Química Geral no Contexto das Engenharias

2ª Edição Revisada

Química GERAL

NO CONTEXTO DAS ENGENHARIAS

Robson Fernandes de Farias

DIRETOR GERAL Wilon Mazalla Jr. COORDENAÇÃO EDITORIAL Willian F. Mighton COORDENAÇÃO DE REVISÃO E COPYDESK Catarina C. Costa REVISÃO DE TEXTOS Aline Marques Bruna Oliveira Gonçalves EDITORAÇÃO ELETRÔNICA Fabio Diego da Silva Tatiane de Lima CAPA Ângela Fattori Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Farias, Robson Fernandes de Química geral no contexto das engenharias / Robson Fernandes de Farias. -- Campinas, SP : Editora Átomo, 2015.

2ª edição.

Bibliografia 1. Química I. Título.

11-00502

CDD-540 Índices para Catálogo Sistemático 1. Química 540 2. Química para engenheiros 540 ISBN 978-85-7670-253-5 Todos os direitos reservados à

Grupo Átomo e Alínea Rua Tiradentes, 1053 - Guanabara - Campinas-SP CEP 13023-191 - PABX: (19) 3232.9340 e 3232.0047 www.atomoealinea.com.br Impresso no Brasil

CONSELHO EDITORIAL Área | Química Aécio Pereira Chagas Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Célio Pasquini Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Flávio Leite T & E Analítica

José de Alencar Simoni Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Mário Sérgio Galhiane Universidade Estadual Paulista – UNESP

Pedro Faria Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Robson Fernandes de Farias Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN

Para Deyse e Danton, com amor

E edificava-se a casa com pedras preparadas, como as traziam se edificava; de maneira que nem martelo, nem machado, nem nenhum outro instrumento de ferro se ouviu na casa quando a edificavam.

Reis, 1, 6:7

Sumário Introdução.......................................................................................................................9 Capítulo 1 Um Pouco de Química Geral........................................................................................13 Notação e nomenclatura..........................................................................................13 Fórmula mínima e fórmula molecular.....................................................................14 Cálculo estequiométrico e tabela periódica.............................................................15 Estrutura atômica.....................................................................................................16 Ligação química......................................................................................................18 Termodinâmica, cinética química e a estabilidade das ligações.............................22 Ligações covalentes: generalidades........................................................................25 Ligação covalente e estabilidade molecular............................................................26 As estruturas de Lewis e a Teoria da Repulsão dos Pares de Elétrons da Camada de Valência...................................26 A teoria da Ligação de Valência..............................................................................27 Ligação covalente e estruturas de ressonância........................................................28 Hibridação de orbitrais............................................................................................29 A Teoria dos Orbitais Moleculares..........................................................................30 TLV e TOM: pontos fracos e fortes.........................................................................34 Capítulo 2 Mais um Pouco de Química Geral................................................................................35 Soluções..................................................................................................................35 Equilíbrio químico e constante de equilíbrio..........................................................37 Ácidos e bases.........................................................................................................38 pH e solução tampão...............................................................................................40 Capítulo 3 Combustíveis Fósseis, Biocombustíveis e Combustão.................................................43 Introdução................................................................................................................43 Combustíveis e combustão......................................................................................43 Combustíveis fósseis...............................................................................................46

Biocombustíveis......................................................................................................49 Um pouco mais sobre combustão............................................................................54 O etanol como combustível.....................................................................................57 Capítulo 4 Química dos Polímeros e Compósitos..........................................................................61 Capítulo 5 Óleos e Óleos Isolantes.................................................................................................67 Um pouco de química orgânica...............................................................................67 Óleos e óleos isolantes............................................................................................68 Capítulo 6 Esmaltes, Tintas e Vernizes...........................................................................................73 Introdução................................................................................................................73 Especificidades........................................................................................................74 Capítulo 7 Corrosão Metálica.........................................................................................................79 Corrosão química....................................................................................................80 Processos redox.......................................................................................................82 Diagramas de Pourbaix...........................................................................................84 Substâncias químicas como inibidores de corrosão................................................85 Capítulo 8 Cimento, Gesso e Cal....................................................................................................89 Cimento Portland....................................................................................................91 Capítulo 9 Introdução à Química do Meio Ambiente.....................................................................95 Um pouco de química das soluções........................................................................95 Poluição atmosférica e corrosão..............................................................................97 Poluição causada pelos combustíveis fósseis........................................................101 A construção civil e a poluição ambiental.............................................................104 Glossário.....................................................................................................................107 Apêndices.................................................................................................................... 115 Notas...........................................................................................................................129 Referências..................................................................................................................139

Introdução

É uma crítica comum (e pertinente) que, em todas as áreas, os conteúdos ministrados em boa parte das disciplinas de um determinado curso, costumam ser fora de contexto, de forma que os estudantes terminam por não entender qual a finalidade do que é ministrado e, pior ainda, mesmo quando aprovados com “boas notas”, não conseguem, posteriormente, aplicar os conhecimentos adquiridos em determinadas disciplinas às necessidades de sua vida profissional.

Assim, após cursar várias disciplinas de cálculo, física e quí­­mi­ca, muitas vezes, o estudante das Engenharias termina por não estabelecer links entre os conteúdos que aprendeu e os conhecimentos específicos de outras disciplinas da parte profissional do seu curso e, por consequência, de sua vida profissional.

Os conteúdos das disciplinas básicas são ministrados de forma descoordenada – em relação às disciplinas profissionalizantes –, tendo‑se a vaga expectativa de que, “mais adiante”, o aluno terminará por estabelecer, por si próprio, os “links” necessários. Tal fato, porém, raras vezes se verifica, restando apenas, ao estudante das Engenharias, a sensação de que desperdiçou tempo ao cursar as disciplinas básicas.

Além disso, os conteúdos descontextualizados acabam, com frequência, mascarando currículos mal-elaborados e “desantenados” das reais necessidades, em termos de conhecimentos básicos, dos cursos de Engenharia.

10 Introdução

No tocante à Química, sua presença e conse­­­­­­­­­­quente importância se faz sentir não apenas na Engenharia Química (presença por demais óbvia), mas também, e de forma significativa, nas Engenharias Ambiental, Florestal, de Materiais, do Petróleo, Mecânica e Civil, entre outras.

Elaborar um bom programa para as disciplinas de química para os semestres iniciais dos cursos de Engenharia significa estabelecer o melhor compromisso possível entre conhecimentos básicos – no sentido de conhecimentos fundamentais para o bom entendimento da química – e conhecimentos que, embora da área de química, sejam necessários (por que se inserem no contexto) para os estudantes das Engenharias.

Este pequeno livro procura, tanto quanto possível, atingir o objetivo anteriormente mencionado. Em sua preparação, foi assumido que o aluno possui conhecimentos básicos de química, adquiridos no ensino médio. Contudo, sempre que necessário, esses conhecimentos são reapresentados, na medida (extensão e profundidade) e no momento em que se façam oportunos. Nesse sentido, o glossário apresentado ao final do livro e mesmo as notas de rodapé funcionam como oportunidades para aumentar o volume de conhecimentos apresentados. O Capítulo 1 destina-se a relembrar alguns tópicos/aspectos fundamentais da química geral. A critério do professor e do aluno, entretanto, ele pode ser suprimido do programa de estudos.

Evitou-se, contudo, a apresentação extensiva de conteúdos específicos da química. No tocante à nomenclatura de compostos orgânicos, por exemplo, optou-se por fazer uma brevíssima apresentação, apenas para os hidrocarbonetos de cadeia aberta. Entendemos que essa opção se justifica pela grande quantidade de classes de compostos (não só orgânicos, mas também inorgânicos) que têm interesse para as Engenharias, e pelo fato de que investir pesadamente nos aspectos relativos à nomenclatura e à notação de compostos seria contraproducente, levando-se em conta o público-alvo ao qual o livro se destina.

No que tange aos exercícios, o estudante irá perceber que, para alguns deles, as respostas não podem ser encontradas neste livro (não que sejam atividades realmente difíceis). Tal opção visa estimular o estudante

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Química Geral no Contexto das Engenharias

a consultar outros livros de química geral (os livros “tradicionais”, sobretudo), complementando, assim, sua formação. O glossário apresentado ao final do livro visa também essa complementação, já que fornece um aporte extra de conteúdos. Contudo, tendo-se em vista o conteúdo presente no próprio livro e aquele que o estudante terá de buscar em fontes complementares, o livro foi pensado para um curso de química geral cuja carga horária teórica se situe entre 40-60 horas-aula.

Na busca pela contextualização e interdiscipli­­naridade, buscamos introduzir, sempre que possível e oportuno, notícias de jornal ou matérias de revistas especializadas, a fim de que o aluno (futuro engenheiro) adquira, desde cedo, a capacidade de inter-‑relacionar os conhecimentos adquiridos nas disciplinas de química com o dia a dia da sua profissão.

Assim, o Apêndice 2 traz um artigo sobre a degradação térmica do PVC. Procuramos, ainda, tanto quanto possível, utilizar os exercícios não como mero treino para a resolução de questões de prova – para esse fim específico, os exercícios elaborados pelo professor da disciplina certamente serão bem mais instrutivos –, mas como veículos para a consolidação do conteúdo apresentado e introdução de novos conhecimentos.

No intuito de constantemente aperfeiçoar a presente obra, críticas e sugestões serão sempre bem-vindas.

O autor