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ÓTIMA APOSTILA DE QUÍMICA - APOSTILA 03 - USP
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Maria Eunice Ribeiro Marcondes
Marcelo Giordan
Isaura Maria Gonçalves Vidotti
Luciane Hiromi Akahoshi
Maria Eunice Ribeiro Marcondes
Yvone Mussa Esperidião
módulo
Transformações químicas
(aspectos quantitativos)
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO Governador: Geraldo Alckmin Secretaria de Estado da Educação de São Paulo Secretário: Gabriel Benedito Issac Chalita Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas – CENP Coordenadora: Sonia Maria Silva
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Reitor: Adolpho José Melfi Pró-Reitora de Graduação Sonia Teresinha de Sousa Penin Pró-Reitor de Cultura e Extensão Universitária Adilson Avansi Abreu
FUNDAÇÃO DE APOIO À FACULDADE DE EDUCAÇÃO – FAFE Presidente do Conselho Curador: Selma Garrido Pimenta Diretoria Administrativa: Anna Maria Pessoa de Carvalho Diretoria Financeira: Sílvia Luzia Frateschi Trivelato
PROGRAMA PRÓ-UNIVERSITÁRIO Coordenadora Geral: Eleny Mitrulis Vice-coordenadora Geral: Sonia Maria Vanzella Castellar Coordenadora Pedagógica: Helena Coharik Chamlian
Coordenadores de Área Biologia: Paulo Takeo Sano – Lyria Mori Física: Maurício Pietrocola – Nobuko Ueta Geografia: Sonia Maria Vanzella Castellar – Elvio Rodrigues Martins História: Kátia Maria Abud – Raquel Glezer Língua Inglesa: Anna Maria Carmagnani – Walkyria Monte Mór Língua Portuguesa: Maria Lúcia Victório de Oliveira Andrade – Neide Luzia de Rezende – Valdir Heitor Barzotto Matemática: Antônio Carlos Brolezzi – Elvia Mureb Sallum – Martha S. Monteiro Química: Maria Eunice Ribeiro Marcondes – Marcelo Giordan Produção Editorial Dreampix Comunicação
Revisão, diagramação, capa e projeto gráfico: André Jun Nishizawa , Eduardo Higa Sokei , José Muniz Jr. Mariana Pimenta Coan , Mario Guimarães Mucida e Wagner Shimabukuro
Pró-Reitoria de Graduação
Caro aluno, Com muita alegria, a Universidade de São Paulo, por meio de seus estudantes e de seus professores, participa dessa parceria com a Secretaria de Estado da Educação, oferecendo a você o que temos de melhor: conhecimento. Conhecimento é a chave para o desenvolvimento das pessoas e das nações e freqüentar o ensino superior é a maneira mais efetiva de ampliar conhecimentos de forma sistemática e de se preparar para uma profissão. Ingressar numa universidade de reconhecida qualidade e gratuita é o desejo de tantos jovens como você. Por isso, a USP, assim como outras universidades públicas, possui um vestibular tão concorrido. Para enfrentar tal concorrência, muitos alunos do ensino médio, inclusive os que estudam em escolas particulares de reconhecida qualidade, fazem cursinhos preparatórios, em geral de alto custo e inacessíveis à maioria dos alunos da escola pública. O presente programa oferece a você a possibilidade de se preparar para enfrentar com melhores condições um vestibular, retomando aspectos fundamentais da programação do ensino médio. Espera-se, também, que essa revisão, orientada por objetivos educacionais, o auxilie a perceber com clareza o desenvolvimento pessoal que adquiriu ao longo da educação básica. Tomar posse da própria formação certamente lhe dará a segurança necessária para enfrentar qualquer situação de vida e de trabalho. Enfrente com garra esse programa. Os próximos meses, até os exames em novembro, exigirão de sua parte muita disciplina e estudo diário. Os monitores e os professores da USP, em parceria com os professores de sua escola, estão se dedicando muito para ajudá-lo nessa travessia. Em nome da comunidade USP, desejo-lhe, meu caro aluno, disposição e vigor para o presente desafio.
Sonia Teresinha de Sousa Penin. Pró-Reitora de Graduação.
Secretaria de Estado da Educação
Caro aluno, Com a efetiva expansão e a crescente melhoria do ensino médio estadual, os desafios vivenciados por todos os jovens matriculados nas escolas da rede estadual de ensino, no momento de ingressar nas universidades públicas, vêm se inserindo, ao longo dos anos, num contexto aparentemente contraditório. Se de um lado nota-se um gradual aumento no percentual dos jovens aprovados nos exames vestibulares da Fuvest — o que, indubitavelmente, comprova a qualidade dos estudos públicos oferecidos —, de outro mostra quão desiguais têm sido as condições apresentadas pelos alunos ao concluírem a última etapa da educação básica. Diante dessa realidade, e com o objetivo de assegurar a esses alunos o patamar de formação básica necessário ao restabelecimento da igualdade de direitos demandados pela continuidade de estudos em nível superior, a Secretaria de Estado da Educação assumiu, em 2004, o compromisso de abrir, no programa denominado Pró-Universitário, 5.000 vagas para alunos matriculados na terceira série do curso regular do ensino médio. É uma proposta de trabalho que busca ampliar e diversificar as oportunidades de aprendizagem de novos conhecimentos e conteúdos de modo a instrumentalizar o aluno para uma efetiva inserção no mundo acadêmico. Tal proposta pedagógica buscará contemplar as diferentes disciplinas do currículo do ensino médio mediante material didático especialmente construído para esse fim. O Programa não só quer encorajar você, aluno da escola pública, a participar do exame seletivo de ingresso no ensino público superior, como espera se constituir em um efetivo canal interativo entre a escola de ensino médio e a universidade. Num processo de contribuições mútuas, rico e diversificado em subsídios, essa parceria poderá, no caso da estadual paulista, contribuir para o aperfeiçoamento de seu currículo, organização e formação de docentes.
Prof. Sonia Maria Silva Coordenadora da Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas
Apresentação
da área
A Química tem sido vista como vilã por muitos dos segmentos sociais que a desconhecem. Enquanto ciência, ela contribui para compreendermos as pro- priedades dos materiais, suas transformações e suas estruturas em um nível de organização inacessível aos nossos sentidos. Já os químicos, desempenham um papel importante na construção do conhecimento sobre processos e pro- dutos que servem ao bem estar das pessoas. Alimentos, roupas, medicamen- tos, habitações são alguns exemplos de segmentos da indústria e da agropecuária, nos quais o conhecimento químico é fundamental.
É fato também que os impactos causados pelas atividades humanas no meio ambiente têm sido cada vez mais graves. O aumento do efeito estufa e a redução da camada de ozônio são exemplos de atividades que dependem da transformação dos materiais. Ainda assim, a Química não é a responsável por esses fenômenos indesejáveis. O conhecimento produzido pelos químicos é um dos instrumentos determinantes para aprofundar ou diminuir os impactos causados pelas atividades humanas no meio ambiente. Saber aplicar esses conhecimentos a partir de critérios e valores definidos pela sociedade é um dos principais instrumentos para tomar decisões sobre o controle dessas ativi- dades e também para equacionar a complexa relação bem-estar social e meio ambiente.
Os conhecimentos abordados nesse Programa fornecem uma visão geral da fenomenologia das transformações químicas, suas interpretações em ter- mos de modelos microscópicos e suas representações simbólicas. Conhecer as transformações significa também saber utilizá-las para nosso próprio bem- estar. Assim, é importante conhecer aspectos quantitativos das transforma- ções para evitar desperdícios, utilizar racionalmente a energia envolvida no processo, controlar a rapidez da transformação e seu rendimento. Estudar as propriedades das substâncias e interpretá-las em termos dos modelos de liga- ção química também contribui para evitar riscos à saúde e à contaminação ambiental e para compreender os processos de produção de novos materiais e medicamentos.
Defendemos o estudo da Química que não seja memorístico. Como alter- nativa, convidamos você a compreender processos químicos e estabelecer relações entre o conhecimento científico, suas aplicações e implicações so- ciais, econômicas, ambientais e políticas.
Unidade 1
Transformações químicas envolvendo
gases – estabelecendo uma relação entre o
volume ocupado por um gás e o número de
partículas nele contido
Considere as seguintes informações: · na produção de 1 tonelada de cal (CaO) a partir de calcário (CaCO 3 ) são gerados 400 m 3 de CO 2 0 à 25°C e pressão de 1 atm;
· preço do combustível GNV (gás natural veicular): R$ 0,70 /m 3. Quando nos referimos a substâncias no estado gasoso, é comum medir suas quantidades em volume, pois operacionalmente é mais fácil medir o vo- lume de um gás do que sua massa. Como relacionar, então, o número de partículas de um gás e o volume?
Imagine a seguinte experiência: pegue uma seringa e puxe um pouco o êmbo- lo; tampe com o dedo a saída e comprima o êmbolo. Foi possível comprimir?
Organizadores Maria Eunice Ribeiro Marcondes Marcelo Giordan Elaboradores Isaura Maria Gonçalves Vidotti Luciane Hiromi Akahoshi Maria Eunice Ribeiro Marcondes Yvone Mussa Esperidião
Quando se puxa o êmbolo da seringa, está se introduzindo uma certa quan- tidade de ar na seringa. Quando se comprime o êmbolo, supondo que não haja vazamento, a quantidade de ar não muda. Mas o volume ocupado por essa quantidade de ar muda e a pressão dentro da seringa também muda. Então, para sabermos o número de partículas de um gás contidas em um recipiente, precisa- mos conhecer o volume desse recipiente e a pressão dentro dele. É necessário ainda se conhecer a temperatura em que o recipiente se encontra, pois o volume e a pressão de um gás podem variar com a temperatura. Para se poder determinar a quantidade de partículas de um gás contidas em um certo recipiente, precisamos conhecer as relações existentes entre a pressão, o volume ocupado pelo gás e a temperatura do gás. Qual é o volume ocupado por 1 mol de partículas de uma substância no estado gasoso?
CaCO 3 + 2 HCl H 2 O (g) + CO 2 (g) + CaCl 2 (aq) Que volume de CO 2 , a 0ºC e 1 atm se forma quando 50 g de CaCO (^3) reagem com quantidade suficiente de ácido? Qual a massa de gás formada? (massa molar do CaCO 3 : 100 g/mol).
GÁS E O VOLUME EM DIFERENTES TEMPERATURAS E
PRESSÕES
Qual será o volume que um mol de gás ocupa em pressões diferentes de 1 atm e temperaturas diferentes de 0ºC (273 K)?
Para podermos determinar o volume molar em condições diferentes da CNTP, temos que considerar os seguintes conhecimentos sobre os gases.
a) a uma dada temperatura, sabemos que, se o volume de um gás diminuir, a pressão exercida por essa quantidade de gás aumenta. A seguir estão apre- sentados dados para o gás hidrogênio, a 25ºC:
Volume (cm^3 )
25,
16, 11,
Pressão (atm)
0,
1, 2,
p x V (atm x cm 3 )
(1cm 3 corresponde a 1mL)
Tentando encontrar uma proporção entre os valores de p e V, foi verifica- do (por Boyle, século XVII), que o produto p × V é constante. Essa relação vale para qualquer gás e não apenas para o gás hidrogênio.
b) a uma dada pressão, sabemos que, se a temperatura em que o gás se encontra aumentar, o volume do gás também aumenta. A tabela a seguir mos- tra dados para o gás hidrogênio a 1 atm.
Volume (cm^3 )
22, 26, 29,
V/T (K) (cm 3 /K)
0, 0, 0,
0 50 82
273 323 355
Temperatura (o^ C) (K)
(lembrete: temperatura K – temperatura em ºC + 273)
Há uma relação constante, dada por V/T (temperatura absoluta, K), para a variação do volume com a temperatura, numa dada pressão não apenas para o hidrogênio, mas para qualquer outro gás.
c) a um dado volume, sabemos que se a temperatura em que o gás se encon- tra aumentar, a pressão exercida por esse gás também aumenta. Nesse caso, o quociente p/T (temperatura absoluta, K) é constante para qualquer gás.
Podemos calcular o volume molar, isto é, o volume ocupado por um mol de partículas de um gás, em diferentes condições de temperatura e pressão, utilizando essas relações proporcionais.
Para resolver esta questão devemos lembrar que, a mesma pressão, o quo- ciente V/T é constante. Assim:
353 × 22,4 = V × 273 V = 28,
Assim, o volume ocupado por um mol de gás, isto é, o volume molar, a 1 atm e 80ºC é 28,96 L.
Faça agora você
Quantos mols de oxigênio são transportados por 100 mL de sangue, nes- sas condições de p e T?
Dado: volume molar a 1 atm e 0°C: 22,4 L. Dica : calcule o volume molar (volume ocupado por 1 mol de gás) nas condições ambientes.
Dados: massa molar H 2 - 2 g/mol; volume molar em CNTP - 22,4 L.
O volume molar permite relacionar massa, quantidade de matéria e núme- ro de partículas de um gás. O seu valor é o mesmo para todos os gases, quan- do mantidos nas mesmas condições de pressão e temperatura. O volume mo-
Unidade 2
Transformações químicas em solução
aquosa – expressando e prevendo as quan-
tidades de reagentes e produtos envolvidos
Considere as seguintes informações colhidas em produtos comerciais: · água sanitária: “teor de cloro ativo: 2%” ; · água mineral: “composição química provável: bicarbonato de sódio 92,7 mg/L, bicarbonato de magnésio 53,5 mg/L” ;
· ácido sulfúrico : “concentração 73,5%, densidade a 20°C 1,7 g/cm^3 ”. Considere também as seguintes informações sobre alguns processos: · para determinar o teor de ácido acético (H 3 C-COOH) contido em uma amostra de vinagre, pode-se fazer uma reação com solução aquosa de hidró- xido de sódio de concentração conhecida ;
· para fazer a floculação, uma das etapas do tratamento de água, é co- mum se utilizar, numa estação de tratamento, a reação entre solução aquosa de sulfato de alumínio [(Al) 2 SO 4 ) 3 ] e óxido de cálcio (CaO);
Observe as partes destacadas dos textos. O que há de comum nessas infor- mações?
Você pode ter notado que as informações destacam soluções aquosas (ma- teriais dissolvidos em água). Na água mineral, por exemplo, têm-se vários sais dissolvidos, dependendo da região da fonte; no tratamento de água utili- za-se o sal sulfato de alumínio dissolvido em água. Muitas transformações químicas acontecem com os reagentes dissolvidos em água, como no caso da determinação do ácido acético no vinagre, em que se utiliza a reação do ácido dissolvido com uma solução de NaOH (hidróxido de sódio).
H 3 C-COOH (aq) + NaOH (aq) H 2 O (l) + H 3 C-COONa (aq) ácido acético acetato de sódio Quando um material interage com água se dissolvendo, o sistema homogê- neo (uma só fase) resultante (material + água) é chamado de solução aquosa.
Você pode recordar o que aprendeu no módulo 1 sobre a solubilidade dos materiais.
Organizadores Maria Eunice Ribeiro Marcondes Marcelo Giordan Elaboradores Isaura Maria Gonçalves Vidotti Luciane Hiromi Akahoshi Maria Eunice Ribeiro Marcondes Yvone Mussa Esperidião
· 10 mL de solução contendo 0,51 g de NaBr; · 50 mL de solução contendo 2,55 g de NaBr.
Assim, você pode verificar que as três soluções apresentam a mesma quan- tidade de massa do sal no mesmo volume de solução. Elas são de mesma concentração.
Razão calculada: 0,051g/mL 1L = 1000 mL concentração = 0,051 g × 1000 mL= 510 g/L
Isto quer dizer que em 1 litro de solução têm-se 510g de NaBr dissolvidos. Ou que em cada mililitro da solução tem-se 0,051g do sal dissolvido.
Deve-se calcular quantos mols de NaBr há em 510 g. Sendo a massa mo- lar do NaBr - 103 g/mol.
510/103 = 0,495 mol a concentração da solução é 0,495 mol/L.
Outra maneira usual de se expressar a concentração é em porcentagem em massa , como, por exemplo, na água sanitária cuja concentração de “cloro ativo” é de cerca de 2%. A água sanitária é uma solução aquosa contendo o sal hipoclorito de sódio (NaClO). O que se chama de “cloro ativo”, portanto, é o íon hipoclorito (ClO -^ ), e não a substância cloro, Cl 2 , que é um gás à tempe- ratura ambiente.
Dizer que o teor de cloro ativo é de 2%, é dizer que em 100 g da solução de água sanitária há 2 g de hipoclorito de sódio. A massa de água nessa solução é, portanto, 98 g. Considerando essa porcentagem, em 1 kg de água sanitária (1000 g ou 10^3 g), estão dissolvidos 20 g do sal e a massa de água é de 980 g.
Lembrando o outro exemplo dado no início deste tema, o ácido sulfúrico comercial é uma solução de concentração 73,5%. Isto quer dizer que em 100 g da solução (água + ácido sulfúrico) tem-se 73,5 g do ácido e 27,5 g de água.
É comum, quando o soluto é líquido ou gás à temperatura ambiente, ex- pressar a concentração da solução em porcentagem em volume. Assim, por exemplo, na gasolina comercial que contém 25% de álcool etílico, tem-se 25 mL do álcool em cada 100 mL da mistura. Quando colocamos 1 L de gasolina comercial no tanque de um carro, 250 mL desse volume é de álcool.
Faça agora você
Em um rótulo de ácido sulfúrico comercial pode-se encontrar as seguintes informações: concentração 73,5%; densidade a 20°C 1,7g/cm 3. Um tipo de bateria de automóvel, a de chumbo, é constituída por placas de chumbo, óxido de chumbo (PbO 2 ) e solução aquosa de ácido sulfúrico de concentração 3,0 mol/L. Essa solução pode ser preparada a partir do ácido comercial, adicionando-se uma quantidade de água adequada. Como um fabricante de baterias poderia, então, preparar uma solução de H 2 SO 4 de concentração adequada a partir do produto comercial? Suponha o preparo de 1 litro de solução de H 2 SO 4 3, mol/L. Qual a massa de H 2 SO 4 necessária para se preparar 1 litro dessa solução?
Fonte: <www.coltec.ufmg.br/ a l u n o s / 2 2 0 / b a t c a r / HeavyDut.gif>.
