 Rb Rubídio 8762 Sr Estrôncio 88905 Y Ítrio 91224 Zr Zircônio 92906 Nb Nióbio 9594 Mo Molibdênio 9604 Tc Tecnécio 10107 Ru Rutênio 1029056 Rh Ródio 10642 Pd Paládio 1078682 Ag Prata 11241 Cd Cádmio 114818 In Índio 11871 Sn Estanho 12175 Sb Antimônio 1276 Te Telúrio 1269044 Iodo 13129 Xe Xenônio 222 Rn Radônio 13290545 Cs Césio 137327 Ba Bário 17849 Hf Háfnio 180947 Ta Tântalo 18384 W Tungstênio 186207 Re Rênio 19023 Os Ósmio 192217 Ir Irídio 195078 Pt Platina 196966 Au Ouro 20059 Hg Mercúrio 2043833 Tl Tálio 2072 Pb Chumbo 2089803 Bi Bismuto 210 Po Polônio 854678 Rb Rubídio 137327 Ba Bário 103 Rf Rutherfórdio 26111 Db Dúbnio 26211 Sg Seabórgio 26212 Bh Bóhrio 266 Hs Hássio 269 Mt Meitnério 268 Uun Unúnio 271 Uuu Unuúmbio 272 Uub Anúnbio 1389055 La Lantânio 140116 Ce Cério 1409076 Pr Praseodímio 14424 Nd Neodímio 1457 Pm Promécio 15036 Sm Samário 151964 Eu Európio 15725 Gd Gadolínio 1589253 Tb Térbio 16250 Dy Disprósio 1649303 Ho Hólmio 16726 Er Érdio 1689342 Tm Túlio 17304 Yb Itérbio 174967 Lu Lutécio 227 Ac Actínio 2320381 Th Tório 2310358 Pa Protactínio 2380289 U Urânio 237 Np Netúnio 244 Pu Plutônio 243 Am Amerício 247 Cm Cúrio 247 Bk Berquélio 251 Cf Califórnio 252 Es Einstênio 100 Fm Férmio 101 Md Mendelévio 102 No Nobélio 259 Lr Laurêncio 262 Hidrogênio Metais Semimetais Nãometais Gases nobres 23 Reações eletroquímicas Assim o potencial padrão de redução EºV para os cátions de zinco é igual a 076 V Zn2aq 2e Zns EºV 076 V O mesmo procedimento é realizado para variadas espécies químicas conhecendose o potencial padrão EºV de oxidação ou de redução de tais espécies em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio EPH Mnaq ne Ms EºVred em V para o cátion Mn Ms Mn ne EºVoxid em V para o metal M Os potenciais padrão de redução e de oxidação EºV das mais variadas espécies químicas são encontrados na tabela dos potenciais padrão de redução Forças relativas de agentes oxidantes e agentes redutores Por exemplo na tabela dos potenciais padrão de redução Agentes oxidantes do mais forte para o mais fraco Cl2g Agaq Haq Ni2aq Zn2aq Agentes redutores do mais fraco para o mais forte Claq Ag H2g Nis Zns Maiores valores de EºVredução Menores valores de EºVoxidação Mais forte o agente oxidante Menores valores de EºVredução Maiores valores de EºVoxidação Mais forte o agente redutor 31 Reações eletroquímicas As pilhas galvânicas ou células voltaicas simples Dispositivos que utilizam reações químicas com transferência de elétrons e espontâneas para produzir corrente elétrica e gerar assim certa quantidade de energia elétrica Esquema de uma pilha galvânica ou célula voltaica padrão As pilhas galvânicas ou células voltaicas simples Deve haver uma diferença de potencial entre os dois eletrodos utilizados nas duas meiacélulas EºVmetal A EºVmetal B Se o potencial padrão de redução do eletrodo AAn for inferior ao potencial padrão de redução do eletrodo BBm haverá um fluxo de elétrons do metal A para o metal B ANODO DA CÉLULA oxidação metal A CATODO DA CÉLULA redução metal B Ponte salina conecta as 2 meiascélulas da pilha Contém sal aquoso com presença de cátions C e ânions A que não reagem com os reagentes da pilha realizando o balanço das cargas positivas e negativas íons em cada meiacélula 4 2 Introdução à química Toda e qualquer forma de matéria sólida líquida ou gasosa é constituída por átomos O átomo corresponde à unidade fundamental da matéria embora seja composto por partículas fundamentais subatômicas prótons p elétrons e e nêutrons Na natureza raramente um átomo ou elemento existirá sob a sua forma elementar preferindo se ligar quimicamente a outros átomos ligações metálicas iônicas ou covalentes por ex o átomo de ferro Fe existe predominantemente na natureza ligado ao átomo de oxigênio sob a forma de óxido de ferro ou hematita Fe2O3 O que define um átomo ou um elemento químico E é o seu número de prótons ou o seu número atômico Z O símbolo do elemento é designado por E com 1 2 ou 3 letras Todo átomo é composto por um núcleo atômico e por um espaço designado por extranuclear eletrosfera No núcleo do átomo existem prótons p e nêutrons que conferem massapeso ao mesmo Já no espaço extranuclear estão presentes os elétrons e de massa desprezível em relação às massas de um próton ou de um nêutron Os e situamse em camadas ou níveis ao redor no núcleo A matéria é intrinsicamente dotada de natureza elétrica visto que os prótons possuem carga 0 positiva e os elétrons carga 0 negativa ao passo que os nêutrons não possuem carga carga 0 Na tabela periódica os elementos químicos são ordenados em ordem crescente de número atômico Z e de massa atômica A em famílias ou grupos colunas e em períodos linhas Os elementos representativos são os das colunas A e os elementos de transição são os das colunas B Para os elementos de um mesmo período o número do período corresponde ao número de camadas eletrônicas no espaço extranuclear sendo que para os elementos representativos colunas A o número da coluna 1A 2A 3A 4A corresponderá ao número de elétrons e de valência do elemento e de ligação ou e da última camada Alguns exemplos de elementos elementos gasosos O N H He Ne Ar elementos metálicos Fe Cu Ag Pb Au Na K Mg elementos nãometálicos Si S B P I etc Para um átomo ou elemento qualquer A massa atômica Z no de nêutrons Um átomo no estado fundamental ou neutro possui Z no de elétrons e Quando existe um desequilíbrio entre os números de prótons Z e o número de elétrons em um átomo formam se íons ou átomos com carga positiva ou negativa cátions ou ânions Z no de elétrons átomo perdeu elétrons formamse cátions carga 0 E En ne Z no de elétrons átomo ganhou elétrons formamse ânions carga 0 E ne En Exemplo de aplicação 01 Determine o número atômico Z o número de nêutrons e o número de elétrons e para os seguintes elementos sódio Na enxofre S alumínio Al flúor F cátion sódio Na cátion alumínio Al3 ânion cloreto Cl e ânion óxido O2 5 Os elementos isótopos são aqueles que apresentam o mesmo número de prótons Z apresentando diferença no número de nêutrons ou seja o mesmo elemento E pode existir sob a forma de átomos com pesos ou massas diferentes Elementos isóbaros apresentam a mesma massa atômica A elementos isótonos apresentam o mesmo número de nêutrons enquanto elementos isoeletrônicos apresentam o mesmo número de elétrons e Por ex o cátion sódio Na e o ânion óxido O2 são isoeletrônicos em relação ao átomo de neônio Ne pois todos apresentam 10 elétrons e Abundância isotópica seja um elemento químico E qualquer com 2 ou mais isótopos teremos que a massa atômica A do elemento será a média aritmética ponderada das massas atômicas de todos os seus isótopos sendo A1 A2 A3 An as massas atômicas de cada isótopo e 1 2 3 n as abundâncias percentuais desses mesmos isótopos 100 A A A A A A A A A n n 3 3 2 2 1 1 n 3 2 1 n n 3 3 2 2 1 1 Exemplo de aplicação 02 A prata metálica Ag apresenta dois isótopos estáveis um com 60 nêutrons e o outro com 62 nêutrons Escreva os símbolos de cada isótopo A1 ZAg e A2 ZAg e determine a abundância percentual 1 e 2 de cada um deles Definição de mol número de átomos presentes em 12 gramas g do isótopo do carbono C12 Constante de Avogadro 1 mol 6022 x 1023 partículas de prótons elétrons nêutrons átomos íons ou moléculas A relação entre a massa atômica A geralmente expressa em uma unidades de massa atômica e a massa em gramas é a seguinte 1 uma 1661 x 1024 gramas A massa molar MM expressa em gramas por mol gmol é a massa correspondente a 1 mol de qualquer substância átomos íons ou moléculas Para um elemento químico qualquer E a massa molar MM é numericamente igual à massa atômica A Exemplo de aplicação 03 Determinar a massa em gramas g de um único átomo de alumínio metálico Als 6 3 Tipos de substâncias principais tipos e classes de compostos químicos TIPOS DE SUBSTÂNICAS SUBSTÂNCIAS ELEMENTARES aquelas que são constituídas por apenas um único tipo de elemento químico ou átomo Metais Fes Aus Ags Cus Pbs ferro ouro prata cobre e chumbo metálicos etc Nãometais Cgrafite Cdiamante S enxofre Si silício etc Gases nobres Ar Ne He e não nobres H2g O2g N2g F2g Cl2g SUBSTÂNCIAS NÃO ELEMENTARES OU COMPOSTAS constituídas por dois ou mais tipos de elementos químicos ou átomos ligados por certo tipo de ligação química iônica ou covalente SUBSTÂNCIAS IÔNICAS presença da ligação iônica com transferência de elétrons de valência de um elemento metálico a outro elemento não metálico com formação de íons cátions com carga 0 e ânions com carga 0 agregados em um cristal iônico Exemplos óxidos metálicos hidróxidos e os sais SUBSTÂNCIAS MOLECULARES presença da ligação covalente entre elementos não metálicos geralmente ocorrendo compartilhamento de pares de elétrons de valência entre eles formando moléculas Exemplos óxidos não metálicos ácidos algumas bases e compostos orgânicos Obs há ainda os compostos reticulares ou com rede covalente dotados de elementos que se distribuem em uma rede tridimensional inteira de átomos ligados covalentemente Podem aparecer sob a forma de substâncias elementares como o grafite e o diamante ou não elementares como é o caso da sílica ou óxido de silício SiO2s AS PRINCIPAIS CLASSES DE COMPOSTOS QUÍMICOS SUBSTÂNCIAS COMPOSTAS ÓXIDOS elemento E qualquer com carga x Ex ligado ao oxigênio fórmula geral E2Ox ÓXIDOS METÁLICOS compostos iônicos sólidos contendo um elemento metálico ligado ao átomo de oxigênio O por ligação iônica Podem formar soluções básicas em contato com a água 7 Ex Na2Os CaOs MgOs Cu2Os Al2O3s Fe2O3s etc Na2Os H2O 2NaOHaq hidróxido de sódio CaOs H2O CaOH2aq hidróxido de cálcio ÓXIDOS NÃO METÁLICOS compostos moleculares geralmente gasosos contendo um elemento não metálico ligado ao átomo de oxigênio O por ligações covalentes Podem formar soluções ácidas em contato com a água Ex CO2g COg SO2g SO3g NOg NO2g N2O4g N2O5g etc SO2g H2O H2SO3aq ácido sulfuroso SO3g H2O H2SO4aq ácido sulfúrico CO2g H2O H2CO3aq ácido carbônico ÁCIDOS substâncias moleculares ligações covalentes entre os átomos que sofrem ionização em contato com um solvente polar em geral H2O liberando íons hidrogênio H aq Ex HCl H2SO4 HNO3 HClO4 HF HClO H3PO4 CH3COOH etc HCl H2O H aq Cl aq H2SO4 H2O 2H aq SO4 2 aq HNO3 H2O H aq NO3 aq CH3COOH H2O H aq CH3COO aq A propriedade oxidante de um ácido se deve em geral aos íons H liberados em solução aquosa BASES substâncias iônicas ou moleculares que têm a capacidade de capturar ou neutralizar íons hidrogênio H em uma reação química geralmente em solução aquosa Ex amônia gasosa NH3 hidróxidos carbonatos bicarbonatos aminas amidas etc NH3g H2Ol NH4 aq OH aq molécula da amônia captura um íon H da água NaHCO3aq HClaq H2CO3aq NaClaq CO2g H2Ol NaClaq bicarbonato recebe íon H HIDRÓXIDOS fórmula geral MOHx Compostos iônicos sólidos que contêm cátions metálicos Mx ligados ionicamente ao radical OH íon hidroxila Possuem caráter básico liberando em solução aquosa íons OH aq Ex NaOH KOH CaOH2 BaOH2 FeOH2 FeOH3 CuOH2 etc NaOHs H2O Na aq OH aq KOHs H2O K aq OH aq BaOH2s H2O Ba2 aq 2OH aq O caráter básico será maior quanto maior for a quantidade de íons OH liberados já que ocorre a seguinte reação OH aq H aq H2Ol 8 SAIS compostos sólidos de caráter iônico obtidos na reação química entre um ácido e uma base reação de neutralização Fórmula geral de um sal CyAxs cátion Cx ligado a ânion Ay se x y CyAx fica CA de maneira que o cátion vem de uma base e o ânion vem de um ácido HClaq NaOHaq NaClaq H2O cátion Na veio da base e ânion Cl veio do ácido HNO3aq KOHaq KNO3aq H2O cátion K veio da base e ânion NO3 veio do ácido H2SO4aq CaOH2aq CaSO4aq 2H2O cátion Ca2 veio da base e ânion SO4 2 veio do ácido Ao se atacar um metal com um ácido forte podese produzir um sal desse metal e gás hidrogênio Zns 2HClaq ZnCl2aq H2g Fes H2SO4aq FeSO4aq H2g Alguns dos principais ânions inorgânicos comuns na química e exemplos de seus sais Ânions monoatômicos Cl cloretos NaCl FeCl2 CuCl2 Br brometos KBr I iodetos NaI KI ZnI2 F fluoretos KF CaF2 S2 sulfetos ZnS CuS Ag2S Ânions poliatômicos SO4 2 sulfato Al2SO43 FeSO4 PO4 3 fosfato Ca3PO42 AlPO4 SO3 2 sulfito Na2SO3 MnO4 permanganato KMnO4 NO3 nitrato AgNO3 CuNO32 CrO4 2 cromato Na2CrO4 NO2 nitrito NaNO2 Cr2O7 2 dicromato K2Cr2O7 CO3 2 carbonato CaCO3 Na2CO3 ClO hipoclorito NaClO HCO3 bicarbonato NaHCO3 IO3 iodato KIO3 Obs Há ainda alguns sais com cátions poliatômicos como o NH4Cl cloreto de amônio NH4 Cl e outros com cátions e ânions poliatômicos como por exemplo o NH42CO3 carbonato de amônio 2NH4 CO3 2 e o sulfato de amônio NH42SO4 2NH4 SO4 2 entre outros ELETRÓLITOS substâncias capazes de gerar cargas ou íons cátions e ânions em contato com um solvente polar O processo de geração de cargas pode se dar por dissociação se o composto for de caráter iônico ou por ionização se o composto for molecular Dissociações NaCls H2O Na aq Cl aq CuNO32s H2O Cu2 aq 2NO3 aq KOHs H2O K aq OH aq Al2SO43s H2O 2Al3 aq 3SO4 2 aq Ionizações HCl H2O H aq Cl aq H2SO4 H2O 2H aq SO4 2 aq HNO3 H2O H aq NO3 aq NH3g H2Ol NH4 aq OH aq COMPOSTOS ORGÂNICOS substâncias moleculares tais como os álcoois ex etanol CH3CH2OH os hidrocarbonetos ex CH4 C8H18 C2H4 C2H2 as cetonas ex acetona CH3COCH3 aldeídos ex formol HCHO os ácidos carboxílicos ex ácido acético CH3COOH os ésteres ex CH3COOCH3 os éteres ex CH3OCH3 as aminas ex metilamina CH3NH2 as amidas ex uréia NH2CONH2 entre outras 9 4 Números de oxidação NOXs NOX números de oxidação distribuição dos elétrons e entre os elementos ou átomos após as ligações químicas iônica ou covalente em um determinado composto seja num composto iônico molecular ou num íon molecular São úteis para se determinar se uma reação química aconteceu ou não com transferência de elétrons oxirredução entre as espécies reagentes REGRA GERAL a soma dos NOXs de todos os átomos que constituem um determinado composto será sempre igual à carga total desse composto 3 2 1 0 1 2 3 seja um composto molecular iônico ou íon poliatômico PRINCIPAIS NOXs A SABER 1º Substâncias elementares NOX 0 sempre Ex metais sólidos Fes Ags Cus Pbs Nas não metais Cs Ss e gases H2g N2g O2g Cl2g O3g 2º Elementos representativos colunas A da Tabela Periódica ligados a outros elementos Coluna 1A NOX 1 elementos doadores de 1 elétron átomos como Na K Li Cs ligados a não metais Ex NaCl KF Li2CO3 CsBr Coluna 2A NOX 2 elementos doadores de 2 elétrons átomos como Mg2 Ca2 Ba2 ligados a não metais Ex MgCl2 CaF2 BaOH2 Coluna 3A NOX 3 principalmente o alumínio Al doador de 3 e Al3 ligado a um não metal Ex Al2O3 AlCl3 AlOH3 Coluna 4A Carbono C NOX 4 4 2 2 e 0 compostos orgânicos etc Ex CO2 CH4 Silício Si NOX 4 Ex SiO2 Estanho Sn e Chumbo Pb NOX 2 4 Ex SnOH2 PbSO4 PbO2 Coluna 5A NOX 5 4 3 3 principalmente nitrogênio N e fósforo P Ex NH3 NO3 PO4 3 Coluna 6A NOX 6 4 2 2 enxofre S e NOX 2 oxigênio O Ex SO2 SO3 H2SO4 Coluna 7A NOX 7 5 3 1 1 para o cloro Cl bromo Br e o iodo I HBr NaIO3 HClO4 NOX 1 sempre para o flúor F NaF CaF2 HF Obs o NOX do cloro bromo e iodo Cl Br e I será igual a 1 quando tais elementos estiverem ligados a elementos metálicos em compostos de natureza iônica ou seja recebendo 1 e de um átomo metálico ou quando estiverem ligados por ligação covalente a elementos menos eletronegativos Coluna 8A gases nobres He Ne Ar Kr Xe NOX 0 substâncias elementares 3º Elementos de transição metais das colunas B da Tabela Periódica ligados a outros elementos ametais Fe Co Ni ferro cobalto e níquel NOX 2 3 Ag prata NOX 1 Cu Hg cobre e mercúrio NOX 1 2 Zn zinco NOX 2 Cr cromo NOX 6 3 Au ouro NOX 1 3 10 Mn manganês NOX 7 6 4 3 2 Cd cádmio NOX 2 4º Elemento oxigênio O sempre receberá dois elétrons em suas ligações químicas e NOX 2 Ex CaOs Na2Os H2Ol EXCEÇÃO peróxidos como H2O2 água oxigenada Li2O2 Na2O2 K2O2 onde NOX será 1 5º Elemento hidrogênio H sempre perderá seu único elétron em suas ligações químicas e NOX 1 Ex H2Ol CH4g HCHOl EXCEÇÃO hidretos metálicos compostos iônicos em que um metal qualquer doa um elétron ao átomo de hidrogênio sendo seu NOX 1 Ex NaHs LiHs MgH2s CaH2s Relação entre NOXs e a eletronegatividade dos elementos Nas ligações covalentes moléculas a distribuição dos elétrons e entre os átomos ligantes se dará de acordo com a diferença de eletronegatividade entre os mesmos Os átomos mais eletronegativos da ligação química irão concentrar mais elétrons e assim ter o seu NOX reduzido mais negativo Em moléculas mais complexas como as orgânicas os átomos centrais podem se repetir como é o caso do elemento carbono C Neste caso cada átomo que se repete na molécula poderá ter um NOX distinto Ao se aplicar a REGRA GERAL descrita anteriormente determinase o NOX médio do elemento na molécula em questão 11 Exemplos de aplicação Determinar o NOX do elemento carbono C nos seguintes compostos a seguir a CO2 gás carbônico b CH4 metano c CHCl3 clorofórmio d CO3 2 íon carbonato e CH3CH2OH álcool etílico f CH3COOH ácido acético 12 5 Reações químicas e cálculos estequiométricos REAÇÃO QUÍMICA transformação da matéria a nível molecular ocorrendo alteração na identidade ou composição química de um material ou materiais Em uma reação química compostos ou moléculas reagem entre si para a produção de novos compostos ou novas moléculas Seja uma reação química qualquer representada pela equação química balanceada ou equilibrada a seguir Toda reação química pressupõe colisões entre as espécies reagentes Na reação hipotética as moléculas B2 colidem com as moléculas A2 Se tais colisões tiverem energia o suficiente as ligações químicas que unem os átomos nas duas moléculas serão rompidas e novas ligações entre os elementos A e B poderão ser formadas ou seja novas moléculas serão produzidas AB3 Supondo o início da reação com quantidades molares iguais de reagentes as quantidades das substâncias A2 B2 e AB3 em mols podem ser analisadas com o passar do tempo onde t é o momento em que o processo químico atinge o equilíbrio A proporção material de consumo e formação mantida na reação é a seguinte cada 1 mol de moléculas A2 consome 3 mols de moléculas B2 para produzir 2 mols de moléculas AB3 Conhecendose as massas atômicas dos elementos químicos A e B tabela periódica é possível o cálculo das massas molares MM em gmol para cada umas das espécies químicas participantes da reação A2 B2 e AB3 Assim é possível se determinar a proporção mássica de consumo e formação mantida na reação química ESTEQUIOMETRIA corresponde ao cálculo das quantidades de reagentes necessários em uma transformação química para se produzir certa quantidade de produto ou produtos Permite também a previsão de qual reagente entra em excesso no processo e qual é o reagente limitante aquele que acaba primeiro e impede o avanço da reação química se a mesma apresentar 100 de conversão ou rendimento MASSA MOLAR MM expressa em gramas por mol gmol Numericamente é igual à massa atômica para um elemento químico qualquer ou igual ao somatório das massas atômicas de todos os átomos que constituem uma molécula substância elementar ou composta ou composto iônico 26 558Fe 6022x1023 átomos Fe 1 mol pesam juntos cerca de 558 gramas MMFe 558 gmol 29 635Cu 6022x1023 átomos Cu 1 mol pesam juntos cerca de 635 gramas MMCu 635 gmol 13 Molécula de água H2O 1 1H e 8 16O MMágua 21 16 18 gmol Assim 6022x1023 moléculas H2O 1 mol pesam todas juntas cerca de 18 gramas Exemplo de aplicação 01 Qual é a massa molar MM da molécula de álcool etílico ou etanol CH3CH2OH em gmol Exemplo de aplicação 02 Se a reação química A2 3B2 2AB3 descrita anteriormente correspondesse à reação industrial N2g 3H2g 2NH3g qual seria proporção material mássica mantida no processo 7 14N e 1 1H N2 MM 214 28 gmol H2 MM 21 2 gmol NH3 MM 14 31 17 gmol 1 mol de N2g consome 3 mols de H2g para formar 2 mols de NH3g Assim a cada 28 gramas de N2g consumidos 6 gramas de H2g serão consumidos para se produzir 34 gramas de NH3g Pergunta Se 100 gramas de N2g reagirem completamente com 50 gramas de H2g determine qual é o reagente em excesso qual é o limitante e qual a quantidade de gás NH3 produzida Exemplo de aplicação 03 O ferro gusa é o produto imediato da redução térmica do minério de ferro ou óxido de ferro hematita Fe2O3s pelo coque ou carvão Cs e calcário CaCO3s no interior de um alto forno O ferro gusa normalmente contém até 5 de carbono o que faz com que resulte em um material quebradiço e sem grandes usos diretos Na figura ao lado é mostrado um esquema de um alto forno A rocha calcária é utilizada como fundente no processo e quando decomposta termicamente remove impurezas do minério de ferro como a sílica SiO2s O alto forno é aquecido na parte inferior com ar quente e alimentado na parte superior com minério de ferro carvão e calcário de maneira que o ferro líquido Fe e a escória CaSiO3 subproduto do processo são obtidos na parte inferior De maneira simplificada as reações químicas balanceadas que ocorrem no interior de um alto forno durante a produção do ferro gusa são Fe2O3s 3Cs 2Fel 3COg Fe2O3s 3COg 2Fel 3CO2g Como um produto da primeira reação é o reagente da segunda monóxido de carbono COg as duas equações podem ser somadas e simplificadas encontrandose a reação total ou global Processo químico global ou total 2Fe2O3s 3Cs 4Fel 3CO2g 14 Se a cada hora de operação 1 tonelada ton de minério de ferro Fe2O3s contendo 20 de impurezas for alimentado ao alto forno e por algum fator o processo químico apresentar conversão de aproximadamente 70 calcule através de cálculos estequiométricos a A quantidade de ferro Fe em ton obtida a cada hora b A quantidade de gás carbônico CO2 em ton liberada na atmosfera a cada hora c Utilizando a lei de conservação da massa em reações químicas e sabendo que o carvão utilizado no processo apresenta em média 85 de carbono Cs qual a quantidade mínima de coque deverá ser alimentada ao forno em ton a cada hora de operação 15 6 Reações eletroquímicas oxirredução 16 Exemplo 01 Corrosão atmosférica de estruturas de ferro e aço através da seguinte reação química balanceada 2Fes 2 3 O2g 3H2Ol 2FeOH3s Elemento oxidado Elemento reduzido Agente oxidante Agente redutor Número de mols de elétrons e transferidos na reação Exemplo 02 Alumínio metálico sólido Als reage em meio ácido formando o alumínio oxidado com liberação de gás hidrogênio Equação química balanceada para a reação 2Als 6HClaq 2AlCl3aq 3H2g Elemento oxidado Elemento reduzido Agente oxidante Agente redutor Número de mols de elétrons e transferidos na reação Exemplo 03 Um fio de cobre metálico Cus é colocado em uma solução aquosa de nitrato de prata AgNO3aq Observamse coloração azulada da solução devido à formação dos íons Cu2 aq a formação de cristais de prata metálica reduzida sobre a superfície do cobre metálico e uma perda de massa do fio de cobre 17 Exemplo 04 Por aquecimento o clorato de potássio dá origem ao gás oxigênio e ao cloreto de potássio 2KClO3g 2KClg 3O2g Elemento oxidado Elemento reduzido Agente oxidante Agente redutor Número de mols de elétrons e transferidos na reação 18 7 Balanceamento de reações químicas de oxirredução Quando uma reação química ocorrer com a transferência de elétrons entre uma espécie oxidada agente redutor e uma espécie reduzida agente oxidante sempre haverá variação do número de oxidação NOX de algum elemento que constitui essas espécies Sempre haverá um elemento ou átomo oxidado que perde elétrons e tem seu NOX elevado e outro elemento ou átomo reduzido que recebe elétrons e tem seu NOX diminuído Com o intuito de se realizar um cálculo estequiométrico para a reação em questão determinar seu rendimento prever a quantidade de produtos gerados ou ainda se conhecer qual é o reagente limitante da reação química a equação que representa a mesma deverá estar escrita na forma balanceada ou equilibrada tanto na quantidade de átomos quanto nas cargas totais lado a lado MÉTODO DAS SEMIREAÇÕES QUÍMICAS PARA O BALANCEAMENTO DE REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO 1º passo Determinar os NOXs dos elementos para se conhecer quem são os agentes oxidante que reduz e redutor que oxida 2º passo Escrever as semireações de oxidação e de redução balanceando antes os átomos que oxidaram e reduziram e utilizando elétrons e A quantidade de elétrons perdida pela espécie oxidada é igual à variação de NOX NOX do elemento oxidado multiplicada pelo no de átomos oxidados assim como a quantidade de elétrons recebida pela espécie reduzida é igual à variação de NOX NOX do elemento reduzido multiplicada pelo no de átomos reduzidos 3º passo Como aparecem elétrons livres nas duas semireações balancear as cargas de ambas lado a lado com íons H aq se o meio predominante da reação for ácido ou com íons OH aq se o meio predominante da reação for básico em quaisquer dos lados das semi reações 4º passo Balancear os átomos de hidrogênio H e oxigênio O lado a lado nas duas semi reações com moléculas de água H2O em quaisquer dos lados visto que a grande maioria das reações químicas acontece em meios aquosos 5º passo Igualar as quantidades de elétrons perdida e recebida nas semireações de oxidação e de redução multiplicando as mesmas por quaisquer coeficientes numéricos Evitar coeficientes fracionários 6º passo Somar algebricamente as duas semireações de oxidação e redução cancelando os mols de elétrons de ambas e fazendo as demais simplificações das espécies químicas que aparecem nos dois lados das semireações 7º passo Encontrar a reação global balanceada A quantidade de átomos e a carga total deverão ser as mesmas nos dois lados da reação química encontrada EXEMPLO O alumínio metálico Al sofre degradação em meio aquoso básico OH aq segundo a seguinte reação química não balanceada mostrada Balanceiea Als H2Oaq AlOH4 aq H2g 19 Somandose algebricamente as suas semireações de oxidação e redução balanceadas tem se que 2Al 8OH 2AlOH4 6e 6H2O 6e 3H2 6OH Reação química global 2Als 6H2Oaq 2OH aq 2AlOH4 aq 3H2g Obs note que as cargas totais nos dois lados do processo global são iguais a 2 existem 2 mols de átomos de Al 14 mols de átomos de H e 8 mols de átomos de O em ambos os lados da equação química que representa a reação Exemplo de aplicação 01 Balancear a seguinte reação química que ocorre em meio aquoso ácido Fe2 aq MnO4 aq H aq Fe3 aq Mn2 aq H2Ol roxo incolor Elemento oxidado Elemento reduzido Agente oxidante Agente redutor Semireação de oxidação Semireação de redução Reação global balanceada Número de mols de e transferidos 20 Exemplo de aplicação 02 Balancear a seguinte reação química em meio aquoso ácido explicitando quem são os elementos oxidado e reduzido e quais são os agentes oxidante e redutor do processo químico CH2Oaq SO4 2 aq H aq H2Sg CO2g H2O Exemplo de aplicação 03 Balancear a seguinte reação química em meio aquoso ácido explicitando quem são os elementos oxidado e reduzido e quais são os agentes oxidante e redutor do processo químico IO3 aq HSO3 aq H aq I2s HSO4 aq H2O 21 8 Potenciais padrão de redução EoV a 25oC concentrações iônicas aquosas de 1 molL Semireação de redução EoV aumenta força do agente oxidante aumenta força do agente redutor 22 Um eletrodo consiste basicamente da colocação do material reduzido sólido ex metal em contato com sua espécie oxidada em solução aquosa cátion metálico em solução O eletrodo também pode ser formado através da mistura das espécies oxidada e reduzida em solução aquosa ao mesmo tempo ex Fe2 aq com Fe3 aq ou Sn4 aq com Sn2 aq em contato com um material inerte sólido e condutor ex platina Pt ou grafite Os cátions metálicos vêm da dissolução de um sal sólido eletrólito do metal em água por exemplo soluções aquosas de ZnCl2 FeCl2 ZnSO4 FeSO4 etc Os potencias de redução das mais variadas espécies foram determinados conectandose seus eletrodos ao eletrodo padrão de hidrogênio EPH em uma célula voltaica simples conforme mostrado na figura abaixo 23 Para o eletrodo contendo zinco metálico Zn por exemplo A tensão elétrica lida no voltímetro é de aproximadamente 076 V ou seja o potencial padrão de oxidação do metal zinco é de 076 V Semireação de oxidação anodo Zns Zn2 aq 2e EoVoxidação 076 V Semireação de redução catodo 2H aq 2e H2g EoVredução 00 V Reação química global Zns 2H aq Zn2 aq H2g EoV 076 V 25 O potencial de redução fora das condições padrão E de um eletrodo em V pode ser calculado ao se variar a temperatura e a concentração dos seus íons em solução aquosa através da seguinte equação conhecida como Equação de Nernst onde R constante universal 8314 J mol1 K1 T é a temperatura do eletrodo em graus K K oC 273 F constante de Faraday 96500 coulombs C por mol de elétrons e carga elétrica transportada por 1 mol de e em um circuito elétrico e n é o número de mols de elétrons recebidos na semireação de redução ex Fe2 aq recebem 2 mols de e para formar Fes O quociente de reação para um eletrodo qualquer produto reagente pode envolver materiais sólidos cuja concentração é sempre constante e igual a 1 íons em solução aquosa com concentração em molL e gases cujas concentrações equivalem à pressão com que são injetados no eletrodo atm bar Por exemplo no eletrodo de hidrogênio cuja semireação de redução é 2H aq 2e H2g o quociente de reação será a pressão parcial do gás H2 PH2 dividida pela concentração aquosa em molL dos íons H elevada ao quadrado H aq2 Em um eletrodo de zinco metálico por exemplo cuja semireação de redução é Zn2 aq 2e Zns o quociente de reação será 1 Zn metálico sólido dividido pela concentração aquosa em molL de íons Zn2 Zn2 aq Exemplo de aplicação 01 Calcular o potencial de um eletrodo composto por ferro sólido Fes em contato com cátions ferrosos dissolvidos em solução aquosa Fe2 aq a 02 molL de concentração sob 25oC de temperatura 26 9 Critérios de espontaneidade de reações eletroquímicas 27 Com base nas informações anteriores determinar por via de cálculos qual dos processos eletroquímicos abaixo é espontâneo e qual não é espontâneo Exemplo 01 Oxidação de íons estanho II a íons estanho IV por íons permanganato em solução aquosa ácida com formação do íon manganês II 5Sn2 aq 2MnO4 aq 16H aq 5Sn4 aq 2Mn2 aq 8H2O Exemplo 02 Oxidação do metal ouro Au com utilização do gás cloro Cl2g em solução aquosa 2Aus 3Cl2g 2Au3 aq 6Cl aq Exemplo 03 Uma solução aquosa de sulfato de ferro FeSO4aq pode ser armazenada em um tanque confeccionado com metal zinco Zns sem o tanque sofrer dano por oxidação eletroquímica Demonstre através de reações químicas e cálculos 28 10 As células voltaicas simples ou pilhas PILHAS dispositivos que utilizam uma reação eletroquímica espontânea E0 para produzir ou gerar uma determinada quantidade de energia elétrica ou corrente elétrica Consistem basicamente da conexão elétrica de dois eletrodos distintos através de circuito elétrico empregandose uma ponte salina com eletrólito dissolvido em água para se realizar o fechamento do circuito aquoso da pilha ou célula conforme mostrado na figura a seguir Podese ter por exemplo dois eletrodos I e II sendo o eletrodo I de um metal M em contato com uma solução iônica aquosa contendo íons Mn aq e o eletrodo II de um outro metal N em contato com uma solução aquosa contendo íons Nn aq Como os eletrodos I e II unidos apresentam potenciais de redução EV distintos surgirá uma diferença de potencial ddp entre os dois força motriz necessária para a ocorrência do processo eletroquímico e consequentemente ocorrerá um fluxo de elétrons entre os dois eletrodos através da fiação que os une e assim haverá corrente elétrica i circulando através da célula Essa corrente elétrica se dará através da movimentação de elétrons e no fio metálico que une os dois eletrodos e através da movimentação de cargas ou íons cátions C e ânions A através da ponte salina e das soluções aquosas dos eletrodos O eletrodo que apresentar menor tendência à redução EVredução mais baixo cederá elétrons ao circuito elétrico oxidando o material sólido em contato com a solução aquosa enviando íons cátions metálicos à mesma ao passo que o eletrodo que apresentar maior tendência à redução EVredução mais alto receberá elétrons do circuito elétrico reduzindo os íons cátions metálicos presentes na solução aquosa ANODO cede elétrons ao circuito oxidandose semireação de oxidação EVredução menor CATODO captura elétrons do circuito reduzindose semireação de redução EVredução maior A voltagem em volts V gerada pela pilha pode ser determinada por um voltímetro conectado em paralelo aos dois eletrodos e será aproximadamente igual à diferença de potencial elétrico E0 da reação química espontânea que ocorre na célula a depender da concentração aquosa molL de íons em cada eletrodo e da temperatura de operação Equação de Nernst Por exemplo se na célula voltaica anterior o EVredução do eletrodo NsNn aq for menor que o do eletrodo MsMn aq o metal N será oxidado no anodo da célula liberando elétrons no 29 circuito elétrico e injetando na solução mais íons Nn aq enquanto cátions Mn aq serão retirados da solução e reduzidos no catodo ao capturarem elétrons do circuito elétrico Com o passar do tempo o metal N perde massa e o metal M ganha massa Para balancear as cargas da célula os cátions C aq da ponte salina serão atraídos pelo catodo e os ânions A aq serão atraídos pelo anodo não há fluxo de e em solução Considerando a pilha como um circuito fechado a corrente elétrica convencional i que circula na mesma segue o sentido contrário do fluxo de elétrons saindo do metal M passando pelo circuito fio até o metal N abandonando o mesmo e entrando na solução passando pela ponte salina até abandonar a solução e retornar ao metal M Exemplos de aplicação Como descrito anteriormente descreva o funcionamento das células ou pilhas eletroquímicas compostas pelos seguintes eletrodos a seguir 30 c Determinar a tensão gerada por uma célula voltaica composta por um eletrodo de alumínio metálico Als em solução aquosa de íons Al3 em concentração de 0001 molL e por um eletrodo de níquel metálico Nis em solução aquosa de íons Ni2 em concentração de 050 molL 31 d PbsPb2 aq 1 molL e SnsSn2 aq 1 molL e PbsPb2 aq 0001 molL e SnsSn2 aq 01 molL As pilhas galvânicas ou células voltaicas simples Representação da célula voltaica As A n aq 10 M B m aq 10 M B s Os íons dos metais empregados nas 2 meiascélulas são oriundos de sais solúveis nitratos sulfatos etc Semireação de oxidação ANODO A s A n aq ne Semireação de redução CATODO B m aq me B s As pilhas galvânicas ou células voltaicas simples Encontrando a reação global para a célula ou pilha sem a presença dos elétrons livres As A n aq ne xα EºV B m aq me B s xβ EºV αA s βB m aq αA n aq βB s αAs βBNO3maq αANO3naq βBs para um meio de nitratos por ex A variação de potencial ΔE calculada para a reação eletroquímica da pilha será aproximadamente igual à voltagem experimental lida no voltímetro ligado em paralelo aos dois eletrodos das meiascélulas da pilha 34 f Descrever o funcionamento de uma célula voltaica que utiliza eletrodos com os metais ferro Fe e cobre Cu em soluções aquosas de sulfato de ferro II 1 M e sulfato de cobre II 1 M respectivamente e uma ponte salina de NaClaq Qual o valor da tensão gerada pela reação da célula lida no voltímetro ligado em paralelo aos eletrodos de ferro e cobre Relação entre potencial padrão de uma célula voltaica e equilíbrio químico Na seguinte célula voltaica composta pelos eletrodos A e B temse que quando a reação atinge o equilíbrio ΔE célula 00 V Supondose que Eº redução A n Eº redução B m e que n m temos que a 25ºC ΔE ΔEº 00257 nº mols e ln A n B m 0 ΔEº 00257 nº mols e lnK lnK nº mols e ΔEº 00257 À medida em que a reação avança e reagentes são convertidos em produtos a voltagem ou tensão da pilha ou célula diminui e tende ao valor de zero quando a reação atinge o equilíbrio g Determinar a relação entre as concentrações iônicas de Fe 2 aq e Cd 2 aq em uma pilha galvânica ou célula voltaica composta pelos elementos metálicos ferro Fe s e cádmio Cd s quando a reação eletroquímica atinge o equilíbrio semireação anódica Fe s Fe 2 aq 2e EºV 044 V semireação catódica Cd 2 aq 2e Cd s EºV 040 V reação global Fe s Cd 2 aq Fe 2 aq Cd s ΔEºV célula 004 V ln Fe 2 Cd 2 2 004 00257 ln Fe 2 Cd 2 3113 Fe 2 225 Cd 2 36 h Em um laboratório de química desejase constituir uma célula voltaica padrão sob 25oC de temperatura com dois eletrodos constituídos de materiais metálicos diferentes mergulhados em soluções aquosas cada metal M em contato com o seu íon comum Mn Para tanto encontramse disponíveis os seguintes reagentes sólidos e líquidos com elevado grau de pureza Materiais metálicos Soluções aquosas 1 molL Prata Ags Nitrato de prata aquoso AgNO3aq Níquel Nis Nitrato de níquel II aquoso NiNO32aq Cobre Cus Nitrato de cobre II aquoso CuNO32aq Conforme mostrado esquematicamente na figura anterior identificar qual a célula voltaica padrão que possui seus eletrodos conectados em série a uma lâmpada acesa que consome aproximadamente 00563 kWh quilowatthora Lembrar que 1 J 1 C x V e 1 W 1 J x s1 onde J Joule C Coulomb V Volt W Watt e s segundo Escrever as semireações anódica e catódica e a reação química global que acontece na mesma Se as concentrações iônicas aquosas nos 2 eletrodos anodo e catodo forem diluídas em 2000 vezes qual vai ser a energia elétrica gerada pela célula voltaica formada em kWh 37 11 As pilhas e baterias comerciais 38 Nelas o zinco Zn e o óxido de zinco ZnO são separados por um papel úmido de uma pasta de óxido de mercúrio HgO misturado com grafite sendo o sistema umedecido por solução aquosa de NaOH ou KOH hidróxido de sódio ou de potássio Reação química da pilha em meio básico HgOs Zns Hgl ZnOs Semireção anódica Semireação catódica Reação global 39 Consistem de placas grades positivas de chumbo preenchidas com óxido de chumbo PbO2 e placas grades negativas de chumbo preenchidas com chumbo esponjoso Pb arranjados de forma alternada e separadas por fibra de vidro sendo o sistema imerso em ácido sulfúrico aquoso H2SO4aq Cada célula voltaica produz cerca de 20 V sendo a bateria composta por 6 células conectadas em série produzindo um total de 120 V Baterias Comerciais Reação química de uma bateria de chumbo não balanceada Pb s H2SO4aq PbO2s PbSO4s H2O l Semireação anódica Semireação catódica Reação global balanceada AS PILHAS ALCALINAS são capazes de produzir uma voltagem de 15 V através da reação eletroquímica entre o zinco metálico Zn s e o dióxido de manganês MnO2s na presença de um eletrólito alcalino em geral o hidróxido de potássio aquoso KOHaq Zn s MnO2s Mn2O3s ZnOs Encontrar as semireações anódica e catódica e a reação global balanceadas Baterias Comerciais As baterias recarregáveis de íons de lítio Li são capazes de produzir uma voltagem de 34 V constituídas de um anodo carbonáceo grafite misturado com lítio metálico Li e um catodo contendo óxido de metal de transição por exemplo CoO2 que pode se ligar a íons de lítio Li Devido à elevada reatividade do lítio metálico em geral é usado na célula um eletrólito não aquoso solvente orgânico com algum sal dissolvido Semireação anódica Lis Li e Semireação catódica Li CoO2s e LiCoO2s Reação global balanceada Lis CoO2s LiCoO2s 42 12 Células eletrolíticas e eletrólises ELETRÓLISE reação eletroquímica não espontânea induzida por corrente elétrica ou potencial elétrico ΔE externo Diferentemente das pilhas ou células voltaicas o processo eletrolítico não visa produzir energia elétrica a partir de uma reação química de oxirredução espontânea e sim obter determinados tipos de produtos tais como revestimentos metálicos protetores gases etc Uma célula eletrolítica qualquer consiste basicamente de dois eletrodos de materiais condutores inertes ou reativos inseridos em um meio iônico condutor na forma de sólidos iônicos fundidos ou soluções aquosas contendo eletrólitos solúveis dissolvidos sais ácidos fortes ou alguns hidróxidos Os dois eletrodos do processo são conectados aos terminais e de uma bateria ou fonte externa de corrente contínua cc de maneira que ANODO polo positivo perde elétrons e para o circuito externo fica carregado positivamente atrai os ânions A do meio eletrolítico para sofrerem oxidação CATODO polo negativo recebe os elétrons e do circuito externo da célula carregado negativamente atrai os cátions C do meio eletrolítico para sofrerem redução O fluxo real e forçado de cargas do processo consiste de elétrons e circulando do anodo em direção ao catodo no circuito externo da célula e no meio eletrolítico no qual são inseridos os dois eletrodos temse a movimentação de cátions C em direção ao catodo e de ânions A em direção ao anodo Considerando a célula formada como um circuito fechado a corrente elétrica de sentido convencional i que circula no processo parte do catodo em direção ao anodo no circuito externo e no meio eletrolítico abandona o anodo e segue em direção ao catodo ELETRÓLISE ÍGNEA passagem de corrente elétrica por um sólido de natureza iônica fundido no estado líquido Necessidade de aplicação de elevadas temperaturas e corrente elétrica externa Exemplo de aplicação Eletrólise ígnea da bauxita ou óxido de alumínio Aℓ2O3s para a obtenção do alumínio metálico sólido Aℓ2O3s calor 2Aℓ3 ℓ 3O2 ℓ fusão da bauxita com geração dos cátions de alumínio e dos ânions óxido no estado líquido Semireação anódica polo 3O2 ℓ 2 3 O2g 6e Semireação catódica polo 2Aℓ3 ℓ 6e 2Aℓ s Reação química global Aℓ2O3s calor eletricidade 2 3 O2g 2Aℓ s ELETRÓLISE AQUOSA passagem de corrente elétrica por uma solução aquosa contendo eletrólito solúvel dissolvido como por exemplo soluções aquosas de ácidos fortes hidróxidos bases e sais solúveis em água Presença da água substância eletroativa capaz de sofrer tanto oxidação quanto redução em processos eletroquímicos 43 Assim a água disputará pelo processo de oxidação com os ânions dissolvidos e disputará pelo processo de redução com os cátions dissolvidos em solução aquosa segundo a seguinte linha de tendência relativa mostrada a seguir a depender das concentrações molL e dos potenciais padrão EoV de redução e de oxidação das espécies dissolvidas Exemplo de aplicação 01 Descrever a eletrólise de uma solução aquosa do sal iodeto de sódio NaIs dissolvido em água NaI Na aq I aq dissociação iônica do eletrólito dissolvido em água A molécula da água apresenta maior facilidade em reduzir do que o cátion aquoso Na Todavia possui menor tendência a oxidar em relação ao ânion iodeto aquoso I Dessa forma teremos Semireação anódica polo 2I aq I2s 2e o produto anódico é o iodo molecular I2 Semireação catódica polo 2H2Ol 2e H2g 2OH aq os produtos catódicos são o gás hidrogênio H2 e a base OH Reação química global iônica 2I aq 2H2Ol I2s H2g 2OH aq Reação química global molecular 2NaIaq 2H2Ol I2s H2g 2NaOHaq Através da aplicação de potencial elétrico externo verificase que os elétrons e fluem do polo positivo anodo para o polo negativo catodo no circuito externo Já na solução aquosa os cátions Na aq fluem em direção ao catodo ao passo que os ânions I aq fluem em direção ao anodo completando o circuito eletrolítico ΔE EoxidaçãoI EreduçãoH2O ΔE 053 V 083 V 136 V ΔE0 processo não espontâneo ou seja para desencadear a reação química descrita é necessário aplicar aos eletrodos uma diferença de potencial elétrico E de pelo menos 136 volts 44 Exemplo de aplicação 02 Conforne realizado no exemplo anterior descrever o processo de eletrólise de uma solução aquosa de ácido clorídrico concentrado HClaq encontrando a reação global mais provável para o processo e calculando a variação de potencial elétrico para a reação eletroquímica Eo interpretando o valor encontrado Exemplo de aplicação 03 Conforne realizado no exemplo anterior descrever o processo de eletrólise de uma solução aquosa de sulfato de cobre CuSO4aq encontrando a reação global mais provável para o processo e calculando a variação de potencial elétrico para a reação eletroquímica Eo interpretando o valor encontrado 45 13 Eletrólise quantitativa Lei de Faraday Reações eletroquímicas A Lei de Faraday para o processo de eletrólise Encontrando a reação global balanceada para o processo de eletrólise do sulfato de cobre 2Cu2aq 4e 2Cus 2H2Ol O2g 4Haq 4e 2Cu2aq 2H2Ol O2g 4Haq 2Cus ou 2CuSO4aq 2H2Ol O2g 2H2SO4aq 2Cus Reações eletroquímicas A Lei de Faraday para o processo de eletrólise 2CuSO4aq 2H2Ol O2g 2H2SO4aq 2Cus A reação acontece em tal estequiometria para cada 4 mols de elétrons transferidos do anodo para o catodo Sabendose que a carga aplicada à solução Q é igual a corrente x tempo i x t temse que 1 mol de e 96500 C 2 mols de Cu 4 mols de e x mols de e i x t y mols de Cu x mols de e 1 mol de Cu 6355 gramas y mols de Cu z gramas de Cu z massa de Cus formada no catodo da célula em gramas 47 Se durante a eletrólise da solução aquosa de sulfato de cobre CuSO4 for aplicada uma corrente elétrica i de 20 amperes A durante 45 minutos quais serão as quantidades de cobre sólido Cus e de gás oxigênio O2g formados em gramas g ao final do processo 48 14 Eletrólise com eletrodos ativos eletrodeposição de metais e eletrólise em série ELETRÓLISE COM ELETRODOS ATIVOS consiste em se conectar aos polos da fonte geradora de corrente contínua cc materiais sólidos reativos como por exemplo metais Fes Cus Sns etc ao invés de materiais inertes como o grafite ou a platina Pt O material conectado ao terminal positivo na fonte anodo sofrerá oxidação induzida por aplicação de corrente externa Exemplos corrosão eletrolítica e refino de metais Exemplo de aplicação 01 Em um processo eletrolítico eletrodos de ferro metálico Fe são conectados aos terminais de uma fonte de corrente contínua cc e inseridos em uma solução aquosa de sulfato de zinco ZnSO4aq Responda aos seguintes itens a No começo do processo eletrolítico quais seriam os semiprocessos químicos anódico catódico e o processo químico global b Se os eletrodos possuem dimensões de 08 x 08 x 40 cm e a densidade do ferro metálico Fe é de 7874 kgm3 determine em quanto tempo a barra de ferro anódica será totalmente consumida se for aplicada ao processo eletrolítico uma corrente de 645 A c Após tempo suficiente explique qual a nova semireação catódica que poderá passar a acontecer na eletrólise descrita 49 ELETRODEPOSIÇÃO DE METAIS passagem de corrente elétrica por uma solução aquosa portadora de cátions aquosos dissolvidos redutíveis de algum metal Esses cátions são derivados de algum sal sulfato nitrato cloreto ou de composto eletrolítico solúvel dissolvido na água sendo o eletrodo a ser recoberto conectado ao catodo da célula eletrolítica Exemplos os processos de galvanoplastia eletrodeposição do cátion zinco Zn2 aq de cromagem eletrodeposição de cátions cromo Cr3 aq e de niquelação eletrodeposição do cátion níquel Ni2 aq entre outros Para se calcular a quantidade de metal eletrodepositado no catodo da célula de eletrólise utilizase a lei de Faraday e as suas consequências quantitativas 1 mol e transportam uma carga elétrica teórica de 96500 coulombs C t i Q a razão entre a carga elétrica Q aplicada em C coulombs pelo tempo t de operação em s segundos é igual à magnitude da corrente elétrica i em A amperes Volume da película de metal Área imersa x espessura da película eletrodepositado do eletrodo eletrodepositada V A x e Densidade ρ do metal eletrodepositado V m Densidade de corrente di dos eletrodos A i di Exemplo de aplicação 02 Sob 20 A de corrente elétrica e durante uma hora e meia de operação um eletrodo inerte de platina Pt é conectado ao anodo e um eletrodo de ferro metálico Fe é conectado ao catodo de uma fonte de corrente contínua cc estando ambos inseridos numa solução aquosa contendo nitrato de níquel II NiNO32aq Se os eletrodos possuem as mesmas dimensões anteriormente citadas e a densidade ρ do metal níquel Ni vale 8908 kgm3 determine a Qual a espessura e da película de Nis eletrodepositada em mm milímetros b Qual a densidade de corrente di dos eletrodos empregados no processo em Acm2 50 ELETRÓLISES EM SÉRIE consistem na aplicação de potencial elétrico E externo corrente elétrica externa a duas ou mais eletrólises simples através de uma única fonte geradora de corrente contínua cc O circuito formado será em série e assim a corrente elétrica i encontrará apenas um caminho a ser percorrido Consequentemente a carga elétrica Q que circula em cada uma das eletrólises do circuito formado deverá ser a mesma Lei de Ohm E R x i a tensão elétrica aplicada a um circuito é igual a sua resistência vezes a corrente elétrica gerada Quanto maior o potencial elétrico E aplicado maior será a corrente elétrica i que circula no processo para uma mesma resistência R Exemplo de aplicação 03 Se a eletrólise do nitrato de níquel II for executada em série com outra célula contendo cloreto de cromo aquoso CrCℓ3aq durante o mesmo tempo de operação e sob a mesma corrente elétrica i 15 h e 20 A determine a Identifique os anodos e catodos do processo eletrolítico e mostre o fluxo de e que ocorre entre eles após a ligação da fonte geradora cc b Escrevas as semiequações anódicas catódicas e as equações químicas globais para as reações que ocorrem em cada uma das 2 células eletrolíticas conectadas em série c Quais as quantidades em gramas g de produtos metálico e gasoso obtidas na segunda célula contendo CrCℓ3aq d A tensão elétrica E em volts V aplicada ao processo deverá ser maior ou menor do que na eletrólise com célula única contendo NiNO32aq Explique 51 ED1 Exercícios sobre compostos químicos e ligações químicas números de oxidação NOXs reações químicas e estequiometria 1 Para cada um dos compostos abaixo explicar qualis ésão compostos por íons ou cargas e qualis formam moléculas a Al2O3 óxido de alumínio e ZnS sulfeto de zinco b CaCl2 cloreto de cálcio f CH4 metano c NO2 dióxido de nitrogênio g CHCl3 clorofórmio d NaOH hidróxido de sódio h HNO3 ácido nítrico 2 Determine os números de oxidação NOXs dos seguintes elementos nos seguintes compostos abaixo citados a HBrO3 elemento bromo b HNO2 elemento nitrogênio c HNO3 elemento nitrogênio d HSO3 elemento enxofre e PO4 3 elemento fósforo f NaHSO4 elemento enxofre g FeOOH elemento ferro h HCOOH ou CH2O2 elemento carbono i C2O4 2 elemento carbono j PbO2 elemento chumbo 3 Escreva as equações químicas de dissociação ou ionização dos compostos citados em solução aquosa explicando quando ocorre um processo e quando ocorre o outro a KF fluoreto de potássio b NaI iodeto de sódio c NaHCO3 bicarbonato de sódio d HClO4 ácido perclórico e HIO3 ácido iódico k CuNO32 nitrato de cobre l FeSO4 sulfato ferroso m KOH hidróxido de potássio n H2SO4 ácido sulfúrico o HClO ácido hipocloroso f BaOH2 hidróxido de bário p CaF2 fluoreto de cálcio g Ca3PO42 fosfato de cálcio q HCN ácido cianídrico h KBr brometo de potássio r K2CrO4 cromato de potássio i K2Cr2O7 dicromato de potássio s CaHCO32 bicarbonato de cálcio j K2SO4 sulfato de potássio t CH3COOH ácido acético 4 Observe as seguintes equações iônicas de reações eletroquímicas não balanceadas Escreva as equações químicas balanceadas para as mesmas conhecendo os meios em que cada uma ocorre a Mn2 aq O2g MnO2s H2Ol em meio aquoso ácido b Nas H2Ol Na aq H2g em meio aquoso básico c NO2 aq Als NH3g AlOH4 aq em meio aquoso básico d CH3CH2OHaq NO3 aq CO2g NO2 aq em meio aquoso ácido e C6H12O6aq NO3 aq CO2g N2g em meio aquoso ácido 5 Dentre as reações químicas moleculares não balanceadas mostradas abaixo determinar quais ocorrem com transferência de elétrons e quais não ocorrem Depois balancear as 52 reações que ocorrem com oxirredução observando o meio em que ocorrem e especificando qual é a espécie oxidada e qual é a espécie reduzida 6 Durante a corrosão atmosférica das estruturas de ferro e aço ocorre geralmente a reação química balanceada mostrada a seguir Durante um determinado processo 100 gramas de ferro metálico são completamente consumidos em contato com uma atmosfera confinada contendo aproximadamente 100 gramas de vapor dágua Com base nas informações dadas responder às seguintes questões 2Fes 2 3 O2g 3H2Ol 2FeOH3s a Esta é uma reação de oxirredução Se sim quantos mols de elétrons e são transferidos na reação e entre quais reagentes b Qual é a quantidade de gás oxigênio O2g consumida na reação em gramas c Qual é a quantidade de ferrugem FeOH3s formada no processo em gramas d É correta a afirmação de que sobrará vapor dágua ao final da reação química descrita Justifique sua resposta 7 Observe a seguinte reação química balanceada mostrada abaixo comum em processos de degradação da rocha calcária pela ação de precipitações atmosféricas ácidas CaCO3s H2SO4aq CaSO4aq CO2g H2Ol a Justifique se a reação descrita ocorre ou não com transferência de elétrons b Determine quantos gramas de ácido sulfúrico H2SO4 são necessários para se formar 65 gramas de sulfato de cálcio CaSO4 c Quantos gramas de rocha calcária CaCO3 serão gastos no processo 8 Observe a seguinte reação química não balanceada abaixo que ocorre em meio aquoso Depois responda às perguntas a seguir KMnO4aq HClaq KClaq MnCl2aq Cl2g H2Oaq a A reação química mostrada acima ocorre com transferência de elétrons ou oxirredução Justifique sua resposta b Quem é o agente oxidante e quem é o agente redutor da reação c Observando o meio em que ocorre a reação química balanceiea d Se 200 gramas de KMnO4 forem colocados para reagir com 400 gramas de HCl qual será o reagente limitante da reação química e qual dos reagente estará em excesso Explique com base em cálculos estequiométricos e Supondo 100 de rendimento da reação química qual quantidade de gás cloro Cl2 em gramas será formada no processo 53 ED2 Exercícios sobre reações eletroquímicas e células voltaicas 1 Balancear as seguintes reações eletroquímicas em meio aquoso especificando quem é o agente oxidante e quem é o agente redutor e quantos mols de elétrons n são transferidos a Br aq MnO4 aq MnO2s BrO3 aq meio básico b I aq MnO2s I2aq Mn2 aq meio ácido c Ags NO3 aq NO2g Ag aq meio ácido d Crs NO3 aq Cr3 aq NOg meio ácido e CrO4 2 aq SO3 2 aq CrOH3s SO4 2 aq meio básico f Zns CuOH2s ZnOH4 2 aq Cus meio básico g Ags F2g Ag2Os F aq meio básico 2 Desafio O bafômetro ou teste de álcool caseiro é um dispositivo que detecta a presença do álcool etílico O teste é geralmente realizado pelo sopro e pela observação da mudança de coloração do conteúdo interno do frasco de detecção A reação eletroquímica detecta a presença do etanol através da mudança da cor alaranjada do íon dicromato Cr2O7 2 para a cor verde do íon Cr3 em solução aquosa ácida Balancear a reação química do teste de álcool caseiro identificando qual é o agente oxidante e qual é o agente redutor CH3CH2OHaq Cr2O7 2 aq CH3COOHaq Cr3 aq 3 Coloque os elementos a seguir em ordem crescente de a Cu Zn Fe Ag Al força do agente redutor b Cu2 Zn2 Fe2 Ag Al3 facilidade em ser reduzido 4 O magnésio metálico é oxidado e íons de prata são reduzidos em uma célula voltaica que utiliza uma meiacélula com um eletrodo de magnésio metálico em uma solução aquosa 1 molL de cátions Mg2 aq e a outra meiacélula com um eletrodo de prata metálica em uma solução aquosa 1 molL de cátions Ag aq a Descreva o funcionamento da célula voltaica e identifique cada uma de suas partes e suas respectivas funções b Escreva as equações balanceadas para as semireações que ocorrem no anodo e no catodo e escreva a equação química balanceada para a reação global da célula c Calcule a variação de potencial padrão ΔEoV para a célula voltaica descrita 5 Calcule a variação de potencial padrão ΔEoV para as reações eletroquímicas ao lado e explique qual é espontânea e qual não é a 2Cl aq Cu2 aq Cus Cl2g b Sn2 aq 2Ags Sns 2Ag aq c Fe2 aq Ag aq Fe3 aq Ags 54 6 Observe as semireações eletroquímicas de redução listadas a seguir com seus respectivos potenciais padrão medidos em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio EPH Fe3 aq e Fe2 aq Eº 0771 V Fe2 aq 2e Fes Eº 0439 V O2g 2H aq 2e H2O2aq Eº 0700 V MnO4 aq 8H aq 5e Mn2 aq 4H2Oℓ Eº 1520 V H2O2aq 2H aq 2e 2H2Oℓ Eº 1770 V a Se uma solução de água oxigenada H2O2aq acidificada for misturada com uma solução aquosa de Fe2 aq atuará como agente oxidante ou agente redutor Escreva a reação global pertinente e calcule a variação de potencial eletroquímico para a reação em questão b O que aconteceria se uma solução aquosa do sal KMnO4 permanganato de potássio fosse misturada a uma solução de água oxigenada acidificada Escreva as semireações anódica e catódica e a reação global para o processo descrito Qual o valor da variação de potencial eletroquímico da reação em V 7 Observe a célula voltaica ou pilha galvânica da figura Ela é constituída por um eletrodo de alumínio metálico Als em uma solução aquosa contendo íons Al3 com concentração de 10 molL e por um eletrodo de magnésio metálico Mgs em uma solução aquosa contendo íons Mg2 com concentração de 10 molL a 25oC de temperatura Responder a Quais são as semireações anódica e catódica e a reação global da célula voltaica em questão b Qual é a direção do fluxo de elétrons entre os dois eletrodos da célula c Quais são as direções dos fluxos dos íons presentes na ponte salina da célula voltaica Explique d Qual é em volts V o valor da tensão ou ddp lida no voltímetro ligado em paralelo aos dois eletrodos da pilha galvânica e Mantendose a concentração de 10 molL dos íons Al3 aq qual é a concentração de íons Mg2 aq para se produzir uma tensão de aproximadamente 0789 V na célula 8 Calcule a voltagem ΔEpilha produzida para a seguinte pilha galvânica uma meiacélula produzida com um eletrodo de cobre metálico mergulhado em uma solução aquosa de nitrato de cobre II CuNO32 de concentração igual a 05 molL e outra meiacélula produzida com um eletrodo de zinco metálico mergulhado em uma solução aquosa de nitrato de zinco ZnNO32 de concentração igual a 0010 molL 9 Com relação à pilha do exercício 4 determine a relação entre as concentrações de cátions de magnésio e cátions de prata para se produzir uma voltagem igual a 36 V para a pilha 10 Considere a seguinte célula eletroquímica PtH2g 1 atmH aq 10 MAg aq 10 MAgs Considerandose as semireações de redução abaixo responda 55 a Faça um desenho esquemático da célula eletroquímica sabendose que a ponte salina é composta por solução de KNO3 1 M nitrato de potássio 1 molar 1 molL b Qual a direção do fluxo de elétrons na célula c Escreva as reações eletroquímicas anódica catódica e global d Qual a voltagem da célula se a pressão parcial de hidrogênio é reduzida para 0345 atm e Qual seria a tensão gerada pela célula se a pressão parcial de gás hidrogênio é de 0543 atm e se a concentração de íons Ag aq é de 065 molL 11 A célula voltaica representada na figura a seguir utiliza duas meiascélulas ou eletrodos uma delas composta por ferro metálico Fe em equilíbrio com solução aquosa de sulfato ferroso FeSO4aq e a outra composta por cádmio metálico Cd em equilíbrio com solução aquosa de sulfato de cádmio CdSO4aq Na ponte salina da célula utilizase uma solução aquosa de cloreto de sódio NaClaq Responda às seguintes questões a Se a célula voltaica for mantida sob as condições padrão de funcionamento ou seja se as concentrações das soluções aquosas de sulfato ferroso e sulfato de cádmio forem iguais a 10 M ou 10 molL sob 25oC de temperatura quais serão as semireações anódica e catódica a reação global e a voltagem produzida pela célula ΔEo b Se a concentração da solução aquosa de sulfato de cádmio utilizada na célula for de 50x105 molL ou seja 20000 vezes diluída determinar quais serão as semi reações anódica e catódica a reação global e a voltagem produzida pela célula voltaica ΔE 12 Considere os seguintes potenciais padrão de redução dos metais zinco Zn e prata Ag a Faça um desenho esquemático da pilha eletroquímica que trabalhe com os dois metais com uma ponte salina composta por uma solução de KNO3 1 molL Mostre o sentido do fluxo de elétrons no circuito elétrico externo e o fluxo de íons na ponte salina b Calcule a variação de potencial padrão da célula eletroquímica em V volts c Calcule a voltagem da célula sob uma temperatura de 80ºC d Qual a relação entre as concentrações de Ag e Zn2 para uma tensão de 3523 V e Se as concentrações de íons de prata e íons de zinco são respectivamente de 025 e de 068 molL qual a temperatura em que a pilha deve trabalhar para que sua tensão gerada seja igual a 215 V 13 Numa célula voltaica composta pelos metais ferro Fe e zinco Zn em soluções iônicas aquosas de íons ferrosos Fe2 aq e íons Zn2 aq respectivamente determinar a relação entre 56 as concentrações dos íons metálicos quando a reação eletroquímica da célula atingir o equilíbrio químico a 25oC de temperatura 14 Dê as semireações balanceadas de oxidação e de redução da célula voltaica ao lado especificando qual acontece no anodo e qual acontece no catodo Encontre a reação global e calcule a variação de potencial padrão ΔEoV para a célula valor aproximadamente lido no voltímetro 15 Observe a célula voltáica na figura abaixo e responda às questões que se seguem observação Pt é eletrodo inerte de platina a Explique qual é o catodo e qual é o anodo da célula voltaica em questão escrevendo as suas respectivas semireações químicas e encontrando a reação química global balanceada para o processo b Qual é a voltagem produzida pela célula em V c Se a célula voltaica fosse operada sob condições padrão seu funcionamento seria o mesmo Explique 57 ED3 Exercícios sobre processos eletrolíticos eletrólises 1 Descrever a eletrólise de uma solução aquosa de KF fluoreto de potássio 1 molL Explicar quais os gases serão formados no anodo e no catodo do processo e por qual razão através dos valores de potencial padrão V das reações envolvidas Encontre a reação global e calcule a variação de potencial padrão da célula eletrolítica ΔEoV tensão mínima a ser aplicada para se desencadear o processo de eletrólise 2 Considere a eletrólise de uma solução aquosa de sulfato de níquel NiSO4aq Se uma corrente elétrica externa igual a 015 A for empregada durante um tempo de operação de 122 minutos responda às seguintes questões 2SO4 2 aq S2O8 2 aq 2e EoVoxidação SO4 2 aq 200 V a Quais os produtos serão formados no anodo e no catodo da célula eletrolítica e qual a reação global do processo de eletrólise b Qual a massa em gramas de metal níquel Nis formada depois do tempo de operação c Qual a massa em gramas de gás oxigênio O2g formada após o tempo de operação 3 Um estudante propôs analisar o processo de eletrodeposição do metal cobre em um banho de 1 L de solução aquosa de sulfato de cobre CuSO4 20 molL 20 M usando a seguinte montagem experimental mostrada abaixo onde os eletrodos do processo são inertes constituídos de carbono de alta densidade a Calcule a massa de cobre depositada durante a passagem de uma corrente elétrica de 010 A por um tempo de 30 minutos Em qual eletrodo se dá a eletrodeposição do cobre A massa molar do metal é igual a 6355 g mol1 b Se os eletrodos empregados no processo possuem dimensões de 05 x 05 x 40 em cm e estão 20 cm submersos na solução aquosa de CuSO4 qual a espessura aproximada do filme de cobre eletrodepositado se a densidade do cobre é de 8920 kgm3 c Determine se a concentração de íons Cu2 aq em molL da solução aquosa de sulfato de cobre será significativamente afetada após os 30 minutos do processo de eletrólise 4 Ainda no que tange à reação eletrolítica descrita na questão de número 03 descrever qualis os produtos formados no outro eletrodo da célula e qual seria a reação global do processo explicando porque se trata de um processo nãoespontâneo sabendose que 58 EoVoxidação SO4 2 aq 200 V 2SO4 2 aq S2O8 2 aq 2e 5 A eletrólise de uma solução de sulfato de zinco aquoso ZnSO4aq forma zinco metálico e é realizada com a aplicação de uma corrente elétrica de 08 amperes A Por quanto tempo o processo eletrolítico deverá ser realizado para que se forme 070 gramas de zinco no catodo Considere a constante de Faraday F igual a 96500 coulombs C e a massa atômica do zinco igual a 6539 gmol 6 Uma cuba eletrolítica com uma solução aquosa de sulfato de níquel II foi colocada em série com outra que apresentava uma solução aquosa de nitrato de prata sendo o sistema submetido a uma eletrólise em série No cátodo da segunda cuba ocorreu o depósito de 0650 g de prata a Faça um desenho esquemático do processo eletrolítico b Determine a reação global que ocorre em uma cuba eletrolítica e na outra c Determine a massa de níquel depositada no cátodo da primeira cuba d Se o tempo de eletrólise foi de aproximadamente 5 minutos qual foi a intensidade da corrente elétrica aplicada ao processo em amperes A 7 Observe a figura a seguir Três cubas eletrolíticas conectadas em série e com soluções aquosas das substâncias nitrato de prata AgNO3 cuba I nitrato de cádmio CdNO32 cuba II e nitrato de zinco ZnNO32 cuba III foram submetidas à eletrólise Responda às questões a Classifique como verdadeiras V ou falsas F as afirmações relativas à passagem da mesma quantidade de carga elétrica pelas três cubas Justifique os erros cometidos Nos cátodos haverá o depósito da mesma massa de material nas três cubas Nas cubas II e III haverá depósito da mesma quantidade de matéria mol de material Nas cubas II e III haverá depósito do dobro da quantidade de matéria mol depositada na cuba I b Se for aplicada ao processo um corrente elétrica de 20 amperes A durante 20 minutos de operação determine as quantidades de metais reduzidos formados em gramas g nos catodos de cada uma das três cubas eletrolíticas I II e III 59 8 Observe a figura esquemática mostrada abaixo A eletrólise de uma solução aquosa de fluoreto de sódio NaFaq gera uma mistura de gases para se alimentar um maçarico A mistura gasosa é armazenada em um recipiente com volume constante e igual a 500 cm3 e o ar contido inicialmente no recipiente é totalmente removido antes de se iniciar a eletrólise Por medida de segurança o maçarico só pode ser operado quando a pressão dos gases no interior do recipiente for de pelo menos 12 atm Sabendose que a temperatura é de 27ºC que a corrente de eletrólise é de 50 A estimar o tempo em minutos necessário para que a pressão no interior do recipiente atinja o valor mínimo de operação R 008205 L atm mol1 K1 constante universal dos gases Pmistura gasosa Pgás 1 Pgás 2 Pgás i xgás i Pmistura gasosa x em mols PgásV ngásRT 9 César Cielo é um dos brasileiros mais rápidos do mundo na natação estilo livre Após ter vencido os 50 metros livres nas Olimpíadas de Pequim em 2008 se tornou o campeão e recordista mundial dos 100 metros livres e campeão dos 50 metros livres As medalhas de ouro ao contrário do que muitos pensam não possuem valor financeiro relevante pois são feitas de prata e apenas recobertas por uma fina camada de ouro O uso de corrente elétrica para produzir uma reação química chamada de eletrólise é a técnica aplicada para recobrir a prata com o ouro produzindo assim a tão almejada medalha de ouro O processo consiste em reduzir uma solução aquosa de cátions ouro III contendo excesso de íons cloreto depositando o ouro metálico sobre a prata que atua como um eletrodo conforme a reação total mostrada a seguir Au3 aq 3Cℓ aq Aus 2 3 Cℓ2g Supondo que tenha sido utilizada uma corrente elétrica constante de 35 ampere durante 35 minutos determine a espessura média em mm da película de ouro depositada em uma medalha de prata circular com diâmetro de 85 mm e espessura de 12 mm sabendo que a densidade do ouro metálico é de 193 gcm3 10 Na eletrólise em série com eletrodos inertes de soluções aquosas de nitrato de mercúrio II HgNO32 e sulfato de cobre II CuSO4 foram formados 50 gramas g de mercúrio metálico no cátodo da primeira cuba eletrolítica Responda às seguintes questões a Faça um desenho esquemático do processo destacando a fonte de corrente contínua CC e os eletrodos anodo e catodo empregados b Calcule a massa de cobre depositada na segunda cuba eletrolítica em gramas g 60 Exercício avaliativo 01 Em um laboratório de química desejase constituir uma célula voltaica padrão com dois eletrodos constituídos de materiais metálicos diferentes mergulhados em soluções aquosas cada metal M em contato com o seu íon comum Mn Para tanto encontramse disponíveis os seguintes reagentes sólidos e líquidos com elevado grau de pureza Materiais metálicos Soluções aquosas Cobre Cus Sulfato de cobre aquoso CuSO4aq Zinco Zns Sulfato de zinco aquoso ZnSO4aq Níquel Nis Sulfato de níquel aquoso NiSO4aq A célula voltaica é arranjada de maneira que se tem uma concentração fixa de 2 molL da solução aquosa utilizada em um dos eletrodos sendo a concentração do outro eletrodo variada experimentalmente e as tensões em V geradas pela célula registradas no gráfico da figura a seguir A célula voltaica ou pilha galvânica é trabalhada sob uma temperatura constante e maior que a ambiente A Com base nas informações experimentais determinar quais foram os reagentes sólidos e líquidos empregados na célula voltaica em questão Para os cálculos pertinentes à resolução trabalhar os valores maiores que a unidade 1 com pelo menos 3 ou 4 casas decimais e os valores com ordem de grandeza de 104 e 105 com pelo menos 2 ou 3 algarismos significativos por exemplo 155 x 104 0000155 3 algarismos significativos B Depois de determinados os reagentes empregados determinar qual a semireação anódica qual a semireação catódica e qual a reação global da célula voltaica em questão C Qual é a temperatura aproximada em que a célula voltaica é operada em OC 61 Exercício avaliativo 02 Durante um determinado processo ocorre a reação eletroquímica não balanceada mostrada abaixo Nela a molécula de glicose C6H12O6 é convertida a gás carbônico CO2 e o íon nitrato NO3 é convertido a nitrogênio gasoso N2 em uma solução aquosa ácida Responder às seguintes questões C6H12O6aq NO3 aq CO2g N2g A Determine e justifique qual é o agente oxidante e qual é o agente redutor da reação eletroquímica descrita B Determine e escreva as semireações químicas de oxidação e de redução balanceadas C Escrever a reação global balanceada para o processo descrito D Quantos mols de elétrons e não transferidos na reação eletroquímica em questão 62 Exercício avaliativo 03 A eletrólise de 850 mL de uma solução de sulfato de cobre aquoso CuSO4aq com concentração igual a 318 gL gramas por litro é realizada em uma cuba eletrolítica como a da figura a seguir a qual contém eletrodos inertes Durante o processo de eletrólise uma corrente elétrica de 08 amperes A percorre a célula Responda às seguintes questões sabendo que a massa atômica do elemento cobre igual a 6355 gmol e que 1 um mol de elétrons transporta uma carga elétrica teórica de 96500 coulombs C A Explique qual é o fluxo de elétrons que ocorre entre os dois eletrodos empregados no processo eletrolítico B Determine e escreva as semireações anódica e catódica assim como a reação global para o processo de eletrólise descrito sabendo que 2SO4 2 aq S2O8 2 aq 2e EoVoxidação SO4 2 aq 200 V C Qual é o produto gasoso liberado no anodo da célula e porque a solução contida na cuba eletrolítica passa a conter ácido sulfúrico aquoso H2SO4aq ao final do processo de eletrólise D Por quanto tempo medido em horas o processo eletrolítico deverá ser realizado para se eletrodepositar todo o cobre contido na solução aquosa 63 Exercício avaliativo 04 Considere os materiais metálicos cobre Cu estanho Sn ferro Fe zinco Zn e alumínio Al e responda às seguintes questões A Dentre os metais listados quais aqueles capazes de reduzir cátions Fe2 aq Explique por que B Dentre os metais citados qual é oxidado mais facilmente Justifique sua resposta C Se uma solução aquosa de sulfato de zinco ZnSO4aq for armazenada em um recipiente constituído de estanho metálico Sns o recipiente será danificado ou não Explique com base em reações e equações químicas e cálculos D Se os metais citados forem atacados por soluções aquosas ácidas contendo peróxido de hidrogênio H2O2 todos sofrerão danos por oxidação eletroquímica Justifique sua resposta com base em reações e equações químicas e cálculos 64 Exercício avaliativo 05 Observe a célula voltaica ou pilha galvânica da figura abaixo Ela é constituída por um eletrodo de alumínio metálico Als em uma solução aquosa contendo íons Al3 com concentração de 10 molL e por um eletrodo de magnésio metálico Mgs em uma solução aquosa contendo íons Mg2 com concentração de 10 molL a 25oC de temperatura Responder às seguintes questões A Quais são as semireações anódica e catódica e a reação global da célula voltaica em questão B Qual é a direção do fluxo de elétrons entre os dois eletrodos da célula Mostre na figura C Quais são as direções dos fluxos dos íons presentes na ponte salina da célula voltaica Explique D Qual é em volts V o valor da tensão ou ddp lida no voltímetro ligado em paralelo aos dois eletrodos da pilha galvânica E Mantendose a concentração de 10 molL dos íons Al3 aq qual é a concentração de íons Mg2 aq para se produzir uma tensão de aproximadamente 0789 V na célula 65 Exercício avaliativo 06 A figura a seguir representa uma célula eletrolítica onde são especificados o anodo e o catodo inertes ligados aos pólos de uma fonte externa de corrente contínua CC Na cuba eletrolítica do processo é colocada uma solução aquosa de hidróxido de sódio NaOHaq Responder às seguintes questões A Através das possíveis semireações de oxidação e redução e dos potenciais padrão de redução EoV determine a reação global do processo e quais os prováveis produtos serão formados no catodo e no anodo da célula eletrolítica B Qual é a voltagem ou ddp em V mínima necessária a ser aplicada para que a reação eletrolítica em questão aconteça C Em que sentido se dá o fluxo de elétrons submetido ao processo Descreva a movimentação dos íons na solução aquosa contida na cuba eletrolítica durante a eletrólise 66 Exercício avaliativo 07 Durante um determinado processo ocorre a reação eletroquímica não balanceada mostrada abaixo Em tal processo o álcool etílico ou etanol CH3CH2OH é convertido a gás carbônico CO2 e o íon nitrato NO3 é convertido a íon nitrito NO2 em uma solução aquosa ácida Responder às seguintes questões CH3CH2OHaq NO3 aq CO2g NO2 aq A Determine e justifique qual é o agente oxidante e qual é o agente redutor da reação eletroquímica descrita B Determine e escreva as semireações químicas de oxidação e de redução balanceadas C Escrever a reação global balanceada para o processo descrito D Quantos mols de elétrons e não transferidos na reação eletroquímica em questão 67 17 Corrosão e degradação de materiais Corrosão e Processos Corrosivos Importância técnica proteção de metais e de suas ligas presentes em Estruturas enterradas ou submersas como gasodutos oleodutos ou minerodutos além de tanques de armazenamento Estruturas como torres de linhas de transmissão de energia elétrica e instalações industriais Equipamentos industriais tais como reatores trocadores de calor caldeiras etc Corrosão e Processos Corrosivos Importância econômica a obtenção de alguns materiais metálicos se faz às custas de energia cedida por via de processos metalúrgicos composto energia metal 1 processos metalúrgicos dispêndio de energia 2 processos corrosivos Exemplo 01 Redução térmica do minério de ferro para obtenção do ferro metálico Fe2O3s 3Ccarvão 2Fes 3COg 1600ºC Fe2O3s 3COg 2Fes 3CO2g 1600ºC Corrosão e Processos Corrosivos Exemplo 02 Redução eletrolítica ou eletrólise ígnea da alumina ou óxido de alumínio Al2O3s para a obtenção do alumínio metálico Als Al2O3s energia elétrica calor 2Als 32O2g 1000C Os processos metalúrgicos envolvem em geral altos gastos de energia Assim sendo os processos de corrosão dos metais obtidos por tais processos representam prejuízo material e consequentemente econômico ou financeiro Gastos com corrosão 35 do PIB PRODUTO INTERNO BRUTO de países industrializados Corrosão e Processos Corrosivos Os mecanismos básicos de corrosão são os seguintes Mecanismo químico Mecanismo eletroquímico Mecanismo eletrolitico A grande dificuldade em se combater a corrosão reside no fato de que a grande maioria dos processos corrosivos corresponde a processos espontâneos pelos menos aqueles de mecanismo químico e eletroquímico Corrosão e Processos Corrosivos Mecanismo químico de corrosão reações químicas diretas entre o material metálico ou não e o meio corrosivo não havendo geração de corrente elétrica O material metálico reagirá com um reagente transferindo seus elétrons diretamente e este na ausência de um eletrólito corrosão seca Exemplo 03 Processos de corrosão superficial de materiais metálicos em atmosferas oxidantes presença de calor ou altas temperaturas e substâncias gasosas na ausência da água Fes 12O2g calor FeOs 3FeOs 12O2g calor Fe3O4s FeOFe2O3 2Fe3O4s 12O2g calor 3Fe2O3s 2Cus 12O2g calor Cu2Os Cu2Os 12O2g calor 2CuOs Corrosão e Processos Corrosivos Processos de corrosão de materiais não metálicos também se enquadram no mecanismo químico de corrosão Exemplo 04 Deterioração da rocha calcária pela ação das precipitações atmosféricas ácidas Atividades industriais liberam gases como o SO2 g na atmosfera SO2g 12O2g SO3g oxidação atmosférica SO3g H2O l H2SO4 aq CaCO3s H2SO4aq CaSO4aq H2O l CO2g sem oxirredução Corrosão e Processos Corrosivos Exemplo 05 Carbonatação do concreto e deterioração da massa de concreto armado com exposição e oxidação da armadura CaOH2s CO2g CaCO3s H2Ol CaCO3s H2Ol CO2g CaHCO32aq Em contato com a água do mar ação química corrosiva do íon SO4 2 aq Corrosão e Processos Corrosivos O mecanismo eletroquímico de corrosão transferência de elétrons das regiões anódicas para as catódicas via circuito metálico com difusão de cátions e ânions via soluções aquosas eletrólito Exemplos de processos corrosivos de mecanismo eletroquímico Corrosão por aeração diferencial Corrosão por diferença de concentração iônica Corrosão galvânica Corrosão seletiva em ligas metálicas Corrosão e Processos Corrosivos O processo de corrosão galvânica materiais metálicos dissimilares em contato galvânico na presença de uma solução aquosa condutora Devido à diferença de potencial elétrico existente entre os materiais haverá consequente transferência de carga elétrica e entre eles Material metálico em contato via um eletrólito com íons redutíveis de outro material metálico mais nobre maior potencial de redução Se Eoredução An Eoredução Bm Eooxidação A Eooxidação B haverá transferência de elétrons do metal A para o metal B e portanto corrosão galvânica oxidação do metal A menos nobre Corrosão e Processos Corrosivos Exemplo 06 Corrosão por aeração diferencial em chapas de ferro e em tubulações de aço galvanizado parcialmente enterradas ou submersas Área anódica corrosão Zns Zn2aq 2e Área catódica redução 2H2Ol O2g 4e 4OHaq meio neutro aerado Produtos de corrosão formados ZnOH2 corrosão branca Zn2aq 2OHaq ZnOH2 Corrosão e Processos Corrosivos Pilha de concentração iônica diferencial de um metal M qualquer Assim o metal em equilíbrio com o meio mais diluído se comportará como anodo sofrendo oxidação e o metal em equilíbrio com o meio mais concentrado se comportará como catodo redução de íons Mnaq ΔEcélula 0 ΔEcélula 0 processo espontâneo Exemplo 07 Corrosão por diferença de concentração iônica em frestas formadas por placas metálicas sobrepostas Corrosão e Processos Corrosivos di icorrosão A di densidade de corrente icorrosão corrente elétrica de corrosão A área exposta do metal anódico A velocidade de degradação da área anódica é proporcional à densidade de corrente do processo di A corrente elétrica do processo eletroquímico é proporcional à resistência elétrica do meio e à diferença de potencial ΔE existente entre os dois metais A e B Corrosão e Processos Corrosivos Exemplo 08 Corrosão em tubulação de açocarbono em contato com válvula de latão liga metálica CuZn próxima à região do acoplamento Região anódica Fes Fe2aq 2e corrosão galvânica Região catódica 2H2Ol O2g 4e 4OHaq meio neutro aerado 2H2Ol 2e 2OHaq H2g meio neutro não aerado 2Haq 2e H2g meio ácido Produtos de corrosão Fe2aq 2OHaq FeOH2 2FeOH2 12O2g H2Ol 2FeOH3 ferrugem Corrosão e Processos Corrosivos Tabela Série Galvânica de Materiais Metálicos na Água do Mar Extremidade anódica menos nobre 1 Magnésio e suas ligas 2 Zinco 3 Alumínio comercialmente puro 1100 4 Cádmio 5 Liga de Al 45Cu 16Mg 06Mn 6 Aço Carbono 7Fe Fundido 8 Aço Inox 13Cr ativo 9 Ni Resist Fe fundido com alto Ni 10 Aço Inox ativo AISI 304 188 CrNi 11 Aço Inox ativo AISI 3164 18108 CrNiMo 12 Liga de Pb e Estanho Solda 13 Chumbo 14 Estanho 15 Níquel ativo 16 Inconel ativo 17Latões CuZn 18 Cobre 19 Bronze CUSn 20 Cupro Ni 6090 Ni 4010Ni 21Monel 70Ni 30Cu 22 Solda Prata 23 Ni passivo 24 Inconel passivo 25Aço Inox ao Cr 1113 Cr passivo 26Aço Inox AISI304 passivo 27Aço Inox AISI316 passivo 28 Prata 29Titânio 30Grafite 31Ouro 32Platina Extremidade catódica mais nobre Corrosão e Processos Corrosivos Mecanismo eletrolítico de corrosão corrosão eletrolítica ou corrosão por eletrólise Deterioração da superfície de um metal forçado a funcionar como ANODO ativo de uma célula eletrolítica através da ação de correntes elétricas de fuga Corrente de fuga correntes elétricas que abandonam seu circuito original estrutura interferente e passam a fluir pelo solo ou água atingindo uma outra estrutura metálica estrutura interferida No mecanismo eletrolítico a diferença de potencial elétrico entre as estruturas envolvidas é oriundo da aplicação de potencial externo processo não espontâneo Já no mecanismo eletroquímico a diferença de potencial elétrico é originada pelas próprias estruturas ou materiais metálicos envolvidos Mecanismo eletrolítico de corrosão Exemplos de estruturas metálicas afetadas Sistemas de tração eletrificada trem metrô bonde Tubulações e estruturas enterradas no solo Torres de transmissão de energia elétrica Sistemas eletrolíticos industriais Percurso das correntes de fuga durante um processo de corrosão eletrolítica fonte geradora eletrólito solo água estrutura metálica eletrólito solo água fonte geradora ou de alimentação Corrosão e Processos Corrosivos Proteção anticorrosiva básica Proteção catódica com anodos galvânicos o fluxo de corrente originase da diferença de potencial existente entre a estrutura metálica a ser protegida e a estrutura empregada como anodo de sacrifício menor potencial padrão de redução Em geral empregamse Al Mg e Zn e suas ligas metálicas Proteção catódica por corrente impressa o fluxo de corrente ou diferença de potencial é fornecido por fonte externa de potencial em geral com o emprego de retificadores fornecendo a corrente elétrica contínua necessária para a proteção da estrutura metálica de interesse Revestimentos não metálicos protetores Corrosão e Processos Corrosivos Reações químicas envolvidas Região anódica Ms Mnaq ne onde M Al Zn ou Mg Região catódica 2H2Ol O2g 4e 4OHaq meio neutro aerado 2H2Ol 2e 2OHaq H2g meio neutro não aerado 2Haq 2e H2g meio ácido Produtos de corrosão possíveis MgOH2 AlOH3 ou ZnOH2 corrosão branca Exemplo 11 Proteção de tubulação enterrada ou estrutura submersa em água através da aplicação de corrente elétrica contínua via utilização de retificador e anodos inertes Corrosão e Processos Corrosivos Proteção anticorrosiva através de revestimentos não metálicos protetores Exemplo 12 Utilização da fosfatização de metais e de suas ligas metálicas Como a camada de fosfatos formada sobre a superfície do aço é porosa fazse necessária a pintura ou tratamento superficiais posteriores da estrutura de modo a se ter uma maior resistência a processos corrosivos Corrosão e Processos Corrosivos Meios corrosivos Atmosferas industriais corrosão severa do ferro e suas ligas aços Em atividades industriais ocorre a queima de óleos combustíveis ou carvão contendo enxofre e de gasolina dentre outros combustíveis provocando a liberação de óxidos de enxofre SO2g e SO3g SO2g 12O2g SO3g na atmosfera Os óxidos de enxofre formados reagem com a umidade da atmosfera formando os ácidos sulfuroso e sulfúrico que irão atacar o metal Fe aço 2Fes 2H2SO3aq FeSs FeSO4aq 2H2Ol Fes H2SO4aq FeSO4aq H2g 2FeSO4aq 12O2g H2SO4aq Fe2SO43aq H2Ol Corrosão e Processos Corrosivos Os sulfatos de ferro II e III formados podem reagir com a água sofrendo hidrólise e formando novamente o ácido sulfúrico que volta a atacar o aço Fe em um processo de regeneração cíclica do H2SO4 FeSO4aq 2H2Ol FeOH2s H2SO4aq Fe2SO43aq 6H2Ol 2FeOH3s 3H2SO4aq Atmosferas marinhas presença maciça do poluente NaClaq sendo o íon cloreto Cl um dos responsáveis pelo ataque a estruturas de aço Fe 2Fes 4Claq O2g 2H2Ol 2FeCl2aq 4OHaq corrosão atmosférica do Fe 2Fe2aq 6Claq 12O2g H2Ol 2FeCl3aq 2OHaq O cloreto de ferro III produzido sofre processo de hidrólise formando a ferrugem produto da corrosão do ferro e o ácido clorídrico aquoso 2FeCl3aq 6H2Ol 2FeOH3s 6HClaq O ácido clorídrico formado torna a atacar o aço Fe intensificando ainda mais o processo de corrosão Fes 2HClaq FeCl2aq H2g 91 Corrosão e Processos Corrosivos Meios corrosivos Exemplo 13 Metais como Al Sn Zn e Pb podem sofrer corrosão em soluções com pH elevado formando compostos solúveis Al2O3camadas de passivação do Al 6OHaq 3H2Ol 2AlOH6 3aq 2Als 6OHaq 6H2Ol 2AlOH6 3aq 3H2g Exemplo 14 Processos em que haja formação do gás cloro devem ser isentos de água pois pode haver o ataque dos aços mesmo o INOX devido à formação do ácido clorídrico aquoso HCl Cl2g H2Ol HClaq HClOaq Fes 2HClaq FeCl2aq H2g 92 Os primórdios da teoria atômica Benjamin Franklin 17061790 estudos e descobertas trouxeram avanços na área da eletricidade descoberta das cargas elétricas e suas propriedades Eletricidade base de diversos experimentos a partir dos quais a teoria da estrutura atômica foi desenvolvida O modelo atômico de Dalton John Dalton 17661844 Em 1803 John Dalton propôs seu modelo atômico com base nos seguintes postulados Toda matéria é composta de partículas fundamentais os átomos Os átomos são permanentes e indivisíveis eles não podem ser criados nem destruídos Antoine Laurent Lavoisier 17431794 Lei da conservação da massa A matéria não pode ser criada nem destruída 82 Estudo de caso 01 A figura abaixo ilustra um projeto em que uma mesma tubulação metálica empregada no escoamento de uma solução aquosa neutra e aerada será constituída de dois materiais metálicos diferentes A e B sendo que o escoamento do fluido se dará da esquerda para a direita Sabese que o líquido em escoamento exerce efeito erosivo sobre a parte interna da tubulação e que estão disponíveis para o projeto dutos constituídos por ligas de cobre metálico Cu e ligas de ferro metálico Fe na forma de aços É desejável que as duas partes da tubulação sejam unidas por um flange conector e isolante constituído de material polimérico Responder aos seguintes questionamentos A Se as duas partes da tubulação forem interligadas por contato direto sem o flange isolante explique quais serão o mecanismo e o tipo de corrosão a que a mesma estará sujeita explicitando quais serão as regiões anódica e catódica formadas com as suas respectivas semireações químicas balanceadas Escrever equações químicas balanceadas para a reação global do processo e para a formação do produto final de corrosão B Qual parte da tubulação será degradada por corrosão e em que região Explique C Calcule a variação de potencial ΔE para o processo de corrosão demonstrando que se trata de uma reação eletroquímica de natureza espontânea D Se utilizado o flange isolante entre as duas partes da tubulação explique qual seria a opção mais segura de projeto para a tubulação mista sob a ótica do problema da corrosão descrevendo qual a melhor opção para o metal A e para o metal B mostrados na figura 83 Estudo de caso 02 Tubulações enterradas no solo oferecem larga aplicação no transporte de gás minérios e combustíveis gasodutos minerodutos e oleodutos Todavia podem estar sujeitas a processos de degradação por corrosão mesmo em meios pouco agressivos A figura a seguir representa esquematicamente um duto de aço Fe enterrado no solo sendo que ao longo de sua extensão a tubulação migra de um solo rochoso para um solo mais arenoso Uma futura inspeção de controle irá demonstrar que ocorrem desgaste e formação de produto de corrosão ferrugem de forma bastante acentuada na parte da tubulação que cruza a porção mais rochosa do solo na região próxima à interface com a porção mais arenosa Estando a tubulação descrita exposta a um meio neutro e aerado responda A Explique detalhadamente o mecanismo e o provável tipo de corrosão a que a tubulação está sujeita B Justificar quais são as áreas anódica e catódica do processo corrosivo quais as suas respectivas semireações químicas e qual a reação química balanceada de formação do produto de corrosão final ferrugem C Explicar como ocorre o fluxo de elétrons e entre as duas partes da tubulação D O processo de corrosão descrito corresponde a uma reação eletroquímica espontânea Justifique 84 Estudo de caso 03 Observe as figuras esquemáticas I e II mostradas a seguir e depois responda às seguintes questões A A figura I representa a seção transversal de aços galvanizados recobertos por um filme composto de zinco metálico Zn via eletrodeposição eletrólise ou via imersão a quente em zinco líquido ou fundido A galvanização proporciona uma melhoria estética do substrato metálico e o protege contra processos corrosivos Explique por que o metal zinco é utilizado para proteger o aço A qual tipo de proteção contra corrosão corresponde a galvanização Explique B Suponha que o filme protetor de zinco metálico sofra um risco que atinja até o substrato de aço conforme mostrado esquematicamente na figura Estando o sistema na presença de um meio circundante neutro e aerado quais seriam as semireações químicas de oxidação e de redução e a reação química global de um possível processo corrosivo envolvendo um aço galvanizado Qual seria o produto de corrosão formado C Durante uma aula de laboratório de química um estudante de engenharia propôs a montagem mostrada na figura II para demonstrar o mesmo princípio de proteção contra corrosão Ele utilizou dois corpos de provas um do metal alumínio Al e outro do metal magnésio Mg conectados eletricamente e imersos em uma solução aquosa de cloreto de sódio NaClaq No começo do processo descrito quais são as prováveis semireações anódica e catódica e o produto de corrosão formado D Explique porque depois de tempo suficiente é possível se observar que a área catódica do experimento proposto pelo estudante de engenharia também sofre degradação por corrosão eletroquímica 85 Estudo de caso 04 A figura abaixo representa parte de uma tubulação de ferro fundido enterrada no solo por exemplo um oleoduto ou mineroduto com meio neutro e aerado De trechos em trechos a tubulação é ligada eletricamente a uma estrutura adjacente de metal magnésio Mg Responda às seguintes questões A Qual tipo de proteção contra corrosão está sendo efetuado no sistema descrito Explique porque a tubulação enterrada será protegida pelo artefato de magnésio Mg B Especifique quais são as áreas catódica e anódica quais as suas respectivas semi reações químicas qual a reação global do processo e o produto de corrosão formado C Explique detalhadamente como você poderia estimar o tempo de duração de um artefato de magnésio metálico Mg como o descrito 86 Estudo de caso 05 O sistema de transmissão da ELETROSUL possui quase 9 mil km de linhas com 185 mil torres distribuídas entre tensões de 69 132 138 230 e 525 KV algumas delas com idade superior a 30 anos Destas torres 12 mil possuem fundação metálica diretamente enterrada no solo Têmse observado um desgaste das estruturas galvanizadas com grandes áreas de aço exposto com perda de massa ocasionada pela corrosão Estruturas galvanizadas projetadas para suportarem longos períodos em ambiente de serviço têm apresentado corrosão precoce em suas fundações metálicas A Faça uma análise detalhada do problema e explique os principais tipos e mecanismos de corrosão que possam estar danificando estas torres B Elucidar possíveis regiões anódicas e catódicas formadas com suas respectivas semi reações químicas balanceadas a reação global balanceada do processo e o provável produto de corrosão formado Considere o solo de aterramento como neutro e não aerado C É comum a utilização de grelhas metálicas protetoras conectadas às fundações das torres de transmissão estando tais grelhas enterradas no solo e algumas vezes ligadas eletricamente à própria linha de transmissão Explique como as torres de energia são protegidas pelo sistema descrito 87 Estudo de caso 06 Observe a figura esquemática abaixo Na junção de duas chapas metálicas de um material metálico A foi utilizado um rebite de um metal B Considerando a presença de um meio corrosivo responda às seguintes questões A Quais são os tipos e o mecanismo de corrosão predominantes em tal sistema Explique B Sabese que as chapas são de um mesmo material metálico A e o rebite de um metal diferente B Dentre os metais zinco Zns níquel Nis e estanho Sns citar e explicar qual a situação em que haveria a menor corrosão no sistema chapasrebite ou seja qual a melhor opção para o metal das chapas e a melhor opção para o material do rebite C Considerando o meio corrosivo neutro e aerado escreva as semireações anódica catódica e a reação global balanceadas indicando o produto de corrosão formado D Cite e explique meios para minimizar a corrosão neste sistema 88 Estudo de caso 07 As estruturas de concreto armado são constituídas de uma massa de concreto externa e de uma armadura metálica interna em geral constituída do metal ferro Fe ou de alguma de suas ligas ex aço A própria permeabilidade da massa de concreto ou o surgimento de fissuras permite uma possível penetração de eletrólito por exemplo água na estrutura que pode ter acesso à armadura metálica conforme mostrado na figura esquemática ao lado Devido à formação de regiões com diferentes permeabilidades da massa de concreto ou regiões com algum tipo de revestimento externo é possível a degradação da armadura por corrosão sendo observada a formação do produto de corrosão do ferro FeOH3s ou ferrugem O produto formado pode aumentar a pressão interna provocar rachaduras e escorrer pela parte externa da estrutura de concreto armado As figuras mostradas a seguir ilustram as situações descritas A Com relação à situação descrita de corrosão da armadura da estrutura de concreto armado descrever qual o mecanismo e o tipo de corrosão ocorrido explicitando quais as possíveis áreas anódica e catódica formadas no processo B Considerando a penetração e a estagnação de um eletrólito neutro e aerado na massa de concreto até a armadura escrever as semireações anódica e catódica do processo Depois escrever a reação química de formação do produto de corrosão final FeOH3 C A massa de concreto possui hidróxido de cálcio CaOH2s oriundo da hidratação do pó de cimento Em atmosferas ricas em gás carbônico CO2g pode haver o processo de carbonatação da massa de concreto com formação do bicarbonato de cálcio aquoso CaHCO32aq solúvel na água segundo as seguintes reações químicas CaOH2s CO2g CaCO3s H2Ol CaCO3s H2Ol CO2g CaHCO32aq Explique qual o mecanismo de corrosão a que corresponde o processo de carbonatação da massa de concreto citando quais as suas principais características 89 Estudo de caso 08 Observe o esquema mostrado abaixo o qual apresenta informações sobre o processo de corrosão galvânica A seguir são apresentadas algumas afirmações sobre o mesmo processo Julgue as afirmativas como sendo falsas F ou verdadeiras V explicando em detalhes quais foram os erros cometidos quando for o caso A O esquema demonstra que a corrosão galvânica só pode ocorrer via mecanismo eletroquímico B O metal mais eletronegativo atuará como anodo C As reações anódicas dependem do meio corrosivo em que os metais se encontram D É o tipo de corrosão que ocorre em uma célula de concentração iônica E Se os metais estiverem afastados na série eletroquímica prática tabela de potenciais elétricos ocorrerá intensa corrosão na área anódica F No par galvânico zinco e níquel metálicos ZnNi a degradação da área anódica será muito mais intensa do que no par galvânico magnésio e prata metálicos MgAg ambos na presença de uma solução aquosa salina por exemplo G Neste tipo de corrosão a região anódica vai estar sempre muito distante da região catódica H Se o par galvânico ferro e cobre metálicos FeCu for exposto a uma solução aquosa de cloreto de sódio NaClaq 1 molL a taxa de degradação do ferro com subsequente aparecimento de ferrugem FeOH3 deverá ser mais rápida do que se for exposto a uma solução aquosa de cloreto de sódio NaClaq 00002 molL I Neste tipo de corrosão tanto o fluxo dos elétrons quanto o de íons ocorre via circuito aquoso J Quanto maior for a área exposta ao eletrólito do metal anódico em relação ao metal catódico maior será a sua taxa de degradação por corrosão 90 Estudo de caso 09 Latas de alimentos industrializados são fabricadas empregandose folhas de flandres que consistem basicamente de chapas de ligas de ferro metálico aços estanhadas ou seja chapas de aço recobertas por uma película de estanho metálico Sn O recobrimento geralmente pode ser feito pela imersão das chapas em estanho fundido líquido seguida por resfriamento Responda aos questionamentos A Com base em seus conhecimentos sobre processos de corrosão explique porque se deve evitar o contato direto do ferro com o ar atmosférico e com o conteúdo interior das latas dissertando sobre qual mecanismo de corrosão desejase evitar com o recobrimento do ferro com estanho B Ao se amassar uma lata de alimento industrializado percebese que o ferro rapidamente apresentará produto de corrosão ferrugem em contato com o ar atmosférico devido ao rompimento da película de estanho metálico Sn Explique qual o mecanismo e o tipo de corrosão predominantes que ocorreram com a lata explicitando quais as regiões anódica e catódica formadas C Escreva as semireações anódica catódica e a reação química global balanceadas para os processos de corrosão que ocorreram no interior e no exterior de uma lata amassada Suponha um meio neutro e aerado no lado de fora ar atmosférico e um meio levemente ácido e não aerado no lado de dentro da lata visto que em geral alimentos industrializados são enlatados a vácuo D A oxidação de uma lata estanhada é um processo eletroquímico espontâneo Justifique 91 19 Modelos atômicos e teoria atômica A evolução dos modelos atômicos 1898 e 1899 Marie Curie cientista polonesa e seus colaboradores isolaram os elementos polônio e rádio Descreveram o fenômeno da radioatividade quando átomos emitem raios incomuns α β e γ ao se desintegrem O átomo de Thomson Por volta de 1900 na Inglaterra Joseph John Thomson desenvolveu experimento em tubos de raios catódicos contendo diferentes gases Raios catódicos Feixe de partículas com massa de carga negativa Elétrons Mesma relação cargamassa para as partículas do feixe encontrada para catodos de diferentes metais e gases variados A natureza dos raios catódicos é a mesma independente do material metálico do eletrodo utilizado O átomo de Thomson Eugene Goldstein físico alemão realizou experimento em tubo de raios catódicos com adaptação e evidenciou a existência de partículas atômicas fundamentais positivas mais tarde chamadas de prótons Mais tarde a massa do próton foi determinada experimentalmente 1672622 x 1024 g O átomo de Thomson No início do século XX Joseph John Thomson postulou que os elétrons carga negativa estariam incrustados sobre uma esfera de carga positiva Modelo atômico do pudim de ameixas ou pudim de passas Energia radiante e o espectro eletromagnético Luz branca Fendas para isolar um feixe estreito Prisma Aumento do comprimento de onda raios γ raios X UV IV Microondas FM AM Ondas de rádio Ondas de rádio longas Espectro visível Energia aumenta Comprimento de onda aumenta O átomo de Rutherford Por volta de 1910 Ernest Rutherford decidiu testar o modelo atômico de Thomson bombardeando uma delgada lâmina de ouro metálico com raios α Ernest Rutherford 18711937 Partículas alfa atravessando a lâmina de ouro segundo o modelo de Thomson O átomo de Rutherford O Experimento de Ernest Rutherford e colaboradores Tela fluorescente de ZnS Folha de ouro Fonte de partículas α rápidas Feixe de partículas α O átomo de Rutherford O experimento de Rutherford permitiu as seguintes conclusões Como a maioria das partículas atravessou a placa o átomo possui grandes espaços vazios Existe no centro do átomo um núcleo muito pequeno e denso pois algumas partículas foram rebatidas Este núcleo é carregado positivamente devido às partículas que passaram próximas do núcleo terem sido desviadas repelidas em sua trajetória Os elétrons do átomo se encontram arranjados na região exterior ao núcleo e ao redor deste O átomo de Rutherford A maioria dos átomos possui massas maiores do que seria previsto com base somente em seus prótons e elétrons 1932 físico britânico James Chadwick 18911974 estudou raios de polônio radioativo demonstrando que o átomo também continha partículas pesadas desprovidas de carga nêutrons Massa do nêutron 1674927 x 10²⁴ g Núcleo do átomo contém prótons e nêutrons responsáveis pela massa do mesmo Ao redor do núcleo encontramse os elétrons Energia radiante e o espectro eletromagnético νλ c ou ν cλ ν frequência λ comprimento de onda c velocidade da onda E hν h constante de Planck 663 x 1034 J s c velocidade da luz no vácuo 30 x 108 ms Energia radiante e o efeito fotoelétrico Albert Einstein A célula fotoelétrica Energia radiante e o átomo de Bohr Johann Balmer 18251898 e Johannes Rydberg 18541919 Hidrogênio Hélio Neônio Mercúrio O modelo atômico de Bohr Tubo de descarga de gás com hidrogênio Prisma violeta azul verde vermelho O modelo atômico de Bohr Exemplo 01 Determinar o comprimento de onda da linha espectral azul formada por átomos excitados de H segundo a teoria de Bohr O modelo atômico de Bohr violeta azul verde vermelho O modelo atômico atual Einstein e o efeito fotoelétrico luz possui propriedades ondulatórias mas pode ter propriedades de partícula Em 1924 o físico Louis Victor de Broglie atentou para o seguinte fato da combinação das expressões de Einstein e Planck uma relação é obtida a qual poderia descrever o comportamente ondulatório da matéria Relação demonstrada por Einstein E mc² Expressão de Planck E hν Sabendo que υλ c temse m hλc m hλν λ hmv O modelo atômico atual A base do modelo atômico moderno é a consideração do comportamento ondulatório dos elétrons Os elétrons apresentam comportamento de ondas estacionárias O modelo atômico atual A dualidade ondapartícula do elétron leva ao princípio da incerteza de Heisenberg impossibilidade de se conhecer simultaneamente e com certa a posição e a energia de uma pequena partícula tal como um elétron em um átomo se esta se comporta como onda O modelo atômico atual Orbital região do espaço extranuclear em que há maior probabilidade de se encontrar um elétron de determinada energia Para um elétron no espaço tridimensional três números inteiros os números quânticos n l e ml são parte integral da solução da equação de onda Os números quânticos descrevem a energia relativa e a posição aproximada do elétron no átomo O modelo atômico atual Os números quânticos n número quântico principal camada eletrônica l número quântico secundário ou de momento angular define as subcamadas ou orbitais s p d ou f presentes em uma dada camada n ml número quântico magnético define as orientações espaciais possíveis para um dado orbital valores possíveis 2l 1 variando de l a l O modelo atômico atual Camada K L M N O P Q Valor de n 1 2 3 4 5 6 7 Obs ainda há o número quântico de spin ms que assume valores iguais a 12 ou 12 e determina o sentido da movimentação do elétron em um dado orbital Subnível nºquântico l s 0 p 1 d 2 f 3 l n 1 para uma camada n Subníveis Valores de l Valores de ml Orientações Representação s 0 0 1 p 1 1 0 1 3 d 2 2 1 0 1 2 5 f 3 3 2 1 0 1 2 3 7 O modelo atômico atual O formato e as orientações espaciais dos orbitais atômicos Orbitais s Orbitais p Orbitais d O modelo atômico atual Orbitais f O modelo atômico atual Os orbitais spdf Tipo Orientações espaciais Coletivo f d p s O modelo atômico atual Plano nodal ou nó região onde a amplitude de vibração do elétron é igual a zero Orbital s ℓ 0 Orbital p ℓ 1 Plano nodal xz Plano nodal yz Plano nodal xy O modelo atômico atual Nodal planes Orbital d ℓ 2 Orbital f ℓ 3 O modelo atômico atual Em um átomo qualquer contendo três camadas eletrônicas n 3 temse Por simplificação aqui os orbitais 3p e 3d não são mostrados O modelo atômico atual Configuração eletrônica de átomos multieletrônicos Descreve a estrutura eletrônica de um átomo com todos os orbitais ocupados e o número de elétrons que cada orbital contém No estado neutro e fundamental o nº de elétrons é igual ao de prótons e tais elétrons ocupam orbitais atômicos de modo que a energia total do átomo seja a mínima possível A ordem de preenchimento das camadas e subcamas segue a ordem crescente de n ℓ com algumas exceções ordem crescente das energias dos e 111 Diagrama n ℓ O modelo atômico atual Por exemplo escrever a configuração eletrônica do átomo de nitrogênio 14 7N utilizando a notação spdf e a notação de orbitais em caixas de acordo com a regra de Hund e o princípio da exclusão de Pauli Determinar os números quânticos de todos os elétrons 1s² 2s² 2p³ ou He 2s² 2p³ notação do gás nobre Classificação periódica dos elementos Hidrogênio Metais Semimetais Nãometais Gases nobres 113 ED4 Exercícios sobre estrutura e teoria atômica 1 Um átomo de níquel metálico Ni possui 32 nêutrons no núcleo e uma massa atômica igual a aproximadamente 59930788 uma unidades de massa atômica Determinar a massa em gramas de 1 um átomo de níquel com tal composição atômica 2 Um átomo de ferro metálico Fe possui 30 nêutrons no núcleo sendo que a massa de tal átomo é aproximadamente igual a 93 x 1023 gramas Com base nas informações da composição atômica determinar o número de prótons ou número atômico Z contido no núcleo do átomo descrito 3 O elemento semimetal boro B possui 2 isótopos naturais um com abundância de 1991 e o outro com abundância de 8009 sendo suas massas atômicas iguais a 100129 uma e 110093 uma respectivamente Determinar o peso atômico e a massa molar do elemento boro B 4 O elemento nãometal cloro Cl possui peso atômico igual a 3545 uma sendo que existem 2 isótopos naturais para o mesmo um com abundância de 7577 e peso atômico igual a 3496885 uma e o outro com abundância natural de 2423 Determinar o peso atômico do outro isótopo do cloro 5 O metal alcalino terroso magnésio Mg possui três isótopos naturais o primeiro com massa atômica de 239850 uma o segundo com massa atômica de 249858 uma e o terceiro com massa atômica de 259826 uma Se o isótopo mais pesado possui uma abundância natural de 1101 determine as abundâncias dos outros isótopos naturais do metal magnésio em 6 A freqüência da radiação eletromagnética utilizada nos fornos microondas vendidos nos Estados Unidos é de cerca de 245 GHz gigahertz 109 hertz ou s1 Determinar o comprimento de onda λ e a energia E em J por fóton irradiado e em kJ por mol de fótons irradiados pela radiação utilizada nos fornos microondas 7 A luz verde possui um comprimento de onda igual a 50 x 102 nm nm 109 m Determinar a energia em joules J de 1 um fóton e de um mol de fótons da luz verde 8 Analisar a validade da seguinte afirmação Radiação eletromagnética na forma de luz com energia igual a 200 kJ mol1 é capaz de retirar um elétron de um átomo de césio Cs em uma superfície metálica possuindo a radiação um comprimento de onda aproximado de no máximo 600 nm o mais longo possível 9 Descrever quais as principais contribuições e descobertas proporcionadas pelos modelos atômicos de a Thomson b Ernest Rutherford c Niels Bohr 114 Átomos excitados de hidrogênio H no estado gasoso emitem radiação eletromagnética formando um espectro visível de linhas atômicas conforme mostrado esquematicamente na figura anterior Com relação ao espectro de emissão dos átomos gasosos excitados de hidrogênio H responder às questões de número 10 11 12 e 13 a seguir 10 Com base no modelo atômico de Niels Bohr para o átomo de hidrogênio calcular as energias J ou kJ dos estados fundamental n 1 e dos estados excitados n 2 n 3 e n 6 para 1 um átomo de hidrogênio e para 1 mol de átomos de hidrogênio 11 As linhas espectrais visíveis formadas no espectro de emissão do hidrogênio gasoso são as seguintes vermelha verde azul e violeta cor azul próxima da cor violeta cada uma delas relacionada a uma movimentação eletrônica de um nível energético maior que 2 n 2 para o segundo nível energético n 2 do átomo Utilizando informações sobre o modelo atômico de Niels Bohr para o átomo de hidrogênio e a relação quântica de Max Planck determinar os comprimentos de onda λ em nm das linhas de emissão vermelha e violeta os dois extremos observados no espectro visível formado conforme mostrado esquematicamente na figura a seguir 12 Determinar em quais regiões do espectro de emissão de átomos de hidrogênio gasosos ultravioleta UV ou infravermelho IV estarão situadas as linhas espectrais invisíveis formadas pelos saltos eletrônicos de n 4 para n 3 e de n 4 para n 1 Observe o espectro eletromagnético abaixo e lembrese de que λvioleta 400 nm e λvermelho 700 nm 115 13 Átomos de hidrogênio absorvem determinada quantidade de energia e excitam seus elétrons a n 3 Ao retornarem às camadas de energia inferior tais elétrons passam por n 3 formando uma linha espectral invisível na região do infravermelho com frequência igual a 1599 x 1014 Hz Determine qual é o comprimento de onda λ em nm da linha espectral formada e qual o estado excitado n 3 atingido pelos átomos de H 14 Se uma quantidade suficiente de energia for absorvida por um átomo este pode perder um elétron e formando um íon positivo cátion A quantidade de energia necessária é chamada de energia de ionização No átomo de H a energia de ionização é a necessária para mudar o elétron no nível n 1 estado fundamental para n infinito Calcule a energia de ionização para o íon de hélio He A energia de ionização do He é maior ou menor do que a do átomo de H A teoria de Bohr pode ser aplicada ao íon He pois assim como o H apresenta um único elétron A quantização da energia do elétron no átomo de hélio porém é dada pela seguinte relação onde Z corresponde ao número atômico do elemento Z 2 E 2 2 n Z Rhc 15 Um elemento qualquer possui um átomo multieletrônico com quatro 4 níveis ou camadas eletrônicas quânticas Determinar quantas subcamadas ou tipos de orbitais s p d ou f estão presentes no átomo e seus respectivos números quânticos secundários ℓ Depois determinar quantos orbitais eletrônicos possui o átomo ao todo cada orbital com a sua respectiva orientação espacial descrevendo concomitantemente os seus respectivos números quânticos magnéticos mℓ 16 De acordo com a teoria atômica quântica determinar qual ou quais dos seguintes orbitais atômicos jamais poderão existir em um átomo de um elemento químico qualquer explicando a sua resposta 2s 2d 3p 3f 4f e 5s 17 O alumínio metálico Al possui átomos com 13 prótons no núcleo número atômico Z 13 Escrever a configuração ou distribuição eletrônica do átomo de alumínio utilizando as notações spdf e de orbitais em caixas verificando quantos elétrons de valência possui o elemento Para todos os elétrons de valência dos átomos do metal determinar os valores dos quatro números quânticos principal n secundário ℓ magnético mℓ e de spin ms 18 Uma ligação química iônica ocorre em compostos em que átomos de um elemento metálico doam elétrons de suas camadas eletrônicas mais externas elétrons de valência a átomos de um elemento não metálico que irão acomodar os elétrons recebidos em suas camadas eletrônicas de valência O resultado serão íons de carga oposta que se organizam 116 na forma de retículos cristalinos Em geral os átomos ligados buscarão possuir oito 8 elétrons em suas camadas de valência obtendo uma configuração eletrônica de um gás nobre Escrever as configurações eletrônicas spdf dos átomos constituintes dos seguintes compostos iônicos abaixo antes e depois da ligação química a NaCl cloreto de sódio ZNa 11 e ZCl 17 b CaO óxido de cálcio ZCa 20 e ZO 8 c KF fluoreto de potássio ZK 19 e ZF 9 RELAÇÃO DE CONSTANTES PARA A RESOLUÇÃO DOS PROBLEMAS c velocidade da luz 2998 x 108 m s1 h constante de Planck 6626 x 1034 J s R constante de Rydberg para o espectro de linhas atômicas do H 1097 x 107 m1 Número de Avogadro 6022 x 1023 117 21 Ligações químicas e propriedades dos compostos Ligações químicas Em uma ligação química os átomos envolvidos sempre usarão seus elétrons de valência ou de suas camadas mais externas Elétrons de valência determinam as propriedades químicas dos elementos visto que reações químicas resultam da perda ganho ou rearranjo dos elétrons de valência Ligações químicas Elétrons de Valência e de Camadas Internas para Diversos Elementos Comuns Grupo Periódico Elétrons Internos Elétrons de Valência Configuração Total 1A Na 1s2 2s2 2p6 Ne 3s1 Ne3s1 4A Si 1s2 2s2 2p6 Ne 3s2 3p2 Ne3s2 3p2 5A As 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 Ar 3d10 4s2 4p3 Ar 3d10 4s2 4p3 4B Ti 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Ar 3d2 4s2 Ar 3d2 4s2 8B Co Ar 3d7 4s2 Ar 3d7 4s2 6B Mo Kr 4d5 5s1 Kr 4d5 5s1 Ligações químicas A ligação metálica elétrons livres oriundos das camadas de valência dos átomos cátion metálicos Ocorre atração eletrostática entre cátions metálicos e elétrons livres Ligações químicas Ligação iônica formada quando um ou mais elétrons são transferidos ou doados de um átomo para outro criando íons positivos e negativos cátions e ânions Em geral a doação é feita de um elemento metálico para outro elemento não metálico Depois da transferência de elétrons os íons formados adquirem configuração eletrônica de um gás nobre oito elétrons na camada de valência Os íons formados se arranjam em um retículo cristalino tridimensional Compostos iônicos NÃO formam moléculas Ligações químicas Exemplo Cloreto de sódio sólido sal ou NaCls Na0 1s2 2s2 2p6 3s1 Na 1s2 2s2 2p6 3s0 Cl0 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 átomo de sódio íon Na átomo de cloro íon Cl Ligações químicas Outros exemplos de compostos de caráter iônico Sais NaF KI KF NaBr KCl ZnS fluoretos iodetos brometos cloretos sulfetos Óxidos de metais CaO Al2O3 Na2O MgO Hidretos metálicos NaH CaH2 LiH MgH2 NOX H 1 Alguns compostos iônicos possuem íons moleculares NaNO3 K2SO4 Al2SO43 Ca3PO42 compostos por ânions poliatômicos NO3 SO42 PO43 nitrato sulfato fosfato etc Ligações químicas Ligação covalente pares de elétrons das camadas de valência dos átomos ligados são compartilhados Os pares de elétrons compartilhados pertencem aos átomos ao mesmo tempo Em geral elementos não metálicos compartilham pares de elétrons de valência nas ligações covalentes formando MOLÉCULAS ou compostos moleculares Ligações químicas Ligação covalente os átomos ligados em geral procuram acomodar oito elétrons nas suas camadas de valência atingindo o octeto HÁ EXCEÇÕES Substâncias elementares gases H2 N2 O2 Cl2 Óxidos de elementos não metálicos SO2 SO3 CO2 Compostos orgânicos CH3CH2OH CH3COOH C2H4 C2H2 C6H6 CH3COCH3 CH4 Ácidos HCl HF HNO3 H2SO4 HOCl H3PO4 Compostos como PF5 SF4 CIF3 BF3 BrF5 CCl4 etc Ligações químicas A molécula da glicose C6H12O6 Ligações químicas A regra do octeto e as estruturas de Lewis para as moléculas ligações covalentes Sistemática para se construir as estruturas de Lewis das moléculas 1º Escolher o átomo central da molécula Em geral o átomo central é aquele com menor eletronegatividade ex carbono C em CH2O C2H2 etc N Cl P S átomos centrais em oxiácidos HNO3 HClO4 H3PO4 H2SO4 Em substâncias compostas por 2 tipos de átomos o primeiro átomo da fórmula é o central SO2 NH3 NH4 NO3 CO32 exceção H2O Em geral halogênios F Cl Br I são átomos terminais pois precisam de um único e e fazem uma única ligação PF5 SF4 CIF3 BF3 CCl4 O hidrogênio é também átomo terminal pois precisa de um e fazendo uma única ligação O oxigênio é em geral átomo terminal quando ligado a átomos como C N P e halogênios Estruturas de Lewis Os oxiácidos e os seus ânions moléculas Ligações químicas 2º Determinar o número total de elétrons de valência da molécula ou íon Se a molécula tiver carga ânion ou cátion somar um número de elétrons igual à carga negativa ou subtrair um número de elétrons igual à carga positiva O número de pares de elétrons de valência da molécula será metade do número total de elétrons de valência 3º Colocar um par de elétrons entre cada par de átomos ligados para formar uma ligação simples 4º Usar os pares de elétrons restantes como pares isolados em torno de cada átomo terminal exceto H de modo que cada um atinja o octeto Se sobrarem pares isolados atribuílos ao átomo central Ligações químicas Sobreposição significativa repulsão Os elétrons de ligação de cada átomo sentem a atração do seu próprio núcleo e do núcleo do outro átomo ligante simultaneamente Alguma sobreposição alguma atração Nenhuma sobreposição nenhuma atração Energia potencial kJmol força da ligação comprimento de ligação Distância internuclear picômetros Atração Máxima Ligações químicas Exemplo 02 Desenhar a estrutura de Lewis para o íon ClF4 e verificar se há expansão do octeto O átomo de cloro Cl é o átomo central da molécula ou íon Número de e de valência 7 do Cl 47 do F 1 da carga do íon 36 e de valência Número de pares de e de valência 362 18 pares de e de valência 4 nas ligações simples entre o átomo central e os terminais e os 14 restantes a serem distribuídos nos átomos terminais e no átomo central Os dois últimos pares de elétrons são adicionados ao átomo do Cl central Os átomos de F ficam com o octeto completo e o átomo de Cl fica com 12 e de valência Ligações químicas Exemplo 03 Desenhar a estrutura de Lewis para a molécula de gás nitrogênio N2 Número de e de valência 25 do N 10 e de valência Número de pares de e de valência 102 5 pares de e de valência 1 par na ligação e os 4 pares não compartilhados restantes a serem distribuídos nos dois átomos de nitrogênio Os dois átomos de N compartilham 3 pares de e em uma ligação tripla Ligações químicas As estruturas de Lewis não trazem informação sobre os arranjos espaciais dos pares de elétrons e dos átomos em uma molécula A geometria dos pares de e do átomo central e dos átomos ligantes de uma molécula é definida pela Teoria da Ligação de Valência TLV que utiliza os seguintes pressupostos Repulsão dos pares de e da camada de valência VSEPR do inglês Valence Shell Electron Pair Repulsion os pares de e isolados e de ligação na camada de valência de um átomo se repelem e buscam ficar o mais longe possível uns dos outros Hibridização dos orbitais atômicos de valência do átomo central da molécula Ligações químicas A teoria dos orbitais híbridos nas ligações covalentes moléculas Em uma dada molécula o átomo central em geral irá hibridizar mesclar orbitais atômicos de valência s p e às vezes d para formar orbitais híbridos O número de orbitais híbridos formados é sempre igual ao número de orbitais atômicos mesclados ou hibridizados Ligações químicas A teoria dos orbitais híbridos nas ligações covalentes moléculas Os orbitais híbridos do átomos central se sobrepõem aos orbitais de valência dos átomos terminais de maneira mais forte do que orbitais atômicos não hibridizados A geometria dos pares de elétrons e dos átomos será determinada pelo número de orbitais híbridos formados ao redor do átomo central e pela teoria VSEPR Ligações químicas A teoria dos orbitais híbridos nas ligações covalentes moléculas Cada orbital híbrido formado irá abrigar um par de elétrons de valência do átomo central seja um par isolado ou compartilhado com outro átomo O par de e compartilhado é formado por emparelhamento de elétrons desemparelhados do átomo central e do terminal através da sobreposição das nuvens eletrônicas orbitais semipreenchidos com e de spin opostos Ligações químicas A teoria dos orbitais híbridos nas ligações covalentes moléculas A hibridização ocorre com elementos do 2º período em diante não metais 2º período n 2 ℓ 0 e 1 orbitais de valência s e p Se cada orbital atômico acomoda 2 e então tais elementos acomodam no máximo 8 elétrons na camada de valência através das seguintes hibridizações sp um orbital s fundido a um orbital p gerando 2 orbitais híbridos sp sp2 um orbital s fundido a dois orbitais p gerando 3 orbitais híbridos sp2 sp3 um orbital s fundido a três orbitais p gerando 4 orbitais híbridos sp3 Ligações químicas A teoria dos orbitais híbridos nas ligações covalentes moléculas 3º período n 3 ℓ 0 1 e 2 orbitais de valência s e p e orbitais 3d vazios sendo possíveis as seguintes hibridizações sp3d um orbital s se funde a três orbitais p e um orbital d formando 5 orbitais híbridos sp3d sp3d2 um orbital s se funde a três orbitais p e dois orbitais d formando 6 orbitais híbridos sp3d2 Ligações químicas A teoria dos orbitais híbridos nas ligações covalentes moléculas Se cada orbital híbrido formado é capaz de abrigar um par de elétrons de spin opostos concluise que Átomos que fazem as hibridizações sp e sp2 são exceções ao octeto pois irão acomodar 4 e 6 elétrons na camada de valência respectivamente Átomos que fazem as hibridizações sp3d e sp3d2 podem expandir o octeto e acomodar 10 e 12 elétrons na camada de valência respectivamente Arrangement of Hybrid Orbitals Geometry Example Two electron pairs sp Linear BeCl2 Three electron pairs sp2 Trigonalplanar BF3 Four electron pairs sp3 Tetrahedral CH4 Arrangement of Hybrid Orbitals Geometry Example Five electron pairs sp3d Trigonalbipyramidal PF5 Six electron pairs sp3d2 Octahedral SF6 Ligações químicas Frequentemente a molécula pode apresentar o arranjo dos pares de elétrons ao redor do átomo central com uma geometria e os átomos terminais ao redor do átomo central com uma geometria diferente dependendo da hibridização de orbitais sofrida pelo átomo central Ligações químicas QUATRO PARES DE ELÉTRONS Hibridização sp3 Geometria dos pares de elétrons tetraédrica Tetraédrica Piramidal trigonal Angular 1095 Metano CH4 4 pares de ligação Nenhum par isolado 1075 Amônia NH3 3 pares de ligação 1 par isolado 105 Água H2O 2 pares de ligação 2 pares isolados CINCO PARES DE ELÉTRONS Hibridização sp3d Geometria dos pares de elétrons bipirâmide trigonal SEIS PARES DE ELÉTRONS Hibridização sp3d2 Geometria dos pares de elétrons octaédrica Piramidal trigonal Gangorra Octaédrica PF5 SF4 SF6 5 pares de ligação Nenhum par isolado 4 pares de ligação 1 par isolado 6 pares de ligação Nenhum par isolado Forma de T Linear Piramidal de base quadrada ClF3 XeF2 BrF5 Quadrada planar 3 pares de ligação 2 pares isolados 2 pares de ligação 3 pares isolados 5 pares de ligação 1 par isolado XeF4 4 pares de ligação 2 pares isolados Ligações químicas Em moléculas planares com ligações múltiplas os átomos ligantes hibridizam seus orbitais de maneira a fazer dois tipos de ligações Ligações sigma resulta da sobreposição frontal de orbitais hibridizados sp2 ou sp no eixo de ligação dos átomos Ligações pi resulta da sobreposição lateral de orbitais p não hibridizados fora do eixo de ligação dos átomos Uma ligação pi só ocorre se os átomos estiverem ligados também por uma ligação sigma Ligações duplas compostas por uma sigma e outra pi Ligações triplas compostas por uma sigma e duas outras pi Ligações químicas Exemplo 04 Ligações químicas e sobreposições de nuvens eletrônicas nas moléculas de H₂ HCl e Cl₂ Os átomos se aproximam Região de superposição Região de superposição Ligações químicas Exemplo 05 Ligações múltiplas e hibridizações nas moléculas de etileno C₂H₄ e acetileno C₂H₂ C sp2 sp2 sp2 sp2 H₁ₛ C H₁ₛ sp2 2p sp2 sp2 sp2 sp2 H₁ₛ sp2 sp2 π bond H H σ bond Ligações químicas C 1s²2s²2p² H1s¹ emparelhamento emparelhamento H H 1s σ sp₂ emparelhamento sp₂ σ 1s emparelhamento emparelhamento 2p emparelhamento 2p emparelhamento Ligações químicas Exemplo 06 Ligações múltiplas e hibridizações nas moléculas de etileno C₂H₄ e acetileno C₂H₂ H C C H σ sps π σ σ sps Ligações químicas C 1s²2s²2p² H1s¹ emparelhamento emparelhamento 1s σ sp emparelhamento 2p π 2p emparelhamento sp σ sp emparelhamento σ 1s Exemplo 07 Ligações e sobreposições de orbitais na molécula do tetrafluoreto de enxofre SF₄ S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴3d⁰ n3 ℓ n1 ℓ0 1 2 orbitais s p e d F 1s²2s²2p⁵ 2s 2s 2p 2p 2p 2p emparelhamento emparelhamento emparelhamento emparelhamento emparelhamento σ sp³d sp³d sp³d σ sp³d σ 2p σ 2p 2p 2p 2p 2p σ 2s 2s 144 ED5 Exercícios sobre ligações químicas e estruturas moleculares 1 A cal virgem ou óxido de cálcio CaO é um composto sólido de caráter básico obtido através da decomposição térmica do carbonato de cálcio CaCO3 A reação química descrita e a estrutura do óxido de cálcio são mostradas a seguir Reponda CaCO3s calor CaOs CO2g a Que tipo de ligação química mantém unidos os átomos de cálcio Ca e de oxigênio O na cal virgem Explique b Quais são os elétrons nível e subnível envolvidos na ligação entre os átomos Explique 2 Descreva o tipo de ligação química existente entre os átomos de zinco Zn e enxofre S no sulfeto de zinco ZnS 3 Desenhe as estruturas de Lewis para cada uma das moléculas ou íons abaixo especificando as geometrias molecular e dos pares de elétrons ao redor do átomo central além da hibridização de orbitais atômicos de valência sofrida pelo mesmo 4 Desenhe a estrutura de Lewis para a molécula do ácido HPO2F2 especificando a hibridização do átomo central de fósforo e a geometria molecular H ligase ao átomo de O 5 Desenhe a estrutura de Lewis para o íon amônio NH4 Qual é a geometria dos átomos ligantes no íon amônio Quais orbitais semipreenchidos do átomo de nitrogênio e do átomo de hidrogênio se sobrepõem para formar as ligações covalentes 6 Desenhe as estruturas de Lewis para cada um dos compostos abaixo Qual conjunto de orbitais de valência híbridos ou não se sobrepõem para se formar as ligações entre os átomos das seguintes moléculas ou íons mostrados Explique representando cada um deles através da notação de orbitais em caixas 7 Descreva todas as sobreposições de orbitais e emparelhamento de elétrons de valência que ocorrem entre os átomos das moléculas abaixo Qual a geometria das moléculas 145 8 Qual é a hibridização de orbitais de valência do átomo central da molécula de fosgênio COCℓ2 Descreva as ligações sigma δ e pi π formadas nessa molécula 9 Preveja a polaridade das seguintes moléculas a seguir citadas a NH3 amônia b PF5 pentafluoreto de fósforo c CℓF3 trifluoreto de cloro d XeF2 difluoreto de xenônio e SF6 hexafluoreto de enxofre f BrF5 pentafluoreto de bromo g XeF4 tetrafluoreto de xenônio 10 Com base nas informações da teoria atômica moderna explique porque não existe a molécula de pentacloreto de nitrogênio NCℓ5 11 Observe abaixo as fórmulas químicas estruturais moleculares para os seguintes compostos propanona 1 CH3COCH3 metano 2 CH4 ácido fluorídrico 3 HF ácido acético 4 CH3COOH butano 5 C4H10 e álcool etílico ou etanol 6 CH3CH2OH e depois responda às seguintes questões a Cite e explique qual a interação intermolecular predominante em cada um deles b Entre os pares de substâncias citadas a seguir cite aquela que deverá possuir a maior temperatura ou ponto de ebulição em graus oC segundo o tipo de interação intermolecular predominante em cada uma b1 metano CH4 e butano C4H10 b2 propanona CH3COCH3 e etanol CH3CH2OH b3 ácido acético CH3COOH e etanol CH3CH2OH 12 Determinar e justificar qual tipo de interação entre moléculas intermolecular estará presente em cada um dos sistemas abaixo I II e III Depois coloqueos em ordem crescente em termos da intensidade das interações entre as moléculas I tetracloreto de carbono CCl4 líquido II mistura de éter etílico CH3CH2OCH2CH3 e clorofórmio CHCl3 líquidos III mistura de água líquida H2O e metanol líquido CH3OH 13 É possível se dissolver cerca de 700 g de brometo de potássio sólido KBrs em 1 litro de água a 30oC Que tipo de interação acontece entre as duas substâncias Explique 14 O éter dimetílico líquido CH3OCH3 massa molar de 4607 gmol evaporase com muito mais facilidade do que o etanol líquido CH3CH2OH massa molar de 4606 gmol sendo suas temperaturas de ebulição iguais a 23oC e 784oC respectivamente Explique a diferença de comportamento entre os dois líquidos 146 15 A sacarose sólida C12H22O11 também conhecida como açúcar de mesa é um tipo de glicídio formado por uma molécula de glicose e uma de frutose Encontrase em abundância na canadeaçucar frutas e beterraba A molécula da sacarose é mostrada na figura a seguir Sabese que a sacarose é uma substância molecular que não gera solução eletrolítica íons em contato com a água ou seja não se ioniza nem se dissocia em solução Mesmo assim apresenta alta solubilidade em água cerca de 1970 gramas por litro sob temperatura de 20oC Com base em seus conhecimentos sobre interações intermoleculares explique o porquê da elevada solubilidade da sacarose na água 16 Complete a tabela relacionando a cada composto uma das temperaturas de ebulição em oC abaixo citadas citando o tipo de interação molecular predominante em cada um e explicando o porquê da diferença existente entre os pontos de ebulição Pontos de ebulição dos compostos 235oC 35oC 05oC 118oC 163oC 89ºC 147 23 Equilíbrios químicos e princípio de Le Chatelier Seja uma reação química qualquer onde x mols de uma espécie A reage com y mols de uma espécie B para formar z mols da espécie C e w mols da espécie D através da seguinte equação química balanceada xA yB zC wD Supondo que se inicia a reação com quantidades molares iguais de reagentes à medida que o tempo passa as espécies A e B são consumidas e as espécies C e D são formadas na reação química até que em um dado momento t a velocidade da reação direta d fica igual a velocidade da reação inversa i e as espécies A B C e D passam a coexistir em equilíbrio sem mais variarem suas concentrações molares molL xA yB i d zC wD No momento t a reação atinge certo grau de reversibilidade chamando de equilíbrio químico e a partir desse momento as concentrações molares das espécies A B C e D A B C e D estarão relacionadas através da constante de equilíbrio da reação química Keq dependente da temperatura na qual acontece a reação xy e zw Keq y x w z A B D C onde VL número de mols O equilíbrio atingido pela reação química poderá ser perturbado de algumas formas e a reação química tentará compensar a perturbação comportamento explicado pelo Princípio de Le Chatelier ao se perturbar uma reação química em equilíbrio o sentido da mesma poderá ser deslocado para quaisquer dos lados direto consumindo A e B e formando C e D ou inverso consumindo C e D e formando A e B de maneira a se minimizar ou anular o efeito da perturbação provocada na reação Os principais efeitos perturbadores do equilíbrio de uma reação química são Concentração em mols molL Temperatura T Pressão P para uma reação química envolvendo substâncias no estado gasoso gases EFEITO DA TEMPERATURA ao se variar a temperatura de uma reação em equilíbrio a constante Keq se altera e o sentido da reação se desloca a redução da temperatura favorece o sentido exotérmico da reação que ocorre com liberação de calor H0 e o aumento da temperatura favorece o sentido endotérmico da reação ocorre com absorção de calor H0 Hreação zHo formaçãoC wHo formaçãoD xHo formaçãoA yHo formaçãoB calor de reação Se a reação direta for exotérmica a reação inversa será endotérmica e viceversa Utilizando a hipótese da reação direta d ser exotérmica com H0 teremos o seguinte comportamento Ao se diminuir a temperatura da reação deslocase a reação no sentido direto consumindo certa quantidade de A e B e produzindose certa quantidade de C e D reação exotérmica é favorecida 148 Ao se aumentar a temperatura da reação deslocase a reação no sentido inverso consumindo certa quantidade de C e D e produzindose certa quantidade de A e B reação endotérmica é favorecida EFEITO DA PRESSÃO substâncias incompressíveis tais como sólidos e líquidos não experimentam efeitos significativos da variação da pressão P Ao se variar a pressão de uma reação química em equilíbrio envolvendo substâncias gasosas ou gases o sentido da reação pode ser deslocado de maneira a compensar a compressão ou a expansão sofrida Por exemplo as moléculas de um gás contidas em um recipiente hermeticamente fechado exercerão maior pressão P nas paredes do mesmo ao ocuparem um menor espaço ocorre diminuição de volume V compressão ao passo que exercerão menor pressão P ao ocuparem maior espaço aumento de volume V expansão Maior volume ocupado pela mesma quantidade de gás menor concentração Menor volume ocupado pela mesma quantidade de gás maior concentração Ao se alterar a pressão de uma reação química gasosa em equilíbrio a temperatura constante o sentido da mesma será deslocado para se compensar a perturbação de maneira que Aumento de pressão deslocará a reação para o sentido onde há menor quantidade em mols de gases para diminuir o efeito da compressão realizada Diminuição da pressão deslocará a reação no sentido onde há maior quantidade em mols de gases para aproveitar a folga de espaço gerada expansão Se a reação entre anterior envolvesse gases e fosse escrita na forma Ag 2Bg 3Cg 2Dg Perturbação provocada Descolamento do sentido da reação Aumento de P redução de V Reação deslocase no sentido inverso com menos mols de gases 1 mol A 2 mol B 3 mols consumindo C e D e formando A e B para a mesma Keq Diminuição de P aumento de V Reação deslocase no sentido direto com mais mols de gases 3 mol C 2 mol D 5 mols consumindo A e B e formando C e D para a mesma Keq 149 EFEITO DA CONCENTRAÇÃO ao se variar a concentração de algum componente em uma reação química em equilíbrio a temperatura constante o sentido será deslocado para repor o componente retirado ou consumir aquele que foi introduzido em excesso para a mesma Keq Para a reação química hipotética xA yB zC wD descrita anteriormente teremos que por exemplo 150 24 Soluções e suas propriedades SOLUÇÃO mistura homogênea uma única fase material presente apenas com dois ou mais componentes contendo um solvente em maior quantidade ou proporção e um soluto ou solutos em menores quantidades ou proporçãoões Solução solvente soluto A solubilidade misturas sólido e líquido e a miscibilidade misturas de líquidos de um soluto em um determinado solvente é garantida pela polaridade molecular tanto do solvente quanto do soluto de maneira que solventes polares dissolvem solutos polares com maior facilidade ao passo que solventes apolares dissolvem solutos apolares com maior facilidade A formação de uma solução será mantida através de interações moleculares entre moléculas de solventes e de solutos quimicamente semelhantes ex interações dipolo induzido dipolo induzido entre moléculas apolares interações dipolo dipolo entre moléculas polares ligações de hidrogênio etc ou através da ionização ou da dissociação de um soluto eletrolítico solúvel em um solvente em geral polar podendo ocorrer interações íondipolo ligações de hidrogênio entre os dois geralmente A concentração de um certo soluto em uma determinada solução é calculada pela seguinte expressão quantidade ou volume de soluçãoL quantidade de soluto moloumassa concentração do soluto podendo ser expressa em molL molaridade gL mgL ou ppm partes por milhão se a solução apresentar como solvente a água em massa ou peso por peso pp em volume ou volume por volume vv dentre outras L V n do soluto molaridade solução soluto soluto soluto MM massa de soluto g n onde n é o número de mols e MM é a massa molar em gmol do soluto Exemplo de aplicação 01 Ignorandose variações físicoquímicas no volume total de mistura contração ou expansão devido a forças de interações intermoleculares entre soluto e solvente ao se misturar 10 mL de etanol CH3CH2OH e 90 mL de água formamse 100 mL de solução sendo o etanol o soluto com concentração de 10 em volume na solução A miscibilidade do etanol na água é garantida pelas ligações de hidrogênio entre as duas moléculas típicas de substâncias polares Exemplo de aplicação 02 O sulfato de alumínio sólido Al2SO43s é um sal bastante solúvel muito empregado no tratamento da água potável sendo adicionado à mesma graças à sua atividade floculante removendo material coloidal da água e garantindo a sua clarificação a Escrever a equação química balanceada da dissociação eletrolítica do sulfato de alumínio na água e explique a sua elevada solubilidade na mesma b Se se deseja preparar 20 m3 de solução aquosa de sulfato de alumínio com concentração de cátions alumínio Al3 aq de 01 molL calcule a massa de Al2SO43s necessária em kg Resp 342 kg de Al2SO43s 151 Exemplo de aplicação 03 Num laboratório de química desejase preparar soluções aquosas de cátions zinco Zn2 aq cátions cobre Cu2 aq e cátions ferrosos Fe2 aq a 10 molL dissolvendose os sais sólidos solúveis sulfato de zinco ZnSO4 sulfato de cobre CuSO4 e sulfato ferroso FeSO4 em água e completandose o volume até o máximo em balões volumétricos de 200 mL Estas soluções aquosas serão empregadas posteriormente na montagem de células voltaicas pilhas Determinar as massas em gramas g necessárias de cada sal ZnSO4 CuSO4 e FeSO4 Resp 3036 g de FeSO4 319 g de CuSO4 e 3228 g de ZnSO4 Diluição de soluções ao se adicionar mais solvente a uma solução água mais comumente a concentração de seu soluto diminuirá de acordo com a seguinte relação onde Ci e Vi são a concentração e o volume iniciais da solução e Cf e Vf são a concentração e o volume finais da solução Ci Vi Cf Vf de maneira que se pode preparar soluções diluídas com menor concentração de soluto ou solutos a partir de uma solução mãe mais concentrada dos mesmos solutos Exemplo de aplicação 04 Se 50 mL das soluções salinas aquosas do exemplo de aplicação 03 fossem diluídos com água destilada para se atingir a concentração final de 04 molL qual volume de água seria necessário em mL Resp 75 mL de água 152 25 Referências bibliográficas KOTZ John C et al Química geral e reações químicas 3 ed São Paulo Cengage Learning c2016 2v ISBN 9788522118274 v1 9788522118298 v2 CHANG Raymond Química geral Porto Alegre RS AMGH 2010 ISBN 9788563308177 BROWN Lawrence S HOLME Thomas A Química geral aplicada à engenharia São Paulo SP Cengage Learning c2016 xxxi 628 3 p ISBN 9788522118205 GENTIL Vicente Corrosão 6 Rio de Janeiro LTC 2011 ISBN 9788521619444