Introdução à Química: Fundamentos by Cengage Brasil

outras obras

fundamentos

Steven S. Zumdahl Donald J. DeCoste

tradução da 8a edição norte-americana

aplicações: Livro-texto para a disciplina Química Geral dos cursos de graduação de Química, farmácia, engenharias, Ciências Biológicas, nutrição, dentre outros que têm esta disciplina em sua grade curricular. Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.

isbn 13 978-85-221-1804-5 isbn 10 85-221-1804-3

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IntroDução à químICa

Continua enfatizando o estudo de reações químicas no início do livro, a fim de que o assunto possa ser retomado em capítulos posteriores. o texto apresenta ilustrações gráficas de reações, fenômenos e processos químicos. o glossário e todas as palavras-chave foram atualizados e novas definições, acrescentadas; os boxes “Química em foco” foram revistos e assuntos mais atuais, abordados; e foram inseridos os “Problemas para estudo” nos finais de capítulo – problemas para verificar se os alunos entenderam os conceitos básicos de cada capítulo.

fundamentos

esta nova edição de Introdução à Química continua seguindo os objetivos das edições anteriores: tornar a química interessante, acessível e compreensível para o estudante novato. os conceitos são apresentados de maneira clara e simples. além disso, o livro foi escrito de modo que o aluno tenha uma aprendizagem ativa, por exemplo, por meio das perguntas apresentadas no final de cada capítulo, as quais oferecem excelente material para trabalho colaborativo dos estudantes. os autores também associam a química às experiências da vida real em todas as oportunidades.

Steven S. Zumdahl Donald J. DeCoste

IntroDução à químICa

Fundamentos de química analítica

Tradução da 9a edição norte-americana

Skoog, West, Holler e Crouch

Steven S. Zumdahl Donald J. DeCoste

Introdução à química orgânica Tradução da 9a edição norte-americana

Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell e Shawn O. Farrell

Introdução à bioquímica Tradução da 9a edição norte-americana

Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell e Shawn O. Farrell

tradução da 8a edição norte-americana

IntroDução à químICa fundamentos

Introdução à química geral

Tradução da 9a edição norte-americana

Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell e Shawn O. Farrell

Química orgânica experimental: Técnicas de escala pequena

Tradução da 3a edição norte-americana

Randall G. Engel, George S. Kriz, Gary M. Lampman e Donald L. Pavia

9 7 8 8 5 2 2 118045 11/26/14 4:17 PM

Introdução à química

F U N D A M E N T O S

Tradução da 8 a edição Norte-americana

Steven S. Zumdahl University of Illinois

Donald J. DeCoste University of Illinois

Tradução Noveritis do Brasil Revisão técnica Robson Mendes Matos DPhil. – University of Brighton - UK Professor Associado III – Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) – Campus Prof. Aloísio Teixeira – Macaé

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos

Sumário Prefácio

2 Medidas e cálculos 2-1 Notação científica 15

1 Química: uma introdução 1

2-2 Unidades 18

1-1 Química: uma introdução 2

QUÍMICA EM FOCO: Unidades críticas! 19

QUÍMICA EM FOCO: Dra. Ruth —Heroína do

algodão

2-3 Medidas de comprimento, volume e massa 19

1-2 O que é química? 5 1-3 Solucionando problemas com a utilização de uma abordagem científica 5 QUÍMICA EM FOCO: Um problema complexo 6

1-4 O método científico 8 1-5 Aprendendo química 9 QUÍMICA EM FOCO: Química: um importante componente de sua educação 10

Para revisão 11 Questões de aprendizado ativo 11

QUÍMICA EM FOCO: Medida: passado, presente

e futuro 21

2-4 Incerteza na medida 22 2-5 Algarismos significativos 24 2-6 Solução de problemas e análise dimensional 29 2-7 Conversões de temperatura: uma abordagem para a solução de problemas 33 QUÍMICA EM FOCO: Termômetros minúsculos

Perguntas e problemas 12

2-8 Densidade 40 Para revisão 44 Questões de aprendizado ativo 45 Perguntas e problemas 46 Problemas adicionais 51 Problemas para estudo 54

3 Matéria

Dr. John Brackenbury/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.

3-1 Matéria 56 3-2 Propriedades físicas e químicas e mudanças 57 3-3 Elementos e compostos 60 3-4 Misturas e substâncias puras 61 QUÍMICA EM FOCO: Concreto: um material

antigo renovado 62

3-5 Separação de misturas 64 Para revisão 66 Questões de aprendizado ativo 66 Perguntas e problemas 67

Introdução à química: fundamentos

Problemas adicionais 69

4-8 Introdução à tabela periódica 89

Problemas para estudo 70

QUÍMICA EM FOCO: Interrompendo a ação do

arsênio 92

Revisão cumulativa dos capítulos 1 a 3 71

4-9 Estados naturais dos elementos 92 4-10 Íons 96

4 Princípios químicos: elementos, átomos e íons 73

4-11 Compostos que contêm íons 99 Para revisão 102

4-1 Os elementos 74

Questões de aprendizado ativo 103

4-2 Símbolos para os elementos 76

Perguntas e problemas 105

QUÍMICA EM FOCO: Oligoelementos: pequenos, porém cruciais 77

Problemas adicionais 109 Problemas para estudo 110

4-3 Teoria atômica de Dalton 78 4-4 Fórmulas de compostos 79

5 Nomenclatura

QUÍMICA EM FOCO: Um nanocarro com tração

112

5-1 Nomeando compostos 113

nas quatro rodas 81

5-2 Nomeando compostos binários que contêm um metal e um ametal (Tipos I e II) 113

4-5 A estrutura do átomo 81 4-6 Introdução ao conceito moderno de estrutura atômica 84

QUÍMICA EM FOCO: Açúcar de chumbo 114

4-7 Isótopos 84 QUÍMICA EM FOCO: Mostre-me teu cabelo e te

5-3 Nomeando compostos binários que contêm apenas ametais (Tipo III) 121

QUÍMICA EM FOCO: Contos do isótopo 88

5-4 Nomeando compostos binários: revisão 123

direi de onde és 86

QUÍMICA EM FOCO: Quimiofilatelia 126

5-5 Nomeando compostos que contêm íons poliatômicos 127 5-6 Nomeando ácidos 129 5-7 Escrevendo fórmulas com base nos nomes 131 Richard Cummins/Lonely Planet Images/Getty Images

Para revisão 132 Questões de aprendizado ativo 133 Perguntas e problemas 133 Problemas adicionais 136 Problemas para estudo 139 Revisão cumulativa dos capítulos 4 e 5 140

Sumário vii

7 Reações em soluções aquosas 164 7-1 Prevendo a ocorrência de uma reação 165 7-2 Reações de formação de sólidos 165 7-3 Descrevendo reações em soluções aquosas 174 7-4 Reações que formam água: ácidos e bases 176 7-5 Reações de metais e ametais (oxirredução) 179 7-6 Maneiras de classificar as reações 183 QUÍMICA EM FOCO: Reações de oxirredução lançam o ônibus espacial 184

7-7 Outras maneiras de classificar as reações 185 Para revisão 189 Questões de aprendizado ativo 190

View Stock/Getty Images

Perguntas e problemas 191 Problemas adicionais 195 Problemas para estudo 197 Revisão cumulativa dos capítulos 6 e 7 198

8 Composição química

200

8-1 Contando por pesagem 201

6 Reações químicas: uma introdução 143

QUÍMICA EM FOCO: Plástico que fala e ouve! 202

8-2 Massas atômicas: contando átomos por pesagem 204

6-1 Evidências de uma reação química 144

8-3 O mol 206

6-2 Equações químicas 146

8-4 Aprendendo a solucionar problemas 211

6-3 Balanceando equações químicas 150

8-5 Massa molar 214

QUÍMICA EM FOCO: O besouro com o tiro

certeiro 152

8-6 Composição percentual dos compostos 220

Para revisão 157

8-7 Fórmulas de compostos 222

Questões de aprendizado ativo 158

8-8 Cálculo de fórmulas empíricas 224

Perguntas e problemas 158

8-9 Cálculo de fórmulas moleculares 230

Problemas adicionais 161

Para revisão 232

Problemas para estudo 163

Questões de aprendizado ativo 233 Perguntas e problemas 234 Problemas adicionais 238 Problemas para estudo 241

viii Introdução à química: fundamentos

9 Quantidades químicas

242

QUÍMICA EM FOCO: Caminhar sobre brasas: magia ou ciência? 293

9-1 Informação dada pelas equações químicas 243

10-6 Termoquímica (entalpia) 294

9-2 Relações quantidade de matériaquantidade de matéria 245

QUÍMICA EM FOCO: Queimando calorias 296

9-3 Cálculos de massa 248

10-8 Qualidade versus quantidade de energia 299

10-7 Lei de Hess 297

QUÍMICA EM FOCO: Carros do futuro 256

9-4 O conceito de reagentes limitantes 256

10-9 Energia e o nosso mundo 300

9-5 Cálculos envolvendo um reagente limitante 260

QUÍMICA EM FOCO: Vendo a luz 303

10-10 Energia como força motriz 304

9-6 Rendimento percentual 267

Para revisão 308

Para revisão 269

Questões de aprendizado ativo 309

Questões de aprendizado ativo 269

Perguntas e problemas 310

Perguntas e problemas 272

Problemas adicionais 312

Problemas adicionais 277

Problemas para estudo 313

Problemas para estudo 279

11 Teoria atômica moderna

Revisão cumulativa dos capítulos 8 e 9 280

10 Energia

314

11-1 Átomo de Rutherford 315 11-2 Radiação eletromagnética 316

282

QUÍMICA EM FOCO: A luz como um atrativo

10-1 A natureza da energia 283

sexual 317

10-2 Temperatura e calor 284

11-3 Emissão de energia por átomos 318

10-3 Processos exotérmicos e endotérmicos 286

11-4 Níveis de energia do hidrogênio 319

10-4 Termodinâmica 287

QUÍMICA EM FOCO: Efeitos atmosféricos 320

11-5 Modelo atômico de Bohr 322

10-5 Medindo as variações de energia 288 QUÍMICA EM FOCO: Café: quente e rápido 289

11-6 Modelo da mecânica ondulatória para o átomo 323

QUÍMICA EM FOCO: A natureza tem plantas

11-7 Orbitais do hidrogênio 324

quentes 291

11-8 Modelo da mecânica ondulatória: desenvolvimento adicional 327 11-9 Arranjos eletrônicos nos dezoito primeiros átomos da tabela periódica 329 Imagem de © Raven Regan/Design Pics/Corbis

QUÍMICA EM FOCO: Um momento magnético

332

11-10 Configurações eletrônicas e a tabela periódica 333 QUÍMICA EM FOCO: Química do bóhrio 335

11-11 Propriedades atômicas e a tabela periódica 337

Sumário QUÍMICA EM FOCO: Fogos de artifício 340

QUÍMICA EM FOCO: Brócolis – Alimento

milagroso? 367

Para revisão 341

12-8 Estrutura molecular 371

Questões de aprendizado ativo 342

12-9 Estrutura molecular: modelo RPNEV 372

Perguntas e problemas 343 Problemas adicionais 346

QUÍMICA EM FOCO: Paladar – É a estrutura que

Problemas para estudo 348

12 Ligação química

conta 373

12-10 Estrutura molecular: moléculas com ligações duplas 378

349

12-1 Tipos de ligações químicas 350

Para revisão 380

12-2 Eletronegatividade 352

Questões de aprendizado ativo 380

12-3 Polaridade da ligação e momentos dipolo 354

Perguntas e problemas 381

12-4 Configurações eletrônicas estáveis e cargas nos íons 355

Problemas para estudo 386

Problemas adicionais 385 Revisão cumulativa dos capítulos 10 a 12 387

12-5 Ligação iônica e estruturas dos compostos iônicos 358 12-6 Estruturas de Lewis 360

13 Gases

QUÍMICA EM FOCO: Farejando com as abelhas

390

13-1 Pressão 391

363

QUÍMICA EM FOCO: Impressões digitais da

QUÍMICA EM FOCO: Escondendo o dióxido de

exalação 393

carbono 365

12-7 Estruturas de Lewis de moléculas com ligações múltiplas 365

13-2 Pressão e volume: lei de Boyle 395 13-3 Volume e temperatura: lei de Charles 400 13-4 Volume e quantidades de matéria: lei de Avogadro 405 13-5

A lei de gás ideal 407

QUÍMICA EM FOCO: Os lanches também precisam de química! 412

13-6 Lei de Dalton das pressões parciais 413 13-7 Leis e modelos: uma revisão 418 13-8 Teoria cinética molecular dos gases 418 13-9 Implicações da teoria cinética molecular 419 QUÍMICA EM FOCO: A química dos airbags 421

13-10 Estequiometria dos gases 421 Para revisão 425 Questões de aprendizado ativo 425 Science Photo Library/Superstock

Perguntas e problemas 427 Problemas adicionais 431 Problemas para estudo 434

Introdução à química: fundamentos

15 Soluções

462

15-1 Solubilidade 463 QUÍMICA EM FOCO: Água, água, em todo lugar,

mas... 466

15-2 Composição das soluções: introdução 467 QUÍMICA EM FOCO: Química verde 468

15-3 Composição das soluções: porcentagem em massa 469 15-4 Composição das soluções: concentração em quantidade de matéria 471 15-5 Diluição 475

Gregg Epperson/Shutterstock.com

15-6 Estequiometria de reações de soluções 478 15-7 Reações de neutralização 482 15-8 Composição das soluções: normalidade 484 Para revisão 488 Questões de aprendizado ativo 489 Perguntas e problemas 490

14 Líquidos e sólidos

Problemas adicionais 493 435

14-1 A água e suas mudanças de fase 437 14-2 Exigências de energia para as mudanças de estado 438 QUÍMICA EM FOCO: As baleias precisam das mudanças de estado 439

14-3 Forças intermoleculares 442 14-4 Evaporação e pressão de vapor 444

Problemas para estudo 495 Revisão cumulativa dos capítulos 13 a 15 496

16 Ácidos e bases

499

16-1 Ácidos e bases 500 16-2 Força ácida 502 QUÍMICA EM FOCO: Carbonação: um truque

14-5 Estado sólido: tipos de sólidos 447

legal 504

QUÍMICA EM FOCO: Gorilla Glass 448

QUÍMICA EM FOCO: As plantas reagem 505

14-6 Ligação nos sólidos 449 QUÍMICA EM FOCO: Metal com memória 453

16-3 Água como um ácido e como uma base 506

QUÍMICA EM FOCO: Diamantes artificiais 454

QUÍMICA EM FOCO: Ferrugem de aviões 509

Para revisão 455

16-4 A escala de pH 509

Questões de aprendizado ativo 456

QUÍMICA EM FOCO: Indicadores ácido-base de variedades de jardins 514

Perguntas e problemas 457 Problemas adicionais 459 Problemas para estudo 461

16-5 Calculando o pH de soluções de ácidos fortes 514 16-6 Soluções tamponadas 516 Para revisão 517

Sumário

Questões de aprendizado ativo 518

17-6 Equilíbrios heterogêneos 536

Perguntas e problemas 519

17-7 Princípio de Le Chatelier 538

Problemas adicionais 522

17-8 Aplicações envolvendo a constante de equilíbrio 545

Problemas para estudo 524

17 Equilíbrio

17-9 Equilíbrios de solubilidade 547 Para revisão 550

525

17-1 Como ocorrem as reações químicas 526

Questões de aprendizado ativo 550

17-2 Condições que afetam as velocidades de reação 527

Problemas adicionais 556

Perguntas e problemas 552

17-3 A condição de equilíbrio 529

Problemas para estudo 558 Revisão cumulativa dos capítulos 16 e 17 559

17-4 Equilíbrio químico: uma condição dinâmica 531 17-5 A constante de equilíbrio: introdução 532

18 Reações de oxirredução e eletroquímica 561 18-1 Reações de oxirredução 562 18-2 Estados de oxidação 563 18-3 Reações de oxirredução entre ametais 566 QUÍMICA EM FOCO: Envelhecemos por

oxidação? 568

18-4 Balanceando reações de oxirredução pelo método da semirreação 570 QUÍMICA EM FOCO: Jeans amarelo? 571

18-5 Eletroquímica: introdução 576 18-6 Baterias 579 18-7 Corrosão 581 QUÍMICA EM FOCO: Aço inoxidável: é o fundo

do caroço 582

James Martin/Stone/Getty Images

18-8 Eletrólise 583 QUÍMICA EM FOCO: Lareira movida a água 584

Para revisão 585 Questões de aprendizado ativo 585 Perguntas e problemas 586 Problemas adicionais 589 Problema para estudo 591

xii Introdução à química: fundamentos

19-9

Fusão nuclear 607

19-10 Efeitos da radiação 607 Para revisão 609 Questões de aprendizado ativo 610 Perguntas e problemas 610 Problemas adicionais 613 Problemas para estudo 614

20 Química orgânica

615

20-1 Ligação de carbono 617 20-2 Alcanos 618 20-3 Fórmulas estruturais e isomeria 620

Cortesi de foto de Charles Peden

20-4 Nomeando alcanos 623 20-5 Petróleo 628 20-6 Reações de alcanos 629 20-7 Alcenos e alcinos 630 20-8 Hidrocarbonetos aromáticos 633 20-9 Nomeando compostos aromáticos 633 QUÍMICA EM FOCO: Cupins que usam naftalina

637

19 Radioatividade e energia nuclear 592

20-10 Grupos funcionais 638 20-11 Alcoóis 638

19-1 Decaimento radioativo 594

20-12 Propriedades e usos de alcoóis 640

19-2 Transformações nucleares 598

20-13 Aldeídos e cetonas 642

19-3 Detecção de radioatividade e o conceito de meia-vida 599

20-14 Nomeando aldeídos e cetonas 643

QUÍMICA EM FOCO: Datação de diamantes 601

20-16 Polímeros 647

19-4 Datação pela radioatividade 601

QUÍMICA EM FOCO: A química da música 649

19-5 Aplicações médicas da radioatividade 602

QUÍMICA EM FOCO: A mãe da invenção 650

QUÍMICA EM FOCO: PET, o melhor amigo do

cérebro 603

19-6 Energia nuclear 604 19-7 Fissão nuclear 604 19-8 Reatores nucleares 605

20-15 Ácidos carboxílicos e ésteres 645

Para revisão 651 Questões de aprendizado ativo 652 Perguntas e problemas 652 Problemas adicionais 657 Problemas para estudo 659

Sumário xiii

21 Bioquímica

661

QUÍMICA EM FOCO: Cultivando urina 670

21-1 Proteínas 664

21-6 Enzimas 670

21-2 Estrutura primária das proteínas 664

21-7 Carboidratos 671

21-3 Estrutura secundária das proteínas 667

QUÍMICA EM FOCO: Grandes expectativas? A química dos placebos 674

21-4 Estrutura terciária das proteínas 668

21-8 Ácidos nucleicos 675

21-5 Funções das proteínas 669

21-9 Lipídeos 678 Para revisão 684 Questões de aprendizado ativo 685 Perguntas e problemas 685 Problemas adicionais 687 Apêndice

689

Usando sua calculadora 689 Álgebra básica 691 Notação científica (exponencial) 692 Funções gráficas 694 Unidades SI e fatores de conversão 695

Foto de Martin Hunter/Getty Images

Soluções para os exercícios de autoverificação 696 Respostas às perguntas e exercícios de números pares de final de capítulo 715 Respostas dos exercícios de números pares de revisão cumulativa 738 Índice remissivo e glossário

745

Prefácio A oitava edição de Introdução à Química continua seguindo o objetivo de tornar a química interessante, acessível e compreensível para o estudante novato. Nesta edição incluímos uma ajuda adicional para professores e alunos, a fim de auxiliálos a atingir essas metas. Aprender química pode ser muito gratificante. Acreditamos que até os novatos são capazes de relacionar o mundo macroscópico da química – a observação de mudanças de cor e a formação de precipitados – ao mundo microscópico dos íons e moléculas. Para atingir essa meta, os professores fazem uma tentativa sincera de oferecer formas mais interessantes e efetivas de aprender química, e esperamos que Introdução à Química seja visto como parte desse esforço. Neste livro, apresentamos conceitos de maneira clara e simples, usando linguagem e analogias que os estudantes conseguem compreender. Nós também escrevemos o livro de maneira que possibilite o aprendizado ativo. Em particular, as “Questões de aprendizado ativo”, que se encontram no final de cada capítulo, oferecem um excelente material para o trabalho colaborativo dos alunos. Além disso, associamos a química às experiências da vida real em todas as oportunidades, desde as discussões que abrem os capítulos sobre as aplicações da química até os recursos “Química em foco” ao longo do livro. Temos certeza de que essa abordagem estimulará o entusiasmo e o entendimento real à medida que o aluno usar este material. A seguir, descrevemos alguns destaques do programa Introdução à Química.

Novidades desta edição A seguir, descrevemos as principais mudanças no livro: Questões para o pensamento crítico Acrescentamos essas questões ao longo do livro para enfatizar a importância do aprendizado conceitual. Elas são particularmente úteis para gerar discussões em sala. Exemplos resolvidos Incluímos no livro exemplos resolvidos que exigem dos alunos o acompanhamento passo a passo do exemplo em vez de simplesmente ler o que está no texto. Problemas para estudo Adicionamos esses problemas aos outros no final dos capítulos para fins de verificação do entendimento, por parte do aluno, dos conceitos básicos apresentados. Abordagem dos reagentes limitantes No Capítulo 9, melhoramos o tratamento da estequiometria acrescentando uma nova seção sobre reagentes limitantes, que enfatiza o cálculo das quantidades de produtos que podem ser obtidos de cada reagente. Agora os alunos aprendem como selecionar um reagente limitante ao comparar as quantidades de reagentes presentes e calcular as quantidades de produtos que podem ser formados pelo consumo completo de cada reagente. Programa de arte Revisamos, modificamos e atualizamos as figuras do livro para atender melhor àqueles que aprendem visualmente.

xvi Introdução à química: fundamentos

Seções “Química em foco” Revisamos muitas seções de “Química em foco” e acrescentamos outras com assuntos atuais, como o Gorilla Glass, os nanocarros e o uso da análise da exalação para diagnosticar doenças. Exercícios no final do capítulo Substituímos mais de 10% das perguntas e problemas no final dos capítulos, além de acrescentar novos usando as seções “Química em foco” e “Problemas para estudo”. As respostas para autoverificações e exercícios de número par estão no final do livro. Termos do glossário/palavras-chave Atualizamos o glossário e todas as palavras-chave, além de acrescentar muitas definições novas.

Ênfase na química das reações Continuamos enfatizando reações químicas no começo do livro, deixando o material mais abstrato para ser retomado nos capítulos posteriores. Em uma disciplina na qual muitos alunos se deparam com química pela primeira vez, parece-nos especialmente importante apresentar a natureza química da matéria antes de discutirmos as complexidades dos átomos e suas órbitas. As reações são inerentemente interessantes para os estudantes e podem ajudar a conduzi-los para a química. Em particular, as reações podem formar a base para fascinantes demonstrações em sala de aula e experiências em laboratório. Por essa razão decidimos enfatizar as reações antes de passarmos para os detalhes da estrutura atômica. Baseando-se apenas em ideias muito simples sobre o átomo, os Capítulos 6 e 7 representam um tratamento cuidadoso das reações químicas, incluindo como reconhecer uma mudança química e o que significa uma equação química. As propriedades de soluções aquosas são discutidas em detalhe, e reações de precipitação e ácido-base recebem atenção especial. Além disso, apresentamos um tratamento simples das reações de oxirredução. A intenção é que esses capítulos ofereçam um fundamento sólido – relativamente no início do curso – para experiências de laboratório baseadas em reações. Professores que considerem desejável introduzir orbitais mais cedo na disciplina, antes de reações químicas, podem abordar os capítulos sobre teoria atômica e ligações (Capítulos 11 e 12) logo após o Capítulo 4. O Capítulo 5 trata somente de nomenclatura e pode ser usado sempre que necessário em uma determinada disciplina.

Desenvolvimento de habilidades para resolução de problemas Resolver problemas é uma prioridade no aprendizado da química. Queremos que nossos alunos adquiram habilidades para solucionar problemas. Estimular o desenvolvimento dessas habilidades tem sido um ponto central nas edições anteriores deste livro, e mantivemos essa abordagem nesta edição. Nos primeiros capítulos, dedicamos um tempo considerável para levar os alunos a compreender a importância de aprender química. Ao mesmo tempo, explicamos que as complexidades que podem tornar a química tão frustrante às vezes também oferecem a oportunidade de desenvolver as capacidades de resolução de problemas que são vantajosas em qualquer profissão. Aprender a pensar como um químico é útil para qualquer pessoa. Para enfatizar essa ideia, aplicamos no Capítulo 1 o pensamento científico a alguns problemas da vida real. Um dos motivos pelos quais a química pode ser um desafio para alunos iniciantes é que, em geral, eles não possuem os conhecimentos matemáticos exigidos. Por

Prefácio xvii

essa razão demos atenção especial a esses conhecimentos fundamentais, como usar notação científica, arredondar para o número correto de algarismos significativos e rearranjar equações a fim de obter a solução para uma determinada quantidade. E seguimos meticulosamente as regras que estabelecemos para não confundir os alunos. A atitude tem um papel essencial para ter sucesso na resolução de um problema. Os alunos precisam aprender que uma abordagem sistemática e cuidadosa dos problemas é melhor que a memorização pela força bruta. Já incentivamos essa atitude no início do livro, usando conversões de temperatura como veículo no Capítulo 2. Ao longo do livro, estimulamos uma abordagem que começa pela tentativa de representar a essência do problema com símbolos e/ou diagramas e termina na ponderação de se a resposta faz sentido. Apresentamos novos conceitos trabalhando cuidadosamente com o material antes de oferecer fórmulas matemáticas ou estratégias gerais. Encorajamos uma abordagem passo a passo em vez do uso prematuro de algoritmos. Depois de estabelecer os fundamentos necessários, destacamos regras e processos importantes em caixas para desenvolvimento de habilidades, a fim de que os alunos possam localizá-los com facilidade. A Seção 8-4 “Aprendendo a solucionar problemas” foi escrita especificamente para ajudar alunos a entender melhor como raciocinar durante um problema. Discutimos como resolver problemas de forma flexível e criativa, com base no entendimento dos conceitos básicos da química e fazendo e respondendo perguntas-chave. Elaboramos esse método nos exemplos ao longo do livro. Muitos dos exemplos trabalhados são seguidos de exercícios de autoverificação, que oferecem uma prática adicional. Os exercícios de autoverificação estão associados aos exercícios no final do capítulo, de modo que os alunos tenham oportunidade de praticar uma determinada habilidade ou entender um conceito específico. Aumentamos o número de exercícios no final dos capítulos. Os exercícios no final dos capítulos estão organizados em “pares combinados”, o que significa que os dois problemas exploram temas semelhantes. A seção “Problemas adicionais” estimula a prática com os conceitos do capítulo e mais problemas desafiadores. As “Revisões cumulativas”, que aparecem depois de alguns capítulos, verificam conceitos do bloco de capítulos anteriores. As respostas de todos os exercícios de número par aparecem em uma seção especial no fim do livro.

O tratamento da linguagem química e suas aplicações Fizemos um grande esforço para tornar este livro “amigável para o aluno” e recebemos um comentário animador daqueles que o usaram. Como nas edições anteriores, apresentamos um tratamento sistemático e minucioso da nomenclatura química. Assim que essa estrutura estiver formada, os alunos podem avançar confortavelmente pelo livro. Juntamente com as reações químicas, as aplicações constituem uma parte importante da química descritiva. Como os alunos estão interessados no impacto da química em sua vida, incluímos várias seções “Química em foco” novas, que descrevem as aplicações atuais da química. Essas seções especiais abordam tópicos como carros híbridos, adoçantes artificiais e a tomografia por emissão de pósitrons (PET).

O impacto visual da química Atendendo a pedidos de professores, incluímos ilustrações gráficas de reações, fenômenos e processos químicos. Iserimos apenas aquelas fotos que ilustrem uma

xviii Introdução à química: fundamentos

reação ou um fenômeno químico ou que estabeleçam uma reação entre a química e o mundo real. Alguma imagens – indicadas ao longo do livro – podem ser visualizadas em cores no final do livro.

Prefácio xix

Agradecimentos A conclusão bem-sucedida deste livro deve-se aos esforços de muitas pessoas talentosas e dedicadas. Mary Finch, diretora de produto, e Lisa Lockwood, gerente da equipe de produto, foram extremamente importantes na revisão. Também estamos contentes por termos trabalhado novamente com Thomas Martin, gerente de produto. Tom nunca decepciona com suas boas ideias, é muito bem organizado e tem um olhar para detalhes que é indispensável. Agradecemos também a Teresa Trego, gerente de projeto de conteúdo, que administrou o projeto com sua graça e profissionalismo habituais. Estamos muito gratos pelo trabalho de Sharon Donahue, pesquisadora de fotografia, que tem um talento especial para encontrar a foto perfeita. Somos muito gratos pelos esforços de Gretchen Adams da Universidade de Illinois. Obrigado a John Little, que contribuiu com o trabalho que James Hall realizou para Introductory Chemistry in the Laboratory (Introdução à química no laboratório); a Nicole Hamm, gerente executiva de marca, que conhece o mercado e trabalha duro no suporte para este livro; e a Simon Bott, que revisou os bancos de teste. Obrigado a outros que ofereceram uma assistência valiosa nesta revisão: Brendan Killion, coordenador de conteúdo; Karolina Kiwak, assistente de produto; Lisa Weber, desenvolvimento de mídia; Janet Del Mundo, gerente de desenvolvimento de mercado; Maria Epes, diretora de arte; Mallory Skinner, editor de produção (Graphic World); e Michael Burand, que conferiu o livro e as soluções. Nossos sinceros agradecimentos a todos os revisores cujos comentários e sugestões contribuíram para o sucesso deste projeto. Angela Bickford Universidade do Noroeste do Estado de Missouri Simon Bott Universidade de Houston Jabe Breland St. Petersburg College Michael Burand Universidade do Estado de Oregon Frank Calvagna Rock Valley College Jing-Yi Chin Suffolk County Community College Carl David Universidade de Connecticut Cory DiCarlo Universidade Estadual Grand Valley Cathie Keenan Chaffey College Pamela Kimbrough Crafton Hills College Wendy Lewis Stark State College of Technology Guillermo Muhlmann Capital Community College Lydia Martinez Rivera Universidade do Texas em San Antonio Sharadha Sambasivan Suffolk County Community College Perminder Sandhu Bellevue Community College Lois Schadewald Normandale Community College Marie Villarba Seattle Central Community College

As ferramentas de aprendizagem utilizadas até alguns anos atrás já não atraem os alunos de hoje, que dominam novas tecnologias, mas dispõem de pouco tempo para o estudo. Na realidade, muitos buscam uma nova abordagem. A Trilha está abrindo caminho para uma nova estratégia de aprendizagem e tudo teve início com alguns professores e alunos. Determinados a nos conectar verdadeiramente com os alunos, conduzimos pesquisas e entrevistas. Conversamos com eles para descobrir como aprendem, quando e onde estudam, e por quê. Conversamos, em seguida, com professores para obter suas opiniões. A resposta a essa solução inovadora de ensino e aprendizagem tem sido excelente. Trilha é uma solução de ensino e aprendizagem diferente de todas as demais!

Osalunos alunos pediram, pediram, nós Os nós atendemos! atendemos! • Problemas de Desafio (para os capítulos selecionados, com soluções e respostas) • Arquivados Manual depara soluções alunos com e professores • Problemas todos para os capítulos, soluções e respostas ® • Slides de Power Point • Slides em PowerPoint®, para auxiliar os professores em sala de aula • Revisão de Álgebra (em inglês) • Revisão Geometriae Analítica (em • Plataforma de acesso em de português conteúdo eminglês) português e em inglês • Suplemento: Mentiras que minha calculadora e computador me contaram com exercícios e soluções • Manual do professor (material em inglês, para professores que adotam a obra) Acesse: http://cursosonline.cengage.com.br Plataforma de acesso em português e conteúdo em português e em inglês! Acesse: http://cursosonline.cengage.com.br

Química: uma introdução

C A P Í T U L O

1-1

Química: uma introdução

1-2

O que é química?

1-3

Solucionando problemas com a utilização de uma abordagem científica

1-4

O método científico

1-5

Aprendendo química

A química lida com o mundo natural. Dr. John Brackenbury/Science Photo Library/ Photo Researchers, Inc.

Introdução à química: fundamentos

Você já assistiu a uma queima de fogos de artifício e se perguntou como é possível produzir aqueles desenhos lindos e complexos no ar? Você leu sobre os dinossauros — e já se perguntou como eles reinaram na Terra por milhões de anos e, repentinamente, desapareceram? Embora a extinção tenha acontecido há 65 milhões de anos e possa parecer irrelevante, a mesma coisa poderia acontecer conosco? Você já se perguntou por que um cubo de gelo (água pura) flutua em um copo de água (água pura)? Você sabia que o “grafite” em seu lápis é feito da mesma substância (carbono) que o diamante de um anel de noivado? Você já se perguntou como um pé de milho ou uma palmeira crescem aparentemente por mágica, ou por que as folhas adquirem lindas cores no outono? Você sabe como a bateria funciona para dar partida no seu carro ou para fazer sua calculadora funcionar? Certamente, você já se intrigou com algumas dessas coisas e muitas outras no mundo ao seu redor. O fato é que podemos explicar todas elas de maneiras convincentes utilizando os modelos de química e as ciências físicas e da vida relacionadas. Fogos de artifício são uma bela ilustração da química em ação.

1-1 OBJETIVO

PhotoDisc/Getty Images

Química: uma introdução Para compreender a importância de aprender química. Embora possa parecer que a química tem pouco a ver com os dinossauros, sabemos que ela foi a ferramenta que possibilitou que o paleontólogo Luis W. Alvarez e seus colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley “desvendassem o caso” do desaparecimento dos dinossauros. O segredo foi o nível relativamente alto de irídio encontrado no sedimento que representa a fronteira entre os períodos Cretáceo (K) e Terciário (T) da Terra — época em que os dinossauros desapareceram praticamente da noite para o dia (na escala geológica). Os pesquisadores de Berkeley sabiam que os meteoritos também possuíam alto teor de irídio (em relação à composição da Terra), o que os levou a sugerir que um grande meteorito atingiu nosso planeta 65 milhões de anos atrás, provocando as mudanças climáticas que eliminaram os dinossauros. Conhecimento em química é útil para quase todo mundo — ela acontece ao nosso redor o tempo todo e entendê-la é útil para médicos, advogados, mecânicos, executivos, bombeiros, poetas, entre outros. A química é importante — não há dúvida a respeito disso. Ela está no centro de nossos esforços para produzir novos materiais que tornam nossa vida mais segura e simples, para produzir novas fontes de energia abundantes e não poluentes e para entender e controlar as diversas doenças que nos ameaçam e nossos suprimentos alimentares. Mesmo se sua futura carreira não exigir o uso diário dos princípios químicos, sua vida será muito influenciada pela química. Um forte argumento a favor da química é que seu uso tem enriquecido muito nossas vidas. Entretanto, é importante compreender que os seus princípios não são inerentemente bons nem ruins — é o que fazemos com esse conhecimento que realmente importa. Embora os seres humanos sejam inteligentes, engenhosos e preocupados com o próximo, eles também podem ser gananciosos, egoístas e ignorantes. Além disso, tendemos a ser míopes; concentramo-nos muito no presente e não pensamos tanto a respeito das implicações de nossas ações a longo prazo. Esse tipo de pensamento já nos causou uma série de problemas — graves danos ambientais ocorreram em muitas frentes. Não podemos colocar toda a responsabilidade nas indústrias químicas, porque todos contribuíram com esses problemas. No entanto, culpar alguém é menos importante que imaginar como solucionar essas questões. Uma parte importante da resposta está confiada à química.

Cortesia de Bart Eklund

Química: uma introdução

Bart Eklund verificando a qualidade do ar em um local de resíduos perigosos.

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Uma das áreas “mais quentes” das ciências químicas é a química ambiental — ela estuda os problemas ambientais e encontra maneiras criativas de abordá-los. Por exemplo, conheça Bart Eklund, que trabalha na área química atmosférica para a Radian Corporation em Austin, Texas. O interesse de Bart em uma carreira na ciência ambiental foi alimentado por dois cursos de química ambiental e dois cursos de ecologia que ele fez durante a graduação. O plano original dele para ganhar vários anos de experiência industrial e, então, fazer uma pós-graduação mudou quando ele descobriu que o avanço profissional com um bacharelado era possível no campo de pesquisa ambiental. A natureza multidisciplinar dos problemas ambientais permitiu que Bart seguisse seu interesse em diversas áreas ao mesmo tempo. Pode-se dizer que ele se especializa em ser um generalista. O campo de consultoria ambiental atrai Bart por inúmeras razões: a chance de definir e solucionar vários problemas de pesquisa; o trabalho simultâneo em diversos projetos; o misto de escritório, campo e trabalho laboratorial; as viagens; e a oportunidade de realizar um trabalho recompensador que tem um efeito positivo na vida das pessoas. Entre os destaques de sua carreira estão:

passar um mês do inverno fazendo amostragem do ar nos Grand Tetons, onde ele também conheceu sua esposa e aprendeu a esquiar; conduzir tubos de amostragem na mão pelo solo rochoso do Monumento do Vale da Morte na Califórnia; trabalhar regularmente com peritos em suas áreas e com pessoas que apreciam o que fazem; executar um trabalho rigoroso em uma temperatura de 100 °F enquanto usa um traje emborrachado, luvas duplas e um respirador; e poder trabalhar e ver o Alasca, o Parque de Yosemite, as Cataratas do Niágara, Hong Kong, a República Popular da China, o Parque Nacional de Mesa Verde, a cidade de Nova York e vários outros lugares interessantes.

A carreira de Bart Eklund demonstra como os químicos estão ajudando a solucionar nossos problemas ambientais. O modo como usamos nosso conhecimento químico é que faz toda a diferença. Um exemplo que mostra como o conhecimento técnico pode ser uma “faca de dois gumes” é o caso dos clorofluorcarbonetos (CFCs). Quando o composto CCl2F2 (originalmente chamado de Freon-12) foi inicialmente sintetizado, era aclamado como uma substância quase milagrosa. Em função da sua natureza não corrosiva e sua habilidade incomum de resistir à decomposição, o Freon-12 foi rapidamente usado nos sistemas de refrigeração e de ar-condicionado, em aplicações de limpeza, no sopro de espumas utilizadas para calefação e materiais de embalagem, entre outros usos. Por anos tudo pareceu bem — os CFCs substituíram materiais mais perigosos, como a amônia, usada anteriormente nos sistemas de refrigeração. Os CFCs definitivamente eram vistos como os “mocinhos”. Porém, um problema ocorreu — o ozônio que nos protege na atmosfera contra a alta radiação de energia solar começou a diminuir. O que estava acontecendo para provocar a destruição do ozônio vital? Para a surpresa de todos, os culpados eram os aparentemente benéficos CFCs. Inevitavelmente, grandes quantidades de CFCs vazaram para a atmosfera, mas ninguém estava muito preocupado com isso porque esses componentes pareciam ser totalmente benignos. Na realidade, a grande estabilidade dos CFCs (uma imensa vantagem para suas diversas aplicações) era, por fim, uma grande desvantagem quando eles eram liberados no ambiente. O professor F. S. Rowland e seus colegas da Universidade da Califórnia em Irvine demonstraram que os CFCs foram levados para altas altitudes na atmosfera, onde a energia do sol extraiu os átomos de cloro. Esses átomos de cloro, por sua vez, promoveram a decomposição do ozônio na atmosfera superior. (Discutiremos isso mais detalhadamente no Capítulo 13.) Dessa forma, uma substância que possuía muitas vantagens nas aplicações terrestres se voltou contra nós na atmosfera. Quem poderia adivinhar que isso acabaria assim? A boa notícia é que a indústria química dos EUA está liderando o caminho para encontrar alternativas ambientalmente seguras para os CFCs e seus níveis na atmosfera já estão diminuindo.

Introdução à química: fundamentos

Dra. Ruth — Heroína do algodão

AP Photo/Eric Risberg

A Dra. Ruth Rogan Benerito pode ter salvado a indústria do algodão nos Estados Unidos. Nos anos 1960, as fibras sintéticas impunham uma grave ameaça competitiva ao algodão, principalmente por não amassarem. As fibras sintéticas como o poliéster podem ser formuladas para ser altamente resistentes a ficar amassadas, tanto no processo de lavagem quanto no uso. Por outro lado, os tecidos de algodão dos anos 1960 amassavam facilmente — as camisas brancas de algodão tinham de ser passadas para ficarem boas. Esse requisito deixava o algodão em uma séria desvantagem e colocou em risco uma indústria muito importante para a saúde econômica do sul dos Estados Unidos.

Ruth Benerito, a inventora do algodão de cuidado fácil.

Um químico no laboratório.

Durante os anos 1960, Ruth Benerito trabalhou como cientista para o Departamento de Agricultura, onde foi de vital importância no desenvolvimento do tratamento químico do algodão para torná-lo resistente a amassados. Ao fazê-lo, ela possibilitou que o algodão continuasse como uma fibra preeminente no mercado — posição que ele detém até hoje. Benerito foi agraciada com o prêmio Lemelson–MIT Lifetime Achievement Award for Inventions em 2002, quando tinha 86 anos de idade. A Dra. Benerito, que tem 55 patentes, incluindo uma para o algodão livre de amassados, premiada em 1969, começou sua carreira em uma época em que não se esperava que mulheres ingressassem nas áreas científicas. No entanto, sua mãe, que era artista, insistentemente a encorajou a fazer qualquer coisa que quisesse. A Dra. Benerito graduou-se no ensino médio aos 14 anos e ingressou no Newcomb College, o colégio feminino associado a Tulane University. Ela se formou em química com habilitação em física e matemática. Na época, foi uma das únicas mulheres permitidas no curso de físico-química em Tulane. Ela obteve seu bacharelado em 1935, aos 19 anos, e, em seguida, obteve mestrado em Tulane e Ph.D. na Universidade de Chicago. Em 1953, a pesquisadora começou a trabalhar no Centro de Pesquisa Regional do Sudeste do Departamento de Agricultura em New Orleans, onde se ocupou especialmente do algodão e produtos relacionados. Ela também inventou um método especial para a alimentação intravenosa a longo prazo em pacientes clínicos. Desde a sua aposentadoria, em 1986, continuou a orientar alunos de ciências para se manter ocupada. Todos que conhecem a Dra. Benerito a descrevem como uma pessoa espetacular.

A saga dos CFCs demonstra que podemos responder de modo relativamente rápido a um grave problema ambiental, se assim decidirmos. Do mesmo modo, é importante compreender que as indústrias químicas têm uma nova atitude em relação ao meio ambiente — elas estão agora entre os líderes na busca de formas de abordar nossos problemas ambientais. As indústrias que aplicam as ciências químicas agora estão determinadas a fazer parte da solução, e não do problema. Como você pode ver, aprender química é tão interessante quanto importante. Um curso de química pode fazer mais do que simplesmente ajudá-lo a aprender os seus princípios. Um resultado importante do estudo de química é que você se tornará um melhor solucionador de problemas. Um motivo pelo qual a química é considerada “difícil” é por normalmente lidar com sistemas um tanto complicados, que exigem certo esforço para desvendar. Apesar de no início isso parecer uma desvantagem, é possível transformar essa dificuldade em vantagem se você tiver a atitude certa. Os recrutadores de empresas de todos os tipos admitem que uma das primeiras coisas que buscam em um possível funcionário é essa capacidade. Passaremos um bom tempo solucionando diversos tipos de problemas neste livro ao usar uma abordagem sistemática e lógica que lhe será muito útil para solucionar

Química: uma introdução

qualquer tipo de problema, de qualquer área. Mantenha esse objetivo geral em mente conforme aprende a solucionar questões específicas ligadas à química. Embora nem sempre seja fácil aprender química, nunca é impossível. Na verdade, qualquer um que se interessar, for paciente e tiver disposição para o trabalho pode aprender os seus princípios básicos. Neste livro, tentaremos ajudá-lo intensamente a entender o que é química e como ela funciona e indicaremos como ela se aplica às coisas que você fará na vida. Esperamos sinceramente que este texto seja motivador para que você aprenda química, torne seus conceitos compreensíveis e demonstre quão interessante e vital é o seu estudo.

1-2 OBJETIVO

O que é química? Definir química.

NASA

As mudanças químicas e físicas serão discutidas no Capítulo 3.

O lançamento da nave espacial dá claras indicações de que estão ocorrendo reações químicas.

1-3 OBJETIV0

Química pode ser definida como a ciência que lida com os materiais do universo e as mudanças que eles sofrem. Os químicos estão envolvidos em atividades tão diversas quanto examinar as partículas básicas da matéria, procurar moléculas no espaço, sintetizar e formular novos materiais de todos os tipos, utilizar bactérias para produzir produtos químicos como insulina e inventar novos métodos de diagnósticos para a detecção precoce de doenças. A química é frequentemente chamada de ciência central — e com razão. A maioria dos fenômenos que ocorrem ao nosso redor envolve alterações químicas, alterações em que uma ou mais substâncias se tornam outras diferentes. Eis alguns exemplos de alterações químicas: • A madeira queima no ar, formando água, dióxido de carbono e outras substâncias. • Uma planta cresce ao transformar substâncias simples em substâncias mais complexas. • O aço enferruja em um carro. • Ovos, farinha, açúcar e fermento são misturados e assados para fazer um bolo. • A definição do termo química é aprendida e armazenada no cérebro. • As emissões de uma usina levam à formação de chuva ácida. Conforme prosseguirmos, você verá como os conceitos da química nos permitem entender a natureza dessas e de outras alterações, ajudando-nos, assim, a manipular os materiais naturais para nosso benefício.

Solucionando problemas com a utilização de uma abordagem científica Para entender o pensamento científico. Uma das coisas mais importantes que fazemos no cotidiano é solucionar problemas. Na verdade, a maioria das decisões que você toma todos os dias pode ser descrita como solução de problemas. São 8h30 de uma sexta-feira. Qual é a melhor forma de dirigir até a universidade para evitar o congestionamento? Você tem duas provas na segunda-feira. Você dividiria seu tempo de estudo igualmente ou atribuiria mais tempo a uma prova do que a outra?

Introdução à química: fundamentos

Um problema complexo Para ilustrar como a ciência nos ajuda a solucionar problemas, considere uma história real sobre duas pessoas, David e Susan (nomes fictícios). David e Susan formavam um casal saudável de 40 anos de idade que vivia na Califórnia, onde David servia a Força Aérea. Gradualmente, Susan foi ficando muito doente, manifestando sintomas semelhantes aos da gripe, incluindo náusea e fortes dores musculares. Até mesmo sua personalidade mudou: ela ficou atipicamente rabugenta. Ela parecia uma pessoa totalmente diferente da mulher saudável e feliz de alguns meses atrás. Seguindo as orientações do seu médico, ela repousou e tomou muito líquido, incluindo grandes quantidades de café e suco de laranja em sua caneca favorita, que era parte de um conjunto de 200 peças de cerâmica, recentemente adquirido na Itália. No entanto, ela ficou mais doente, desenvolvendo cãibras abdominais extremas e uma grave anemia. Durante esse período, David também ficou doente e manifestou sintomas bem parecidos com os de Susan: perda de peso, dor excruciante nas costas e nos braços e acessos atípicos de raiva. A doença ficou tão debilitante que ele se aposentou precocemente da Força Aérea, e o casal se mudou para Seattle. Por um curto período de tempo, a saúde deles melhorou, mas após desfazerem as malas (incluindo aquela louça de cerâmica), a saúde deles começou a se deteriorar novamente. O corpo de Susan ficou tão sensível que ela não suportava o peso de um cobertor. Ela estava à beira da morte. O que aconteceu? Os médicos não sabiam, mas um sugeriu que ela poderia ter porfiria, uma rara doença sanguínea. Desesperado, David começou a buscar respostas sozinho na literatura médica. Um dia, enquanto ele lia sobre porfiria, uma frase se destacou na página: “O envenenamento por chumbo às vezes pode ser confundido com porfiria”. Será que o problema era envenenamento por chumbo? Descrevemos um problema muito grave com implicações de vida ou morte. O que David deveria fazer em seguida? Ignorando

por um momento a resposta óbvia, que era chamar imediatamente o médico do casal para discutir a possibilidade de envenenamento por chumbo, será que David poderia solucionar o problema por meio do pensamento científico? Vamos utilizar as três etapas descritas na Seção 1-3 para combater o problema por partes. Importante: normalmente solucionamos problemas complexos ao segmentá-los em partes gerenciáveis. Então podemos reunir a solução para o problema geral de acordo com as respostas que encontramos “pouco a pouco”. Nesse caso, há muitas partes para o problema geral: Qual é a doença? De onde ela vem? Há cura? Vamos abordar incialmente “Qual é a doença?”. Observação: David e Susan estão doentes com os sintomas descritos. A doença é envenenamento por chumbo? Hipótese: A doença é envenenamento por chumbo. Experimento: Se a doença for envenenamento por chumbo, os sintomas devem ser os mesmos que caracterizam essa doença. Procure pelos sintomas do envenenamento por chumbo. David fez isso e descobriu que eles eram praticamente os mesmos dos sintomas do casal. Essa descoberta aponta para o envenenamento por chumbo como a fonte do problema, mas David precisava de mais evidências. Observação: O envenenamento por chumbo é resultado de níveis altos de chumbo na corrente sanguínea. Hipótese: O casal tem níveis altos de chumbo no sangue.

Seu carro enguiça em um cruzamento movimentado e seu irmão caçula está com você. O que você deveria fazer em seguida? Esses são problemas cotidianos que todos nós enfrentamos. Qual processo utilizamos para solucioná-los? Você pode não ter pensado a respeito disso antes, porém há várias etapas que quase todos utilizam para solucionar problemas: 1. Reconhecer o problema e formulá-lo claramente. Algumas informações ficam conhecidas, ou algo acontece que exige ação. Na ciência, chamamos essa etapa de fazer uma observação. 2. Propor possíveis soluções para o problema ou possíveis explicações para a observação. Na linguagem científica, sugerir tal possibilidade é formular uma hipótese. 6

Isso confirma que o envenenamento por chumbo provavelmente é a causa da doença, mas o problema geral ainda não estava solucionado. David e Susan poderiam morrer a menos que encontrassem a fonte do chumbo. Observação: Há chumbo no sangue do casal. Hipótese: O chumbo está nos alimentos e bebidas que eles compraram. Experimento: Descobrir se mais alguém que compra na mesma loja estava doente (ninguém estava). Observar também que a mudança para um novo lugar não resolveu o problema. Observação: Os alimentos que eles compraram eram livres de chumbo. Hipótese: A louça que eles utilizam é a fonte do envenenamento por chumbo. Experimento: Descobrir se sua louça contém chumbo. David e Susan descobriram que componentes de chumbo geralmente são utilizados para dar um acabamento brilhoso em objetos de cerâmica. E a análise laboratorial da louça de cerâmica italiana do casal mostrou que havia chumbo no verniz. Observação: Há chumbo na louça do casal, logo, ela é a possível fonte do envenenamento por chumbo.

(enfermidade de David e Susan) a seguir: a cerâmica italiana que compunha a louça que eles utilizavam todos os dias continha um verniz de chumbo que contaminou os alimentos e bebidas. Esse chumbo ficou acumulado em seus corpos ao ponto de interferir seriamente Cerâmica italiana. nas funções normais e produzir graves sintomas. Essa explicação geral, que resume a hipótese que concorda com os resultados experimentais, é chamada de teoria na ciência. Essa explicação esclarece os resultados de todos os experimentos realizados.* Podemos continuar a utilizar o método científico para estudar outros aspectos desse problema, como: Quais tipos de alimentos ou bebidas carregaram a maior parte do chumbo da louça? Todos os itens da louça de cerâmica com verniz de chumbo geram envenenamento por chumbo? À medida que respondemos às perguntas utilizando o método científico, outras questões surgem naturalmente. Ao repetir as três etapas inúmeras vezes, podemos entender um determinado fenômeno por completo.

Hipótese: O chumbo está sendo levado para a comida. Experimento: Colocar uma bebida, suco de laranja, por exemplo, em uma das xícaras e analisá-la com relação ao chumbo. Os resultados mostraram altos níveis de chumbo nas bebidas que tiveram contato com os utensílios de cerâmica. Após muitas aplicações do método científico, o problema foi solucionado. Podemos resumir a resposta do problema

* “David” e “Susan” se recuperaram do envenenamento por chumbo e agora estão divulgando os perigos de utilizar louça envernizada por chumbo. Este resultado feliz é a resposta à terceira parte do problema geral deles, “Há cura?”. Eles simplesmente pararam de utilizar aquela louça!

3. Decidir qual das soluções é a melhor ou se a explicação proposta é razoável. Para fazer isso, buscamos em nossa memória qualquer informação pertinente ou novas informações. Na ciência chamamos a busca por novas informações de realizar um experimento. Conforme descobriremos na próxima seção, os cientistas usam esses mesmos procedimentos para estudar o que acontece no mundo ao nosso redor. O ponto importante aqui é que o pensamento científico pode ajudá-lo em todos os momentos de sua vida. É válido aprender como pensar cientificamente — mesmo se você quiser ser um cientista, mecânico, médico, político ou poeta!

Experimento: Faça uma análise sanguínea. Susan organizou essa análise, e os resultados mostraram altos níveis de chumbo para ela e seu marido

Introdução à química: fundamentos

1-4 OBJETIVO

O método científico Descrever o método que os cientistas utilizam para estudar a natureza. Na última seção, começamos a ver como os métodos da ciência são usados para solucionar problemas. Nesta seção, examinaremos mais profundamente essa abordagem. A ciência é uma estrutura para adquirir e organizar conhecimento. Ela não é simplesmente um conjunto de fatos, mas também um plano de ação — um procedimento para processar e compreender certos tipos de informações. Embora o pensamento científico seja útil em todos os aspectos da vida, neste texto o utilizaremos para entender como o mundo natural opera. O processo que está no centro da investigação científica é chamado de método científico. Como vimos na seção anterior, ele consiste nas seguintes etapas:

Etapas no método científico 1. Expor o problema e coletar dados (fazer observações). As observações podem ser qualitativas (o céu é azul; a água é líquida) ou quantitativas (a água ferve a 100 ºC; um determinado livro de química pesa 2 kg). Uma observação qualitativa não envolve um número. Por outro lado, uma observação quantitativa é chamada de medida e envolve um número (e uma unidade, como libras ou polegadas). Discutiremos isso mais detalhadamente no Capítulo 2. 2. Formular hipóteses. Uma hipótese é uma possível explicação para a observação. 3. Realizar experimentos. Um experimento é algo que fazemos para testar a hipótese. Reunimos novas informações que nos permitem decidir se a hipótese é sustentada pelas novas informações que aprendemos com o experimento. Os experimentos sempre produzem novas observações, e isso nos leva de volta ao início do processo.

Para explicar o comportamento de uma determinada parte da natureza, repetiremos essas etapas muitas vezes. Gradualmente, acumulamos o conhecimento necessário para entender o que está acontecendo. Uma vez que temos um conjunto de hipóteses que concordam com nossas diversas observações, reunimos tudo em uma teoria que é chamada de modelo. Uma teoria (modelo) é um grupo de hipóteses testadas que dá uma explicação geral de alguma parte da natureza (Fig. 1.1). É importante distinguir observações de teorias. Uma observação é algo que é testemunhado e pode ser registrado. Uma teoria é uma interpretação — uma possível explicação da razão pela qual a natureza se comporta de um determinado Observação modo. As teorias inevitavelmente mudam conforme as informações tornam-se disponíveis. Por exemplo, os movimentos do Sol e das estrelas permaneceram Hipótese praticamente os mesmos ao longo de milhares de anos, durante os quais os seres Experimento humanos os têm observado, porém nossas explicações — nossas teorias — mudaram imensamente desde os tempos antigos. O ponto é que não paramos de fazer perguntas somente porque concebemos uma teoria que parece explicar satisfatoriamente alguns aspectos do comportamento naTeoria Lei tural. Continuamos a fazer experimentos para refinar nossas teorias. Geralmente (modelo) fazemos isso ao utilizar a teoria para fazer uma previsão e, então, fazer um experimento (fazendo uma nova observação) para ver se os resultados sustentam essa Teoria modificada previsão. Previsão conforme a Lembre-se sempre de que as teorias (modelos) são invenções humanas. Elas necessidade representam nossas tentativas para explicar o comportamento natural observado em termos de nossas experiências humanas. Se esperamos nos aproximar de uma comExperimento preensão mais completa da natureza, devemos continuar a fazer experimentos e refinar nossas teorias para serem consistentes com novos conhecimentos. Figura 1.1 ▶ As diversas partes do À medida que observamos a natureza, vemos que a mesma observação se aplica método científico. a muitos sistemas diferentes. Por exemplo, estudos de inúmeras alterações químicas

Química: uma introdução

mostraram que o total de massa dos materiais envolvidos é o mesmo antes e após a alteração. Costumamos formular esse comportamento tão comumente observado Pensamento crítico em uma afirmação chamada de lei da natureza. A observação de que a massa total E se todos no governo dos materiais não é afetada por uma alteração química nesses materiais é chamada utilizassem o método científico de lei da conservação das massas. para analisar e solucionar os É preciso reconhecer a diferença entre uma lei e uma teoria. Uma lei é um reproblemas da sociedade, e a sumo do comportamento observado (mensurável), enquanto uma teoria é uma expolítica nunca fosse envolvida plicação do comportamento. Uma lei diz o que acontece; uma teoria (modelo) é nas soluções? Como isso se nossa tentativa de explicar o porquê de isso acontecer. diferenciaria da situação atual? Nesta seção, descrevemos o método científico (que está resumido na Fig. 1.1) e Seria melhor ou pior? como ele pode ser aplicado de modo ideal. No entanto, é importante lembrar que a ciência nem sempre progride de maneira calma e eficiente. Os cientistas são humanos; têm preconceitos; interpretam dados erroneamente; podem ficar emocionalmente ligados às suas teorias e, assim, perder a objetividade; e fazem política. A ciência é afetada por razões financeiras, orçamentárias, modismos, guerras e crenças religiosas. Galileu, por exemplo, foi forçado a retratar suas observações astronômicas em face de forte resistência religiosa. Lavoisier, o pai da química moderna, foi decapitado por causa de suas afiliações políticas. E um grande progresso na química dos fertilizantes nitrogenados resultou do desejo de produzir explosivos para lutar em guerras. O progresso da ciência é frequentemente diminuído mais pelas fragilidades dos humanos e suas instituições do que pelas limitações dos dispositivos de medição científicos. O método científico somente é eficaz enquanto os humanos o utilizam. Ele não leva automaticamente ao progresso.

1-5 OBJETIVO

Aprendendo química Desenvolver estratégias bem-sucedidas para aprender química. As disciplinas de química têm uma reputação universal por serem difíceis. Há algumas boas razões para isso. Por um lado, a linguagem da química é estranha no início; muitos termos e definições precisam ser memorizados. Como com qualquer linguagem, é preciso conhecer o vocabulário antes para se comunicar efetivamente. Tentaremos ajudá-lo ao apontar o que precisa ser memorizado. Porém a memorização é só o início. Não pare aí ou sua experiência com química será frustrante. Esteja disposto a utilizar um pouco do pensamento e aprenda a confiar em si mesmo para fazer descobertas. Para solucionar um típico problema de química, é preciso vasculhar as informações dadas e decidir o que é realmente crucial. É importante perceber que os sistemas químicos tendem a ser complicados — normalmente há muitos componentes — e devemos fazer aproximações ao descrevê-los. Portanto, tentativa e erro desempenham um importante papel na solução dos problemas químicos. Ao lidar com um sistema complicado, um químico em treinamento realmente não espera estar certo no primeiro momento que analisa um problema. A prática normal é fazer diversas suposições simplificadoras e fazer uma tentativa. Se a resposta obtida não fizer sentido, o químico ajusta as suposições, utilizando o resultado da primeira investida e tenta de novo. O ponto é: ao lidar com sistemas químicos, não espere entender imediatamente tudo o que está acontecendo. Na verdade, é comum (mesmo para um químico experiente) não entender no início. Faça uma tentativa para solucionar o problema e, em seguida, analise o resultado. Não é nenhum desastre cometer um erro, contanto que você aprenda com ele. A única forma de desenvolver sua confiança como um solucionador de problemas é praticar a solução de problemas. Para ajudá-lo, este livro contém exemplos resolvidos detalhadamente. Siga-os cuidadosamente, certificando-se de que entendeu cada etapa. Esses exemplos normalmente são seguidos por um exercício similar (chamado de exercício de autoverificação) que você deve tentar resolver sozinho (soluções detalhadas dos exercícios de autoverificação são dadas ao final de cada capítulo). Utilize os exercícios de autoverificação para testar se você está compreendendo o assunto conforme segue adiante. Há perguntas e problemas ao final de cada capítulo. As perguntas revisam os conceitos básicos do capítulo e lhe dão uma oportunidade de verificar se você entendeu corretamente o vocabulário introduzido. Alguns dos problemas são realmente apenas exercícios bem parecidos com os exemplos dados no capítulo. Se você entendeu o assunto no capítulo, estará apto a fazer esses exercícios de uma forma simples. Outros problemas exigem mais criatividade, pois contêm uma lacuna de conhecimento —

10 Introdução à química: fundamentos

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Química: um importante componente de sua educação Qual a finalidade da educação? Como você está gastando tempo, energia e dinheiro consideráveis para obter educação, essa é uma pergunta importante. Algumas pessoas parecem equacionar a educação com o armazenamento de dados no cérebro. Essas pessoas aparentemente acreditam que educação significa simplesmente memorizar as respostas para todos os problemas da vida — presentes e futuros. Embora isso seja claramente irracional, muitos alunos parecem se comportar como se esse fosse seu princípio orientador. Esses alunos querem memorizar listas de dados e reproduzi-los nas provas. Eles consideram injustas quaisquer questões de prova que exijam raciocínio original ou algum processamento de informações. De fato, pode ser tentador reduzir a educação a um preenchimento simples com dados, por que essa abordagem pode produzir a satisfação em curto prazo, tanto para o aluno quanto para o professor. E, claro, o armazenamento de dados no cérebro é importante. É impossível Alunos examinando a estrutura de uma funcionar sem saber molécula. que vermelho signi-

fica pare, que a eletricidade é perigosa, que o gelo é escorregadio, e assim por diante. Entretanto, uma mera lembrança de informações abstratas, sem a capacidade de processá-las, torna o ser humano um pouco melhor do que uma enciclopédia falante. Ex-alunos sempre parecem trazer a mesma mensagem quando retornam ao campus. As características que são mais importantes para seu sucesso são o conhecimento dos princípios básicos de suas áreas, a capacidade de reconhecer e solucionar problemas e a capacidade de se comunicar com eficácia. Eles também enfatizam a importância de um alto nível de motivação. Como estudar química ajuda a alcançar essas características? O fato de que os sistemas químicos são complicados realmente é uma benção, ainda que bem disfarçada. Estudar química por si só não o transforma em um bom solucionador de problemas, mas pode ajudá-lo a desenvolver uma atitude positiva, agressiva em direção à solução do problema e pode ajudar a aumentar sua confiança. Aprender a “pensar como um químico” pode ser valioso para qualquer pessoa, de qualquer área. Na realidade, a indústria química é altamente preenchida em todos os níveis e em todas as áreas por químicos e engenheiros químicos. As pessoas treinadas como profissionais químicos geralmente se sobressaem não apenas na pesquisa e produção química, mas também nas áreas de pessoal, marketing, vendas, desenvolvimento, finanças e gestão. O ponto é que boa parte do que você aprende nessa disciplina pode ser aplicada em qualquer área de atividade. Portanto, tenha cuidado para não criar uma visão muito limitada dessa disciplina. Tente olhar além da frustração em curto prazo para os benefícios em longo prazo. Pode não ser fácil aprender a ser um bom solucionador de problemas, mas o esforço é válido.

algum território desconhecido que é preciso atravessar — e requerem raciocínio e paciência de sua parte. Para esta disciplina ser realmente útil para você, é importante ir além das perguntas e dos exercícios. A vida nos oferece muitos exercícios, eventos de rotina com que lidamos um tanto automaticamente, mas os desafios reais da vida são os verdadeiros problemas. Este curso pode ajudá-lo a se tornar um solucionador de problemas mais criativo. À medida que você faz seu dever de casa, certifique-se de usar todos os problemas corretamente. Se você não resolver um problema específico, não olhe imediatamente a solução. Revise o material pertinente no texto e tente resolvê-lo novamente. Não tenha medo de lutar com um problema. Olhar a solução assim que você trava interfere no processo de aprendizado. Aprender química leva tempo. Use todos os recursos disponíveis e estude regularmente. Não espere muito de si mesmo em tão pouco tempo. Você pode não entender tudo no início e pode não estar apto a resolver boa parte dos problemas na primeira vez. Isso é normal, mas não significa que você não consiga aprender química. Apenas se lembre de manter o trabalho e continuar a aprender com seus erros e você terá um progresso estável.

outras obras

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tradução da 8a edição norte-americana

isbn 13 978-85-221-1804-5 isbn 10 85-221-1804-3

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Fundamentos de química analítica

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Introdução à química orgânica Tradução da 9a edição norte-americana

Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell e Shawn O. Farrell

Introdução à bioquímica Tradução da 9a edição norte-americana

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tradução da 8a edição norte-americana

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Introdução à química geral

Tradução da 9a edição norte-americana

Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell e Shawn O. Farrell

Química orgânica experimental: Técnicas de escala pequena

Tradução da 3a edição norte-americana

Randall G. Engel, George S. Kriz, Gary M. Lampman e Donald L. Pavia

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