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ÓTIMA APOSTILA DE QUÍMICA - APOSTILA 01 - 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
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
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.
Pró-Reitoria de Graduação
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
Secretaria de Estado da Educação
Apresentação
do módulo
Este módulo apresenta algumas idéias sobre as transformações químicas importantes para todo o estudo da Química. O conhecimento das transforma- ções químicas nos auxilia a compreender melhor muitos fatos do nosso dia-a- dia. Esse conhecimento também pode facilitar nossa atuação na sociedade, nos posicionando frente a questões sociais, pois podemos argumentar, tam- bém, com base no conhecimento científico.
Você vai aprender como se pode reconhecer uma transformação química, através de evidências perceptíveis pelos nossos sentidos, ou pela caracterização dos produtos através de suas propriedades como temperatura de fusão, de ebu- lição, densidade e solubilidade. Para caracterizar um produto é necessário separá- lo através de processos adequados. Você vai aprender como separar uma subs- tância por destilação, filtração, decantação, evaporação e cristalização.
Você também vai estudar as relações de massa existentes em uma trans- formação química, através das leis de Lavoisier e Proust.
Existe uma linguagem química que permite representar as substâncias e as transformações químicas. Você vai conhecer as fórmulas químicas e a lingua- gem das equações químicas.
Conhecer os fatos é importante, porém, não suficiente para que possamos construir uma visão do mundo físico. Nesse sentido, devemos buscar explica- ções, construindo modelos capazes de explicar amplamente esses fatos.
São propostos questões e exercícios ao longo do texto para que você vá formando e ampliando seus conhecimentos. São apresentados também, exer- cícios complementares para que você possa aplicar seu conhecimento em si- tuações novas.
Esse módulo é composto por 6 unidades sobre as transformações químicas:
Unidade 1 : reconhecimento das transformações químicas.
Unidade 2 : como obter substâncias puras a partir de misturas que as contêm.
Unidade 3 : a massa se conserva nas transformações químicas?
Unidade 4 : interpretando as transformações químicas.
Unidade 5 : representando as transformações químicas – balanceamento de equações químicas.
Unidade 6 : previsão das quantidades de reagentes e produtos formados.
O homem, como qualquer ser vivo, sempre lutou pela sua sobrevivência. A confecção e o aprimoramento de ferramentas, o desenvolvimento da agri- cultura e da pecuária, bem como de técnicas cerâmicas e metalúrgicas surgi- ram do empenho de grupos humanos para garantir essa sobrevivência. A des- coberta e o controle do fogo caracterizam a mais importante conquista do homem, pois tornou possível quase todas as realizações técnicas que se segui- ram. Obter alimentos, vestuário, abrigo, água e energia constituem exigência básica para se sobreviver nas condições impostas pelo ambiente. Essas neces- sidades foram supridas principalmente, pelo uso e transformação de materiais da natureza (atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera). Entre os materiais extraídos da natureza e utilizados atualmente na agropecuária, na construção civil, na indústria e como combustíveis (para transporte, aquecimento, cocção de alimentos e caldeiras industriais), alguns são processados para uso imedia- to, como o carvão mineral, pedras para revestimento, ferro, cobre, alumínio etc. Outros servem como matéria-prima na produção de materiais diversos, como por exemplo a amônia. Todos esses processos envolvem transforma- ções químicas.
Considere por exemplo, a queima do enxofre, processo que envolve interação do enxofre com o oxigênio do ar, notam-se alguns sinais indicativos dessa interação, tais como, mudança de odor, aparecimento de luz e forma- ção de gás. A esses sinais chamamos de evidências. Em geral, é a partir da observação de evidências, que se pode concluir que houve interação gera- dora de transformação. As características observadas no instante em que iniciamos as observações sobre o sistema, isto é, sobre aquela porção do universo considerada para o estudo, constitui o que chamamos de estado inicial. Aquelas observadas ao término do estudo formam o estado final.
Na tabela a seguir foram registradas observações relativas a alguns eventos:
Unidade 1
Reconhecimento
das transformações químicas
Organizadores Maria Eunice Ribeiro Marcondes Marcelo Giordan Elaboradores Isaura Maria Gonçalves Vidotti Yvone Mussa Esperidião
EventoEventoEventoEventoEvento^ SistemaSistemaSistemaSistemaSistema^ Estado inicialEstado inicialEstado inicialEstado inicialEstado inicial^ Estado finalEstado finalEstado finalEstado finalEstado final^ Evidências deEvidências deEvidências deEvidências deEvidências de
Tabela 1. Evidências de transformação química.
Analisando a tabela:
A química se preocupa particularmente com o estudo das transformações que produzem novos materiais – transformações químicas. Neste caso, um ou mais dos materiais que compõem o estado inicial do sistema – os reagentes – são transformados, surgindo no estado final novos materiais – os produtos.
transformação química REAGENTES PRODUTOS
De acordo com essa representação, pode-se indicar os reagentes e os produtos envolvidos na queima do enxofre.
transformação Enxofre + Oxigênio Dióxido de enxofre
Como se viu, as transformações químicas são reconhecidas por meio de evi- dências, tais como: produção de gases, mudança de cor, formação de sólido, libe- ração ou absorção de energia, na forma de calor, luz e/ou eletricidade e formação de novo material.
transformaçãotransformaçãotransformaçãotransformaçãotransformação
interação do bicarbonato de sódio com vinagre
combustão do enxofre
enxofre, oxigênio do ar e calor
pó amarelo gás com odor sufocante e chama azulada
produção de gás e de luz bicarbonato de sódio e vinagre
pó branco e líquido incolor com odor
gás inodoro e líquido incolor
efervescência (produção de gás) e desaparece o odor combustão do magnésio
magnésio, oxigênio do ar e chama
sólido prateado pó branco, luz intensa
produção de luz, surgimento de pó branco fusão do gelo gelo e calor do ambiente
sólido transparente escorregadio
líquido incolor
mudança do estado sólido para o estado líquido interação do sulfato de cobre e hidróxido de sódio
soluções de sulfato de cobre e de hidróxido de sódio
solução azul e solução incolor
solução incolor e sólido azul
formação de sólido azul e descoramento da solução interação da cal com água
sólido branco e líquido incolor
sólido branco e líquido incolor
fervura do líquido incolor e sólido branco
sólido sedimen- tado e elevação de temperatura
Magnésio (sólido)Magnésio (sólido)Magnésio (sólido)Magnésio (sólido)Magnésio (sólido) + oxigênio (gasoso)+ oxigênio (gasoso)+ oxigênio (gasoso)+ oxigênio (gasoso)+ oxigênio (gasoso) óxido de magnésio (sólido)óxido de magnésio (sólido)óxido de magnésio (sólido)óxido de magnésio (sólido)óxido de magnésio (sólido) TTTTTempempempempemp..... de ebulição °Cde ebulição °Cde ebulição °Cde ebulição °Cde ebulição °C 1090 - 183,0 3600 TTTTTempempempemp.emp.... de fusão °Cde fusão °Cde fusão °Cde fusão °Cde fusão °C 651 - 218,4 2825 Densidade g/cmDensidade g/cmDensidade g/cmDensidade g/cmDensidade g/cm 33333 1,74 0,001429 3, CorCorCorCorCor Metal prateado Gás incolor Pó branco
As substâncias podem ser identificadas por suas propriedades característi- cas. A cor e o cheiro, por exemplo, podem identificar uma dada substância, porém, tais propriedades não são suficientes para identificá-la ou distinguí-la de uma outra.
As propriedades, como a temperatura de fusão, a temperatura de ebulição, a densidade e a solubilidade, são propriedades que servem como meios de identificação das substâncias, pois dependem apenas da natureza delas e independem de sua quantidade ou sua procedência.
SOLIDIFICAÇÃO
Considere o gráfico que relaciona as temperaturas medidas no decorrer do aquecimento de uma amostra de água, em função do tempo.
A análise do gráfico permite observar que no início do aquecimento (tem- po = 0 minutos) a temperatura da água era 20°C; após 6,0 minutos de aqueci- mento, a temperatura subiu até 97°C, permanecendo constante em 97°C no intervalo de tempo de 6 a 12 minutos, mesmo tendo se continuado o aqueci- mento. No gráfico, isso aparece como uma linha paralela ao eixo do tempo (patamar). Nesse patamar, coexistem água líquida e vapor de água. A tempe- ratura constante correspondente à ebulição do líquido é chamada temperatura de ebulição, sendo a ebulição a mudança do estado líquido para o estado de vapor.
O fato de a temperatura ter permanecido constante, embora o sistema con- tinuasse a receber calor, pode ser entendido considerando que esse calor foi utilizado na separação das partículas de água.
Faça agora você:
Tabela 4. Propriedades das substâncias.
a) Esboce a curva de aquecimento desse sólido até a sua fusão, passagem do estado sólido para líquido. b) Esboce a curva de solidificação, passagem do estado líquido para sóli- do, dessa mesma substância.
Em linguagem corrente é comum dizer que o ferro é mais pesado que o algodão. Esta afirmação, porém, apresenta uma contradição evidente, já que em 1 kg de ferro e em 1 kg de algodão, a quantidade de material é a mesma, ou seja, a massa é a mesma. A diferença está no volume ocupado pelas amostras. Assim, 1 kg de algodão ocupa um volume muito maior do que 1 kg de ferro. A propriedade que relaciona massa (m) e volume (V) de um dado material é a densidade (d). Matematicamente expressa-se essa relação como d = m/V. Se a massa for expressa em gramas (g) e o volume em cm 3 a densidade será expressa em g/cm 3. Isso significa que a densidade expressa a massa de 1 cm^3 do material. Também se pode expressar a densidade em kg/dm 3. A densidade, como toda propriedade característica, não depende da quantidade do material e sim de sua natureza. A densidade é uma propriedade que assume valor constante para qual- quer amostra do mesmo material e devido a isso, permite a sua identificação.
Faça agora você:
AAAAAmostrmostrmostrmostrmostraaaaa MMMMMassa (g)assa (g)assa (g)assa (g)assa (g) VVVolume (cmVVolume (cmolume (cmolume (cmolume (cm 33333 ))))) DDDDDensidade (g/cmensidade (g/cmensidade (g/cmensidade (g/cmensidade (g/cm 33333 ))))) 1 8,6 1, 2 17,2 2, 3 25,8 3, a) Quais amostras são do mesmo metal? Justifique. b) Pode-se identificar uma substância pela sua densidade? Por quê?
As misturas não apresentam densidade característica como as substâncias puras. Por exemplo, misturas de álcool e água apresentam densidades diferen- tes, em função das quantidades de água e álcool usadas.
A tabela a seguir contém valores de densidade de misturas constituídas por diferentes volumes de etanol em 100 cm 3 da mistura.
Composição da misturaComposição da misturaComposição da misturaComposição da misturaComposição da mistura Densidade da misturaDensidade da misturaDensidade da misturaDensidade da misturaDensidade da mistura VVVVVol.ol.ol.ol.ol. de etanol/100 cmde etanol/100 cmde etanol/100 cmde etanol/100 cmde etanol/100 cm^33333 (g/cm(g/cm(g/cm(g/cm(g/cm^33333 ))))) 10,0 0, 20,0 0, 30,0 0, 40,0 0, 50,0 0, 92,0 0, 99,0 0,
Faça agora você:
T (°C) S (g/100 g H 2 O) 0 13 10 17 20 30 35 65 40 70 60 112
a) Pode-se afirmar que a temperatura é um dos fatores que afeta a solubi- lidade? Justifique. b) Com esses dados, construa um gráfico da solubilidade em função da temperatura (solubilidade no eixo das ordenadas e temperatura no eixo das abscissas). c) Utilize o gráfico para determinar a massa de nitrato de potássio capaz de se dissolver em 100 g de água a 30°C. d) É possível, utilizando o gráfico, determinar a massa de nitrato de po- tássio que se dissolve em 100 g de água a 80°C? Justifique.
TTTTTempempempemperempererereraaaaaturturturturtura (°C)a (°C)a (°C)a (°C)a (°C) Solubilidade da sacarose (g/100 g de HSolubilidade da sacarose (g/100 g de HSolubilidade da sacarose (g/100 g de HSolubilidade da sacarose (g/100 g de HSolubilidade da sacarose (g/100 g de H 22222 O)O)O)O)O) 0 180 30 220
a) 20 g b) 40 g c) 50 g d) 64 g e) 90 g
a) Qual dos sais é mais solúvel e qual o menos solúvel na temperatura de 60°C?
b) Qual a massa de nitrato de potássio que se dissolve em 100 g de água na temperatura de 50°C?
c) Nessa temperatura, qual sal é mais solúvel, nitrato de potássio ou nitrato de chumbo?
d) 100 g de nitrato de potássio foram dissolvidos em 100 g de água a tempe- ratura de 70°C. Em seguida a solução foi resfriada até 40°C. Ocorreu a deposição de uma certa massa de nitrato de potássio. Com base no gráfico, qual a massa que se depositou?
e) Qual é, aproximadamente, a quantidade máxima de nitrato de chumbo, que pode ser dissolvida em 500 mL de água a temperatura de 25°C?
TT TTTempempempempemperererereraaaaaturturturturtura (a (a (a (a (^ ooooo^ C)C)C)C)C)^0 25 50 Solubilidade (cmSolubilidade (cmSolubilidade (cmSolubilidade (cmSolubilidade (cm 33333 /100 cm/100 cm/100 cm/100 cm/100 cm 33333 água)água)água)água)água) 4,89 3,16 2,46 2,
Considere também o gráfico que mostra a variação da solubilidade do O (^2) em função da pressão:
Os dados fornecidos permitem afirmar: I. na água dos rios a concentração de oxigênio dissolvido é maior no inverno do que no verão. II. quando se está submetido a pressões elevadas, como é o caso dos mergulhadores, a solubilidade do oxigênio no sangue diminui. III. A morte de rios e lagos pode ser atribuída à redução da quantidade de oxigênio dissolvido devido ao lançamento em suas águas de água quente proveniente de indústrias. Dessas afirmações, estão corretas apenas: a) I b) I e II c) II e III d) II e) I e III
