Química e Ciências dos Materiais

Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Unidade 1 Estrutura atômica Aula 1 O átomo O átomo Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá estudante Nesta videoaula serão abordados os conceitos relacionados à unidade básica da matéria ou seja o átomo Assim será possível compreender qual é a sua constituição fundamental como está organizado no espaço o motivo pelo qual há uma variedade de tipos atômicos e como a energia está a ele associada Tais conceitos e definições relacionados ao átomo e distribuições energéticas são essenciais para o desenvolvimento científico e tecnológico aplicado em todas as áreas do conhecimento pelo fato de que tudo que possui massa e ocupa um lugar no espaço é constituído por átomos Assim conhecêlo e entender as possíveis relações que possam ter na constituição da matéria é fundamental para o desenvolvimento de sua prática pessoal Preparese pois para esta jornada de conhecimento Vamos lá Ponto de Partida Olá estudante Boasvindas à disciplina de Química e Ciência dos Materiais a qual tem por objetivo abordar os conceitos relacionados ao estudo de materiais conhecendo suas principais propriedades características e aplicações voltadas ao desenvolvimento de projetos de engenharia Mas por que a Química é importante para análise dos materiais A Química estuda a unidade básica da matéria o átomo e suas relações para a formação de moléculas substâncias e materiais Por essa razão ela é tão importantes para a área Logo nesta primeira aula investigaremos o átomo estudando sua composição ordenação no espaço e distribuição energética Do mesmo modo exploraremos os conceitos fundamentais para compreensão da constituição e formação dos materiais bem como a análise das propriedades mecânicas devido aos tipos de átomos e ligação entre eles Como aplicação de tais conceitos imagine que você atua como trainee em uma grande empresa de desenvolvimento tecnológico de sua cidade empresa essa que tem ganhado espaço no mercado nacional devido a seus projetos inovadores considerando o melhor custobenefício propondo utilização de novos materiais Você foi solicitado para compor a equipe em um novo projeto que visava desenvolver um produto altamente resistente mas que pudesse ser moldado facilmente a uma aplicação específica Na primeira etapa você ficou responsável por realizar um estudo sobre a estrutura da matéria descrevendo a composição fundamental do átomo através do modelo atômico e apresentando a camada de valência de alguns elementos químicos através de sua distribuição energética Os elementos escolhidos para esse estudo foram alumínio carbono cobre ferro e oxigênio Ao final dessa etapa um relatório deve ser entregue ao coordenador do projeto contendo as informações por ele solicitadas Conhecer a constituição fundamental dos elementos químicos que compõem uma estrutura um material ou molécula é fundamental para identificar as propriedades que estão presentes sendo possível buscar alternativas de melhora de suas características propondo a substituição e utilização de novos elementos químicos que se adaptem à estrutura inicial devido às particularidades que possuem Vamos conhecer os conceitos necessários para resolução do problema proposto Bom estudo Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Vamos Começar Conceitos fundamentais Na física matéria é definida como aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço E tudo o que possui massa é constituído por átomos A palavra átomo tem origem grega e significa indivisível O átomo é considerado a menor parcela de divisão de um elementomaterial sem que ocorra a perda das propriedades químicas por essa razão também é conhecido como unidade básica da matéria De maneira geral o átomo é composto por um núcleo denso e muito pequeno formado por nêutrons e prótons envolvido por elétrons em movimentos orbitais Tanto prótons quanto elétrons possuem cargas elétricas positivas e negativas respectivamente com o mesmo valor de 160x 1019C Já os nêutrons como o próprio nome sugere são eletricamente neutros Essa configuração é possível devido à atração eletrostática entre prótons e elétrons no interior dos átomos por possuírem cargas elétricas opostas que se atraem Por fim a massa de cada uma dessas partículas é infinitamente pequena prótons e nêutrons com massa da ordem de 167x 1027kg e elétrons com massa da ordem de 911 x 1031kg Cada elemento químico existente é caracterizado pela quantidade de prótons que se encontram em seu núcleo Esse valor é conhecido como número atômico Z Por exemplo o átomo de oxigênio apresenta 8 prótons em seu núcleo assim seu número atômico é igual a 8 Z0 8 E ainda para um átomo completo ou seja eletricamente neutro o número atômico é igual ao número de elétrons que possui A Figura 1 traz uma configuração esquemática da composição do átomo de carbono com Z 6 Figura 1 Representação esquemática do átomo de carbono Fonte adaptada de Pixabay Outra definição importante é a de massa atômica A que expressa a soma das massas dos prótons e nêutrons que constituem o núcleo atômico O número de prótons sempre será o mesmo para todos os átomos de um mesmo elemento mas o número de nêutrons N pode variar Nesse caso os átomos de alguns elementos químicos podem apresentar massas atômicas diferentes recebendo o nome de isótopos Assim podemos relacionar a massa atômica A com o número de prótons Z e nêutrons N na Equação 1 O hidrogênio é um bom exemplo para compreendermos o conceito de isótopo Ele pode ser encontrado na natureza de três formas diferentes variando sua massa atômica devido à quantidade de nêutrons em seu núcleo prótio com apenas um próton no núcleo e a ausência total de nêutron deutério que possui um próton e um nêutron no núcleo e por fim o trítio com um próton e dois nêutrons no núcleo Já o peso atômico é obtido pela média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente A unidade de massa atômica uma é utilizada para o cálculo do peso atômico e equivale a 112 da massa atômica do carbono 12 considerado o isótopo mais comum do carbono C12 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS O peso atômico pode ser expresso em termos de átomos ou moléculas mas é comumente utilizado o conceito de massa por mol de material Um mol representado pelo número de Avogadro contém 6023 x 1023 átomos ou moléculas em uma substância Assim a Equação 2 expressa a relação entre as definições de peso atômico Por exemplo em um mol de prata Ag com número atômico igual a 47 há 6023 x 1023 átomos e 10787 uma ou 10787g Ademais com tais conceitos é possível calcular a quantidade de átomos eou moléculas em uma amostra de material Esse cálculo é possível utilizando a massa atômica do átomo ou molécula e o número de Avogadro Exemplificando a ideia podemos montar uma regra de três simples para calcular quantos átomos há em 100g de cobre 3 Utilizando a tabela periódica temos que a massa atômica desse elemento vale 6355g Substituindo os valores na Equação 3 a quantidade de átomos de cobre é dada por Importante ressaltar que esses conceitos fundamentais para compreensão do átomo cálculo de massa atômica e número de Avogadro são importantes para o entendimento das estruturas e propriedades dos materiais Siga em Frente Modelo atômico e números quânticos As fabulações iniciais sobre a constituição da matéria datam de muito antes da era cristã Mas foi Demócrito 460 370 aC que teorizou e nomeou o átomo por acreditar que a matéria chegaria em um ponto que não poderia mais ser dividida em outras palavras ele formulou teorias sobre a matéria ser formada por partículas indivisíveis definindoas como a menor unidade capaz de caracterizar um elemento químico e participar de uma reação química Esse pensamento perdurou por anos até que em 1807 o cientista inglês John Dalton ao realizar experimentos medindo a massa de diversos compostos observou que a quantidade dos elementos permanecia sempre a mesma e confirmou a ideia de Demócrito sobre a indivisibilidade do átomo Dalton associou o átomo a uma bola de bilhar maciço e indivisível A partir de então os estudos a respeito da constituição e estrutura da matéria foram despertando curiosidade Tempo depois houve a descoberta de partículas com carga elétrica no átomo gerando um outro modelo conhecido como pudim de passas ou modelo de Thomson 1898 Em seus experimentos o físico chegou à conclusão de que o átomo era formado por dois tipos de partículas positivas e negativas sendo que as partículas negativas estariam alocadas no interior do fluido positivo Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Com o passar dos anos os estudos da radiação e suas partículas α alfa β beta e γ gama por Henri Becquerel 1896 e Marie e Pierre Currie 1898 permitiram que novos experimentos fossem realizados levando a novas dúvidas sobre como seria o átomo Foi então que Ernest Rutherford 1910 propôs um novo modelo sugerindo que o átomo seria composto por um núcleo denso e massivo contendo partículas positivas rodeado por elétrons que são espécies negativas Contudo considerando a interação eletrostática das cargas algumas perguntas se tornariam inevitáveis questionando a proposta do modelo 1 Como espécies carregadas positivamente não se repeliam no núcleo massivo e denso 2 Por que os elétrons não eram atraídos pelos prótons Como solução Rutherford chegou à conclusão de que existiam outras espécies subatômicas localizadas no núcleo sem carga às quais chamou de nêutrons Essa teoria foi confirmada em 1932 com a determinação de sua massa por James Chadwick Já a segunda pergunta era um pouco mais complexa Foi então que em seus estudos Niels Bohr e Arnold Sommerfeld 1913 propuseram a teoria de que os elétrons apresentavam movimento percorrendo órbitas elípticas em torno do núcleo em camadas discretas de energia conhecidas camadas eletrônicas Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS No modelo proposto por Bohr ao percorrer sua trajetória em um mesmo orbital o elétron não emite energia A absorção ou liberação desta ocorre apenas ao passar de uma camada à outra absorção de energia quando o elétron passa de uma camada interna para uma mais externa e liberação de energia quando o elétron passa de uma camada externa para uma interna sendo a quantidade de energia sempre múltiplo de uma quantia fixa o chamado quantum O modelo atômico de Bohr foi a primeira tentativa de descrever o comportamento dos elétrons nos átomos considerando a posição e energia Contudo havia alguns questionamentos que esse modelo não conseguia explicar considerando o comportamento do elétron principalmente com as descobertas de Louis de Broglie sobre o princípio da dualidade ondapartícula e de Heisenberg com o princípio da incerteza Finalmente em 1926 Erwin Schroedinger propôs uma equação para calcular a máxima distribuição de probabilidades de se encontrar a posição de um elétron considerando quatro parâmetros denominados números quânticos Esses números descrevem cada elétron levando em conta o seu estado a distância a partir do núcleo orientação espacial e o tipo de orbital mais provável Eles são denominados por Número quântico principal n indica o nível de energia do elétron assumindo valores iguais a n 1 2 3 4 5 6 e 7 Essas camadas também podem ser denominadas por letras sendo K n 1 L n 2 Q n 7 Quanto maior o valor de n mais distante o elétron estará do núcleo e maior será o tamanho do átomo e do orbital Número quântico do momento angular l indica os subníveis do orbital para cada valor de l haverá um subnível de energia específico s p d e f que está limitado ao valor do número quântico principal Número quântico magné tico m l indica a orientação do orbital no espaço podendo assumir valores de l a l Para o orbital s m l 0 p m l 1 0 1 d m l 2 1 0 1 2 e para f m l 3 2 1 0 1 2 3 Como exemplo o orbital p apresenta 3 orientações x y e z em um gráfico de coordenadas Número quântico de spin m s indica o movimento do elétron ao longo do seu eixo Apenas dois valores são possíveis 12 e 12 uma vez que o elétron pode girar apenas no sentido horário e antihorário Configurações eletrônicas Segundo o princípio da exclusão de Pauling dois elétrons não podem apresentar o mesmo conjunto de números quânticos ou seja para cada orbital é possível apenas dois elétrons Por exemplo se há dois elétrons com n 3 os dois na camada 3 l 1 os dois no orbital p m l 0 os dois com a mesma orientação espacial ou x ou y ou z e cada um deles girando em um sentido ms 12 e ms 12 ms 12 e ms 12 Comumente para estimar a posição de um elétron é utilizado a representação de orbitais por caixas e de elétrons por setas considerando a nomenclatura apresentada pela Figura 4 para indicação dos números quânticos Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Na imagem a descrição 2p4 indica que há quatro elétrons em orbitais p na camada 2 lembrando que as camadas internas possuem menor energia o que também se aplica para os orbitais pelo fato de que cada tipo possui diferente energia s p d f Por definição os orbitais de um mesmo tipo como os três orbitais p pxpy e pz da Figura 4 são chamados de degenerados e o preenchimento deles ocorre seguindo a regra de Hund distribuindo primeiro os elétrons com orientação 12 representado por posteriormente os elétrons com orientação 12 representado por Os elétrons são distribuídos ao longo das camadas e subcamadas estados eletrônicos considerando o princípio da exclusão de Pauli em que cada estado eletrônico comporta no máximo dois elétrons com spins opostos Dessa maneira os subníveis de energia s p d e f comportam respectivamente dois seis dez e quatorze elétrons Esse processo é denominado distribuição eletrônica e deve ser utilizado colocando os primeiros elétrons na camada menos energética A Tabela 1 apresenta as informações dos números quânticos e a representação gráfica dos orbitais para o desenvolvimento da distribuição eletrônica Tabela 1 Descrição dos números quânticos e representação gráfica dos orbitais Fonte elaborada pela autora Segundo o princípio de exclusão a distribuição eletrônica deve seguir os níveis de energia indo dos de menor energia para os de maior energia aplicando o mesmo conceito para os orbitais Por exemplo a primeira camada n 1 possui apenas 1 orbital s Já a segunda camada n 2 possui 1 orbital s e 3 orbitais p sendo o orbital s menos energético que os orbitais p preenchidos antes As energias das diferentes camadas e orbitais foram calculadas experimentalmente para definir qual orbital deve ser preenchido primeiro utilizando um diagrama conhecido como diagrama de distribuição eletrônica Figura 5 que indica o sentido de preenchimento dos orbitais segundo os estados de crescimento de energia Nesse diagrama as camadas e subcamadas são completadas seguindo as setas vermelhas iniciando por 1s depois 2s depois 2p 3s seguido de 3p 4s entre outros Figura 5 Diagrama de distribuição eletrônica Fonte adaptada de Kotz et al 2023 p 312 Vejamos um exemplo O argônio Ar possui número atômico 18 Z 18 indicando que há 18 prótons em seu núcleo sendo igual o número de elétrons considerando o átomo neutro Assim pelo diagrama de distribuição de energia mostrado na Figura 2 sua configuração eletrônica será 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Já o potássio K possui número atômico 19 z 19 e possui configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 A última camada preenchida na distribuição eletrônica é conhecida como camada de valência e os elétrons que estão alocados nela são denominados elétrons de valência São justamente os elétrons de valência que participam das ligações químicas formando agregados atômicos e moleculares Além disso muitas das propriedades físicas e químicas dos materiais tem como base os elétrons de valência Segundo o exemplo acima para o argônio a camada n 3 é a camada de valência com 8 elétrons de valência 3s2 3p6 Já para o potássio a camada n 4 é a camada de valência com 1 elétron de valência 4s1 Assim podemos dizer que a representação da maneira como os elétrons estão distribuídos em níveis e subníveis de energia é denominada configuração eletrônica utilizada para descrever os orbitais de um átomo no seu estado fundamental isto é quando os elétrons ocupam os níveis de menores energias possíveis Logo muitas propriedades físicas e químicas dos elementos estão correlacionadas com suas respectivas configurações eletrônicas Os elétrons de valência por exemplo são os elétrons na camada nível de energia mais externa e o fator determinante de cada elemento químico ser único A ordem crescente dos níveis de energia preenchidos pelos elétrons é igual a 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d6p 7s utilizar o diagrama de energia de Pauling Vamos Exercitar Retomando o problema proposto inicialmente será necessário realizar um estudo sobre a estrutura da matéria descrevendo a composição fundamental do átomo através do modelo atômico e apresentando a camada de valência de alguns elementos químicos através de sua distribuição energética Os elementos químicos que foram pedidos para esse estudo são alumínio carbono cobre ferro e oxigênio Para o desenvolvimento desta atividade será preciso relembrar a composição fundamental do átomo núcleo pequeno e denso formado por prótons e nêutrons envolvido por elétrons em movimento orbital Cada elemento químico é caracterizado pelo número de prótons que possui em seu núcleo denominado de número atômico Z E para um elemento químico neutro o número de prótons e elétrons são o mesmo Por fim para obter a camada de valência dos elementos químicos propostos bem como os elétrons de valência os elétrons devem ser distribuídos ao longo das camadas e subcamadas considerando o princípio da exclusão de Pauli em que cada estado eletrônico comporta no máximo dois elétrons com spins opostos Assim teremos Alumínio Z 13 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Carbono Z 6 1s2 2s2 2p2 Cobre Z 29 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 Ferro Z 26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Oxigênio Z 8 1s2 2s2 2p4 Esses dados então podem ser agrupados e descritos no relatório que deverá ser entregue ao coordenador do projeto Tais informações e características dos átomos e elementos químicos são fundamentais para análise da estrutura da matéria principalmente por ser o alicerce fundamental para a compreensão das ligações químicas que formam substâncias e materiais Através desses conceitos é possível identificar propriedades e características dos materiais verificando sua aplicabilidade segundo a necessidade proposta Saiba mais Olá estudante Veja os conceitos na prática através da execução dos experimentos nos simuladores propostos a seguir na plataforma Phet PHET Monte um átomo Sobre 2024 PHET Isótopos e massa atômica Sobre 2024 Bons estudos Referências ASKELAND D R WRIGHT W J Ciência e engenharia dos materiais São Paulo Cengage Learning Brasil 2019 Ebook ISBN 9788522128129 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522128129 Acesso em 2 mar 2024 ATKINS P FísicoQuímica fundamentos 6 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 3 mar 2024 CALLISTER JR W D Ciência e engenharia de materiais uma introdução Rio de Janeiro Grupo GEN 2020 Ebook ISBN 9788521637325 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521637325 Acesso em 2 mar 2024 DREKENER R L SIMÊNCIO E C A Química e ciência dos materiais Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2019 KOTZ J C et al Química geral e reações químicas São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 v 1 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 3 mar 2024 NEWELL J Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais Rio de Janeiro Grupo GEN 2010 Ebook ISBN 9788521624905 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521624905 Acesso em 2 mar 2024 SMITH W F HASHEMI J Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais Porto Alegre Grupo A 2012 Ebook ISBN 9788580551150 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580551150 Acesso em 2 mar 2024 Aula 2 Tabela Periódica Tabela Periódica Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá estudante Nesta videoaula a Tabela periódica será apresentada considerando as características classificação e principais propriedades periódicas Os conceitos e definições relacionados a este tema são fundamentais para o desenvolvimento de sua prática pessoal em qualquer situação de trabalho que envolva materiais e suas aplicações Isso porque conhecer os elementos químicos e suas propriedades periódicas permite propor novos materiais com propriedades relevantes para aplicação requerida utilizando compostos diferentes A Tabela Periódica é portanto um modelo de tabela que agrupa e ordena todos os elementos químicos conhecidos e suas propriedades em ordem crescente correspondente aos números atômicos de cada um Preparado para esta nova jornada Bons estudos Ponto de Partida Olá estudante Desejamos boasvindas à segunda aula Nessa aula dissertaremos sobre uma das tabelas mais importantes na Ciência a Tabela Periódica Essa tabela contempla todos os elementos químicos de maneira ordenada e periódica levando em consideração a distribuição de energia e as propriedades periódicas Através dela é possível identificar as características de um elemento químico e conhecêlo em sua essência ponto fundamental para qualquer aplicação na prática profissional de Química e Ciência dos Materiais Por essa razão nosso estudo se concentrará na Tabela Periódica entendendo seu processo de construção e compreendendo as características e propriedades periódicas Para captar melhor os conceitos que serão apresentados continuemos com problemática em que você atua como trainee em uma grande empresa de desenvolvimento tecnológico de sua cidade e está participando do projeto que tem por objetivo desenvolver um produto resistente e maleável Na primeira etapa você ficou responsável por realizar um estudo sobre a estrutura da matéria descrevendo a composição fundamental do átomo através do modelo atômico e apresentou a camada de valência do alumínio carbono cobre ferro e oxigênio Agora foi solicitado a você que realizasse um estudo a respeito das características e propriedades periódicas desses mesmos elementos químicos Conhecer a Tabela Periódica dominando a sua utilização é uma ferramenta de grande valia para o cotidiano de um profissional da área de Química e de Materiais o qual compreenderá algumas propriedades e características dos compostos eou materiais levando em consideração os elementos químicos que o constituem bem como suas propriedades periódicas físicas químicas e mecânicas em função do tipo de ligação química na formação dos materiais Como o assunto é de grande importância para a formação de um bom profissional da área vamos conhecer os conceitos necessários para resolução do problema proposto Bons estudos Vamos Começar Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Introdução à Tabela Periódica Até meados do século de XIX com o desenvolvimento da Ciência novas descobertas foram surgindo através de diversos estudos e experimentos incluindo muitos dos elementos químicos que hoje conhecemos Contudo sem nenhum tipo de ordenação era difícil o acesso às informações importantes que cada elemento trazia Em 1869 com a finalidade de ordenálos conforme a semelhança de suas propriedades físicas e químicas o químico russo Mendeleyev organizou os elementos pelos seus números atômicos Já com o modelo quântico do átomo proposto por Erwin Schroedinger outras características passaram a ser consideradas como a distribuição eletrônica passando as linhas da tabela periódica a conterem um determinado número de átomos até que suas propriedades químicas e físicas começassem a se repetir A Figura 1 apresenta a Tabela Periódica completa com 118 elementos ordenados pelo número atômico em linhas horizontais chamadas períodos e em colunas verticais denominadas famílias ou grupos de acordo com as semelhanças das suas propriedades começando com 1 para o período que contém hidrogênio H e hélio He Segundo IUPAC 2011 a Tabela Periódica possui famílias numeradas de 1 a 18 e os elementos podem ser divididos em três categorias metais semimetais e não metais e os gases nobres Figura 1 Tabela Periódica Fonte Tabela Periódica Completa 2024 Utilizar a tabela periódica é pois de grande ajuda para obter as principais propriedades dos elementos químicos de forma rápida e fácil para qualquer finalidade Na formação de materiais compreender os elementos químicos existentes auxilia a identificar o tipo de ligação química predominante resultando nas propriedades químicas e físicas que o material apresenta Características da Tabela Periódica Atualmente a Tabela Periódica é dividida em grupos de elementos químicos que apresentam características em comum como os gases nobres que são espécies não reativas já que possuem camada de valência completa ou seja com 8 elétrons de valência Na Tabela Periódica as colunas são chamadas de grupos famílias e denominadas por números já as linhas são chamadas períodos e definidas pelo aumento do número atômico Por fim a localização do elemento químico na tabela fornece várias informações sobre a distribuição eletrônica que possui Na família 1 coluna 1A estão agrupados os metais alcalinos Os elementos do grupo 2 coluna 2A são conhecidos como alcalinosterrosos A coluna 13 família 3A é conhecida como a família do boro e os elementos deste grupo possuem caráter metálico menos intenso que os metais alcalinos terrosos Contido o boro é considerado um não metal o que contrasta com os outros elementos do grupo classificados como metais A família 14 4A é a família do carbono e a família do nitrogênio é a 15 5A Já a família 16 6A é conhecida como calcogênios e a família 17 7A é a família dos halogênios Por fim os gases nobres estão localizados na família 18 8A e recebem esse nome devido à sua quase não reatividade com outros elementos químicos Uma curiosidade dos elementos contidos nas famílias A é que sua distribuição eletrônica sempre coincidirá o número da família com o número do elétron de valência Por exemplo o lítio Li está contido na família 1A número atômico 3 e distribuição eletrônica dada por 1s²2s¹ ou seja 1 elétron de valência Outro exemplo o oxigênio O está contido na família 6A número atômico 8 e distribuição eletrônica dada por 1s²2s²2p⁴ ou seja 6 elétrons de valência Entre as famílias 1B e 8B estão os elementos de transição denominados assim por possuírem o subnível d incompleto ou formarem cátions com o subnível d incompleto As duas linhas na parte inferior da tabela acomodam os lantanídeos e os actinídeos elementos que também são considerados metais de transição Muitas vezes nos referimos aos lantanídeos como terras raras usados em ímãs telas de LCD baterias de carros híbridos no polimento de vidros dentre outras aplicações É importante citar que a distribuição eletrônica dos elementos de transição apresenta como principal característica os subníveis d transição externa ou f transição interna como mais energéticos Assim o rutênio Ru está contido no grupo 8B da tabela periódica número atômico 44 e distribuição eletrônica dada por 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁶5s² Utilizando o diagrama de Linus Pauling levando em consideração os estados de energia a distribuição eletrônica do rutênio termina em 4d⁶ Figura 2 caracterizandoo como um elemento de transição externa Figura 2 Distribuição eletrônica do Rutênio Ru Fonte elaborada pela autora Compreender as características de ordenamento dos elementos químicos na Tabela Periódica auxilia portanto na identificação das propriedades dos elementos de cada grupo ou período tornando possível sua substituição em ligações químicas de propriedades periódicas semelhantes dando origem a novos tipos de materiais eou estruturas Siga em Frente Classificação e propriedades periódicas É possível obter e verificar algumas informações sobre os elementos químicos por meio da Tabela Periódica Essa possibilidade existe pelo fato de que há algumas propriedades que se repetem de tempos em tempos propriedades atômicas que possuem tendências periódicas São elas tamanho atômico tamanho iônico energia de ionização e afinidade eletrônica Seria possível afirmar qual é a fronteira de um átomo Como poderíamos saber qual é o seu tamanho Através da definição de orbitais não há a possibilidade de traçar uma linha e dizer que o átomo chega até determinado ponto nem matematicamente nem com observações direta Porém é possível utilizar medidas indiretas para conseguirmos os valores de tamanho atômico como analisar moléculas compostas pelos mesmos átomos Nessa abordagem a utilização do raio atômico ra é fundamental e sua definição é dada como metade da distância entre os centros de dois átomos Como exemplo a Figura 3 apresenta os valores para o raio atômico do cloro Cl e carbono C através das moléculas de gás cloro Cl₂ e da grafita C respectivamente Com estes dados podemos prever o tamanho da ligação C Cl entretanto temos que levar em conta que outros átomos próximos podem afetar esse tamanho de ligação Figura 3 Determinação de raios atômicos do cloro Cl e carbono C Fonte adaptada de Kotz et al 2023 p 323 Analisando os diferentes raios atômicos observase que à medida que os níveis de energia n aumentam aumenta também o raio atômico Assim quanto maior o valor de n maior o número de camadas Dessa forma o tamanho do átomo aumenta de cima para baixo na tabela periódica Ademais o tamanho do átomo diminui com o aumento do número atômico Z pois à medida que ocorre o aumento em um próton a atração com a eletrosfera é maior o núcleo passa a atrair os elétrons mais fortemente diminuindo o raio à proporção que aumenta o número atômico em um mesmo período A Figura 4 traz uma representação da ordem de crescimento do raio atômico nos elementos que compõem a Tabela Periódica Basicamente o raio atômico aumenta de cima para baixo da direita para a esquerda Figura 4 Ordem de crescimento do raio atômico Fonte elaborada pela autora Tamanho iônico Por definição um íon é conhecido por um átomo que perdeu cátion carga positiva ou ganhou elétrons ânion carga negativa A distribuição eletrônica para os íons leva em consideração a quantidade de elétrons que possuem Por exemplo o sódio Na estável apresenta Z 11 e sua distribuição eletrônica é dada por 1s²2s²2p⁶3s¹ mas para o cátion desse elemento Na teremos 1s²2s²2p⁶ Ganhar eou perder elétrons implica no tamanho atômico por essa razão o raio iônico ri apresenta valores diferentes do raio atômico ra Energia de ionização EI É a energia necessária para a remoção de um elétron da camada de valência de um átomo em estado gasoso levando à formação de cátions Elétrons de camadas mais internas são mais difíceis de serem removidos devido à sua proximidade com o núcleo e quanto maior for o raio atômico menor será esta energia necessária para a remoção da carga já que estão mais afastados do núcleo Por essa razão a energia de ionização aumenta no sentido contrário do raio atômico ou seja de baixo para cima e da esquerda para a direita Figura 5 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Afinidade eletrônica A formação de ânions ocorre quando um átomo captura um elétron A capacidade de um átomo capturar elétrons é avaliada como afinidade eletrônica quando o elemento está em fase gasosa Comumente quando ocorre a adição de um elétron a um átomo ocorre a liberação de energia e desta forma quanto maior for a afinidade eletrônica mais negativo será o seu valor Quanto maior o número atômico ao longo do período maior será a afinidade eletrônica Seguindo a mesma linha de raciocínio em um mesmo grupo quanto mais acima o átomo se encontra mais próximo do núcleo o elétron será adicionado resultando em uma maior afinidade eletrônica O elemento com maior afinidade eletrônica na tabela periódica é o flúor F Por essa razão a afinidade eletrônica aumenta no sentido contrário do raio atômico ou seja de baixo para cima e da esquerda para a direita Figura 6 A energia de ionização e afinidade eletrônica medem a capacidade de um átomo perder e ganhar um elétron respectivamente formando íons Se um átomo possui elevada afinidade eletrônica ele deve possuir baixa tendência a formar cátion o que corresponde a um elevado valor de energia de ionização A energia de ionização e a afinidade eletrônica estão pois relacionadas com a reatividade dos átomos em reações em que se doa e recebe elétrons Mas não confundamos afinidade eletrônica com eletronegatividade A eletronegatividade diz respeito à tendência de recebercapturar elétrons e seus valores irão crescer no mesmo sentido da afinidade eletrônica já que quanto menos elétrons um átomo necessita para garantir sua estabilidade mais vontade deles ele terá Com os conhecimentos adquiridos até aqui é possível compreender a representação atômica bem como a maneira com a qual os elementos químicos estão organizados na Tabela Periódica e quais informações podemos extrair dessa organização bem como prever ou interpretar tendências de propriedades de elementos e compostos Vamos Exercitar Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Retomando o problema proposto inicialmente na etapa de desenvolvimento do projeto foi solicitado a você que realizasse um estudo a respeito das características e propriedades periódicas elementos químicos alumínio carbono cobre ferro e oxigênio Para a resolução desta atividade será necessário consultar a Tabela Periódica para identificar as principais características de cada elemento bem como suas propriedades periódicas Dessa forma teremos Alumínio é o elemento químico que pertence ao terceiro período e ao décimo terceiro grupo família 3A da Tabela Periódica Seu símbolo é dado por Al de número atômico 13 e massa atômica 26982g Segundo a sua localização na tabela é um metal e apresenta 3 elétrons de valência possuindo a tendência de doar elétrons em uma ligação química Carbono é um elemento químico do grupo 14 família 4A que pertence ao segundo período da Tabela Periódica Devido à sua localização na tabela é um elemento que possui 4 elétrons de valência com tendência a receber ou compartilhar elétrons em uma ligação química Seu símbolo é dado por C de número atômico 6 e massa atômica 12g Cobre é um elemento químico do grupo 11 família 1B que pertence ao quarto período da Tabela Periódica Devido à sua localização é chamado de metal de transição e possui elétrons externo e subnível d completo Seu símbolo é dado por Cu de número atômico 29 e massa atômica 63546g Ferro é um elemento químico do grupo 8 família 8B que pertence ao quarto período da Tabela Periódica Devido à sua localização é chamado de metal de transição e possui elétrons internos e subnível d incompleto Seu símbolo é dado por Fe de número atômico 26 e massa atômica 55845g Oxigênio é um elemento químico do grupo 16 família 6A que pertence ao segundo período da Tabela Periódica Devido à sua localização na tabela é um elemento que possui 6 elétrons de valência com tendencia em receber ou compartilhar elétrons em uma ligação química Os elementos do grupo 16 são conhecidos como calcogênios termo que advém da junção de duas palavras gregas Khalkos que significa cobre e genos que significa origem ou seja originário do cobre Apesar do elemento químico cobre não fazer parte do grupo 16 ele assim é chamado pelo fato de que dois de seus elementos o oxigênio e o enxofre estão sempre presentes em minérios de cobre Seu símbolo é dado por O de número atômico 8 e massa atômica 16g Muitas outras informações podem ser obtidas sobre os elementos químicos citados contudo estas são as mais importantes em uma tabela periódica comum Vale ressaltar que a Tabela Periódica é um modelo de tabela que agrupa e ordena todos os elementos químicos conhecidos e suas propriedades em ordem crescente correspondente aos números atômicos de cada elemento Saiba mais Olá estudante Compreender os tipos de elementos químicos suas principais características e como podem relacionar entre si é fundamental para a análise de propriedades dos materiais Por essa razão é importante ter o domínio sobre os conteúdos dispostos na Tabela Periódica para consultála quando necessário Assim saiba mais sobre os elementos químicos seus períodos e famílias estudando as informações sobre a Tabela Periódica Completa e atualizada disponível no endereço a seguir TABELA PERIÓDICA COMPLETA A Tabela Periódica dos elementos químicos atualizada 2024 Página inicial Bons estudos Referências ASKELAND D R WRIGHT W J Ciência e engenharia dos materiais São Paulo Cengage Learning Brasil 2019 Ebook ISBN 9788522128129 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522128129 Acesso em 2 mar 2024 ATKINS P FísicoQuímica fundamentos 6 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 3 mar 2024 CALLISTER JR W D Ciência e engenharia de materiais uma introdução Rio de Janeiro Grupo GEN 2020 Ebook ISBN 9788521637325 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521637325 Acesso em 2 mar 2024 DREKENER R L SIMÊNCIO E C A Química e ciência dos materiais Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2019 KOTZ J C et al Química geral e reações químicas São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 v 1 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 3 mar 2024 NEWELL J Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais Rio de Janeiro Grupo GEN 2010 Ebook ISBN 9788521624905 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521624905 Acesso em 2 mar 2024 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS SMITH W F HASHEMI J Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais Porto Alegre Grupo A 2012 Ebook ISBN 9788580551150 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580551150 Acesso em 2 mar 2024 TABELA PERIÓDICA COMPLETA A Tabela Periódica dos elementos químicos atualizada 2024 Página inicial Disponível em httpswwwtabelaperiodicacompletacom Acesso em 3 mar 2024 Aula 3 Ligações químicas Ligações químicas Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá estudante Nesta videoaula iremos compreender como os átomos eou íons se mantêm unidos nas estruturas químicas e formação de moléculas e materiais Ou seja abordaremos as ligações químicas primárias e secundárias Este tema é importante para o desenvolvimento de sua prática pessoal e profissional pois as propriedades físicas e químicas dos materiais podem ser obtidas através do tipo de ligação química predominante no material Além disso caso seja necessária a alteração de algum elemento químico na construção do material buscando melhoria nas propriedades desejadas identificar a ligação química do composto inicial permite prever qual elemento químico pode ser utilizado nessa substituição desenvolvendo materiais específicos para a aplicação desejada Chegou a hora de compreender as formas pelas quais os átomos podem ser ligados na constituição da matéria Vamos lá Ponto de Partida Olá estudante Nesta aula investigaremos os tipos de ligações químicas e como os elétrons de valência estão envolvidos nesse processo Disserteremos sobre os três tipos de ligações químicas primárias que ocorrem entre átomos e as ligações de van der Waal também conhecidas como ligações secundárias que ocorrem entre moléculas As aplicações para esses conceitos são inúmeras dentre elas o fato de que permite selecionar materiais adequados para uma determinada aplicação segundo as propriedades requeridas Considerando tal temática imagine que você atua como estagiário em um laboratório de pesquisa e desenvolvimento PD que propõe projetos de inovação buscando substituir materiais comuns em aplicações usuais por novos materiais com o foco nos avanços tecnológicos e visando melhor custobenefício do projeto Pensando na importância na relação entre resistência mecânica e densidade dos materiais para os projetos em desenvolvimento seu gestor solicitou que você realizasse uma pesquisa sobre a possibilidade de substituir os fios de cobre utilizados na fiação elétrica de automóveis por alumínio Se houver essa possibilidade quais características químicas serão relevantes para essa escolha Ao final dessa etapa um relatório deve ser entregue ao coordenador do projeto contendo as informações por ele solicitadas Com o estudo dos tipos de ligações químicas e das forças intermoleculares será possível compreender o motivo pelo qual uma classe de materiais pode apresentar uma determinada característica ou propriedade em comum e assim selecionar o melhor material que atenda às vigências solicitadas Bons estudos Vamos Começar Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Íons e a ligação iônica Tudo o que possui forma e ocupa lugar no espaço é constituído de átomos que são mantidos unidos por forças conhecidas por ligações interatômicas ou ligações químicas conectando cada átomo a seu vizinho mais próximo As diferentes propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas aos tipos das ligações interatômicas A grafita e o carbono por exemplo são constituídos essencialmente por carbono mas exibem diferentes características em função da natureza da ligação química O conceito de ligação química foi proposto simultânea e independentemente por dois químicos Gilbert N Lewis 1875 1946 e Walter Kossel 1888 1956 em 1916 Eles afirmaram que a conexão dos átomos ocorria para que os elementos adquirissem estabilidade química ou seja o preenchimento completo da camada de valência assumindo a configuração de gás nobre Para ambos os cientistas ligação química é a força atrativa entre dois átomos resultante da reorganização dos elétrons de suas camadas de valência até atingir oito elétrons De modo geral as ligações químicas são classificadas em primárias e secundárias contudo algumas bibliografias as denominam ligações fortes e fracas respectivamente As ligações primárias ocorrem entre átomos e envolvem a doação ou o compartilhamento de elétrons para formar uma configuração eletrônica estável Já as ligações secundárias ocorrem entre moléculas ou seja a atração de uma molécula qualquer com suas vizinhas Com o objetivo de facilitar a representação da camada de valência de um átomo para analisar a possibilidade de ligações químicas Lewis desenvolveu uma notação para a camada de valência dos elementos químicos em que apresenta o símbolo do elemento rodeado por pontos indicando a quantidade de elétrons de valência As ligações primárias são interatômicas e por essa razão são consideradas ligações químicas fortes Dentre elas as ligações iônicas que ocorrem entre elementos metálicos e não metálicos são caracterizadas pela transferência de elétrons de um átomo para o outro Ou seja o átomo que possui menos elétrons na camada de valência metálicos doa seus elétrons para o átomo que possui mais elétrons na camada de valência nãometálicos até que a estabilidade química seja alcançada Nesse processo os átomos que perdem e ganham elétrons se tornam íons cátions íons positivos e ânions íons negativos respectivamente Um exemplo comum desse tipo de ligação é o composto cloreto de sódio NaCl mais conhecido como sal de cozinha Para a formação desse composto ocorre uma reação iônica entre o sódio Na e o cloro Cl O sódio com 1 elétron na camada de valência o doa para o cloro inicialmente com 7 elétrons Nesse processo há a geração dos íons Na e Cl que são atraídos por meio da ligação química Assim ao final dessa transferência de elétrons originando os íons Na e Cl e a atração entre eles a estabilidade química é alcançada e o composto formado Esse processo é apresentado pela Figura 1 Figura 1 Formação do composto NaCl através da ligação iônica Fonte adaptada de Kotz et al 2023 p 350 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Para a geração de íons os elementos químicos do grupo principal tendem a perder ou ganhar elétrons buscando a estabilidade química por adquirir a configuração de gás nobre Por definição os íons oriundos de átomos que perdem elétrons são chamados cátions e representados pela carga positiva Já os íons provenientes de átomos que ganham elétrons formam ânions representados pela carga negativa Considerando as propriedades periódicas os elementos químicos das famílias 1A 2A e 3A apresentam energias de ionização baixas com tendência a perder elétrons com facilidade enquanto elementos químicos das famílias 5A 6A e7A possuem elevadas afinidades eletrônicas tendendo a receber elétrons Na ligação química do cloreto de sódio NaCl apenas um íon de cada elemento químico foi suficiente para a estabilidade química e formação de composto Mas nem sempre será assim Por exemplo o composto alumina também conhecido como óxido de alumínio é formado por íons de alumínio e oxigênio Nesse caso para garantir a estabilidade química do composto foram necessários dois átomos de alumínio e três de oxigênio A Figura 2 apresenta o processo formativo para o composto alumina Al2O3 Figura 2 Formação do composto alumina Al2O3 Fonte elaborada pela autora Podemos utilizar a íonfórmula para identificar quantos átomos de cada elemento são necessários para estabilidade do composto Nesse caso ela é obtida pelo cruzamento das cargas dos íons metálicos X e não metálicos Y como resultado desse cruzamento a carga de um transformase no índice atômico do outro Figura 3 Figura 3 Representação da íonfórmula de um composto iônico Fonte elaborada pela autora A ligação química iônica é denominada não direcional significando que sua magnitude é a mesma em todas as direções ao redor do íon Assim na formação de materiais iônicos estáveis em um arranjo tridimensional os vizinhos mais próximos dos íons positivos devem ser os íons negativos e viceversa Como resultado dessa união de íons os materiais que possuem predominantemente ligações iônicas são materiais Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS duros frágeis de elevada temperatura de fusão e bons isolantes térmicos e elétricos Essas propriedades são consequência direta das configurações eletrônicas eou da natureza da ligação iônica Conhecendo os elementos químicos que compõem o material suas configurações eletrônicas e a natureza das ligações químicas identificamos as propriedades que o material apresentará oriundas do tipo de ligação Por exemplo materiais cerâmicos são formados por elementos metálicos e nãometálicos com ligação química predominantemente iônica Por essa razão possuem alto ponto de fusão são ótimos isolantes de energia resistentes duros e frágeis Ligação covalente e metálica Existem três tipos de ligações químicas primárias iônicas covalentes e metálicas A ligação covalente ocorre quando os átomos possuem tendências iguais de ganhar eou perder elétrons caracterizando os elementos químicos nãometálicos e o hidrogênio Por essa razão a transferência total do elétron de um átomo para o outro não acontece mas ocorre o compartilhamento dos elétrons entre os átomos envolvidos na ligação Átomos que apresentam alto valor de eletronegatividade como os ametais possuem alta capacidade em atrair elétrons Contudo quando eles interagem entre si o fato de todos apresentarem alta atração pelos elétrons faz com que não ocorra a transferência efetiva destes mas uma atração simultânea ou seja o compartilhamento dos elétrons pelos núcleos dos átomos fazendo com que os átomos permaneçam unidos Essa atração mútua ocorre até que a estabilidade química seja alcançada ou seja até que os elementos químicos cheguem a uma configuração semelhante ao dos gases nobres seguindo a regra do octeto A ligação covalente pode ocorrer de quatro formas dependendo de quantos e como os pares de elétrons são compartilhados Elas podem ser simples um par compartilhado dupla dois pares compartilhados tripla três pares compartilhados e coordenada os dois elétrons provêm do mesmo átomo Na fórmula estrutural de um composto cada par de elétrons compartilhado é representado por uma barra quanto à ligação covalente coordenada ela é representada por uma seta A Tabela 1 apresenta os tipos de ligações covalentes através de exemplos de moléculas conhecidas em nosso cotidiano por sua fórmula molecular mostrando os pares compartilhados utilizando a estrutura de Lewis em sua fórmula eletrônica e as barras indicando as ligações em sua fórmula estrutural Tabela 1 Representação dos tipos de ligações covalentes Fonte elaborada pela autora Os compostos covalentes são bons isolantes térmicos apresentam pontos de fusão e ebulição menores do que os compostos tipicamente iônicos possuem elevado módulo de elasticidade podem ser rígidos frágeis mas também dúcteis e maleáveis Esse tipo de ligação é encontrado em materiais cerâmicos à base de silicatos vidros e nos materiais poliméricos É interessante notar que tanto um material duro como o diamante quanto um material relativamente macio como um polímero contêm ligações covalentes Essas diferenças são o resultado não apenas das ligações dentro das moléculas mas também das ligações que as mantêm unidas Outro ponto relevante consiste em ser possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente iônicas e parcialmente covalentes em um mesmo material De fato são poucos os compostos que exibem ligações exclusivamente iônicas ou covalentes O grau de cada tipo de ligação está associado à posição relativa de seus átomos constituintes na Tabela Periódica ou da diferença de suas eletronegatividades Quanto maior for a diferença entre as eletronegatividades maior o percentual iônico da ligação A quantidade iônica de uma ligação também chamada de caráter iônico entre dois elementos A e B sendo A o elemento mais eletronegativo pode ser aproximada pela Equação 1 sendo XA e XB as eletronegatividades dos respectivos elementos caráter iônico 1 exp025XA XB2x100 caráter iônico 1 exp025XA XB2x100 Como exemplo o caráter iônico do cloreto de sódio NaCl pode ser calculado por 1 considerando os valores de eletronegatividade de 09 para o sódio e de 30 para o cloro Assim a porcentagem de caráter iônico é expressa em da seguinte forma caráter icônico NaCl 1 exp02530 092 x100 67 caráter icônico NaCl 1 exp02530 092 x100 67 Ou seja o composto cloreto de sódio NaCl possui 67 de ligações iônicas e 33 de ligações covalentes Dessa forma podemos afirmar que moléculas podem ser formadas por ligações covalentes e compostos iônicos por ligações iônicas E nos metais e suas ligas como ocorrem as ligações Estas são conhecidas como ligações metálicas que apresentam como características boa condutividade elétrica e térmica brilho característico e flexibilidade A ligação metálica ocorre entre os elementos metálicos iguais ou diferentes que possuem um dois ou três elétrons na camada de valência Nesse tipo de ligação os elétrons de valência estão deslocalizados ou seja eles possuem probabilidade igual de estarem associados a qualquer um de seus átomos adjacentes formando um mar de elétrons ou nuvem eletrônica Figura 4 Nessa nuvem eletrônica os elétrons são considerados livres e é justamente por essa razão que os compostos metálicos apresentam boa condutividade elétrica e térmica Mar de elétrons Figura 4 Representação da ligação metálica Fonte adaptada de Maia e Bianchi 2007 p 109110 Ao analisar as propriedades periódicas de energia de ionização comparando os átomos mais à direita da Tabela Periódica com átomos das famílias 1A e 2A as propriedades metálicas se modificam pois os compostos metálicos do grupo 1 e 2 tendem a ser mais maleáveis que compostos metálicos de cobre por exemplo Por fim as ligas metálicas são utilizadas para unir propriedades de diferentes metais ou modular propriedades de interesse em determinada utilização Elas são definidas pela mistura de dois ou mais metais podendo envolver elementos não metálicos Como exemplo de liga metálica podemos citar o ouro 18 em que prata ou cobre são adicionados para deixar o ouro menos maleável possibilitando a utilização fabricação de joias e o aço em que uma quantidade específica de carbono é adicionada no ferro aumentando a resistência mecânica Comportamentos gerais dos materiais podem ser explicados pelo tipo de ligação química que possuem De maneira geral os materiais metálicos e suas ligas são bons condutores de energia como consequência de seus elétrons livres já os materiais com ligações iônicas ou covalentes são tipicamente isolantes por não possuírem elétrons livres Siga em Frente Ligações de van der Waals Para a formação dos materiais além das ligações químicas primárias consideradas fortes por ocorrerem entre os átomos eou íons também existem as mais fracas conhecidas como ligações secundárias que ocorrem entre as moléculas e por vezes entre átomos também chamadas de interações ou forças intermoleculares ou simplesmente ligações de van der Waals Nas ligações químicas secundárias não há doação ou compartilhamento dos elétrons de valência Elas normalmente são formadas quando ocorre uma distribuição de cargas desigual criando um dipolo de carga total zero mas com uma das extremidades com carga positiva ou negativa em relação à outra extremidade Esses dipolos podem ser produzidos por uma flutuação aleatória dos elétrons em torno do que é normalmente um campo elétrico simétrico no átomo Uma vez que um dipolo aleatório é formado em um átomo um dipolo induzido é formado no átomo adjacente Figura 5 Dipolo aleatório no primeiro átomo Dipolo induzido no segundo átomo Figura 5 Representação da ligação de van der Waals Fonte elaborada pela autora Uma ligação secundária também pode estar presente quando uma molécula apresenta um dipolo permanente em função de uma disposição assimétrica das regiões positivas e negativas Essa molécula com dipolo permanente pode induzir nas moléculas adjacentes um dipolo simétrico formando uma ligação fraca ou constituir ligações químicas secundárias com outras moléculas que também apresentem dipolo permanente Vale dizer que materiais provenientes desse tipo de ligação secundária apresentam baixas temperaturas de fusão e ebulição Dentre os tipos de ligações de van der Waals a mais importante é conhecida como forças de London em que há interações entre dipolos induzidos em átomos ou moléculas levando à diminuição da energia do sistema estabilizandoo Outro tipo de ligação secundária é a chamada ligação de hidrogênio ou ligações de dipolos permanentes Ela é considerada a forma mais forte das ligações secundárias formada a partir da natureza polar de moléculas que contenham átomos de hidrogênio Como exemplo podemos observar a ligação entre as moléculas de água H2O em que o único elétron que o hidrogênio possui é compartilhado com o oxigênio Assim o lado da ligação em que se encontra o hidrogênio tornase carregado positivamente exercendo força de atração na molécula adjacente com extremidade carregada positivamente Além disso como consequência dessa ligação pontos de fusão e ebulição de materiais que contenham ligações de hidrogênio são muito elevados em relação aos pesos atômicos que possuem Logo tanto as ligações de van der Waals quanto as ligações de hidrogênio muitas vezes chamadas de ponte de hidrogênio são fracas se comparadas às ligações primárias pelo fato de serem resultantes das forças de atração entre dipolos elétricos induzidos ou permanentes Vamos Exercitar Retomando o problema proposto inicialmente você foi acionado para realizar uma pesquisa sobre a possibilidade de substituir os fios de cobre que são utilizados na fiação elétrica de automóveis por alumínio Se houver essa possibilidade quais características químicas devem ser levadas em consideração nessa escolha Para o desenvolvimento desta atividade será necessário compreender as características que o material cobre apresenta e entender por que é utilizado na fiação elétrica de automóveis Na sequência será preciso avaliar a possibilidade de troca de material por alumínio e verificar o custobenefício do processo O elemento químico cobre Cu consultando a tabela periódica é um metal de transição de número atômico 29 Realizando a distribuição eletrônica desse elemento sua camada de valência apresentará apenas um elétron 4s1 Para a formação de um composto os átomos de cobre ligam uns aos outros através da ligação metálica Como característica desse tipo de ligação a nuvem eletrônica permite que o material seja excelente condutor de energia eletricidade e térmica e por apresentar boa ductilidade pode ser facilmente moldado em fio São essas propriedades que tornam esse material tão utilizado na forma de fios não apenas em automóveis mas em qualquer aplicabilidade de fiações Contudo existem alguns estudos que sugerem a possibilidade de se utilizar alumínio no lugar do cobre O alumínio assim como o cobre também é um elemento químico metálico de número atômico 13 com 3 elétrons de valência Para a formação do composto os átomos de alumínio se ligam uns aos outros através da ligação metálica Devido às propriedades periódicas do alumínio e ao tipo de ligação química que realiza para a formação do material podese afirmar que ele é um metal macio dúctil e resistente à corrosão apresentando baixa densidade e excelente condutividade térmica e elétrica Em um primeiro momento essas características tornam a substituição de fios de cobre por fios de alumínio viável Ademais por apresentar baixa densidade alguns estudos apontam que utilizar fios de alumínio em automóveis pode reduzir em até 48 a massa final da fiação elétrica Saiba mais Olá estudante Compreender os tipos de ligações químicas que estão presentes nos materiais e relacionálos às propriedades por eles apresentadas é de grande valia para análises preliminares nos materiais em aplicações específicas principalmente quando houver a possibilidade de substituição de material por outro visando a melhora das propriedades e custobenefício Saiba mais sobre os tipos de ligações primárias e secundárias estudando as seções de 26 a 28 do livro Ciência e engenharia de materiais uma introdução de William D Callister Jr Faça os exercícios propostos para fixar os conteúdos relacionados a este tema Bons estudos Referências ASKELAND D R WRIGHT W J Ciência e engenharia dos materiais São Paulo Cengage Learning Brasil 2019 Ebook ISBN 9788522128129 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522128129 Acesso em 2 mar 2024 ATKINS P FísicoQuímica fundamentos 6 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 3 mar 2024 CALLISTER JR W D Ciência e engenharia de materiais uma introdução Rio de Janeiro Grupo GEN 2020 Ebook ISBN 9788521637325 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521637325 Acesso em 2 mar 2024 DREKENER R L SIMÊNCIO E C A Química e ciência dos materiais Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2019 KOTZ J C et al Química geral e reações químicas São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 v 1 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 3 mar 2024 MAIA D J BIANCHI J C de A Química geral e fundamentos São Paulo Pearson Prentice Hall 2007 448 p NEWELL J Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais Rio de Janeiro Grupo GEN 2010 Ebook ISBN 9788521624905 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521624905 Acesso em 2 mar 2024 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS SMITH W F HASHEMI J Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais Porto Alegre Grupo A 2012 Ebook ISBN 9788580551150 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580551150 Acesso em 2 mar 2024 Aula 4 Estado da matéria gases líquidos e sólidos Estado da matéria gases líquidos e sólidos Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá estudante Nesta videoaula abordaremos os conceitos relacionados aos principais estados que a matéria pode apresentar sólido líquido e gasoso avaliando as propriedades fundamentais para a sua diferenciação e como ocorrem as mudanças de fase Ademais compreenderemos como descrever a matéria no estado gasoso através da lei dos gases ideais com exemplos do cotidiano e aplicações visando a prática profissional Os conceitos desta aula são pois fundamentais para compreender os estados em que a matéria pode ser encontrada bem como quais as situações que provocam ou permitem a mudança entre as fases Ter esse conhecimento é de grande valia para o seu desenvolvimento profissional sendo possível a escolha e utilização de qualquer material conforme as especificações do projeto levando em consideração a segurança e o custobenefício Pronto para mais esse desafio Bons estudos Ponto de Partida Olá estudante Bemvindo Nesta aula abordaremos as propriedades fundamentais e a classificação da matéria com o foco no estado gasoso estudando a lei dos gases e suas aplicações além de conceitos importantes para a compreensão das características de um composto em cada estado físico sólido líquido ou gasoso analisando suas propriedades e as situações em que ocorre a mudança de estado Além disso buscaremos compreender a relação das propriedades pressão temperatura e volume em um dado exemplo ou na análise de um processo termodinâmico Conceitos estes que podem ser utilizados e aplicados em diversas áreas da Engenharia por exemplo em novas tecnologias de embalagens que visam aumentar o prazo de validade dos alimentos Embalagens como essas apresentam dois tipos de classificação Embalagens de Atmosfera Modificada Tradicionais MAP e Embalagens de Atmosfera Modificada em Equilíbrio EMAP As Embalagens de Atmosfera Modificada Tradicionais MAP são embalagens fechadas que podem utilizar gases do tipo hélio He neônio Ne argônio Ar e criptônio Kr em seu interior mas também dióxido de carbono CO2 e gás oxigênio O2 em proporções adequadas mantendo alguns aspectos dos alimentos como cor forma e frescor Já as Embalagens de Atmosfera Modificada em Equilíbrio EMAP podem utilizar uma atmosfera modificada formada por dióxido de carbono CO2 e gás oxigênio O2 além de apresentar microperfurações na sua superfície O objetivo da atmosfera modificada equilibrada nesse tipo de embalagem consiste portanto em aumentar o prazo de validade para frutas e legumes frescos sem o uso de qualquer tipo de conservante Visando tal objetivo um produtor local de hortaliças contatou a empresa da qual você faz parte solicitando uma consultoria para ver a viabilidade do processo Para a obtenção das informações você foi acionado para verificar o volume final de gás que será utilizado em cada embalagem Nesse processo será utilizado o argônio que imediatamente após ser colocado na embalagem assume o comportamento de um gás ideal Para os cálculos alguns dados foram fornecidos pressão de 1 atm temperatura de 27ºC e massa de 016 g Então vamos conhecer os conceitos necessários para resolução do problema proposto Bons estudos Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Vamos Começar Propriedades fundamentais A definição mais simples de matéria é dada por aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço Enquanto massa m expressa a quantidade de matéria que compõe um corpo e pela segunda lei de Newton está relacionada à resistência inércia de um corpo para entrar em movimento acelerado Assim quanto maior a massa de um corpo maior a sua inércia E como podemos expressar o espaço que a matéria ocupa Pelo volume V já que sua definição é dada pelo espaço ocupado por um corpo ou a capacidade que ele tem de comportar alguma substância A proporção entre massa m e volume V é conhecida como densidade p também chamada de massa específica Ela expressa o quanto de massa de material é necessário para ocupar um volume específico No Sistema Internacional SI sua unidade é mas usualmente utilizamos Matematicamente a equação para densidade é dada por 1 p Basicamente a matéria existe em três formas estados sólido líquido e gasoso Os materiais em estado sólido apresentam forma rígida ocupando porções definidas no espaço e volume fixo apresentando pequenas mudanças com a variação de temperatura e pressão Os materiais em estado líquido também ocupam porções definidas no espaço como os sólidos mas não apresentam volume fixo tomando a forma do recipiente em que são alocados Por fim materiais em estado gasoso não ocupam porções definidas do espaço e não possuem formas definidas ou seja seu volume é determinado pelo recipiente que os contêm A Figura 1 traz uma representação dos estados da matéria que pode mudar seu estado físico sólido líquido ou gasoso mantendo sua composição química Qualquer matéria pode existir em um de seus três estados Para todos os casos ela estará em estado sólido para a temperatura mais baixa de sua constituição À medida que a temperatura aumenta os elementos que constituem o material se fundem e ocorre a formação da fase líquida Para temperaturas ainda maiores os líquidos se evaporam para formar gases Nesse processo a variação do volume do composto acompanha a mudança de estado aumentando com o aumento da temperatura e diminuindo com a diminuição da temperatura Contudo a água é uma Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS exceção significativa dessa regra apresentando expansão do volume no resfriamento na mudança de fase de líquido para sólido Esse fenômeno é conhecido como caso anômalo da água Para facilitar a compreensão das propriedades dos estados da matéria a teoria cinética molecular da matéria afirma que toda matéria é constituída por átomos moléculas ou íons que estão em constante movimento Nessa teoria as fases da matéria são explicadas através do arranjo atômico que possuem ou seja Sólido nesse estado as partículas que compõe a matéria estão muito próximas umas das outras normalmente apresentando um arranjo atômico regular Essas partículas vibram com pouca intensidade visto a baixa temperatura do material e raramente uma partícula em um sólido ultrapassa suas vizinhas de modo a entrar em contato com um novo conjunto de partículas Líquido possuem arranjo atômico irregular e vibram com mais intensidade que os sólidos Isso faz com que as partículas não apresentem confinamento em posições específicas podendo moverse e ultrapassar outras partículas Gasoso em situações normais as partículas em um gás encontramse bem distantes umas das outras devido à alta intensidade de vibração em função da elevada temperatura Por essa razão as moléculas de um gás se movem com extrema rapidez e não são confinadas por suas vizinhas colidindo umas com as outras e com as paredes do recipiente ao qual estão alocadas Esse movimento aleatório permite que elas preencham seu recipiente de forma que o volume de uma amostra de gás equivale ao volume do recipiente Para a formação da matéria em qualquer estado físico que se encontra há força de atração entre suas partículas Essa força é mais forte em sólidos e menos intensa em gases e possuem papel significativo na determinação das propriedades da matéria Uma substância pode apresentar mudança de fase absorvendo ou cedendo energia na forma de calor aumentando ou diminuindo sua temperatura respectivamente Essas mudanças de estado de matéria recebem nomes especiais por exemplo a transformação do sólido para líquido é chamada de fusão líquido para vapor é chamada de vaporização gás para líquido é chamada de condensação enquanto do líquido para sólido é chamada de solidificação Essas mudanças de fase são apresentadas resumidamente pela Figura 2 Dessa forma as principais mudanças de fase da matéria são definidas como Fusão quando ocorre a mudança do estado sólido para o estado líquido Vaporização quando ocorre a mudança do estado líquido para o estado gasoso podendo se dar de três formas líquido que passa para o estado gasoso abaixo da temperatura de ebulição evaporação líquido passa para o estado gasoso na temperatura de ebulição ebulição e líquido passa para o estado gasoso acima da temperatura de ebulição calefação Liquefação ou condensação quando ocorre a mudança do estado gasoso para o estado líquido Solidificação quando ocorre mudança do estado líquido para o estado sólido Sublimação quando ocorre a mudança do estado sólido para o estado gasoso e viceversa Anhanguera Por fim a pressão constante a temperatura de fusão ou ponto de fusão é a temperatura em que uma substância pura passa do estado sólido para o estado líquido Do mesmo modo a temperatura na qual uma substância passa do estado líquido para o estado gasoso é chamada de temperatura de ebulição ou ponto de ebulição As mudanças de estados da matéria são portanto fundamentais para compreender a maior parte dos fenômenos naturais que ocorrem diariamente O exemplo mais simples é o da água que ao longo de um mesmo dia muda de fase em diversos fenômenos observados chuva fazer um café vapor no banheiro enquanto toma um banho quente entre outros Siga em Frente Classificação da matéria A matéria pode ser classificada em substâncias puras ou misturas homogêneas ou heterogêneas Por definição substância pura é denominada a substância que apresenta composição química invariável e homogênea Ela pode existir em mais de uma fase mas sua composição será a mesma em todas as fases A água é um bom exemplo para que possamos compreender uma substância pura Imagine um copo com água líquida e um gelo Nesse caso temos o composto água em duas fases distintas mas de mesma composição química H2O Ademais a substância pura pode ser dada de duas formas pura simples e pura composta A substância pura será simples quando o composto for constituído por apenas um tipo de elemento químico como os gases oxigênio O2 e nitrogênio N2 contendo apenas os elementos oxigênio e nitrogênio respectivamente na formação da matéria Já a substância composta é formada por elementos químicos diferentes como a água H2O que contém os elementos hidrogênio H e oxigênio O ou o gás dióxido de carbono CO2 com os elementos carbono C e oxigênio O Mas como identificar quando uma substância é considerada pura independentemente de ser simples ou composta Uma substância é considerada pura quando as mudanças de fase ocorrerem completamente e em uma temperatura fixa ou seja quando todas as moléculas da substância mudarem de fase na mesma temperatura Novamente a água é um bom exemplo para entendermos esse conceito O gelo água no estado sólido começa a liquefazer em pressão atmosférica a aproximadamente 0ºC Essa temperatura é mantida até que a última molécula de água no estado sólido altere para o estado líquido O mesmo acontece no processo de vaporização em que a primeira molécula muda de estado líquido para sólido a aproximadamente 100ºC e essa temperatura é mantida até que a última molécula altere o seu estado físico Outra característica de uma substância pura é que nenhuma técnica física é capaz de separála em duas ou mais espécies diferentes a temperaturas ordinárias Se fosse possível a separação a substância seria classificada como uma mistura Uma mistura é assim definida por duas ou mais substâncias puras que podem ser separadas aplicando técnicas físicas Ela pode ser homogênea quando não se percebe a diferença entre as moléculas que compõem a substância por estarem em mesma fase e apresentarem mesmas propriedades químicas em toda sua extensão como o açúcar dissolvido completamente na água ou heterogênea quando as moléculas que a constituem apresentamse em mais de uma fase de propriedades diferentes como óleo na água A Figura 3 apresenta um exemplo de substâncias homogêneas e heterogêneas Figura 3 Misturas homogêneas e heterogêneas Fonte adaptada de Kotz et al 2023 p 8 Normalmente as misturas heterogêneas são identificadas visualmente Contudo existem alguns tipos de misturas que parecem uniformes mas não o são O leite por exemplo parece ter uma textura lisa a olho nu mas olhar ao olharmos mais de perto com o auxílio de um microscópio veremos a existência de glóbulos de gordura e proteínas no líquido Além disso as propriedades de uma matéria podem ser do tipo extensivas ou intensivas ou seja dependentes da massa das substâncias ou não dependentes Assim as propriedades extensivas dependem da quantidade de substância presente variando de forma proporcional ao tamanho ou à quantidade de massa em um sistema Massa volume energia interna entalpia e entropia são exemplos de propriedades extensivas Já as propriedades intensivas são aquelas que não dependem da quantidade de substância mas levam em consideração o tipo a ser avaliado Pressão temperatura massa específica densidade energia interna específica entalpia específica e entropia específica são exemplos de propriedades intensivas Também são exemplos de propriedades intensivas o ponto de fusão e o ponto de ebulição É importante ressaltar que uma propriedade extensiva pode ser transformada em propriedade intensiva dividindo seu valor pela massa do sistema Como exemplo temos o volume específico definido pelo volume da substância dividido por sua massa Consideremos uma amostra de 272 g de mercúrio líquido ocupando um volume de 200 cm3 O mercúrio líquido possui ponto de fusão a temperatura de 234 K e densidade de 136 gcm3 Observando as propriedades fornecidas tanto a massa quanto o volume da amostra dependem da quantidade de material presente Portanto massa e volume são propriedades extensivas Já o ponto de fusão e a densidade são propriedades intrínsecas ao material independentemente da quantidade de matéria existente Assim o ponto de fusão e a densidade são propriedades intensivas Ademais as propriedades intensivas muitas vezes são utilizadas para identificar o tipo de material existente Por exemplo a temperatura de fusão em pressão atmosférica pode ser usada para identificar o tipo de sólido existente Matéria Substâncias puras possuem composição definida Misturas possuem composição variável Simples um único elemento e não podem ser decompostas Compostas 2 ou mais elementos e podem ser decompostas Homogênea 1 fase Heterogênea 2 ou mais fases Figura 4 Classificação da matéria Fonte elaborada pela autora Outra categorização da matéria consiste na distinção entre propriedades físicas e propriedades químicas Uma propriedade física pode ser observada ou medida sem mudar a identidade da matéria ou seja sua composição química enquanto uma propriedade química se refere à capacidade de uma substância de se transformar em outra Lei dos gases De maneira geral o comportamento dos gases é o mais simples de ser entendido quando visualizado a nível molecular ao ser comparado aos outros dois estados da matéria sólido e líquido Ao observar o comportamento das moléculas que constituem a substância é possível descrever as propriedades na fase gasosa Para tanto é necessário que os valores de pressão p volume V temperatura T em Kelvin e quantidade de matéria número de mol do gás seja conhecido Volume é uma das propriedades de um gás e indica as dimensões do local em que está Já a temperatura está associada à energia térmica que as moléculas possuem quanto maior a temperatura maior a energia térmica maior o movimento das moléculas Quando à quantidade de matéria ela lida com o número de moléculas que constituem a porção de gás que será estudada Por fim a pressão é definida pela força F exercida sobre um objeto em razão da área A de aplicação da força Equação 2 Cuja unidade de medida no SI é dada por Pascal Pa em que p F A p F A Outras unidades para pressão são milímetro de mercúrio mm Hg atmosfera atm e bar Assim a relação entre as grandezas é expressa da seguinte forma 1 𝑏𝑎𝑟 750 𝑚𝑚𝐻𝑔 10 5 𝑃𝑎 098692 𝑎𝑡𝑚 1 𝑏𝑎𝑟 750 𝑚𝑚𝐻𝑔 10 5 𝑃𝑎 098692 𝑎𝑡𝑚 As propriedades volume e temperatura são alteradas com a variação da pressão Por exemplo quando uma quantidade de gás está confinada em um frasco de volume V1 terá uma pressão p1 Alterando o volume para V2 como o sistema é fechado surgirá uma nova pressão p2 Nesse caso se o volume aumentar a pressão será menor já se o volume diminuir a pressão será maior uma vez que o gás ocupar menos espaço O fato de o gás ocupar mais ou menos espaço está associado à propriedade de expansibilidade e compressibilidade dos gases respectivamente Outra propriedade que afeta o volume de um gás é a temperatura Como a temperatura está associada à agitação térmica das moléculas quanto maior a temperatura maior o volume que o gás ocupa Quanto menor a temperatura menor esse volume Para comprovar essa teoria faça a seguinte experiência infle um balão ou uma bexiga amarre e coloque a bexiga cheia na geladeira No dia seguinte abra a geladeira e veja como está o balão ele estará murcho Contudo ao tirar da geladeira imediatamente ele começará a encher novamente mesmo estando amarrado Essa situação ocorre pela variação da temperatura do gás dentro do balão baixa temperatura baixo volume alta temperatura alto volume Tanto a temperatura quanto a pressão estão relacionadas com o volume pelas leis de Boyle e de Charles respectivamente Pela lei de Boyle se conhecermos os valores de pressão e volume de uma quantidade n de um gás à temperatura fixa será possível obter essas características para um estado final dada por 4 𝑝1 𝑉1 𝑝2 𝑉2 𝑝1 𝑉1 𝑝2 𝑉2 Já pela lei de Charles podemos dizer que com uma quantidade n de gás e pressão constantes o volume e a temperatura de uma condição inicial estão relacionados com o volume e a temperatura de uma condição final por 𝑉1 𝑇1 𝑉2 𝑇2 𝑉1 𝑇1 𝑉2 𝑇2 Agrupando as Equações 4 e 5 é possível chegar à lei geral dos gases possibilitando o estudo do comportamento de um gás quando há variação da pressão volume e temperatura Essas relações são expressas no Quadro 1 Lei de Boyle para determinada quantia de gás n a uma temperatura fixa T o volume do gás diminui se a pressão aumenta Por outro lado se a pressão diminui o volume do gás aumenta pCB x 1Vp 𝐶𝐵 𝑥 1 𝑉 Com n e T constantes Lei de Charles para uma determinada quantia de gás n a uma pressão fixa p o volume do gás diminui se a temperatura diminui Já se a temperatura aumenta o volume do gás também irá aumentar VCc x TV 𝐶𝑐 𝑥 𝑇 Com n e p constantes T em Kelvin Lei geral dos gases baseada nas observações de Boyle e Charles relaciona pressão p volume V e temperatura T p1V1T1p2V2T2 p1V1T1 p2V2T2 Para uma quantia n de gás com T em Kelvin Quadro 1 Lei dos gases Fonte elaborado pela autora Com as equações apresentadas no Quadro 1 é possível obter a lei dos gases ideais utilizando uma constante de proporcionalidade R Assim teremos pV nRT em que a constante R é chamada de constante universal dos gases dada por 831 Jmol K ou 0082 L atmK mol A partir dessa equação algumas considerações são possíveis Para temperatura e número de moléculas constante ao diminuirmos o volume do recipiente que contém um gás aumentamos as colisões das moléculas contra elas mesmas e contra as paredes do recipiente aumentando a pressão Nesse caso a pressão é calculada por p 1V nRT Para temperatura e volume constantes ao aumentarmos o número de moléculas em um recipiente de volume fixo aumentamos os choques moleculares e contra as paredes do recipiente aumentando a pressão Nesse caso a pressão será calculada por p nRTV Para o número de moléculas e volume constantes a pressão é decorrente da razão entre a força das colisões e a área Ao aumentarmos a temperatura aumentamos a energia cinética das moléculas portanto aumentamos a força das colisões aumentando assim a pressão Nesse caso a pressão é calculada por p TnRV Para a pressão constante ao aumentarmos o número de moléculas aumentamos os choques e para que a pressão permaneça constante ou o volume aumenta ou a temperatura devido à maior energia cinética média do sistema Assim o volume pode ser calculado por V nTRP Como exemplo vamos considerar que um gás ideal à temperatura de 0ºC possui um de 05 m³ e pressão p1 Alterando os valores de pressão e temperatura em um novo estado para p2 05p1 e T2 10T1 qual será o novo volume V2 Para obter o novo volume V2 podemos aplicar a lei dos gases ideais considerando os dois estados No estado 1 a lei dos gases ideais será expressa pela Equação 7 e no estado 2 pela Equação 8 p1 V1 nRT1p2 V2 nRT2 p1 V1 nRT1p2 V2 nRT2 Nesse caso observamos que a quantidade de gás n não é alterada no processo e como o gás é ideal a contante universal dos gases R permanece a mesma Isolando nR nas Equações 7 e 8 teremos respectivamente nR p1 V1 nRT1 nR p1 V1T1 p2 V2 nRT2 p2 V2T2 p1 V1 nRT1 nR p1 V1T1 p2 V2 nRT2 p2 V2T2 Como o produto nR será o mesmo tanto no estado 1 quanto no estado 2 igualando as Equações 9 e 10 teremos nR p1 V1T1 p2 V2T2 p1 V1T1 p2 V2T2 Substituindo os valores fornecidos em 11 obtemos o novo volume V2 por p1 V1T1 p2 V2T2 V2 p1 V1 T2T1P2 p105m³ 10273K273 K05p1 10m³ p1 V1T1 p2 V2T2 V2 p1 V1 T2T1P2 p105 m³ 10 273 K273 K 05p1 10m³ Dessa forma o novo volume será de 10m³ 10m³ A lei dos gases ideais é completamente aplicável aos gases próximos à temperatura ambiente com uma pressão de 1 atm Em outras condições ocorrem alguns desvios na relação pVT isso devido à suposição de que moléculas de gases possuem volumes desprezíveis e de que não há nenhum tipo de força entre elas Vamos Exercitar Retomando o problema proposto inicialmente você foi acionado para verificar o volume final de gás em cada embalagem Para garantir o aumento na validade dos produtos foi proposta a utilização do gás argônio que imediatamente após a colocação do gás na embalagem assume o comportamento de um gás ideal Para o desenvolvimento dos cálculos alguns dados foram fornecidos pressão de 1 atm temperatura de 27ºC e massa de 016 g Com esses dados o volume ocupado pelo gás na embalagem pode ser calculado Foi informado que em cada embalagem será utilizado 016 g de Ar O primeiro passo é obter esse valor em quantidade de matéria ou seja em mol Consultando a tabela periódica a massa atômica do argônio apresenta valor de 40 gmol Assim o número de mols pode ser calculado pela Equação 13 em que m representa a massa do composto e MAr a massa atômica n mMAg 016 g40 gmol 0004 mol n mMAg 016 g40 gmol 0004 mol Com o número de mols de argônio o volume pode ser calculado pela lei dos gases ideais Lembrando que a constante universal dos gases apresenta valor de 831 Jmol K ou 0082 L atmK mol O cálculo do volume é expresso por 14 lembrando que a temperatura deve ser utilizada em Kelvin K pV nRT V nRTp 0004 mol0082 L atmk mol27 2731 atm 00984 L 984 mL pV nRT V nRTp 0004 mol0082 L atmk mol27 2731 atm 00984 L 984 mL Assim o volume de gás em cada embalagem será de 984 mL Com esse dado é possível fazer um orçamento do custo bruto para cada embalagem pensar em condições de transporte logística de transporte e projetar um valor para o produto considerando a margem de lucro requerida Saiba mais Olá estudante Veja os conceitos na prática através da execução dos experimentos nos simuladores propostos a seguir na plataforma Phet PHET Estados da matéria 2024 Sobre PHET Densidade 2024 Sobre PHET Propriedades dos gases 2024 Sobre Bons estudos Referências ATKINS P FísicoQuímica fundamentos 6 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 3 mar 2024 BORGNAKKE C SONNTAG R E Fundamentos da termodinâmica São Paulo Editora Blucher 2018 Ebook ISBN 9788521207931 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521207931 Acesso em 8 mar 2024 HALLIDAY D RESNICK R KRANE K S Física Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 v 2 Ebook ISBN 9788521619468 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521619468 Acesso em 8 mar 2024 HEWITT P G Física conceitual Rio Grande do Sul Grupo A 2023 Ebook ISBN 9788582605899 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788582605899 Acesso em 8 mar 2024 KOTZ J C et al Química geral e reações químicas São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 v 1 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 3 mar 2024 Aula 5 Estrutura atômica Videoaula de Encerramento Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá estudante Nessa videoaula você irá conhecer os principais conceitos da estrutura da matéria Compreenderá a constituição fundamental dos átomos os tipos de elementos químicos existentes a diferença entre eles como obter algumas informações através da tabela periódica e a forma pelo qual os átomos se unem na formação de substâncias e compostos E ainda entenderá os estados que a matéria pode apresentar suas características e situações simples de mudanças de fases Por fim com o foco no estado gasoso compreenderá como utilizar a equação dos gases ideais em problemas de engenharia Conteúdos importante para sua prática profissional pois através deles será possível conhecer os materiais e suas propriedades permitindo seleção e escolha adequada de material para aplicação requerida visando as condições de segurança qualidade custo e benefício Preparese para essa jornada do conhecimento Bons estudos Ponto de Chegada Olá estudante Para desenvolver a competência dessa unidade que é conhecer e compreender os conceitos básicos sobre átomos ligações químicas e estados da matéria assim como sua importância dentro do estudo da Química e Ciência dos Materiais você deve primeiramente entender a constituição fundamental do átomo através do modelo atômico Basicamente o átomo é formado por um núcleo massivo e denso onde estão alocados os prótons e os nêutrons Ao redor do núcleo em movimento orbital os elétrons estão alocados em níveis discretos de energia chamado de eletrosfera Para identificar o local provável em que o elétron está é necessário realizar a distribuição eletrônica dos elétrons nos níveis e subníveis atômicos considerando os estados crescentes de energia Essa distribuição é possível através da utilização dos números quânticos e da análise energética de Linus Pauling E através da configuração eletrônica do elemento químico sabemos qual a camada de valência e quantos elétrons ela possui denominado elétrons de valência São exatamente esses elétrons que participam das ligações químicas Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Vejamos um exemplo o cálcio Ca é um elemento químico que possui 20 prótons e 20 elétrons em seu estado neutro Sua configuração eletrônica é dada por 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² A camada 4 n 4 é o nível mais energético preenchido ou seja para esse elemento a camada 4 é a camada de valência Nela estão 2 elétrons que são os elétrons de valência responsáveis pelas possíveis ligações químicas que esse elemento possa realizar E como saber quantos elétrons um átomo de determinado elemento químico possui Através do número atômico Z Os elementos químicos são designados pelo seu número atômico quantidade de prótons no interior do núcleo e para átomos neutros o número de prótons é o mesmo número de elétrons O número atômico de cada elemento pode ser obtido através da tabela periódica local em que os elementos químicos foram ordenados seguindo o número atômico que possui dentre outras propriedades denominadas de propriedades periódicas As substâncias compostos ou materiais são formados através de ligações químicas forma pela qual há a união de átomos eou substância na constituição da matéria As ligações químicas são classificadas como primárias fortes ou secundárias fracas As ligações primárias se dão de três tipos iônica covalente e metálica Já as ligações secundárias são denominadas pelas ligações de van der Waals e as pontes de hidrogênio As ligações iônicas ocorrem entre elementos metálicos e não metálicos com transferência de elétrons para alcançar a estabilidade química oito elétrons na camada de valência Nesse caso os elementos metálicos doam os elétrons de valência se transformam em íons positivos cátions enquanto os não metálicos os recebem se transformando em íons negativos ânions Como exemplo de ligação iônica temos o composto cloreto de magnésio MgCl₂ Nele o magnésio Mg elemento metálico com 2 elétrons de valência doa seus elétrons de valência para o cloro Cl elemento não metálico com 7 elétrons de valência Assim para que ocorra a estabilidade química dos compostos na ligação para cada átomo de magnésio 2 de cloro Além da ligação iônica temos a ligação covalente Essa ligação química ocorre entre elementos não metálicos e o hidrogênio em que os elétrons de valência são compartilhados para que a estabilidade química ocorra Dependendo do composto as ligações covalentes podem ser do tipo simples um par de elétrons compartilhado dupla dois pares de elétrons compartilhados tripla três pares de elétrons compartilhados ou coordenada átomo estável compartilha um par de elétrons com outro átomo representado por uma seta Como exemplo de ligação covalente temos o composto água H2O formada por 2 hidrogênios para cada oxigênio Para formação dessa molécula o hidrogênio precisa de um elétron e o oxigênio de 2 elétrons para a estabilidade química Dessa forma cada hidrogênio compartilha 1 elétron com o oxigênio Assim pela representação de Lewis teremos Importante ressaltar que a formação de um composto pode ser dada por um conjunto de ligações iônicas e covalentes ou seja as ligações interatômicas serem parcialmente iônicas e parcialmente covalentes em um mesmo material E realmente são poucos os compostos que exibem ligações exclusivamente iônicas ou covalentes O grau de cada tipo de ligação está associado à posição relativa de seus átomos constituintes na tabela periódica ou da diferença de suas eletronegatividades O caráter iônico de uma ligação pode ser calculado por 1 obtendo a quantidade iônica de uma ligação entre dois elementos A e B sendo A o elemento mais eletronegativo com XA e XB as eletronegatividades dos respectivos elementos Por fim nas ligações primárias a ligação que ocorre entre elementos metálicos é denominada ligação metálica Nesse tipo de ligação há formação dos compostos metálicos e suas ligas Nesse modelo os elétrons de valência não estão ligados a nenhum átomo em particular no sólido e estão mais ou menos livres para se movimentar ao longo de todo o metal Eles podem ser considerados como pertencentes ao metal como um todo como se formassem um mar de elétrons Devido a essa característica os materiais metálicos são ótimos condutores de energia As ligações secundárias mais fracas quando comparadas com as primárias são chamadas de interações ou forças intermoleculares ou simplesmente ligações de van der Waals Nessas ligações não há doação ou compartilhamento dos elétrons de valência mas normalmente são formadas quando ocorre uma distribuição de cargas desigual criando um dipolo de carga total zero com uma das extremidades com carga positiva ou negativa em relação a outra extremidade Esses dipolos podem ser produzidos por uma flutuação aleatória dos elétrons em torno do que é normalmente um campo elétrico simétrico no átomo Identificando os elementos químicos que constituem um composto bem como a ligação química que os mantém unidos é possível obter propriedades físicas químicas e mecânicas oriundas do tipo de ligação existente Por exemplo Compostos iônicos apresentam boa resistência mecânica altos pontos de fusão e ebulição normalmente são isolantes e apresentam aspecto cristalino Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Compostos covalentes são bons isolantes térmicos e elétricos baixos pontos de fusão e ebulição quando comparados aos compostos iônicos e metálicos e possuem solubilidade variada Compostos metálicos são bons condutores de calor e eletricidade ponto de fusão e ebulição elevados apresentam maleabilidade e ductilidade e possuem brilho característico Esses conceitos são fundamentais para a seleção correta de materiais segundo as especificações de utilização requeridas Além disso é importante compreender que a matéria pode ser obtida basicamente em três estados físicos sólido líquido e gasoso O estado em que a matéria se encontra depende em condições ideais da temperatura em que se encontra Nesse caso para um composto o estado gasoso terá maior temperatura que o estado líquido que por sua vez terá maior temperatura que o estado sólido As mudanças de fase recebem o nome de Fusão quando ocorre a mudança do estado sólido para o estado líquido Vaporização quando ocorre a mudança do estado líquido para o estado gasoso Condensação quando ocorre a mudança do estado gasoso para o estado líquido Solidificação quando ocorre mudança do estado líquido para o estado sólido Sublimação quando ocorre a mudança do estado sólido para o estado gasoso e viceversa Contudo em condições não ideais a variação eou mudança de estado de uma substância pode ocorrer através da variação das propriedades pressão p volume V e temperatura T Saber identificar o estado físico que uma matéria pode apresentar sob as condições fornecidas de um projeto por exemplo é fundamental para a escolha correta do material que será utilizado garantindo as condições de segurança e custobenefício Por exemplo em uma área em que há perigo de incêndio os materiais que constituem a estrutura principal devem suportar altas temperaturas caso ocorra o incidente evitando dano material eou estrutural É Hora de Praticar Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Olá Estudante Nesse estudo de caso imagine que você é trainee de uma empresa que desenvolve projetos em diversas áreas através da aplicação de novas tecnologias Essa empresa é conhecida no mercado nacional por propor soluções inteligentes e práticas para os projetos visando a sustentabilidade e o custobenefício Recentemente um novo projeto começou a ser dimensionado algo relacionado à produção de materiais utilizando alumínio Preocupado com o meio ambiente visando a sustentabilidade do projeto o coordenador solicitou a você que desenvolvesse uma pesquisa sobre a obtenção do alumínio metálico Foi informado que para produzir alumínio metálico utilizase a bauxita como matériaprima E após a refinação da bauxita é obtida a alumina ou óxido de alumínio Al2O3 Próxima etapa é a reação da alumina com carbono para formação do alumínio metálico num processo de redução por eletrólise dada por Al2O3 C 2Al 32CO2 Assim em sua pesquisa sobre a obtenção do alumínio metálico deve ser levando em consideração as propriedades e características dos elementos envolvidos na obtenção produto E ainda identificar as ligações químicas presentes nos reagentes e produtos envolvidos no processo da fabricação do alumínio metálico Bons estudos Existem 118 elementos químicos que constituem e formam toda e qualquer matéria conhecida pelo homem até hoje Pelas expectativas científicas é possível a descoberta de novos elementos químicos seja natural ou sintético Por quê É possível modificar propriedades específicas de um composto iônico para adequar a uma aplicação Se sim como Os materiais metálicos podem ser encontrados no estado gasoso Como Retomando ao estudo de caso você atua como trainee em uma empresa que desenvolve projetos em diversos projetos visando tecnologia alinhada com a sustentabilidade No desenvolvimento de um novo projeto você ficou responsável por desenvolver uma pesquisa sobre a obtenção do alumínio metálico Foi informado que para produzir alumínio metálico utilizase a bauxita como matériaprima E após a refinação da bauxita é obtida a alumina ou óxido de alumínio Al2O3 Próxima etapa é a reação da alumina com carbono para formação do alumínio metálico num processo de redução por eletrólise dada por Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Al2O3 C 2Al 32CO2 A pesquisa deve conter informações sobre a obtenção do alumínio metálico levando em consideração as propriedades e características dos elementos envolvidos na obtenção produto E ainda identificar as ligações químicas presentes nos reagentes e produtos envolvidos no processo da fabricação do alumínio metálico Para a resolução desse estudo de caso será necessário conhecer e compreender os conceitos básicos sobre átomos ligações químicas e estados da matéria para identificar as características e propriedades do material obtido Após o processo de mineração e refino da bauxita é obtido o composto óxido de alumínio também conhecido como alumina Al2O3 Esse composto é formado por dois elementos químicos alumínio metal e oxigênio não metal O alumínio é um elemento químico pertencente à família 3A da tabela periódica de número atômico igual a 13 Por sua alocação na tabela é o metal e apresenta 3 elétrons de valência Essa informação pode ser confirmada através da distribuição eletrônica considerando que o átomo neutro possua 13 prótons e 13 elétrons A distribuição eletrônica para o alumínio será 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ Assim vemos que a camada 3 é a última preenchida camada de valência contendo 3 elétrons elétrons de valência Já o oxigênio é um elemento químico pertencente à família 6A da tabela periódica de número atômico igual a 8 Por sua alocação na tabela é o ametal e apresenta 6 elétrons de valência Essa informação pode ser confirmada através da distribuição eletrônica considerando que o átomo neutro possua 8 prótons e 8 elétrons A distribuição eletrônica para o oxigênio será 1s²2s²2p⁴ Assim vemos que a camada 2 é a última preenchida camada de valência contendo 6 elétrons elétrons de valência Assim a alumina é um composto químico formado entre um elemento metálico e um não metálico Para que a ligação química ocorra os elétrons do alumínio serão doados ao oxigênio assim haverá a formação dos íons cátion Al³ e ânion O² Dessa forma a ligação química presente será ligação iônica E pela representação de Lewis teremos A próxima etapa para a obtenção do alumínio metálico há a reação do óxido de alumínio com o carbono a partir de um processo de redução por eletrólise Para que esse processo ocorra o alumínio se dissocia do oxigênio e seus átomos reagem entre si Como são íons metálicos Al³ então se unem através de ligações metálicas formando o material alumínio Com os elementos carbono e oxigênio há a formação do dióxido de carbono Tanto oxigênio quando carbono são elementos não metálicos Logo a ligação química presente nesse composto será covalente O carbono é um elemento químico pertencente à família 4A da tabela periódica de número atômico igual a 6 Por sua alocação na tabela é o ametal e apresenta 4 elétrons de valência Essa informação pode ser confirmada através da distribuição eletrônica considerando que o átomo neutro possua 6 prótons e 6 elétrons A distribuição eletrônica para o carbono será 1s²2s²2p² Assim vemos que a camada 2 é a última preenchida camada de valência contendo 4 elétrons elétrons de valência Assim para a reação do dióxido de carbono teremos duas ligações covalentes duplas para que uma molécula seja formada Pela representação de Lewis Analisando o produto da reação para obtenção do alumínio metálico vemos que há liberação de gás carbônico poluente e causador do efeito estufa Como o projeto prevê a sustentabilidade alguma ação deve ser desenvolvida para reverter os danos que o CO2 liberado causará no meio ambiente Olá estudante No mapa mental abaixo você verá os principais assuntos relacionados à estrutura da matéria Importante conhecer cada definição para poder realizar as aplicações necessárias em estudos relacionados à formação e constituição da matéria Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS ASKELAND Donald R WRIGHT Wendelin J Ciência e engenharia dos materiais Tradução da 4a edição norteamericana São Paulo Cengage Learning Brasil 2019 Ebook ISBN 9788522128129 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522128129 Acesso em 02 mar 2024 ATKINS Peter FísicoQuímica Fundamentos 6a edição Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 03 mar 2024 JR William D C Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro Grupo GEN 2020 Ebook ISBN 9788521637325 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521637325 Acesso em 02 mar 2024 KOTZ John C TREICHEL Paul M TOWNSEND John R ETAL Química Geral e Reações Químicas v1 São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 03 mar 2024 NEWELL James Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais Rio de Janeiro Grupo GEN 2010 Ebook ISBN 9788521624905 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521624905 Acesso em 02 mar 2024 SMITH William F HASHEMI Javad Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais Porto Alegre Grupo A 2012 Ebook ISBN 9788580551150 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580551150 Acesso em 02 mar 2024 Unidade 2 Estudo de reações químicas Aula 1 Equações Químicas Equações Químicas Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá Estudante Nessa videoaula serão abordados os conceitos relacionados à constituição de uma equação química e às Leis Ponderais com o foco nas leis de Lavoisier e Proust Esses conceitos e definições são importantes para sua prática profissional para compreender a forma pela qual um material composto ou substância se forma e entender que a formação dos materiais não precisa ser estudada apenas pelas ligações químicas entre os elementos mas também pode ser avaliada pela reação química que ocorre através de sua equação química Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Olhando para equação química muitas são as informações que podem ser obtidas sobre o produto obtido E compreender as Leis Ponderais ajudará muito nesse processo Vamos juntos compreender os conceitos relacionados a esse tema tão importante Bons estudos Ponto de Partida Olá Estudante Nessa aula compreenderemos que uma reação química é descrita por uma equação que contém todas as informações necessárias sobre o processo químico atuante para a formação de um produto composto E mais falaremos como as Leis Ponderais auxiliam a compreensão desse processo químico facilitando a análise das reações e consequentemente das equações químicas E por que esse assunto é tão importante Simplesmente pelo fato de que tudo que ocorre ao nosso redor e em nós é devido às reações químicas E tudo significa TUDO Todos os processos seja relacionado à vida ou à materiais se dá por reações químicas E nesse processo em cada processo químico existem proporções de massa relacionadas a eles Visando a aplicação desses conceitos você é recémcontratado em uma indústria que desenvolve pesquisas na área de novos compostos com aplicações diversas Nesse momento você está acompanhando o desenvolvimento de alguns produtos e revendo conceitos para se integrar nos assuntos que são tratados Você se deparou com uma equipe que está trabalhando com a reação de formação da amônia NH3 um composto bastante empregado na indústria de fertilizantes A sua produção ocorre via síntese de HaberBosch pela reação do gás nitrogênio N2 com o gás hidrogênio H2 Assim você foi questionado sobre a proporção de gás nitrogênio e gás hidrogênio para a formação da amônia e como seria a equação química dessa reação Continuando a visitar o desenvolvimento de outros produtos você foi novamente questionado sobre a proporção dos elementos em uma reação química e como escrever a equação química Dessa vez o questionamento veio do pessoal que está trabalhando com o hexafluoreto de enxofre SF6 que é utilizado como gás inerte principalmente na indústria de eletrônicos Ele é formado pela queima de enxofre S com gás flúor F2 Sendo assim descreva as equações químicas para os dois compostos pensando nas proporções dos elementos químicos para a formação das substâncias utilizando as Leis Ponderais para garantir que o resultado obtido esteja correto Vamos conhecer os conceitos necessários para resolução do problema proposto Bons estudos Vamos Começar Definição de equações químicas Podemos definir por reações químicas os rearranjos de agrupamentos de átomos dando origem a novos compostos Ou seja a transformação de moléculas em outras Essa transformação pode ser descrita por uma equação contendo as informações necessárias do processo químico ocorrido chamada de equação química As equações químicas são construídas através da representação simbólica dos processos químicos Nela os compostos iniciais chamados de reagentes são colocados à esquerda e o resultado após ocorrer a reação produto colocado à direita Uma seta indica a direção do processo químico que está ocorrendo Uma representação genérica de equação química é dada por Lado esquerdo Reagentes Lado direito Produtos Lado esquerdo Reagentes Lado direito Produtos Na equação os símbolos químicos são utilizados para indicar os participantes da reação e as condições específicas para que ela ocorra Já os números são utilizados para representar quantidade de matéria chamado coeficiente estequiométrico O estado físico que a matéria está no momento da reação reagente ou na formação do novo composto produto é representado na equação química por g para compostos na fase gasosa l para compostos na fase líquida s para compostos na fase sólida aq para compostos que estão dissolvidos em solução aquosa Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS As setas da equação indicam a direção do processo e se há ou não a possibilidade de ser reversível Ou seja indica que a reação só ocorre do sentido da esquerda para direita indica a reversibilidade da reação Esse símbolo é utilizado para situações de equilíbrio químico E ainda sobre a seta nas equações é possível utilizar símbolos que indicam as condições pelas quais a reação ocorreu Os mais comuns são cat indica a utilização de catalizador Δ indica a utilização de calor H ou OH indica o meio ao qual a reação ocorre Como exemplo de equação química a Figura 1 apresenta a equação química que descreve a reação do gás metano CH4 com o gás oxigênio O2 ormando gás carbônico CO2 e água H2O bem como a representação molecular dos compostos reagentes e produtos Figura 1 Formação do gás carbônico CO2 Fonte adaptada de Istock Para que a descrição do processo químico de uma reação seja completa e representada por sua equação química devese avaliar e informar todas as características envolvidas inclusive a quantidade de moléculas de cada composto As reações químicas e consequentemente suas representações através das equações químicas foram muito observadas ao longo do tempo até chegar aos conceitos e definições que temos hoje Isso só foi possível devido às leis e postulados que foram descobertos e publicados como resultado dos estudos meticulosos e experiências cuidadosas para compreender como os compostos se comportavam quando as reações ocorriam e se isso acontecia de modo regular e de forma geral Dentre elas as duas mais importantes são conhecidas por Lei de Lavoisier também chamada de Lei da Conservação das Massas e Lei de Proust também chamada de Lei das Proporções Constantes Essas leis foram criadas respectivamente por Antoine Laurent de Lavoisier 1743 1794 e por Joseph Louis Proust 1754 1826 Siga em Frente Lei da conservação de massa Por volta de 1774 como resultado de seus estudos Antoine Laurent de Lavoisier postulou uma lei conhecida como Lei da Conservação das Massas ou Lei de Lavoisier afirmando que em uma reação química feita em recipiente fechado a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos Ou seja a massa dos reagentes mesmo após a reação permanece no produto obtido mesmo que em formação de compostos diferentes mas a quantidade total é será mesma indicando que há conservação de massa no processo químico Essa lei foi fundamentada após um experimento desenvolvido por esse cientista que envolvia a calcinação do mercúrio metálico em um recipiente fechado Assim ao fim da reação foi observado que a massa no recipiente fechado não havia sido alterada embora os compostos iniciais reagentes houvessem sido transformados em compostos diferentes produtos Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Com esse experimento Lavoisier chegou à conclusão que em uma reação química pesando as massas dos reagentes e as massas dos produtos é verificado que a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos 1 em que i informa o número dos compostos ou substâncias reagentes m1 Produtos m1 reagentes m1 Produtos m1 É consequência dessa lei a famosa frase de Lavoisier que diz que na natureza nada se cria e nada se perde mas tudo se transforma Sendo assim nas reações químicas não apenas a massa das substâncias envolvidas se conserva mas a massa dos elementos contidos nas substâncias também permanece constante A Bloco 1 Carbono C Oxigênio O 𝗚𝗮𝘀 Carbônico CO₂ Oxigênio O Carbono C Oxigênio O 𝗚𝗮𝘀 Carbônico CO₂ 1º Ensaio 3g 8g 11g 3g 8g 3g 8g 11g 2º Ensaio 12g 32g 44g 12g 32g 12g 32g 44g Bloco 2 𝗚𝗮𝘀 Carbônico CO₂ 11g 44g Tabela 1 apresenta dois exemplos da aplicação dessa lei Fonte elaborada pela autora Vejamos outro exemplo a formação do composto hidróxido de sódio NaOH a partir de sódio Na sólido e água líquida H2O A equação 2 balanceada apresenta essa transformação química 2Nas 2H2 Ol 2NaOHaq H2g 2Nas 2H2 Ol 2NaOHaq H2g Observe que nos reagentes olhando os elementos químicos e suas quantidades temos 2 átomos de Na 4 átomos de H e 2 átomos de O Já nos produtos temos 2 átomos de Na 2 átomos de O e 4 átomos de H Ou seja tudo que estava nos reagentes está no produto em outra ordenação mas todos os átomos estão presentes Olhando para os átomos presentes na reação a Lei da Conservação das Massas afirma que os átomos que estão nos reagentes estarão nos produtos na mesma quantidade de número e tipo mas em ligações diferentes Através da Lei de Lavoisier foi possível a análise quantitativa fundamental para o cálculo do rendimento das reações trazendo grande impulso ao desenvolvimento dos processos industriais A partir dela o uso das balanças nos laboratórios tornouse fundamental Lei das proporções definidas Por volta de 17989 como conclusão de suas experimentações Joseph Louis Proust estabeleceu a Lei das Proporções Definidas afirmando que a proporção em massa das substâncias que reagem e que são produzidas numa reação é fixa constante e invariável Ele chegou a essa conclusão pois verificou que as massas dos reagentes e produtos envolvidos em uma reação química seguem sempre uma proporção constante Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS E ainda há o fato de que essa proporção é uma característica própria de cada reação independente da quantidade das substâncias que são colocadas para reagir Vejamos um exemplo tomemos C como um composto originado da reação de A com B sendo A e B reagentes e C o produto Dessa forma para a formação do composto C o composto A sempre irá reagir com o composto B em uma proporção constante e definida não importando a quantidade de massa dos elementos usada Esse pressuposto é aplicado em qualquer reação química Um exemplo dessa teoria apresentada por Proust pode ser observada na Tabela 2 que contém dois ensaios com massas diferentes dos compostos A e B produzindo o composto C sendo ma mb e mc as massas dos compostos A B e C respectivamente Bloco 1 𝗔 𝗕 𝗖 𝗔 𝗕 𝗔 𝗕 𝗖 1º Ensaio ma mb mc ma mb ma mb mc 2º Ensaio ma mb mc ma mb ma mb mc Bloco 2 𝗖 mc mc Tabela 2 Aplicação da Lei das Proporções Definidas Fonte elaborada pela autora Matematicamente a Lei de Proust é dada por 3 mama mbmb mcmc mama mbmb mcmc Vejamos essa lei aplicada à molécula da água H2O em que para formação de cada molécula sempre será necessário 2 átomos de hidrogênio para 1 átomo de oxigênio Lembrando que a massa atômica do hidrogênio é 1gmol e do oxigênio 8gmol Assim em um primeiro ensaio teríamos 10g H 80g O 90g H2O Em um segundo ensaio 2g H 16g O 18g H2O e assim sucessivamente mantendo sempre essa proporção 10g H 80g O 90g H2O 2g H 16g O 18g H2O Por fim se observarmos o somatório das massas em cada reação química o somatório das massas dos reagentes é igual ao somatório da massa dos produtos seguindo a teoria de Lavoisier em que as massas dos reagentes e dos produtos presentes nas reações não são iguais mas as relações de massa são Importante ressaltar que os conceitos que permeiam as Leis Ponderais auxiliam a prever as massas necessárias de reagentes e produtos em uma reação química através de um cálculo conhecido como cálculo estequiométrico Vamos Exercitar Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Relembrando o problema proposto inicialmente será necessário escrever a equação química para dois compostos amônia NH3 e hexafluoreto de enxofre SF6 Para a reação de formação da amônia NH3 termos uma reação química entre o gás nitrogênio N2 com o gás hidrogênio H2 Pensando na lei da conservação das massas e na lei de Proust a massa dos reagentes terá de ser a massa dos produtos bem como a quantidade e qualidade dos elementos químicos dos reagentes deverão se apresentar nos produtos Assim podemos escrever a equação química para a formação da amônia através dos gases nitrogênio N2 e gás hidrogênio H2 por 4 N2g 3H2g 2NH3g N2g 3H2g 2NH3g Dessa forma uma molécula de gás nitrogênio reage com 3 moléculas do gás hidrogênio formando 2 moléculas de amônia Observe que nessa equação temos a mesma quantidade de átomos de nitrogênio e hidrogênio nos reagentes e nos produtos Já para o hexafluoreto de enxofre podemos escrever a reação química pela equação química expressa em 5 S8g 24F2g 8SF6g S8g 24F2g 8SF6g Dessa forma uma molécula de gás enxofre também conhecido como enxofre rómbico reage com 24 moléculas de gás flúor formando 8 moléculas de hexafluoreto de enxofre Observe que nessa equação temos a mesma quantidade de átomos de enxofre e flúor nos reagentes e nos produtos Saiba mais Olá Estudante Compreender o que é uma equação química o que ela representa como é montada e as teorias associadas a ela é fundamental para entendimento da formação dos materiais Por essa razão leia mais sobre o assunto na seção 31 do livro Química Geral e Reações Químicas volume 1 de John C Kotz etal Para aprofundar o seu conhecimento na área leia a teoria veja os exemplos e faça os exercícios KOTZ John C TREICHEL Paul M TOWNSEND John R ETAL Química Geral e Reações Químicas v1São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 Ebook ISBN 9786555584516 Bons estudos Referências ATKINS Peter FísicoQuímica Fundamentos 6ª edição Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 20 mar 2024 CHANG Raymond GOLDSBY Kenneth A Química Porto Alegre Grupo A 2013 Ebook ISBN 9788580552560 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580552560 Acesso em 20 mar 2024 KOTZ John C TREICHEL Paul M TOWNSEND John R ETAL Química Geral e Reações Químicas v1 São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 20 mar 2024 Aula 2 Balanceamento e cálculos estequiométricos Balanceamento e cálculos estecoométricos Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá Estudante Nessa videoaula veremos os conceitos relacionados aos balanços de equações químicas e cálculos estequiométricos Esse tema é importante para compreender como descrever corretamente uma reação química através de sua equação bem como identificar e obter quantidades de reagentes eou produtos durante o processo químico Situações fundamentais para o desenvolvimento de sua prática profissional já que tudo que está ao nosso redor inclusive em nós ocorre através de reações químicas Preparado para reagir aos conceitos e produzir conhecimento Bons estudos Ponto de Partida Olá Estudante Como está Nessa aula falaremos sobre a definição e classificação de reações químicas identificando as formas pelas quais a interação entre os elementos e a formação dos compostos pode ocorrer E mais para descrição correta da reação química veremos como realizar o seu balanceamento e identificar quanto de reagente ou produto deve ser usado para obter o resultado requerido através dos cálculos estequiométricos Sendo assim considere uma situação em que você é o principal responsável por um processo químico em uma grande fábrica da região que está implementando o processo de produção de NaOH a partir da reação de NaCl e água à pressão atmosférica e temperatura ambiente Esse processo químico é descrito por NaClaq H2Ol NaOHaq H2g Cl2g NaClaq H2Ol NaOHaq H2g Cl2g Para iniciar o seu estudo a respeito da reação o primeiro passo é identificar se a equação está balanceada Feito isso será necessário identificar quanto de NaCl deve reagir para produzir 100 kg de NaOH Como o assunto é de grande importância para a formação de um bom profissional da área vamos conhecer os conceitos necessários para resolução do problema proposto Bons estudos Vamos Começar Reações químicas Reação química é definida pela transformação que ocorre com os átomos que compõe os compostos iniciais reagentes modificando sua organização devido ao rearranjo molecular em novas combinações produtos Ou seja uma reação química é um processo químico cuja finalidade é a formação de novos compostos As reações químicas são descritas pelas equações químicas que contém informações necessárias para compreensão dos fenômenos químicos que estão ocorrendo para a formação do novo composto a partir de compostos iniciais Assim basicamente a equação química é expressa por 1 Reagentes Produtos Reagentes Produtos Para equacionar a reação química o devido balanceamento dos elementos participantes deve ser realizado obedecendo às Leis Ponderais principalmente a Lei de Lavoisier Lei da Conservação da Massa e a Lei de Proust Lei das Proporções Definidas A classificação de uma reação química pode ser dada devido à velocidade aquecimento reversibilidade e substâncias participantes Assim Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Velocidade a velocidade de uma reação química indica a rapidez como que o processo químico de transformação dos compostos ocorre Ela é obtida levando em consideração o consumo dos reagentes e a formação dos produtos podendo ser lenta intermediária ou rápida Absorção ou liberação de calor aquecimento ou resfriamento essa classificação ocorre envolvendo transformações de energia térmica calor Se para ocorrer o processo químico o calor for liberado temos uma reação exotérmica Contudo se o calor for absorvido temos uma reação endotérmica Reversibilidade reações reversíveis são aquelas que podem ocorrer nos dois sentidos até que o equilíbrio químico seja atingido Já as reações irreversíveis ocorrem em apenas um sentido e os produtos não voltarão a formar reagentes da reação Contudo dentre as formas de classificação das reações químicas a principal delas se dá pela análise das substâncias presentes ou seja através da análise dos reagentes e produtos que compõe a reação Olhando as substâncias participantes as reações químicas podem ser de quatro tipos síntese ou adição análise ou decomposição deslocamento e dupla troca Vamos entender cada uma delas separadamente Reações químicas de síntese ou adição são aquelas em que dois ou mais reagentes se combinam para formar um produto Uma representação geral desse tipo de reação é dada por A B AB Nesse caso vemos que a possui dois reagentes A e B formando um único produto AB Como exemplo podemos citar a síntese do gás carbônico C O2 CO2 ou a síntese do óxido de magnésio 2Mg O2 2MgO A B AB C O2 CO2 2Mg O2 2MgO Reações químicas de análise ou decomposição são aquelas em que ocorrem a quebra de um composto em compostos mais simples ou elementos químicos Ou seja quando reagentes se dividem em duas ou mais substâncias simples para a formação dos produtos Essa decomposição pode ocorrer através de um aquecimento pirólise da passagem de corrente elétrica pela substância fundida ou em meio aquoso eletrólise ou na presença de luz fotólise Para esse tipo de reação a representação geral pode ser dada por AB A B em que um reagente se transforma em dois ou mais produtos Como exemplo podemos citar a decomposição do óxido de mercúrio 2HgO 2Hg O2 ou decomposição do trinitreto de sódio quando aquecido 2NaN3s 3N2g 2Nas AB A B 2HgO 2Hg O2 2NaN3s 3N2g 2Nas Reações químicas de simples troca ou deslocamento são aquelas em que um elemento ocupa o lugar de outro num composto Sua representação pode ser dada por dois tipos AB C AC B ou AB C CB A Como exemplo podemos citar a simples troca entre ferro metálico e ácido clorídrico Fe 2HCl H2 FeCl2 AB C AC B ou AB C CB A Fe 2HCl H2 FeCl2 Por fim temos as reações químicas de dupla troca em que os dois reagentes trocam íons para formar dois novos compostos Ou seja reações entre duas substâncias compostas em que os elementos químicos permutam entre si gerando duas novas substâncias compostas Uma representação geral desse tipo de reação é dada por AB CD AD CB Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Como exemplo temos a reação de dupla troca entre o cloreto de sódio e o nitrato de prata NaCl AgNO3 AgCl NaNO3 AB CD AD CB NaCl AgNO3 AgCl NaNO3 Entender qual a classificação de uma reação química auxilia o desenvolvimento do balanceamento químico garantindo que as transformações que estão ocorrendo estejam adequadamente representadas através do tipo e quantidade dos elementos químicos presentes no processo Siga em Frente Balanceamento de equações químicas Para que a equação química represente corretamente uma reação ela deva estar devidamente balanceada obedecendo as Leis Ponderais as mais comuns de Lavoisier e Proust Dessa forma em uma equação química balanceada os átomos que compõe os compostos devem ser conservados ou seja a quantidade e qualidade dos átomos presentes no reagente deve estar contido no produto Para isso números chamados de coeficientes estequiométricos são utilizados na frente dos compostos indicando a quantidade dos elementos presentes Importante ressaltar que os índices inferiores em uma fórmula química que caracteriza um composto específico não podem ser alterados e nem os átomos podem ser adicionados ou subtraídos de uma fórmula Por exemplo a fórmula química da água é H2O e sempre será assim Qualquer outro índice que for utilizado representará outro composto menos a água H2O Há alguns métodos para o balanceamento de uma equação química dentre eles temos o método algébrico método redox método íonelétron e o método das tentativas Contudo o método das tentativas é o mais utilizado por ser um processo mais assertivo e a maioria das equações pode ser balanceada corretamente pela aplicação dele sendo possível obter os coeficientes das equações através da sua observação e do raciocínio Para execução desse método possa ser executado alguns passos devem ser seguidos na ordem apresentada Inicialmente devese ajustar os átomos dos metais Próximo passo consiste em ajustar os átomos dos ametais Feito isso olhar os átomos de carbono se existir e ajustálos Então ajustar os átomos de hidrogênio Por fim ajustar os átomos de oxigênio Vamos aplicar esse método para balancear uma reação de combustão do propano A equação química que descreve essa reação é dada por 2 C3 H8g O2g Equação não balanceada CO2g H2O C3 H8g O2g Equação não balanceada CO2g H2O Como a equação para essa reação não possuí átomos metálicos vamos direto para análise do carbono C depois hidrogênio e por fim oxigênio O Carbono C3 H8g O2g Equação não balanceada 3CO2g H2Og C3 H8g O2g Equação não balanceada 3CO2g H2Og Hidrogênio C3 H8g Equação não balanceada 3CO2g 4H2Og C3H8g Equação não balanceada 3CO2g 4H2Og C3H8g 5O2g Oxigênio Equação não balanceada 3CO2g C3H8g 5O2g Equação não balanceada 3CO2g Contando os átomos dos reagentes e produtos temos Reagentes 3 C 8 H e 10 O Produtos 3 C 8 H e 64 O Dessa forma a equação corretamente balanceada que descreve a reação de combustão do propano é dada por 3 C3H8g 5O2g 3CO2g 4H2O C3H8g 5O2g 3CO2g 4H2O Vejamos mais um exemplo para a obtenção do sulfato de ferro III A equação química que descreve essa reação é dada por 4 Fes H2SO4aq Fe2SO43s H2g Fes H2SO4aq Fe2SO43s H2g O primeiro passo consiste em ajustar os átomos dos metais Dessa forma olhando para o ferro Fe teremos 2Fes H2SO4aq Fe2SO43s H2g 2Fes H2SO4aq Fe2SO43s H2g Agora ajustar os átomos dos elementos não metálicos ametais Dessa forma olhando para o enxofre S teremos 2Fes 3H2SO4aq Fe2SO43s H2g 2Fes 3H2SO4aq Fe2SO43s H2g A próxima etapa consiste em analisar os átomos de carbono C mas nessa reação eles não se fazem presentes Assim olhando para o próximo passo os átomos de hidrogênio precisam ser ajustados Dessa forma teremos 2Fes 3H2SO4aq Fe2SO43s 3H2g 2Fes 3H2SO4aq Fe2SO43s 3H2g Por fim ajustar os átomos de oxigênio Mas olhando para fórmula na etapa do ajuste dos hidrogênios ambos os lados possuem a mesma quantidade de oxigênio 12 átomos de cada lado Assim a equação corretamente balanceada que descreve essa reação é dada por 2Fes 3H2SO4aq Fe2SO43g 3H2g 2Fes 3H2SO4aq Fe2SO43g 3H2g Através do balanceamento de uma equação química garantimos que os átomos presentes na equação estarão em igual número nos reagentes e nos produtos representando corretamente a reação química que está ocorrendo E ainda pelo princípio de Lavoisier como os átomos não podem ser criados ou destruídos para que ocorra a reação química os compostos iniciais são desfeitos e transformados em novos compostos mas a quantidade de átomos e o tipo deles permanecem iguais Cálculos estequiométricos Quando estudamos uma reação química através de sua equação é possível obter a quantidade de produto que se formará a partir da quantidade de reagentes utilizada O oposto também é verdadeiro é possível saber quanto de reagente será necessário para uma quantidade definida do produto Essas análises podem ser realizadas através da Estequiometria ou cálculo estequiométrico que é a parte da química que avalia quantitativamente os reagentes e produtos em uma reação Para compreendermos como essa análise pode ser desenvolvida para as equações químicas vamos utilizar a unidade mol para as quantidades de substâncias das reações e como isso poder determinar a quantidade de produto formada em uma reação química Utilizar a unidade mol para representar as quantidades de compostos presentes em uma reação química é conhecido como método do mol significando que os coeficientes estequiométricos de uma reação química indicam o número de mols de cada substância Vejamos como exemplo a produção de amônia 2NH3 que é feita pela síntese utilizando hidrogênio e nitrogênio representada por 6 2NH3 N2g 3H2g 2NH3g N2g 3H2g 2NH3g Os números que estão na frente de cada reagente são conhecidos como coeficientes estequiométricos e indicam quanto de cada reagente será necessário para a formação do produto Em 6 os coeficientes estequiométricos indicam que uma molécula de N2 irá reagir com 3 moléculas de H2 produzindo 2 moléculas de 2NH3 Lembrando que o número relativo de mols é o mesmo que o número relativo de moléculas 2NH3 Dessa forma podemos dizer que para a formação de 2 mols de amônia gasoso 2 mols de nitrogênio gasoso combinam com 3 mols de hidrogênio gasoso E ainda considerando os cálculos estequiométricos podemos dizer que 3 mols de H2 são equivalentes a 2 mols de NH3 podendo ser representado por 7 3 mol H2 2 mol NH3 3 mol H2 2 mol NH3 O símbolo possui significado de equivalência ou seja equivalente a Com essas relações podemos escrever os fatores de conversão apresentados por 8 Agora vamos considerar uma situação em que 16g de H2 irão ser consumidos por completo na reação com N2 para formar a amônia Dessa forma é possível obter quantos gramas de NH3 serão obtidos nessa reação através da correspondência entre H2 e NH3 que é deduzida a partir da relação molar na equação balanceada Dessa forma o primeiro passo consiste em converter os gramas de H2 em mols de H2 depois calcular os mols correspondentes de NH3 e por fim fazer a conversão deles em gramas 10 gramas de H2 mols de H2 mols de NH3 gramas de NH3 gramas de H2 mols de H2 mols de NH3 gramas de NH3 Assim a conversão de 16 g de H2 em mols de H2 utilizando a massa molar de H2 que apresenta valor de 2g teremos 11 mols de H2 16g H2 x 1mol de H22g H2 8 mol H2 mols de H2 16g H2 x 1mol de H22g H2 8 mol H2 Com o número de mols de H2 podemos calcular o número de mols de amônia NH3 que serão produzidos 12 mols de NH3 8 mol H2 x 2mol NH33 mol H2 53 mol NH3 mols de NH3 8 mol H2 x 2mol NH33 mol H2 53 mol NH3 Agora com o número de mols de amônia podemos calcular sua massa 13 utilizando a massa molar da amônia de 1703g gramas de NH3 53 mol NH3 x 1703g NH31 mol NH3 901g NH3 gramas de NH3 53 mol NH3 x 1703g NH31 mol NH3 901g NH3 Da mesma forma é possível obter a massa em gramas de N2 que será consumida nessa reação Nesse caso os passos de conversão serão 14 gramas de H2 mols de H2 mols de N2 gramas de N2 gramas de H2 mols de H2 mols de N2 gramas de N2 Nesse caso vamos utilizar a relação 1 mol N2 3 mol H2 Assim aplicando os passos anteriores para o gás nitrogênio chegaremos ao valor de 741 g N2 que serão consumidos nessa reação 1 mol N2 3 mol H2 A Figura 1 apresenta os passos de conversão para o cálculo estequiométrico com base no método mol que utilizamos Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Anhanguera Para o desenvolvimento de problemas que envolvam cálculos estequiométricos podemos seguir alguns passos para executar o processo 1 Escrever a equação balanceada da reação química em estudo 2 Converter o valor dos reagentes para número de mols 3 Calcular o número de mol do produto formado utilizando a razão molar da equação balanceada 4 Converter os mols dos compostos do produto em gramas Dessa forma através dos cálculos estequiométricos é possível descrever a reação química através de sua equação química balanceada e ainda identificar quanto de reagente será necessário para a formação do produto ou quanto de produto será formado para uma dada quantidade de reagente Vamos Exercitar Relembrando o problema proposto inicialmente você é o principal responsável por um processo químico e está estudando o processo de produção de NaOH a partir da reação de NaCl e água à pressão atmosférica e temperatura ambiente Esse processo químico é descrito por 15 O primeiro passo consiste em verificar se a equação química está balanceada Para isso vamos aplicar o método das tentativas Para isso precisamos começar a verificar o balanceamento pelo elemento metálico nesse caso o sódio Na Olhando a equação química no processo 15 vemos que há um sódio no reagente e um no produto então esse elemento está balanceado Na próxima etapa os elementos não metálicos devem ser verificados nesse caso o cloro Cl Assim vemos que há um átomo de cloro no reagente e dois átomos de cloro no produto 16 Ao ajustar o elemento cloro Cl será necessário verificar novamente o sódio Na e ajustálo 17 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Anhanguera Por fim olhar os átomos de hidrogênio H e oxigênioO e verificar as quantidades no reagente e no produto ajustando se necessário 18 Agora para identificar quanto de NaCl deve reagir para produzir 100kg de NaOH precisamos das massas molares dos dois compostos Com o auxílio da tabela periódica temos que a massa molar do NaCl apresenta valor de 117 g e a massa molar de NaOH apresenta valor de 80g Assim por uma regra de três simples teremos 20 Isso significa que serão necessários 14625kg de cloreto de sódio para produção de 100kg de hidróxido de sódio Saiba mais Olá Estudante Compreender como uma reação química ocorre bem como a forma pela qual podemos descrevêla através das equações químicas balanceadas e dos cálculos estequiométricos é de grande valia para analisar processos químicos Assim para aprofundar o seu conhecimento na área saiba mais sobre o assunto lendo o capítulo 3 do livro Química de Raymond Chang e Kenneth A Goldsby Estude os conceitos veja os exemplos e faça os exercícios CHANG Raymond GOLDSBY Kenneth A Química Porto Alegre Grupo A 2013 Ebook ISBN 9788580552560 Referências ATKINS Peter FísicoQuímica Fundamentos 6ª edição Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 20 mar 2024 CHANG Raymond GOLDSBY Kenneth A Química Porto Alegre Grupo A 2013 Ebook ISBN 9788580552560 Acesso em 20 mar 2024 KOTZ John C TREICHEL Paul M TOWNSEND John R ETAL Química Geral e Reações Químicas v1 São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 20 mar 2024 Aula 3 Reações em solução aquosa Reações em solução aquosa Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Anhanguera Olá Estudante Nessa videoaula iremos compreender quais os componentes de uma solução bem como as situações em que ocorrem a sua saturação Feito isso entender o que são substâncias do tipo ácido e base e compreender como ocorre uma reação de neutralização quais os reagentes e produtos que compõe esse tipo de reação Tudo isso considerando o meio aquoso Tema importante para o desenvolvimento de sua prática pessoal e profissional pois com esses conceitos será possível entender e identificar através da escala ph quando uma solução é ácida eou básica e como tornála neutra se esse for o objetivo Pronto para neutralizar esses conteúdos e aprender sobre os conceitos indicados Vamos lá Ponto de Partida Olá Estudante Nessa aula vamos abordar os conceitos relacionados a soluções como soluto solvente e solubilidade considerando o meio aquoso para análise das aplicações Feito isso entenderemos o que são substâncias ácidas e básicas e como ocorrem as reações de neutralização quais reagentes e produtos envolvidos no processo tudo isso considerando o meio aquoso E onde aplicar esses conceitos Em quase tudo ao seu redor pois soluções aquosas estão presentes em diversos pontos de nossa vida mesmo que não notamos Por exemplo em situações simples como fazer um café colocar sal no alimento tomar um remédio em gotas alguns tipos de pilhas utilizadas para gerar energia dentre muitas outras situações Considerando essa temática considere a situação em que você é recémcontratado em uma empresa de desenvolvimento de produtos altamente tecnológicos Seu chefe solicitou a você que em seu primeiro mês na empresa acompanhasse o trabalho e as pesquisas do pessoal que atua no laboratório de química entendendo os processos químicos e os conceitos envolvidos neles Em primeiro contato o grupo de pesquisadores estava explicando a você que as soluções químicas são utilizadas para montar uma reação química ou utilizar quantidades muito pequenas de um composto ou para evitar que reações ocorram violentamente liberando muita energia e que ocorram em grande extensão de maneira muito rápida evitando acidentes Nesse momento eles estão voltados para a solução de bissulfito de sódio NaHSO3 e pediram que você os ajudasse calculando a concentração e a molaridade dessa solução que foi preparada adicionando 0208 g em 100 mL de água Para que você possa realizar os cálculos solicitados alguns conceitos precisam ser abordados Vamos lá Bons estudos Vamos Começar Soluto solvente e solubilidade Por definição solução química é descrita por misturas homogêneas de duas ou mais substâncias e muitas são as reações químicas que ocorrem em soluções Nela uma substância é dissolvida soluto em um meio solvente O solvente mais utilizado para a formação de soluções é o composto água H2O por essa razão ele é conhecido como solvente universal Quando a água é utilizada como solvente temos o que chamamos de solução aquosa Assim para as soluções os compostos ou substâncias que se encontram em maior quantidade são denominadas de solvente Já os compostos ou substâncias que se encontram em menor quantidade são conhecidas como soluto O solvente faz com que ocorra a separação das moléculas de soluto impedindo sua agregação levando a formação de novos compostos ou substâncias Importante ressaltar que nem sempre o solvente se dá na forma líquida Por essa razão o estado físico do solvente irá definir se a reação acontecerá em uma solução líquida sólida ou gasosa A quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvido no solvente sem que haja separação de fases e formação de precipitado é denominada de solubilidade A precipitação é definida por uma substância que se separa de uma solução formando uma fase sólida devido à supersaturação da solução Como exemplo vamos considerar o sal de cozinha denominado de cloreto de sódio NaCl Esse composto a 20 C apresenta solubilidade em água de 36g a cada 100g de água Se colocar mais sal nessa quantidade de água a essa temperatura não ocorrerá dissolução e o sal não dissolvido se deposita no fundo do recipiente Esse sal não dissolvido é chamado de precipitado Contudo aumentando a temperatura ocorre um aumento da solubilidade ou seja mais sal poderá ser dissolvido na mesma quantidade de água Faça o teste em sua casa pegue um copo com água em temperatura ambiente e vá acrescentando sal pouco a pouco mexendo até a completa dissolução antes de acrescentar mais sal Vai chegar um momento que começará a formar o precipitado ou seja ocorreu a supersaturação Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Nesse instante com o precipitado no fundo do copo não acrescente mais sal aqueça a solução por um minuto no microondas ou na panela no fogão mexa a solução e você verá que o precipitado terá se dissolvido Isso acontece pelo aumento da agitação térmica das moléculas com o aumento da temperatura permitindo que o limite de solubilidade aumente Para descrever soluções aquosas é comum utilizar algumas notações de concentração C como a concentração de massa de soluto por volume de solução expressa em 1 Como exemplo vamos considerar uma solução de bicarbonato de sódio com concentração de 5gL Para obter a quantidade desse sal em 500mL podemos utilizar 1 para encontrar a massa do soluto Esse cálculo pode ser conferido em 2 Caso não recorde a equação esse resultado também pode ser obtido através de uma regra de três simples 3 Os valores de concentração são importantes para aplicar ou realizar cálculos estequiométricos E ainda além da unidade grama por litro Como exemplo vamos calcular a quantidade de sulfato de cobre CuSO4 em gramas contidos em 100mL de solução com concentração de 045M Para isso iremos precisar da massa molar do sulfato de cobre dada por 1596 gmol Aplicando 4 obtemos a quantidade de mol do sulfato de cobre por 5 Assim lembrando que a quantidade de mol n se relaciona com a massa m pela massa molar MM por calculamos a massa do sulfato de cobre por 6 massasoluto V olumesolução massasoluto V olumesolução C massasoluto V olumesolução C massasoluto V olumesolução C massasoluto V olumesolução 5g L massasoluto 05L massasoluto 2 5g C massasoluto V olumesolução 5g L massasoluto 05L massasoluto 2 5g 5g x 1L 05L x 2 5gL 5g x 1L 05L x 2 5gL gL M nsoluto Vsolução M nsoluto Vsolução M nsoluto Vsoluto nsoluto MVsolução 0 45 mol L 0 1L 0 045 mol M nsoluto Vsoluto nsoluto MVsolução 0 45 mol L 0 1L 0 045 mol n m MM n m MM n m MM m nMM 0 045 mol 159 6 gmol 7 18g n mMM m nMM 0045 mol 1596 gmol 718g Outro conceito importante para soluções aquosas é a saturação definido pelo ponto em que uma solução não consegue dissolver mais quantidade da substância e os montantes adicionais fazem surgir um precipitado Vamos entender essa definição através da análise da dissolução de um sal em água Sabemos que 36 g de cloreto de sódio NaCl é o máximo de sal que pode ser solúvel em 100 mL de água Assim ao adicionarmos 1 g de sal em 100 mL de água pura ele será solubilizado dissolvido apresentando uma solução insaturada Agora ao adicionarmos 37 g de NaCl em 100 mL de água pura 1 g permanecerá precipitado já que a dissolução ocorre em apenas 36g apresentando uma solução saturada Importante lembrar que a solubilidade depende da temperatura Por essa razão ao aquecer a solução com 37 g de NaCl será possível atingir uma temperatura em que teremos uma solução novamente Ao baixar a temperatura para 20 C a solução ainda existe mas instável já que está acima do seu ponto de saturação ou seja supersaturada Siga em Frente Ácidos e bases Ao longo dos anos muito foi estudado sobre as propriedades das estruturas químicas e as reações de ácidos e bases chegando a diferentes definições sobre esses termos ácido e base Dentre elas a definição mais comum para os termos foi proposta por Svante Arrhenius por volta de 1884 em que ele afirma que os ácidos e as bases se dissociam na água formando íons H e OH Ácido é uma substância que apresenta gosto sabor azedo condutividade elétrica em solução aquosa mudança de cor em certas substâncias e reação com as bases para formação sal e água Já as bases são substâncias adstringentes e assim como os ácidos também apresentam condutividade elétrica Muito além de sabor e outras propriedades Arrnhenius definiu que os ácidos quando dissolvidos em água liberam o cátion hidrogênio H aumentando a sua concentração na solução aquosa como exemplifica a reação dada em 7 sendo A um elemento químico genérico na formação do ácido Também definiu que as bases quando dissolvidas em água aumentam a concentração do íon hidroxila OH na solução como exemplifica a reação em 8 sendo B um elemento químico genérico na formação da base Com relação à classificação os ácidos podem ser agrupados em relação a volatilidade estabilidade grau de oxigenação grau de hidratação grau de ionização e número de hidrogênios ionizáveis Importante ressaltar que é através do grau de ionização α 50 moderado 5 α 50 e forte α 50 Já a classificação das bases se dá com base no número de hidroxilas OH solubilidade e grau de dissociação E ainda a classificação considerando o número de hidroxilas pode ser 10H monobases Como exemplo NaOH 20H dibases Como exemplo CaOH₂ 30H tribases Como exemplo AlOH₃ 40H tetrabases Como exemplo PbOH₄ Por fim com relação à solubilidade as bases podem ser classificadas como solúveis formadas por metais alcalinos pouco solúveis formadas por metais alcalinos terroso e insolúveis formadas por outros metais Importante ressaltar que essa classificação ocorre levando em consideração à solubilidade em água Reação de neutralização A reação de neutralização ocorre através de um processo químico entre um ácido e uma base nos reagentes formando sal e água como produto Ou seja podemos definir uma reação de neutralização como aquela em que um ácido reage com uma base produzindo sal e água Nesse tipo de reação H e OH se combinam para formar o composto água Um exemplo da reação de neutralização pode ser observado em 9 sendo A um elemento químico genérico na formação do ácido e B um elemento químico genérico na formação da base Vejamos um exemplo aplicado de uma reação de neutralização entre o ácido clorídrico HCl e hidróxido de sódio NaOH em meio aquoso dada em 10 Olhando para a equação líquida cancelando Na e Cl já que aparecem dos dois lados da equação dizemos que apenas a combinação dos íons H₃O e OH para formar a água 11 Como exemplo vejamos a reação de neutralização entre o ácido clorídrico HCl e hidróxido de cálcio CaOH₂ para a formação do sal cloreto de cálcio CaCl₂ Essa reação é expressa por 12 Dessa forma as reações que ocorrem entre ácidos fortes e bases fortes são denominadas de reacões de neutralização pelo fato de que a final do processo a solução não será ácida e nem básica Vale destacar que a acidez e a basicidade que uma solução aquosa apresenta dependem da quantidade de íons H e OH que estão presentes na solução E para medir o quanto uma solução é ácida ou básica é utilizado como medida o potencial hidrogeniônico pH que varia em uma escala de 0 a 14 Nessa escala o ponto médio indicando a neutralidade da solução se dá no ponto 7 ou seja ph 7 Como exemplo temos a água pura que não é nem ácida nem básica pelo fato de que as concentrações de íons H₃O e OH são iguais Nessa escala uma solução é considerada ácida quando apresenta ph menor que 7 pois possui uma concentração de íons H₃O maior do que uma solução neutra e ácida quando apresenta um ph maior que 7 pois possui uma concentração de íons H₃O menor do que uma solução neutra Vamos Exercitar Relembrando o problema proposto inicialmente foi solicitado que você a concentração e a molaridade da solução de bissulfito de sódio NaHSO₃ que foi preparada adicionando 0208 g em 100 mL de água Inicialmente vamos calcular a concentração da solução Para isso devemos passar a quantidade de 0208g de NaHSO₃ para litros dada por 13 Para o cálculo da molaridade será necessário a massa molar do composto Assim com o auxílio da tabela periódica obtemos a massa atômica de cada elemento podendo calcular a massa molar de NaHSO₃ por 14 Assim para molaridade teremos 15 Como essa é a massa em 1L essa quantidade de mols será em 1L Dessa forma M002 molL ou 002M Com esses dados finalizamos os cálculos que foram pedidos obtendo a concentração e a molaridade da solução de bissulfito de sódio NaHSO₃ preparada adicionando 0208 g em 100 mL de água Saiba mais Olá Estudante Veja os conceitos na prática pela execução dos experimentos nos simuladores propostos abaixo na plataforma Phet Concentração Soluções ácidobase Escala de ph Bons estudos Referências ASKELAND Donald R WRIGHT Wendelin J Ciência e engenharia dos materiais Tradução da 4a edição norteamericana São Paulo Cengage Learning Brasil 2019 Ebook ISBN 9788522128129 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522128129 Acesso em 02 mar 2024 ATKINS Peter FísicoQuímica Fundamentos 6ª edição Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 03 mar 2024 JR William D C Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro Grupo GEN 2020 Ebook ISBN 9788521637325 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521637325 Acesso em 02 mar 2024 KOTZ John C TREICHEL Paul M TOWNSEND John R ETAL Química Geral e Reações Químicas v1 São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 03 mar 2024 MAIA D J BIANCHI J C de A Química Geral e Fundamentos São Paulo Pearson Prentice Hall 2007 448 p Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS NEWELL James Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais Rio de Janeiro Grupo GEN 2010 Ebook ISBN 9788521624905 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521624905 Acesso em 02 mar 2024 SMITH William F HASHEMI Javad Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais Porto Alegre Grupo A 2012 Ebook ISBN 9788580551150 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580551150 Acesso em 02 mar 2024 Aula 4 Eletroquímica Eletroquímica Este conteúdo é um vídeo Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá Estudante Nessa videoaula iremos compreender um pouco sobre a eletroquímica entendendo conceitos e aplicações que permeiam esse assunto Esse tema tem grande valia e muito importante para sua prática profissional pela ampla aplicação em diversos setores da ciência Por exemplo na criação de marcapassos biossensores e outros tipos dispositivos médicos auxilia nos processos industriais com o objetivo de melhora na eficiência energética previne corrosão em máquinas e instalações elétricas entre outras aplicações Vamos juntos entender melhor sobre essa parte tão importante para ciência e tecnologia Bons estudos Ponto de Partida Olá Estudante Como está Nessa aula serão abordados conceitos que envolvem a eletroquímica passando pela eletrólise reações de oxirredução e pilhas eletroquímica Esses conceitos são importantes para seu desenvolvimento acadêmico e profissional pois podem ser utilizados e aplicados em análise de materiais e seu comportamento quando em contato com outras substâncias principalmente quando expostos ao ambiente E ainda compreender reações em que envolvam algum processo de energia Assim considere uma situação em que você é atuante em um laboratório de tecnologia como analista e recentemente chegou uma amostra de minério de ferro para ser verificada Foi informado que o ferro pode ser convertido em ferro II de maneira quantitativa e você propôs analisar este cátion uma vez que ele pode ser novamente oxidado a ferro III pelo permanganato de potássio segundo reação não balanceada apresentada por Mn4aq Fe2aq Haq Mn2aq Fe3aq H2Ol Mn4aq Fe2aq Haq Mn2aq Fe3aq H2Ol Para que a análise possa ser realizada foi informado a você que para uma amostra de 23g do minério de ferro foram utilizados 60mL de permanganato de potássio KMnO4 0021M para atingir o ponto de equivalência quando ocorre a neutralização Sendo assim será necessário balancear a equação e então utilizar os conceitos de concentração e estequiometria para entregar o relatório de porcentagem de ferro na amostra de minério Então vamos conhecer os conceitos necessários para resoluçã do problema proposto Bons estudos Vamos Começar Eletrólise e suas aplicações Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS É denominada eletrolise um processo em que há produção de substâncias através de reações de oxidação e redução advindas de uma descarga elétrica Ou seja é um processo que utiliza energia elétrica proveniente de uma fonte qualquer para provocar um processo químico resultando na produção de substâncias simples ou compostas que não são encontradas em grandes quantidades em meio natural Nesse processo no cátodo ocorre a redução do cátion e no ânodo a oxidação do ânion Esse processo só é possível devido a uma descarga elétrica proveniente de uma fonte externa como uma pilha por exemplo Por essa razão esse é um processo não espontâneo de reação de oxidação e redução A eletrólise pode ocorrer de duas formas ígnea e aquosa Vamos entender cada uma separadamente Na eletrólise ígnea uma substância iônica do tipo XY é submetida ao processo de fusão 1 sofrendo dissociação 2 Após o processo de dissociação a fonte elétrica é acionada cátion X e ânion Y são deslocados ao cátodo d ânodo respectivamente Dessa forma os cátions contidos no cátodo recebem elétrons sofrendo redução transformandose em uma substância X estável 3 De forma semelhante os ânions no ânodo cedem elétrons sofrendo oxidação transformandose em uma substância Y estável 4 Um exemplo prático desse conceito é a eletrólise ígnea para o NaCl cloreto de sódio Nesse caso quando esse composto é submetido ao processo de fusão 5 ocorre a dissociação 6 Com o deslocamento dos cátions e ânions para os cátodos e ânodos respectivamente os cátions sofrem redução 7 e os ânions sofrem oxidação 8 se transformando em substâncias estáveis Dessa forma ocorre a produção do sódio metálico Na e do gás cloro Cl2 em uma eletrólise ígnea para o cloreto de sódio Já na eletrólise aquosa a substância XY é dissolvida em água para provocar a dissociação dos íons 9 Nesse caso há a existência dos íons oriundos da autoionização da água 10 produzindo um cátion hidrônio H e um ânion hidróxido OH além dos íons advindos da dissociação da substância XYs Δ XYlXYl X l Y l XYs Δ XYlXYl X l Y l X l é X X l é X Y l Y 1 é Y l Y 1 é NaCls Δ NaCllNaCll Na l Cl l NaCls Δ NaCllNaCll Na l Cl l Na l é Nas2Cl l 2é Cl2s Na l é Nas2Cl l 2é Cl2s XYs H2Ol X aq Y aq XYs H2Ol X aq Y aq H2Ol H aq OH aq Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS H2Ol Haq OHaq Nesse processo há a existência de dois tipos cátions um advindo da substância iônica e outro da água e dois ânions um advindo da substância iônica e outro da água Para identificar qual dos tipos de cátions irá se deslocar ao cátodo e qual dos tipos de ânions irá se deslocar ao ânodo é preciso saber a ordem de descarga de cátions e ânions No caso dos cátions essa ordem é dada por metal hidrogênio elementos das famílias I A I I A ou I I I A No caso dos ânions essa ordem é dada por ânions não oxigenados e HSO4 OH ânion oxigenado ou F Assim continuando o processo quando é fornecida energia elétrica ou seja quando a fonte é ligada os cátions se deslocam ao cátodo sofrendo redução e os ânions se deslocam ao ânodo sofrendo oxidação O processo é semelhante ao da eletrólise ígnea mas podemos ter o deslocamento do cátionânodo da substância ou da água dependendo da ordem de descarga dos elementos Um exemplo prático desse conceito é a eletrólise aquosa para o NaCl cloreto de sódio Nesse caso esse composto é dissolvido em água sofrendo o processo de dissociação 11 NaCls H2Ol Naaq Claq NaCls H2Ol Naaq Claq E além da dissociação do composto ocorre o processo da autoionização da água 12 H2Ol Haq OHaq H2Ol Haq OHaq Assim teremos dois tipos de cátions Na e H e dois tipos de ânions OH e Cl Ligando a fonte de energia considerando a ordem de descarga no cátodo os cátions H sofrem redução e se transformam em uma substância estável H2 13 2Haq 2é H2g 2Haq 2é H2g Para o ânodo os ânions Cl sofrem oxidação transformando em uma substância estável Cl2 14 2Cll 2é Cl2g 2Cll 2é Cl2g Dessa forma ocorre a produção do gás hidrogênio H2 e do gás cloro Cl2 em uma eletrólise aquosa para o cloreto de sódio Siga em Frente Introdução a oxidoredução Por definição óxidos são descritos por substâncias que são formadas por oxigênio juntamente com outros elementos com eletronegatividade inferior a ele Os óxidos por apresentarem afinidade eletrônica elevada do oxigênio podem ser constituídos por metais possuindo caráter mais iônico ou por ametais possuindo caráter mais covalente E ainda são substâncias classificadas com relação a estrutura que apresenta e comportamento químico Com relação à estrutura podem ser normais e peróxidos Já com relação ao comportamento químico podem ser ácidos básicos neutros anfóteros mistos e peróxidos Os óxidos ácidos são conhecidos assim por formarem um ácido quando estão em processo de reação química com a água Entretanto alguns deles não necessariamente reagem diretamente com a água mas em reação com uma base produzem sal e água indicando o comportamento Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS de um ácido Os compostos desse tipo são formados geralmente por elementos químicos não metálicos apresentando caráter covalente Como exemplo podemos citar CO2 SO3 NO2 e B2O3 Já os óxidos básicos são conhecidos assim por formarem uma base quando reagem com água ou em um processo de transformação química de neutralização de um ácido produzindo sal e água Em sua grande maioria são formados por metais apresentando caráter iônico Como exemplo podemos citar Na2O Li2O CaO e BaO Com relação aos óxidos neutros são conhecidos assim por não reagirem com água ácidos ou bases São compostos formados por elementos químicos não metálicos de carater covalenteComo exemplo temos N2O e NO Para os óxidos anfóteros temos essa classificação pelo fato de que reagem com ácidos fortes e bases fortes Como exemplo temos ZnO Al2O3 e PbO E ainda os óxidos duplos ou mistos são aqueles formados por dois óxidos de um mesmo elemento Por fim os peróxidos que possuem átomos de oxigênio ligados diretamente com propriedade de serem agentes oxidantes do tipo forte O exemplo mais conhecido é o peróxido de hidrogênio H2O2 popularmente conhecido como água oxigenada Como outros exemplos temos K2O2 Li2O2 BaO2 e CaO2 Importante a definição dos compostos do tipo óxidos para que não ocorra nenhum tipo de confusão eou conflito com relação aos conceitos das reações do tipo oxirredução Isso pelo fato de que uma reação de oxirredução é denominada assim devido a transferência de elétrons entre as espécies químicas envolvidas devido à força eletromotriz Elas ocorrem através da oxidação de uma espécie que perde elétrons e redução de outra que ganha elétrons Como exemplo de uma reação de oxirredução vamos analisar a formação do ferro metálico partindo do óxido de ferro Fe2O3 em reação com monóxido de carbono C obtendo ferro metálico Fe e gás carbônico CO2 Essa reação química é expressa em 15 Fe2O3a 3COg 2Fes 3CO2g Fe2O3a 3COg 2Fes 3CO2g Nesse caso o óxido de ferro é reduzido pela perda de um oxigênio enquanto a espécie que ganha oxigênio é aquela que sofreu oxidação Importante ressaltar que nem toda reação de oxirredução envolve perda e ganho de oxigênio contudo estão associadas ao movimento de elétrons Assim é dito que quando uma substância espécie recebe elétrons ela é reduzida pelo fato de diminuir a carga positiva que possui Já quando uma espécie cede elétrons ela é oxidade pelo fato de diminuir a carga neactiva que possui Como exemplo vejamos a reação entre os íons de prata e cobre metálico em que 2Agaq Cus 2Ags Cu2aq Agaq é Ags e Cus Cu2aq é Na primeira Agaq é Ags os íons de prata recebem elétrons e formam prata metálica com estado de oxidação 0 E na segunda Cus Cu2aq é o cobre perde elétrons para o meio Agaq é Ags Cus Cu2aq é Nesse caso o agente redutor aquele que doa elétrons é expresso pelo cobre Já o agente oxidante aquele que recebe elétrons é expresso pela prata Importante ressaltar que para que um composto se oxide outro composto precisa ser reduzido Uma reação de oxirredução deve estar devidamente balanceada para descrever corretamente como ocorre o processo químico envolvido Nesse caso o balanceamento das equações de oxirredução deve ser feito levando em conta o movimento de elétrons Anhanguera Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Voltando às semiequações Agaq e Ags e Cus Cuaq2 e Agaq e Ags e Cus Cuaq2 e a prata Ag recebe apenas um elétron por átomo enquanto o cobre Cu transfere dois elétrons por átomo Assim a equação final deve apresentar dois mols de prata reagindo com um mol de cobre Uma maneira fácil de realizar o balanceamento das reações de oxirredução consiste em seguir a regra de transferência de elétrons apresentada pela Figura 1 Figura 1 Transferência de elétrons em semiequações Fonte elaborada pela autora É chamada de número de oxidação NOX a variação de carga negativa ou positiva de um átomo em que para um elemento ou uma substância simples o número de oxidação é zero como no cobre metálico Cu ou a molécula de I2 Isso ocorre pelo fato de que as substâncias simples são formadas por átomos de um único elemento químico não havendo diferença de eletronegatividade entre os componentes do composto fazendo com que os átomos não ganhem e nem perdem elétrons carga Para espécies do tipo monoatômicas o NOX é igual à carga do íon elementos do grupo I tendem a perder um elétron do grupo II perder dois elétrons já o alumínio elemento do grupo III tende a perder três elétrons E ainda para os halogênios o flúor halogênio mais eletronegativo apresenta sempre NOX igual 1 O bromo cloro e iodo também apresentam NOX igual 1 exceto quando combinados com átomos de oxigênio e flúor Já para o hidrogênio e oxigênio os números de oxidação são comumente iguais a 1 e 2 respectivamente A exceção para o átomo de hidrogênio é quando o componente de um composto binário com não metais como o NaH tem o NOX de hidrogênio com valor 1 Já a exceção para o oxigênio se dá pelos peróxidos quando assume O NOX 1 como em H2O2 Importante ressaltar que a soma dos números de oxidação de um composto neutro deve ser zero e em um íon poliatômico a soma deve ser igual à carga do íon Por exemplo para uma molécula de alumina Al2O3 é necessário assumir um NOX de 2 para cada átomo de O oxigênio Como temos três átomos dessa espécie seu NOX apresenta valor de 6 Para um composto neutro essa deve ser a carga que os dois átomos de Al alumínio apresentam resultando em um NOX de 3 para cada um deles Pilhas eletroquímica Considerando as reações de oxirredução algumas delas como o processo de ferrugem que se dá pela oxidação do ferro e redução do oxigênio ocorrem espontaneamente Outro exemplo de reação de oxirredução espontânea é a reação que ocorre entre o zinco e o cobre ao colocar uma placa de zinco em uma solução de cobre Na reação de zinco e cobre os íons cobre recebem elétrons dos átomos de zinco ocorrendo o depósito de cobre sólido vermelho sobre a placa de zinco com o passar o tempo Esse processo gera energia e embora a reação seja espontânea a energia não está sendo aproveitada Assim para que seja possível aproveitar a energia proveniente dessa reação é necessário montar uma pilha como a pilha de Daniell Figura 2 Em uma pilha as reações químicas devem ocorrer em recipientes separados em que os elétrons provenientes da reação possam circulam por um fio externo realizando trabalho elétrico Assim com o passar do tempo a concentração de cargas negativas na redução ou positivas na oxidação aumenta sendo que a ponte salina tem como função equilibrar estas cargas com o deslocamento de cátions e ânions para as soluções deficientes em cargas positivas ou negativas respectivamente E ainda as semirreações de oxidação e redução ocorrem no ânodo e cátodo respectivamente em uma pilha Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 2 Pilha de Daniell É possível identificar se uma reação ocorre espontaneamente ou não consultando os potenciais padrões de redução os quais nos indicam a tendência em espécies de serem oxidadas ou reduzidas Para isso quanto mais positivo esse valor maior a tendência de a semirreação ocorrer como está escrita Esses valores são tabelados podendo ser encontrados em bibliografias da área Por exemplo o valor do potencial padrão de redução do ferro é 044 eV já o de redução da prata é 080 eV esses dados indicam que a prata é reduzida com maior facilidade enquanto o ferro neste processo será oxidado Vamos Exercitar Relembrando o problema proposto inicialmente você irá realizar uma análise em uma amostra de minério de ferro Para isso foi disponibilizado a você a reação química não balanceada para esse processo químico dada por 16 Mn4aq Fe2aq Haq Mn2aq Fe3aq H2Ol Mn4aq Fe2aq Haq Mn2aq Fe3aq H2Ol E ainda foi informado que para uma amostra de 23g do minério de ferro foram utilizados 60mL de permanganato de potássio KMnO4 0021M para atingir o ponto de equivalência quando ocorre a neutralização Para balancear essa equação será necessário considerar o movimento dos elétrons Olhando para o manganês no permanganato de potássio KMnO4 observamos que ele está ligado a quatro átomos de oxigênio Nesse caso o NOX para cada um apresenta valor de 2 como temos 4 em ligação o NOX será 8 Como a carga do íon era 1 o NOX do manganês Mn nos reagentes será 7 e no produto apresenta um valor de 2 indicando que foi reduzido Já o ferro passou de Fe II para Fe III indicando que foi oxidado Sendo assim com essas informações podemos escrever as semirreações para o Mn 17 e para o ferro 18 Mn4aq 5e 8Haq Mn2aq 4H2OlFe2aq Fe3aq 5e 4H2Ol Mn4aq 5e 8Haq Mn2aq 4H2OlFe2aq Fe3aq 5e 4H2Ol Agora para determinar a quantidade de ferro foi utilizado 60mL de uma solução de 0021M de KMnO4 Para encontrar o número de mols n a partir da molaridade teremos 20 M nV n MV 0021 molL 006L 126x103 mol de KMnO4 M nV n MV 0021 molL 006L 126x103 mol de KMnO4 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Pela equação química vemos que cada mol de permanganato reage com cinco mols de ferro II Assim usamos esse fator estequiométrico para poder determinar que tem na amostra Assim utilizando a massa molar do ferro calculamos a massa de ferro na amostra por 21 Como foi informado que a massa de minério total era de 23g a porcentagem massamassa mm de ferro pode ser calculada por 22 Dessa forma obtemos que a quantidade de ferro que está presente na amostra que foi analisada possui valor de 153 Saiba mais Olá Estudante Compreender as reações químicas do tipo oxirredução são importantes para análise de diversos processos químicos que ocorrem ao nosso redor E ainda compreender a relação interatômicas das mudanças macroscópicas nos materiais devido a perda ou ganho de elétrons Por isso aprofunde seus conhecimentos sobre reações de oxidaçãoredução lendo a sessão 44 do livro Química de Raymond Chang e Kenneth A Goldsby Veja os conceitos olhe com atenção os exemplos e faça os exercícios CHANG Raymond GOLDSBY Kenneth A Química Porto Alegre Grupo A 2013 Ebook ISBN 9788580552560 Bons estudos Referências ATKINS Peter FísicoQuímica Fundamentos 6ª edição Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 24 mar 2024 CHANG Raymond GOLDSBY Kenneth A Química Porto Alegre Grupo A 2013 Ebook ISBN 9788580552560 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580552560 Acesso em 24 mar 2024 KOTZ John C TREICHEL Paul M TOWNSEND John R ETAL Química Geral e Reações Químicas v1 São Paulo Cengage Learning Brasil 2023 Ebook ISBN 9786555584516 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9786555584516 Acesso em 24 mar 2024 Aula 5 Estudo de reações químicas Videoaula de Encerramento Este conteúdo é um vídeo 5x1 26x103 0 0063 mol de KMn O4 5x1 26x103 0 0063 mol de KMn O4 1 mol Fe 00063 mol Fe 5585g x x 0 352g Fe 1 mol Fe 00063 mol Fe 5585g x x 0 352g Fe 23g 0352g 100 y y 15 3 ferro m m 23g 0352g 100 y y 15 3 ferro m m Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Para assistir este conteúdo é necessário que você acesse o AVA pelo computador ou pelo aplicativo Você pode baixar os vídeos direto no aplicativo para assistir mesmo sem conexão à internet Dica para você Aproveite o acesso para baixar os slides do vídeo isso pode deixar sua aprendizagem ainda mais completa Olá estudante Nessa videoaula você irá conhecer os principais conceitos que envolvem as reações químicas Compreenderá como realizar a descrição correta de uma reação através de sua equação química devidamente balanceada e realizar cálculos estequiométricos para identificar quanto de reagente ou produto serão necessários em uma aplicação específica E mais identificar os processos químicos em solução aquosa e analisar os conceitos que embasam a eletroquímicas Sendo possível aplicação desses conceitos na resolução de problemas de engenharia Os conteúdos citados são importantes para sua prática profissional já que todos os fenômenos naturais ou não ocorrem por meio de reações químicas Vamos reagir a esse tema produzindo conhecimento Bons estudos Ponto de Chegada Olá estudante Para desenvolver a competência dessa unidade que é compreender os principais conceitos de equações reações químicas e cálculos estequiométricos você deve primeiramente entender o que são reações químicas e qual a forma que podem ser corretamente descritas levando em consideração os coeficientes estequiométricos Uma reação química por ser definida pelo processo de transformação química de moléculas em outras descrita por uma equação que contém as informações necessárias do processo químico ocorrido chamada de equação química Essa equação é construída através da representação simbólica dos processos químicos em que os compostos iniciais reagentes são colocados a esquerda e o resultado da reação produto colocado à direita Uma seta indica a direção do processo químico que está ocorrendo Dessa forma uma representação genérica de equação química é apresentada em 1 Lado esquerdo Reagentes Lado direito Produtos Lado esquerdo Reagentes Lado direito Produtos Na construção da equação os símbolos químicos são utilizados para indicar os participantes da reação e as condições específicas para que ela ocorra Já os números são utilizados para representar quantidade de matéria envolvida no processo chamado coeficiente estequiométrico Utilizar as leis ponderais auxilia no processo de equacionamento e balanceamento das equações Dentre as leis existentes as duas mais importantes são conhecidas por Lei de Lavoisier também chamada de Lei da Conservação das Massas e Lei de Proust também chamada de Lei das Proporções Constantes Vamos entender a definição de cada uma delas Lei de Lavoisier em uma reação química feita em recipiente fechado a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos Olhando para os átomos presentes na reação os átomos que estão nos reagentes estarão nos produtos na mesma quantidade de número e tipo mas em ligações diferentes Matematicamente é dada por 2 ReagentesmiProdutosmi Lei das Proporções Definidas a proporção em massa das substâncias que reagem e que são produzidas numa reação é fixa constante e invariável Isso acontece pelo fato de que as massas dos reagentes e produtos envolvidos em uma reação química seguem sempre uma proporção constante 3 mama mbmb mcmc Compreendendo o que são reações químicas e que elas são descritas por uma equação podemos analisar os tipos de reações químicas através da classificação que apresentam Uma reação química pode ser classificada de diversas maneiras mas a principal delas se dá pela análise das substâncias presentes ou seja através da análise dos reagentes e produtos que compõe a reação Assim elas podem ser Compreendendo o que são reações químicas e que elas são descritas por uma equação podemos analisar os tipos de reações químicas através da classificação que apresentam Uma reação química pode ser classificada de diversas maneiras mas a principal delas se dá pela análise das substâncias presentes ou seja através da análise dos reagentes e produtos que compõe a reação Assim elas podem ser Reações químicas de síntese ou adição dois ou mais reagentes se combinam para formar um produto Podemos representar por ABAB Reações químicas de análise ou decomposição reagentes se dividem em duas ou mais substâncias simples para a formação dos produtos Podemos representar por ABAB Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Reações químicas de simples troca ou deslocamento um elemento ocupa o lugar de outro num composto Sua representação pode ser dada por dois tipos ABCACB ou ABCCBA Reações químicas de dupla troca os dois reagentes trocam íons para formar dois novos compostos Podemos representar por ABCD ADCB Como dito acima para que a equação química represente corretamente uma reação ela deva estar devidamente balanceada obedecendo as Leis Assim em uma equação química balanceada os átomos dos compostos devem ser conservados implicando no fato de que a quantidade e qualidade dos átomos presentes no reagente estarem contido no produto Para isso números chamados de coeficientes estequiométricos são utilizados na frente dos compostos indicando a quantidade dos elementos presentes Há alguns métodos para o balanceamento de uma equação química mas o método das tentativas é o mais utilizado por ser um processo mais assertivo e a maioria das equações poderem ser balanceadas corretamente pela aplicação dele Esse método consiste em Inicialmente ajustar os átomos dos metais Próximo passo ajustar os átomos dos ametais Feito isso olhar os átomos de carbono se existir e ajustálos Então ajustar os átomos de hidrogênio Por fim ajustar os átomos de oxigênio Quando estudamos uma reação química através de sua equação é possível obter a quantidade de produto que se formará a partir da quantidade de reagentes utilizada O oposto também é verdadeiro Essas análises podem ser realizadas através da Estequiometria ou cálculo estequiométrico Para o desenvolvimento desse cálculo podemos utilizar a unidade mol para as quantidades de substâncias das reações método mol e como isso poder determinar a quantidade de produto formada em uma reação química A Figura 1 apresenta os passos necessários para realizar o cálculo estequiométrico Figura 1 Passos para conversão para o cálculo estequiométrico Massa g do composto A Usar a massa molar gmol do composto A Mols do composto A Usar a razão molar de A e B a partir da equação balanceada Mols do composto B Usar a massa molar gmol do composto B Massa g do composto B Fonte elaborada pela autora Com um olhar genérico para o desenvolvimento de problemas que envolvam cálculos estequiométricos podemos seguir alguns passos para executar o processo 1 Escrever a equação balanceada da reação química em estudo 2 Converter o valor dos reagentes para número de mols 3 Calcular o número de mol do produto formado utilizando a razão molar da equação balanceada 4 Converter os mols dos compostos do produto em gramas Dessa forma através dos cálculos estequiométricos é possível descrever a reação química através de sua equação química balanceada e ainda identificar quanto de reagente será necessário para a formação do produto ou quanto de produto será formado para uma dada quantidade de reagente Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Muitas das reações químicas ocorrem meio de soluções Por definição solução química é descrita por misturas homogêneas de duas ou mais substâncias Nela uma substância é dissolvida soluto em um meio solvente O solvente mais utilizado para a formação de soluções é o composto água H2O por essa razão ele é conhecido como solvente universal Quando a água é utilizada como solvente temos o que chamamos de solução aquosa Assim para as soluções os compostos ou substâncias que se encontram em maior quantidade são denominadas de solvente Já os compostos ou substâncias que se encontram em menor quantidade são conhecidas como soluto O solvente faz com que ocorra a separação das moléculas de soluto impedindo sua agregação levando a formação de novos compostos ou substâncias Importante ressaltar que nem sempre o solvente se dá na forma líquida Por essa razão o estado físico do solvente irá definir se a reação acontecerá em uma solução líquida sólida ou gasosa E anda a quantida máxima de soluto que pode ser dissolvido no solvente sem que haja separação de fases e formação de precipitado é denominada de solubilidade Em soluções aquosas é comum utilizar algumas notações de concentração C como a concentração de massa de soluto massa soluto por volume de solução Volume solução expressa em 4 massa soluto Volume solução C massa soluto Volume solução C massa soluto Volume solução E ainda além da unidade grama por litro gL a concentração de uma solução pode ser expressa como molL ou mol L 1 conhecida pelo nome de molaridade M Essa unidade é a mais utilizada para concentração Matematicamente a molaridade M é dada pelo número de mols n e o volume V em litros 5 gL molL mol L 1 M n soluto V solução M n soluto V solução Um tipo comum de reação química em solução aquosa é a reação de neutralização que ocorre entre ácidos e bases A definição mais comum para os termos ácido e base foi proposta por Svante Arrhenius por volta de 1884 em que ele afirma que os ácidos e as bases se dissociam na água formando íons H e OH respectivamente Assim como característica os ácidos possuem sabor azedo condutividade elétrica em solução aquosa mudança de cor em certas substâncias e reação com as bases para formação sal e água Já as bases são substâncias adstringentes e assim como os ácidos também apresentam condutividade elétrica Muito além de sabor e outras propriedades Arrhenius definiu que os ácidos quando dissolvidos em água liberam o cátion hidrogênio H aumentando a sua concentração na solução aquosa como exemplifica a reação dada em 6 sendo A um elemento químico genérico na formação do ácido Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS HAg H2O Haq Aaq HAg H2O Haq Aaq Também definiu que as bases quando dissolvidas em água aumentam a concentração do íon hidroxila OH na solução como exemplifica a reação em 7 sendo B um elemento químico genérico na formação da base BOHs H2O Baq OHaq BOHs H2O Baq OHaq A reação de neutralização ocorre através de um processo químico entre um ácido e uma base nos reagentes formando sal e água como produto Nesse tipo de reação H e OH se combinam para formar o composto água Um exemplo da reação de neutralização pode ser observado em 8 sendo A um elemento químico genérico na formação do ácido e B um elemento químico genérico na formação da base em que BA indicam o sal formado no processo químico HAaq BOHaq BAaq H2O HAaq BOHaq BAaq H2O Outra reação importante para análises químicas é conhecida como oxirredução Ela é caracterizada por um processo simultâneo de perda e ganho de elétrons ou seja ela recebe esse nome em relação à transferência de elétrons entre as espécies químicas envolvidas devido à força eletromotriz Nesse caso na espécie que perde elétrons ocorre a oxidação já a espécie que ganha elétrons ocorre a redução Assim é dito que quando uma substância espécie recebe elétrons ela é reduzida pelo fato de diminuir a carga positiva que possui Já quando uma espécie recebe elétrons ela é oxidade pelo fato de diminuir a carga necativa que possui Uma maneira fácil de realizar o balanceamento das reações de oxirredução consiste em seguir a regra de transferência de elétrons apresentada pela Figura 2 Figura 2 Transferência de elétrons em semiequaçōes Fonte elaborada pela autora Nesse caso é chamada de número de oxidação NOX a variação de carga negativa ou positiva de um átomo tendo como base a eletronegatividade dos compostos nas reações A eletrólise é um processo químico em que há atuação de reações de oxirredução Nela há produção de substâncias através de reações de oxidação e redução advindas de uma descarga elétrica Em que nesse processo no cátodo ocorre a redução do cátion e no ânodo a oxidação do ânion A eletrólise pode ocorrer de duas formas ígnea e aquosa Na eletrólise ígnea uma substância iônica do tipo XY é submetida ao processo de fusão 9 sofrendo dissociação 10 XYs Δ XYlXYl Xl Yl XYs Δ XYlXYl Xl Yl Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 2 Célula unitária CS a por esferas rígidas e b por esferas reduzidas Fonte Callister 2020 p46 Em qualquer célula cúbica a aresta da geometria é denominada de parâmetro de rede dado pela letra Para a célula CS olhando pela representação da Figura 2 cada aresta é formada pelo raio R dos dois átomos que a compõe logo podemos escrever que Assim para CS podemos calcular o volume da célula unitária será 2 Para analisar a estrutura cristalina é importante conhecer o valor do Fator de Empacotamento Atômico FEA que ela possui ou seja quanto do volume da célula é ocupada por átomos O número do FEA expressa a soma dos volumes das esferas de todos os átomos no interior de uma célula unitária assumindo o modelo atômico de esferas rígidas dividida pelo volume da célula unitária Matematicamente podemos escrever por 3 Tanto o volume dos átomos quanto o volume da célula unitária podem ser calculados em função do raio atômico R já que se trata do mesmo elemento químico E considerando o átomo como uma esfera seu volume pode ser calculado por Logo aplicando os dados em 3 teremos o FEA para CS por 4 a Vcubo lado3 α 2R α 2R VaCS α3 2R3 8R3 VaCS α3 2R3 8R3 FEA nº átomos por célulavolume de cada átomo volume da célula unitária FEA nº átomos por célulavolume de cada átomo volume da célula unitária Ve Ve 4 3 π R3 Ve Ve 4 3 π R3 FEACS nº átomos por celulavolume de cada átomo volume da célula unitária 1 4 3 πR3 8R3 52 FEACS nº átomos por celulavolume de cada átomo volume da célula unitária 1 4 3 πR3 8R3 52 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 7 Sistemas cristalinos Fonte KLS Química e Ciência dos Materiais 2019 p120 Entre os sistemas cristalinos o sistema cúbico é o que apresenta maior grau de simetria enquanto o sistema triclínico apresenta a menor simetria Embora existam apenas sete sistemas de cristais ou formas no total temos 14 redes cristalinas distintas chamadas rede de Bravais em homenagem a Auguste Bravais 1811 1863 um dos primeiros cristalógrafos francês A rede de Bravais é composta pelas seguintes redes cristalinas três tipos cúbicos um tipo romboédrico quatro tipos ortorrômbicos dois tipos tetragonais um tipo hexagonal um tipo triclínico e dois tipos monoclínicos Figura 8 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 9 Estrutura cristalina do tipo cúbica de face centrada CFC Fonte Callister 2020 p 43 Conhecendo o tipo de estrutura cristalina é possível calcular o parâmetro de rede e o volume da célula unitária ambos em função do raio atômico R No caso da célula unitária do tipo CFC olhando para a face cúbica da célula os átomos se tocam ao longo da diagonal com comprimento 4R Figura 10 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 10 Análise da célula unitária CFC para cálculo do parâmetro de rede Fonte Callister 2020 p48 Dessa forma aplicando o teorema de Pitágoras no triângulo retângulo formado na face do cubo podemos calcular o parâmetro de rede por 10 A resolução de 10 para obter o parâmetro de rede para estrutura cristalina do tipo CFC é dado por 11 O parâmetro de rede indica o tamanho da aresta de um cubo Com esse valor encontrado podemos calcular o volume por 12 a a a2 a2 4R2 a2 a2 4R2 a a a2 a2 4R2 2a2 16R2 a 2R2 a2 a2 4R2 2a2 16R2 a 2R2 a a Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 2 Exemplo de coordenadas de pontos em uma célula unitária Fonte adaptada de Askeland e Wright 2019 p 56 Como exemplo vamos analisar a estrutura cristalina apresentada pela Figura 3 Ela é do tipo cúbica de corpo centrada CCC e podemos obter a localização dos átomos nessa célula através de suas coordenadas Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS respectivamente Olhando para o sistema de coordenadas para cada um dos três eixos x y e z existirão tanto coordenadas positivas quanto negativas Por essa razão também são possíveis índices negativos que deverão ser representados por uma barra sobre o índice apropriado como dito anteriormente Por exemplo a direção apresenta um componente negativo na direção y E ainda a mudança dos sinais de todos os índices produz uma direção antiparalela ou seja a direção é diretamente oposta à direção Como exemplo vejamos as direções 100 110 e 111 em uma célula unitária do tipo cúbica apresentadas pela Figura 4 111 111 111 111 111 111 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 3 Discordância em aresta evidenciando a linha de discordância Fonte KLS Química e Ciência dos Materiais 2019 p 132 Uma discordância em aresta se move de forma semelhante a uma lagarta ou seja uma pequena quantidade por vez um sítio por vez Olhando para Figura 4 que apresenta o movimento de uma discordância no interior de um cristal quando sujeito a uma tensão de cisalhamento vemos que a discordância na metade superior do cristal está deslizando plano por plano da esquerda para a direita iniciando na posição A passando por B até formar uma unidade de distância interatômica à direita do cristal Assim uma pequena fração das ligações interatômicas são quebradas durante o movimento da discordância Figura 4 Movimento de uma discordância Fonte KLS Química e Ciência dos Materiais 2019 p 132 A magnitude e a direção da distorção de rede cristalina associada a uma discordância são expressas em termos de um vetor denominado vetor de Burgers representado por b Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 8 Representação de impureza intersticial carbono na rede cristalina do ferro Fonte KLS Química e Ciência dos Materiais 2019 p 136 Importante destacar que há uma quantidade de carbono que pode ser inserida no ferro Saiba mais Olá Estudante Estudar sobre as imperfeições nos materiais é de fundamental importância para análise de propriedades mecânicas e compreensão das formas pelas quais elas podem ser alteradas através de sua microestrutura Assim para aprofundar seus conhecimentos no assunto leia o capítulo 4 do livro Ciência dos Materiais de Shackelford Leia o conteúdo veja os exemplos e faça os exercícios SHACKELFORD J F Ciência dos materiais 6 ed São Paulo Pearson 2008 Ebook Bons estudos Referências ASKELAND Donald R WRIGHT Wendelin J Ciência e engenharia dos materiais Tradução da 4a edição norteamericana São Paulo Cengage Learning Brasil 2019 Ebook ISBN 9788522128129 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522128129 Acesso em 06 mar 2024 ATKINS Peter FísicoQuímica Fundamentos 6ª edição Rio de Janeiro Grupo GEN 2017 Ebook ISBN 9788521634577 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521634577 Acesso em 06 mar 2024 JR William D C Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro Grupo GEN 2020 Ebook ISBN 9788521637325 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521637325 Acesso em 06 mar 2024 α Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Figura 3 Difusão atômica de cobre e estanho Fonte elaborada pela autora O fenômeno em que átomos de um metal migram difundem para o interior de outro metal é conhecido por interdifusão também chamado de difusão de impurezas A difusão não ocorre somente entre metais diferentes ou quaisquer sólidos diferentes que são colocados em contato Esse processo também é comum em materiais puros onde há a mudança atômica de posição na rede cristalina do próprio material não havendo alterações de composição e nem de estrutura cristalina chamado de autodifusão Para que um átomo mude sua posição em um material é necessário que haja uma posição adjacente vizinha vazia e o átomo possua uma quantidade de energia capaz de romper as ligações químicas entre os seus átomos vizinhos causando uma distorção na rede cristalina durante seu movimento Essa energia de origem vibracional é oriunda do aumento da temperatura do material possibilitando que o átomo se movimente ao longo da rede cristalina Importante destacar que nos materiais metálicos esse movimento atômico acontece prioritariamente por difusão em lacunas e difusão intersticial Vamos entender melhor cada um desses dois tipos de difusão Na difusão em lacunas tanto o átomo quanto a lacuna se movem na rede cristalina do metal onde o átomo ocupa a posição da lacuna e a lacuna passa a ocupar a posição do átomo como exemplo mostrado na Figura 4 Figura 4 Exemplo de difusão por lacunas Fonte KLS Química e Ciência dos Materiais 2019 p 143 Já em uma difusão intersticial os átomos inicialmente localizados em uma posição intersticial migram para uma posição intersticial adjacente e vazia Figura 5 Figura 5 Difusão intersticial Fonte KLS Química e Ciência dos Materiais 2019 p 143 Disciplina QUÍMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS ASKELAND Donald R WRIGHT Wendelin J Ciência e engenharia dos materiais Tradução da 4a edição norteamericana São Paulo Cengage Learning Brasil 2019 Ebook ISBN 9788522128129 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522128129 Acesso em 24 abr 2024 JR William D C Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro Grupo GEN 2020 Ebook ISBN 9788521637325 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521637325 Acesso em 24 abr 2024 NEWELL James Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais Rio de Janeiro Grupo GEN 2010 Ebook ISBN 97885216 24905 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788521624905 Acesso em 24 abr 2024 SMITH William F HASHEMI Javad Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais Porto Alegre Grupo A 2012 Ebook ISBN 9788580551150 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788580551150 Acesso em 24 abr 2024