Quimica1 by Editora FTD

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Química VOLUME 1 | ENSINO MÉDIO

VERA LÚCIA DUARTE DE NOVAIS Mestre em Educação pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Bacharel e licenciada em Química pela Universidade de São Paulo (USP). Foi professora em escolas da rede particular de Ensino Médio e de Ensino Superior, coordenadora de área e orientadora educacional, formadora de professores e de gestores escolares, além de pesquisadora na área de Ensino de Química e de Ensino a distância.

MURILO TISSONI ANTUNES Licenciado em Química pela Universidade de São Paulo (USP). Foi professor em escolas da rede particular de ensino e editor de livros didáticos.

1 Química

Manual do

Professor

1a edição Curitiba, 2016

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Vivá Química - Volume 1 © 2016 - Vera Lúcia Duarte de Novais, Murilo Tissoni Antunes Direitos de publicação © 2016 Editora Positivo Ltda. Direção de programas de Márcia Takeuchi governo e governança editorial Gerência editorial Sandra Cristina Fernandez Coordenação editorial Angelo Stefanovits Edição Sandra Fernandez, Maria Cecília Fernandes Vannucchi, Lilian Morato Martinelli Assistência editorial Emilia Yamada, Karina Miquelini Revisão Kátia Scaff Marques (superv.), Angela Cruz, Cristiano de Oliveira Conceição Supervisão de arte Juliano de Arruda Fernandes Edição de arte Sidnei Moura (coord.), Fernando Morisco Machado Borges, Janaina Beltrame Capa Megalodesign Projeto gráfico Pedro Gentile com ilustrações de Daniel Cabral Editoração eletrônica Typegraphic Editoração Eletrônica Supervisão de iconografia Janine Perucci Iconografia Lenon de Oliveira Araújo, Marina Gonçalves

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Produção gráfica Danilo Marques da Silva

“As Normas ABNT são protegidas pelos direitos autorais por força da legislação nacional e dos acordos, convenções e tratados em vigor, não podendo ser reproduzidas no todo ou em parte sem a autorização prévia da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. As Normas ABNT citadas nesta obra foram reproduzidas mediante autorização especial da ABNT.”

Dados Internacionais para Catalogação na Publicação (CIP) (Maria Teresa A. Gonzati/CRB 9-1584/Curitiba, PR, Brasil) N936

Novais, Vera Lúcia Duarte de. Vivá : química : volume 1 : ensino médio / Vera Lúcia Duarte de Novais, Murilo Tissoni Antunes – Curitiba : Positivo, 2016. : il. (Coleção Vivá)

1. Química. 2. Ensino médio – Currículos. I. Antunes, Murilo Tissoni. II. Título. CDD 373.33

ISBN 978-85-467-0797-3 (Livro do estudante) ISBN 978-85-467-0798-0 (Manual do professor) 1ª edição 2016 Todos os direitos reservados à Editora Positivo Ltda. R. Major Heitor Guimarães, 174 80440-120 – Curitiba – PR Fale com a gente: 0800 723 6868 Site: www.editorapositivo.com.br Impressão e acabamento: Gráfica Posigraf S.A. R. Senador Accioly Filho, 500 81310-000 – Curitiba – PR E-mail: posigraf@positivo.com.br

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Apresentação

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A você, estudante, Desejamos que esta coleção seja um apoio importante para sua aprendizagem de Química e, para isso, esperamos contar não só com a contribuição de seu professor, mas também com o seu próprio empenho, dedicação e participação ativa. Só assim você dominará os conhecimentos químicos previstos para esta etapa do ensino, os quais – independentemente da profissão que você venha a seguir – irão lhe permitir compreender e avaliar criticamente as informações que circulam, algumas delas relacionadas a questões fundamentais de nosso tempo, como o aquecimento global, a sustentabilidade, o aumento da produtividade agrícola e industrial. Ao longo dos três volumes, você será convidado a realizar experimentos, a observar, a refletir, a relacionar diferentes conhecimentos, a formular hipóteses, a redigir explicações. E ainda irá aprender novas formas de representação de alguns processos naturais e conhecer aspectos teóricos que envolvem abstrações. Porém, para que essas atividades sejam produtivas, você precisará exercer algumas competências: ler e interpretar textos, realizar operações matemáticas básicas, elaborar e interpretar gráficos. Vale lembrar que essas competências serão exigidas de você não apenas na escola e não apenas nesta fase de sua vida, mas também em seu dia a dia de cidadão que quer participar das decisões coletivas, no mundo do trabalho, na administração das próprias finanças, etc. Esperamos que seu desejo de aprender continue florescendo e que você se sinta cada vez mais motivado a estudar, a se posicionar criticamente em sociedade e a contribuir para a construção de um país mais justo, desenvolvido e ético. Sucesso! Os autores

A meus amores: Clara, Gabi, Carol e Edu.

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unidade

máquina Locomotiva movida por del-Rei (MG). a vapor, em São João das mais A máquina a vapor, uma s humanas, importantes invençõe ação responsável pela mecaniz de tarefas progressiva de uma série foi criada ao longo do século XVIII, Watt em 1777 pelo inglês James 9). (1736-181

Abertura de unidade A imagem de abertura se relaciona a algum dos conteúdos que serão desenvolvidos. Um texto curto introduz os conteúdos a serem abordados e lança uma ou duas questões que serão esclarecidas ao longo da unidade.

Estado gasoso

s estudar o estado gaNesta unidade, vamo quatro séculos de cososo, levando em conta s sobre leis físicas que nhecimentos acumulado ra ento de uma amost explicam o comportam desenvolver tecnologasosa e que permitiram ém de nossa vida. Tamb gias que fazem parte esdesses e de outros veremos as implicações nes envolvendo substâ tudos relativos a reaçõ determinantes para cias gasosas que foram teorias que estruturarar compreender e elabo a. ciênci ram a Química como balões hélio em vez de ar em ▸ Por que se usa ento meteorológico como os de monitoram ança? e de segur rimio gás quando é comp ▸ O que ocorre com nte? O que acontece do a temperatura consta o constituem? com as moléculas que

Nesta unidade e propriedades gerais

importância Capítulo 12. Gases:

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capítulo U4C12_250A288.indd

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micas e Leis das reações quí lton teoria atômica de Da IA MUSEUM OF ART LATINSTOCK/CORBIS/PHILADELPH

A teoria de Arrhenius

A formulação da teoria de Arrhenius represen ta um marco para a Química. mitiu explicar fatos experime Ela perntais e serviu de fundame nto para estabelecer avanços relação aos conceitos ácido-bas em e propostos por seus antecesso res. Leia o boxe a seguir.

Viagem no tempo Um jovem que abalou

Para situá-lo Essa seção busca introduzir e/ou contextualizar o estudo que será feito no capítulo. Ao final, questões estimulam diferentes habilidades e valorizam seu conhecimento prévio.

Um fato experimental

©WIKIMEDIA COMMONS/PHOTOGR AVURE MEISENBACH RIFFARTH & CO. LEIPZIG

uma crença Em 1884, o sueco Svante August Arrhenius (1859-192 7), então um jovem estudante de Química, elaborou uma teoria – que ficou conhecida como teoria de Arrhenius – capaz de explicar de modo coerente um fato que desafiava os cientistas da época. Svante August Arrhenius, químico e físico sueco. Seu trabalho, no final do século XIX, foi fundamental para superar a concepção de indivisibilidade do átomo. Foto tirada em 1909. Ilustração produzida para

Naquele período, já se Cores fantasia, sem escala. havia verificado que, quando se dissolve um sólido, como x moléculas de a sacarose (açúcar comum), x “unidades” de NaCℓ sacarose por litro de água em água, a temperatura por litro de água de solidificação da água diminui, ficando abaixo de 0 oC; quanto maior é a quantida lo situáde de Para sacarose, em relação ao o de transformação volume da solução, mais u a formular o conceit começo acentuasovocê r, refletir da é a redução da temperat a. Vamos agora No capítulo anterio ura de solidificação da no estudo da Químic s centrais água. alguma de temas to dos Havia, porém, um fato química, um nosso dia a dia a propósi que intrigava Arrhenius podem ser feitas em : quando se preparam duas soluções, bre observações que uma de sacarose e outra s. Veja: de cloreto de sódio, ambas dessas transformaçõe com a mesma quantidad e de unidades “moleculares” de soluto no mesmo volume de solvente, verifica-se que a de cloreto de sódio tem temperatura de solidificação banho de gelo-seco inferior à da solução de sacarose. A imagem acima representa Como explicar essa diferença o resfriamento de duas ? soluções aquosas: uma de sacarose (açúcar) e outra A explicação de Arrheniu de cloreto de sódio. s Arrhenius propôs que cada partícula de NaCℓ poderia Este capítulo irá ajudá-lo se dividir em duas partícula opostas: os íons (o termo s com cargas elétricas íon havia sido introduzi a compreender: do em 1821, por Michael Faraday, 1791-1867). Assim, em 1884, Arrhenius • a lei da conservação apresentou a teoria da dissociaç ão iônica outorgou o título de ph.D. à comunidade acadêmic da massa; (equivalente ao título de a, que lhe doutor). Essa conquista ões lógico de seu trabalho do • a lei das proporç deveu-se muito mais ao que à aceitação de sua caráter teoria. Ela não foi bem definidas; crença no átomo indivisíve recebida porque punha folha de papel. Combustão de uma l, considerada indiscutív em xeque a de Dalton. el pelos cientistas da época. • a teoria atômica no final do século XIX e As descobertas de Thomson início do XX – das quais tratamos no capítulo 4 Arrhenius obtivesse credibilid – contribuíram para que a teoria de ade, e o cientista acabou recebendo o Prêmio Nobel o ao estudo da Química depois, em 1903. Unidade 1 Introduçã de Química duas décadas 32 5/2/16 16:13 Foi graças a Arrhenius que se associou a presença de íons livres MATRIZ NOVA HCℓ(aq), e cloreto de sódio, a soluções aquosas de ácido clorídrico, NaCℓ(aq). 32 C2_032A047.indd

este conteúdo.

IMAGENS: DOTTA2/ACERVO

DO FOTÓGRAFO

no período Durante o século XVII, gestada, em que a Química era valeram de alguns estudiosos se as contribuições dos alquimist bastante e tinham uma forma fenômenos peculiar de explicar os da natureza. Com o avanço os a, tecnologi da ciência e da os recursos conceitos, as teorias e e trouxeram novas questões dores. desafios aos pesquisa a, de alquimist O obra a Na foto, David Teniers, 1649.

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Capítulo 7 Ácidos, bases EME18_VIVA_QUI1_U3C7_1

As misturas podem

Capítulo 2 Leis

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60 átomos de carbono

ser

ca? observações ormação quími diferença Analisem suas dimentos. Há vadas nessa transf s 4 e 6 dos proce cas foram obser adas nas etapa 1. Que característi imentais realiz situá-lo obser vações exper ade 3 do Para 2. Considere as dada na ativid Explique. com a resposta or nos resultados? anteri lo? você deu ao item resposta que no início do capítu 3. Compare a resposta dada a de Dalton reformularia a as e teoria atômic (página 33). Você

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20 hexágonos regulares

PAULA RADI/ARQUIVO

resíduos: Descarte dos outras atividades.

Representação da estrutura das buckybo las. Cada uma delas é formada por 60 átomos de carbono, disposto s em 20 regulares e 12 pentágo hexágonos nos regulares. Cores fantasia, sem escala. Fonte da ilustração : KOTZ, J. C.; TREICHE L JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 105. 37

das reações químic

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Conexões Os conceitos químicos desenvolvidos no capítulo são relacionados aos de outras áreas da Ciência ou a situações do cotidiano.

12 pentágonos regulares

Capítulo 3 Substân

MATRIZ NOVA

DA EDITORA

As buckybolas assemel ham-se a estrutur geodésicas, como as

a do museu em homenagem ao meio ambient à direita, a e (The nte. Na imagem de Montreal, Canadá, Biosphere), na cidade a na boca do recipie que vemos na imagem da bexiga inserid acima. Foto de 2012. cente está dentro da, a pastilha eferves zenada para Na imagem à esquer nte. pode ser arma lado do recipie pia. A bexiga na s rtada pastilha está ao desca

MATRIZ NOV

©SHUTTERSTOC K/MEUNIERD

100 mL). ente (cerca de s a Procedimento em cada recipi a com elástico bexiga e prend água equivalente Observe ha no fundo da quantidade de do recipiente. . Segure a pastil 1. Coloque uma pastilha dentro scente na bexiga não derrubar a pastilha eferve cuidando para 2. Insira uma do recipiente, boca na boca da bexiga esquema. rda) a foto desse . esque à massa o, de (abaix e anote o valor na balança. ve o que ocorre desse conjunto à direita). recipiente. Obser 3. Meça a massa scente (abaixo, ha na água do e pastilha eferve . despeje a pastil nto recipiente 4. Em seguida, s e o valor de massa a massa do conju suas observaçõe recipiente, meça o da reação, anote 5. Com o outro água. Ao términ je a pastilha na despe a, seguid 6. Em

– Formas artific iais do carbono

Uma terceira forma estadunidense alotrópica do carbon Richard Buckm tida em laboratório inster Fuller (1895o foi ob- -1983), que criou a estrutura pelas equipes de Richard Errett geodésica. Smalley (1943-2 Essa forma de carbon 005), dos Estado s Unidos, e Harold o, de fórmula C (Harry) Walter Kroto , é a mais simples de uma família (1939-), da Inglate de fulerenos, cujos 60 rra, há cerca lares de trinta anos. arranjos molecu fechados podem atingir até 960 átomos de carbono A disposição dos Muitos químicos . átomos de carbon vêm realizando o dessa for- buckyb ma alotrópica, conhec pesquisas sobre olas, tendo em ida por buckybolas vista a enorme buckyballs) ou fuleren (do inglês de aplicaç possibi lidade o, lembra uma bola ões dessas substâ profissional. O nome ncias, tanto na área de futebol dica, para viabilizar novas original dessa forma méterapias (por exemp é buckminster fulleren de carbono osteop lo, a de orose), como em e, em homenagem lubrificantes, combu ao arquiteto bateria stíveis, s, entre outras.

DO FOTÓGRAFO DOTTA2/ACERVO

plástico ou garrafas de • 2 erlenmeyers co • 1 bexiga de plásti • 1 elástico scentes eferve has • 2 pastil • balança

As buckybolas

DO FOTÓGRAFO DOTTA2/ACERVO

Química: prática e reflexão Essa seção traz experimentos – com todas as orientações e recomendações de segurança necessárias –, além de questões que estimulam a reflexão.

Conexões Química e tecnol ogia

e os materiais Nunca coloqu na boca ou em de laboratório parte do contato com outra . aspire corpo; não os segurança e Use óculos de s compridas. manga de l aventa

600 mL de 510 mL ou

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como a ole de variáveis, ca e reflexão s fatores, o contr Química: práti de um sistema ve, entre outro ece com a massa o química envol etc. O que acont de uma reaçã A investigação de uma substância, o, a quantidade pressã a , temperatura ca? Cuidado! uma reação quími quando ocorre ário Material necess

e sais

MATRIZ NOVA

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Viagem no tempo Nessa seção, além de curiosidades sobre alguns estudiosos, são exploradas passagens importantes da História da Ciência e o contexto em que conceitos, modelos e teorias foram desenvolvidos.

cias e misturas

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Conheça seu livro

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Sugestões de filmes, livros, sites Filmes, livros ou sites relacionados a algum assunto do capítulo são sugeridos.

A guerra do fogo

FRANCE

THÈQUE NATIONALE DE ©WIKIMEDIA COMMONS/BIBLIO

Capítulo 2 Leis das

reações químicas e

teoria atômica de Dalton

39 Capítulo 1 Química:

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MATRIZ NOVA

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que ciência é essa?

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Atividades

Testando seus conhe cimentos

Não escreva neste livro.

maçã e a deixou exestudante cortou uma os resule experimental, um fias a seguir mostram 1. Em uma atividad três horas. As fotogra posta ao ambiente durante te ao longo do tempo. tados obtidos pelo estudan

1. Enem (200 9) Os núcleos dos átomos de prótons são constituí e nêutron dos s, sendo amb responsáveis os os prin pela sua mas cipais sa. Nota-se ria dos núcl que, na mai eos, essas partículas ona mesma não estão proporção. presentes O gráfico mos de nêutron tra s (N) em funç a quantidade ão da quantid (Z) para os ade de prót núcleos está ons veis conhecid 160 os.

Não escre

va neste livro.

DA EDITORA

FOTOS: ROBSON MEREU/ARQUIVO

representada s abaixo. Com no estado relação a esse fundamental s isótopos, , assinale o que for corr eto. U92234 U 235 U92238 92 (01) O urân io-234 poss ui 92 prótons (02) O urân e 92 elétrons io-235 poss ui 92 . (04) Os três 150 átomos poss prótons e 143 nêutron s. uem o mes massa. núcleos estáv mo número 140 eis de (08) O urân io-238 poss 130 ui 92 elétrons Dê como resp e 146 nêutron osta a som s. exposição. 120 a dos núm às afirmaçõe Após 30 minutos de eros associad s corretas. os Maçã recém-cortada. 110 3. IFCE (201 2) Ao long o da histó 100 modelos surg ria da quím iram, para ica, muitos tentar expl dade do átom 90 icar a com o, desde a plexicrença de minúscula que ele seria esfera 80 uma temático prob até a construção de um abilístico. 70 Com relação modelo macas do átom às caracter o e ao conc ístieito 60 correto afirm de elemento ar-se que: químico, é a) a caracter 50 ização de um elem pela determin 40 ento quím Z = N para os núcleos ico ocorre ação do seu sobre esta o. exposiçã núm linha de b) os átomos ero de mas 30 Após 3 horas de um mes sa. mo elemento gatoriamente horas depois. 20 químico obri devem apre o estado inicial até 3 e com a maçã desde ro de nêutron sentar o mes a) Descreva o que acontec 10 mo númes. podem ser observadas? c) na eletrosf Que transformações era, região que concentr sa do átom reação química? Quais? 0 de indício a algum 10 toda o, encontram-s b) Há 20 30 a maso fogo. Proponha 40 50 e os elétrons d) o número carbônico para apagar 60 70 gás usam r. que Núm o . 80 queima de massa de ero de próto incêndi 90 100 ou número ns (Z) 110 2. Há extintores de es, o combustível deixar soma do núm de Moseley KAPLAN, o fato de, nessas condiçõ ero de prót I. Física Nucle éa uma explicação para inicial e final elétrons. ons com o ar. Rio de Janeiro: Guan número de , em seu caderno, os estados abara Dois, mação a seguir, indique estado, dê o nome. e) o elemento a de 1978 (adap antimônSugira 3. Sobre cada transfor 1. Em de suamudanç opinião, a maioria das pessoas sabe que tintas à base de chumbo são O tóxicas? de tado). io é umformas químico corr física. No caso de tratar-se elemento esponde a de átomos prótons e se ela é química ou fazer com que essa informação chegue ao conhecimento não só dos consumidores, mas também de tra- químico que poss e poss um conjunto de mesma ui vári água. ui carg à os 50 isótopos – a nuclear. 4. Uespi-PI rem pelo núm a) Acrescentar álcool balhadores que manipulam tintas (operários, pintores), para que evitem riscosdife à saúde. átomos que (2012) Os radi horas. ero oito só por de dor se nêutrons. congela oisótopos gráfico, os te utilizado De acordo b) Colocar água no são hoje isótopos s na medicina 2. Pirataria é crime, e os produtos piratas são baratos porque são produzidos sem preocupação com com o estáhigieveis do anti tratamento para diagnóst largamena) o-o mônio poss de doenças c) Queimar madeira. ico, estudo armário, deixand e 24 ne, segurança e preservação ambiental. Além disso, os trabalhadores recrutadosentr parae 12 sua fabricação uem: nêutrons não da em um . Por usado para e a men to” da naftalina guarda prótons. destruir e imp exemplo, o cobalto contam com garantias trabalhistas: não há salário mínimo, respeito à carga horária máxima de trabalho, os que o número d) O “desaparecimen 60 é edir o cres las canceros de a”. cimento de as. Os núm exatamepirata? segurança, etc. Converse com os colegas: o que leva as pessoas a comprar umb)produto Que medicom “cheiro de naftalin célueros de prót nte o mes de elétrons ons, mo ja. no de nêutron núm nuclídeo 60 31 enferru trons. ero de prót das poderiam ser tomadas para resolver essa situação? se e) A palha de aço que ons e nêusão, respectiv 27 Co a) 33, 27 e . seguem que 24 tas ame c) entre 0 nte: e responda às pergun 3. Com base no que leu, responda: que efeitos têm os íons de chumbo no organismo? e 12 nêutron d) 27, 33 e b) 27, 60 e 4. Leia o texto abaixo 27 s a mais que 24 prótons. o número COP21 Paris, e) 27, 33 e , em c) 60, 33 e de 4. Segundo os textos, por que,aapesar de sua toxicidade, a tinta à base de chumbo ainda é usada em diversos do planeta 24 27 d) entre 12 que discute o futuro tar de 28% e 24 nêutron Para a conferência produtos? leva a meta de aumen 5. FGV-SP s a mais que prótons. ro de 2015], o Brasil (2012) A tabe o número como eólica, solar, [ocorrida em dezemb la seguinte energia, a de o de eis fere renováv ntes 5. “Para detectar presença de chumbo [...] o brinquedo é banhado a 37 C com água, depois imerso num reapre as fontes às espécies sidera e) entre 0 senta dados para 33% até 2030 ica. A meta descon e nêutron K, K 1, Ca 21 22 reenergét cipiente com misturaimpact aquosa com ácido do12 produto após poseS . s a men tal clorídrico. Esse teste visa observar a reação o etanol, na matriz o ambien prótons. os que o núm biomassa, entre elas eis, causam Espécie ero de (NOGUEIRA, Italo. Após novo recall, Inmetro fará teste de chumbo em brinquedo. Folha de S.Paulo, São Pausível ingestão.” embora sejam renováv Z 2. UEPG-PR as hidrelétricas que, Nêutrons K (201 Acesso dez. 2015.) barragens. lo, 7 set. 2007. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/folha/dinheiro/ult91u326522.shtml>. 3) Naem: natu22reza 19 e social por causa das variedades podem-se 22 K1 isotó encontrar Descreva o procedimento usado para testar a toxicidade das tintas de brinquedos. Qual a finalidade do uso picas do elem 19 três ento quím 22 Ca 21 de ácido clorídrico na detecção de chumbo nessas tintas? ico urânio, 20 136 Unidade 0

nêutrons (N)

Número de

Atividades Ao longo de cada capítulo, questões de diferentes graus de complexidade permitem a aplicação dos conteúdos desenvolvidos, além de possibilitarem a autoavaliação.

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Glossário O glossário traz o significado de palavras e expressões menos conhecidas usadas nos textos ou nas atividades.

ENEM/REPRODUÇ ÃO

Boxes Sempre que necessário, boxes complementam ou aprofundam assuntos tratados no capítulo.

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PULSAR IMAGENS/THOMAZ

VITA NETO

CAL HERITAGE FOUNDATION ©WIKIMEDIA COMMONS/CHEMI

(La guerre du feu), ão a liderança do Galileu e a Santa Inquisiç de Jean-Jacques e político da Igreja, sob do grande poder religioso Annaud. França/ julgava todos aqueles No século XIII, diante ão, um tribunal que Canadá, 1981 crenças criada a Santa Inquisiç cristãs. Entre essas papa Gregório IX, foi (125 minutos). m ameaçar as crenças les. pudesse Aristóte forma, filósofo no Esse filme francoque, de alguma o, baseada era o centro do Univers -canadense, com um telescópio feitas micas, estava a de que a Terra , bastante premiado do Unis em observações astronô que o Sol era o centro de Ao expor ideias baseada tese a conta a história u , Galileu defende do mundo, em de uma batalha construído por ele mesmo os dois grandes sistemas sobre Diálogos de sua obra, ão. Para evitar entre duas tribos verso. A publicação e condenado pela Inquisiç preso foi Ele da Pré-História dos Igreja. diante o pela 1632, não foi aceita ideias em uma confissã em torno da posse decidiu renegar suas vivo, do do queima e da produção que fosse fogo, tecnologia de que o julgavam. inicia grande importância precisão quando se o, é difícil dizer com na evolução do proposta no subtítul a científica terem coexisti Voltando à questão humana. práticas de naturez fato de as primeiras alquimistas. Estas últimas a Química, até pelo e: as realizadas pelos diferent século o bem era desde – com outras, cujo caráter chineses, árabes, etc. entos povos – egípcios, gregos, procedim vários por as quando foram praticad durante o século XVIII, mações. a perder importância transfor ram suas de e começa e a.C. matéria IV estudo da is ganharam espaço no entre suas principa de caráter científico práticas que tinha, obam um conjunto de comuns em ouro e de Os alquimistas realizav transformar metais muitos por uma maneira de trabalho deles que motivações, a busca a vida; foi graças ao pudesse prolongar que a Química, da maneira ter um material que que foi da Alquimia dizer Pode-se . materiais foram obtidos se originou. em seu como é entendida hoje, os marcaram a Química ra-se que dois estudios 91). Autor No entanto, conside Robert Boyle (1627-16 foi o estudioso irlandês as na início. O primeiro deles deflogisti- l Chymist), desenvolveu suas pesquis de “ar(The Sceptica quartocético Além dos diversos tipos te um O químico livro adamen do aproxim de aço, empregados de parte o inverso, tanto em objetos simples e travessas – quanto era respirável (essa uma ar quera. também o process Inglater ou seja, do em estruturas complex o da elaboração de − como talheres cou Lavoisier realizou r identifi as e resistentes de grandes mercúr io(II), cado”, entos planejados, partind ria, outras ligas metálic experim medidas, oxigênio). Lavoisie ento do óxido de obras de engenhaas são bastante conheci respirável do ar é oBoyle realizou realizou observações, hoje isso, isto é, o aquecim (que em Para “ar” azoto er. e o io ar: das e usadas. É o caso do latão, ligas contend ia esclarec inte a obter mercúr ões, repetiu prooutro constitu dos vários tipos de o basicamente cobre questão que pretend s, formulou explicaç notando que voltava idas também e estanho, resistentes testou-a es, consum transfor hipótes foram Deixou u nio). que madas izações. à corrosão e facilmen as às em fios, e dos bronzes anotações, elaboro chamamos de nitrogê te , formados por cobre, quantidades idêntic ão dedeles, estabeleceu general a conclus s r foi ligas em muitos ainda base estanho veremo Lavoisie com de mais e, como e r. ição tos outros resisten componentes, dos gases, tes e menos vulnerá Outra contribucedimen no processo anterio e oxigênio que veis à corrosão que nio da Pneumá.tica – do estudo de hidrogê s na área os latões. trabalho de experimentos, concluiu muitosída a água era constitu Depois de uma série seus uma subs- que 12.uíram para que contrib 94), que deixou capítulo ertas não continha apenas Essas descobno . t de Lavoisier (1743-17 o ar da atmosfera flogisto -Lauren ideia do Antoine nassem foi oafrancês , uma mistura de diversos . Entre elas, vale s abando O segundo Química porâneo da o contem lviment tância; o ar era, na verdade constituído para o desenvo ental, assim ar da atmosfera era inúmeras contribuições em seu trabalho experim gases. Para ele, o ão do uso da balança adiante). Fez destacar a introduç livro de tão (que veremos mais Página de abertura do a reação de combus dos particicomo os estudos sobre que mediu as massas Robert Boyle, de 1661. incluindo vários em das massas, sobre s experimentos, o nome delas, inúmero u a lei da conservação cias. Desse modo, s. Formulo Nomenclatura química os químico s nomear as substânpantes de process para iniciada tização fossem não uma sistema s para pessoas que s no capítulo 2. Antigamente, não havia Ponte sobre o rio para transformar os eram incompreensívei nos aprofundaremo técnicas qual a ntá-las, as que represe XVIII, s para Paranaíba, ligando os no final do século bem como os símbolo em investigações Foi a partir dessa época, : uma metodologia baseada municípios de Porto pelos alquimistas. Observe a ser exercidas usando materiais passaram Alencastro (MS) e a. Nome atual da Ciência modern de um problema. Mas Carneirinho (MG), 2013. Símbolo utilizado experimentais, próprias partida a formulação de ponto tas expecomo outro O alquimis de aço é empregado em pelos Nome antigo Essa metodologia tinha entação? Ela pode nascer estruturas da construçã ão que propicia a experim trabalhos de outros o a indagaç sulfúrico ácido como surge dúvidas sugeridas pelos civil, especialmente no mesmo estudioso, de ou de acontecimentos caso de grandes obras. rimento realizado pelo de observações feitas ácido vitriólico É s realizadas a partir da pesquisa. muito usado, por exemplo, estudiosos, de reflexõe16), Claude- um experimento e que mudam o rumo (1737-18 na estrutura de pontes, ocorrem durante -Morvea stosuque 19 imprevi ernard Guyton essa? é o ciência Louis-B – que 1787, as pois torna mais rápida Capítulo 1 Química: r – publicou, em , um grupo de cientist y (1755-1809) e Lavoisie Diante dessa situação seus Fourcro e fácil essa etapa da de is um -Franço como 22), Antoine ), obra que tinha construção do que se -Louis Berthollet (1748-18 de nomenclatura química elas medida do possí5/2/16 16:16 lature chimique (Método fossem feitas em concreto. adores buscaram, na Avanços da Bioquím Méthode de nomenc . Lavoisier e os colabor de sódio pode ser ica – campo respons a linguagem química exemplo, o cloreto ável pelo estudo dos ocorrem nos seres vivos MATRIZ NOVA objetivos aperfeiçoar compor seu nome (por processos químicos − têm permitido conhece 19 que ição da substância para C1_001A031.indd r muitos mecanismos de organismos, favorece vel, utilizar a compos EME18_VIVA_QUI1_U1 Princípio ativo: de funcionamento ndo o desenvolviment cias cloro e sódio). o da Biologia Molecul substância que atua fundamentais ao progress obtido pelas substân ar e da Farmacologia, o da Medicina. A cada como medicamento dia, novos princípios por pesquisadores er ativos são sintetizados ou isolados a partir no combate a uma to químico para Lavoisi de produtos naturais A definição de elemen testes, são usados no doença. Quando , que, após um período iu a ideia controle e, em muitos de cético, Boyle introduz compramos um casos, na cura de inúmera que era inviável há alguma Em seu livro O químico s enfermidades, o Boyle, Lavois décadas. remédio e o vendedor do-se nas teorias de Vários outros exempl nos oferece outro de elemento. Basean os ainda poderiam todas as substânquímico to ser equivalen citados. No entanto esquecer de que, ao te – um sier chamou de elemen , não podemos nos lado dessas conquis processo genérico, por tas, a utilização que s decompor por nenhum recursos também tem se faz de muitos desses exemplo –, devemos cias que não podemo causado danos ao ambient o conceito ento). Atualmente, e e à vida de modo geral. pessoas atribuam à verificar se o princípio Química a responsabilidad Embora algumas (por exemplo, aquecim o no ativo é o mesmo. e por esses problem decide como o conheci e diferente e será discutid as, é o ser humano que mento químico vai ser Quando se extrai de elemento é bastant usado. A Química é uma solucionar muitos desses um medicamento de ciência que permite problemas, desde que capítulo 4. uma planta, mesmo o ser humano tenha essa preocupação. que ela contenha Biologia Molecular vários componentes e Farmacologia químicos, um A Biologia Molecular é um dos campos de deles (às vezes estudo mais recente em meados do século mais que um) terá s da Biologia. Iniciada XX, seu principal objeto reside no estudo de o efeito desejado néticas, entre elas a características geparticipação dos cromoss no organismo, o omos, do DNA, em fatores Enquanto a Genétic princípio ativo. a estuda esses mesmo hereditários. s fatores em nível celular, cular, como o próprio a Biologia Molenome indica, o faz em nível molecular – unidade constituem essas estrutur s diminutas que as e que também são objeto de estudo da estudos são de fundam Química. Esses ental importância na busca novas drogas, campo de tratamentos e na ção do trabalho de específico de estudo pesquisa de Página de apresenta da Farmacologia. Ou de estudo ligadas ao publicado por seja, todas essas áreas campo da Farmácia nomenclatura química e da Medicina são muito conhecimentos químico Fourcroy e Lavoisier. dependentes dos Morveau, Berthollet, s.

o ao estudo da Química

Unidade 1 Introduçã

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2 Introduçã

o à estrutura

6. Equacione na forma iônica o processo usado na detecção de chumbo.

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MATRIZ NOVA

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S 22

da matéria

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MATRIZ NO

Atividades

1. Equacione as reações entre ácido e base que permitem obter, além da água, as substâncias abaixo. Indique-as também na forma iônica: a) sulfato de ferro(III)

Não escreva neste livro.

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Testando seus conhecimentos Ao final de cada unidade, é apresentada uma seleção de questões tiradas do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem) e de exames vestibulares de todo o país.

b) fosfato de sódio

2. Equacione as reações de precipitação possíveis, indicando com (aq) os participantes em solução aquosa e com (s) os precipitados. a) NaOH 1 CuSO4

b) HCℓ 1 AgNO3

c) Pb(NO3)2 1 H2S

d) Ca(OH)2 1 FeCℓ3

Questão comentada 3. (Unicamp-SP) Uma solução contém cátions bário, Ba21, chumbo, Pb21, e sódio, Na1. Os cátions bário e chumbo formam sais insolúveis com ânions sulfato, SO22 4 . Dentre esses cátions, apenas o chumbo forma sal insolúvel com o ânion iodeto, I2. a) Com base nessas informações, indique um procedimento para separar os três tipos de cátion presentes na solução. b) Escreva as equações das reações de precipitação envolvidas nessa separação. Sugestão de resolução a) Inicialmente, podemos adicionar um iodeto solúvel, que reagirá com íons Pb21 formando um composto insolúvel. A adição de I2 deve ser feita até que a quantidade de precipitado fique constante. PbI2(s) Pb21(aq) 1 2 I2(aq) O conjunto deverá ser filtrado de modo a reter no papel de filtro todos os íons Pb21 na forma de sal insolúvel. No filtrado, adiciona-se excesso de sulfato solúvel, precipitando os íons Ba21. BaSO4(s) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq) Repetindo a filtração, os íons Ba21 ficarão retidos no papel de filtro sob a forma de BaSO4. No filtrado, estarão os íons Na1 com todos os ânions presentes. b) Pb21(aq) 1 2 I2(aq) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq)

PbI2(s) BaSO4(s)

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Questões comentadas Para algumas questões, é apresentada uma possibilidade de resolução.

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Conheça seu livro

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Sumário Unidade

1 Introdução ao estudo da Química

CAPÍTULO 1 Química: que ciência é essa?....................................... 12 Como o conhecimento químico tem sido empregado...14 Conexões – Química e ambiente – Problemas × soluções........16 Viagem no tempo – O fogo e a revolução tecnológica; Quando se inicia a Química?; Um esclarecimento.......................18

Os químicos estudam as transformações dos materiais.................................................................................. 21 As mudanças de estado: um tipo de transformação........21 Aquecer sempre provoca mudança de estado?.............25 Química: prática e reflexão.........................................................25

Misturar é diferente de reagir................................................ 26 Que evidências indicam a ocorrência de reação?..........27

DIVULGAÇÃO PNLD

Conexões – Química e energia...................................................... 29 Atividades........................................................................................30

CAPÍTULO 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton......................................................................................32 O desenvolvimento da Química.......................................... 34 Dos gregos ao nascimento da Química............................. 34

Substâncias simples e substâncias compostas............. 58 Modelos para representar substâncias simples e substâncias compostas.........................................................60 Atividade...........................................................................................61 Diferentes substâncias, um só elemento..........................61 Conexões – Química e tecnologia – Formas artificiais do carbono......................................................................................... 65

Substância e mistura: diferenciação teórica...................67 Atividades........................................................................................68

Tipos de mistura.......................................................................... 69 Misturas homogêneas ou soluções.................................... 69 Misturas heterogêneas............................................................. 70 Atividades........................................................................................ 70

Separação de misturas.............................................................. 71 Filtração............................................................................................ 71 Conexões – Química e tecnologia.................................................72

Peneiração.......................................................................................73 Decantação.....................................................................................73 Destilação........................................................................................74 Evaporação......................................................................................75 Dissolução fracionada................................................................75

Atividades........................................................................................ 36

Química: prática e reflexão.........................................................75

A trajetória de Lavoisier e o esclarecimento da teoria do flogístico................................................................ 36

Atividades.........................................................................................76 Resgatando o que foi visto..........................................................77

Química: prática e reflexão.........................................................37

Testando seus conhecimentos.................................................78

Leis ponderais das reações químicas ...............................40 Lei da conservação da massa.................................................41 Atividade...........................................................................................41

Lei das proporções definidas................................................. 43 Atividades........................................................................................44

Teoria atômica de Dalton....................................................... 45 Atividades........................................................................................46

CAPÍTULO 3 Substâncias e misturas.....................................................48

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/CORDELIA MOLLOY

Algumas contribuições de Lavoisier................................... 38

Como diferenciar substância de mistura?......................50 Atividade..........................................................................................50

Caracterizando uma substância...........................................55 Critérios de pureza.......................................................................55 Atividades........................................................................................ 56

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Unidade

2 Introdução à estrutura da matéria

CAPÍTULO 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais.... 82 Modelos atômicos: lidando com partículas que não podemos ver................................................................84

DIVULGAÇÃO PNLD

Atividades........................................................................................ 85 Modelo atômico de Thomson............................................... 85 Os átomos podem “quebrar”? ..............................................88 Modelo nuclear de Rutherford.............................................89 A questão não respondida por Rutherford e o modelo de Rutherford-Bohr...........................................91 Outras partículas presentes no núcleo...................... 92

Grupos e períodos.....................................................................105 Atividades...................................................................................... 107 Conexões – Química e Economia – Terras-raras:

importância na economia atual...................................................108

Conceito de propriedade periódica...................................110 Atividades........................................................................................111

Comparando raios de átomos aos de íons..................... 112 Atividades....................................................................................... 112

Atividades........................................................................................ 93

Dois grandes grupos: metais e não metais.................... 113 Metais.............................................................................................. 113 Não metais....................................................................................115 Atividades.......................................................................................116

Número atômico (Z)..................................................................94 Elemento químico e símbolo................................................94 Número de massa (A)............................................................... 95 Isótopos........................................................................................... 95

CAPÍTULO 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem...............................................................................118

Atividades........................................................................................ 96

Isóbaros........................................................................................... 96 Atividades........................................................................................ 96

Distribuição dos elétrons no átomo...................................97 Uma orientação inicial sobre distribuição eletrônica........................................................................................... 97 Atividades........................................................................................98 A formação de íons.....................................................................98 Atividades........................................................................................ 99

CAPÍTULO 5 Classificação periódica dos elementos químicos....................................................................................100 Classificar: uma necessidade das ciências.........................102 Viagem no tempo – A Tabela Periódica: um trabalho

de muitos cientistas; O congresso para reorganização.............103 A classificação atual dos elementos químicos..............105

Os gases nobres e a teoria eletrônica das ligações...120 Ligação iônica.............................................................................120 Atividade.........................................................................................122 Atividades.......................................................................................123 Algumas generalizações........................................................ 124 Ligação covalente ou molecular........................................125 Atividades...................................................................................... 126 Atividade........................................................................................ 128 Algumas generalizações sobre ligações químicas....... 129 Natureza das ligações e comportamento das substâncias..........................................................................130 Substâncias iônicas..................................................................130 Substâncias moleculares........................................................ 131 Eletronegatividade, ligações polares e apolares..........133 Atividades...................................................................................... 134 Resgatando o que foi visto....................................................... 135 Testando seus conhecimentos.............................................. 136

Eletrólitos e reações químicas: 3 fundamentos qualitativos e quantitativos

Unidade

CAPÍTULO 7 Ácidos, bases e sais..........................................................140 Ácidos e bases............................................................................ 142 Química: prática e reflexão...................................................... 142 Viagem no tempo – Um pouco da história dos conceitos

de ácido e base................................................................................. 143

Função química.........................................................................144 Propriedades funcionais........................................................144 Condutibilidade elétrica.........................................................144 A teoria de Arrhenius...............................................................147 Viagem no tempo – Um jovem que abalou uma crença........147

Ácidos.............................................................................................148

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Conceito de ácido de Arrhenius..........................................148

Tipos de reação que merecem destaque.......................184

Atividades......................................................................................149

Atividades......................................................................................184

Ionização de poliácidos...........................................................149

As reações e a redução do número de íons livres....... 185

Força de um ácido.....................................................................150

Atividades......................................................................................186

Alguns ácidos de importância comercial........................151 Atividades.......................................................................................152

Bases ou hidróxidos................................................................. 153 Conceito de base de Arrhenius........................................... 153

Mol: unidade fundamental para a Química.................190

Algumas bases de importância comercial..................... 154

Atividades...................................................................................... 193

Força das bases...........................................................................155

Massa atômica e massa molar de um elemento.......194

Atividades.......................................................................................155

Massa molar e seu uso em cálculos químicos.............194

Sais................................................................................................... 156

Atividades......................................................................................194

Conceito de sal........................................................................... 156

O mol e os cálculos por meio de reações...................... 195

O que é neutralização?.............................................................157

Atividade........................................................................................ 195

A neutralização, o pH e os indicadores.............................157

Conexões – Química e trabalho – O transporte de produtos perigosos...........................................................................197

Conexões – Química e saúde – A reação de neutralização

e o tabagismo.................................................................................. 159

Atividades......................................................................................198

A reação de neutralização e os tipos de sal...................160

Reagentes em solução...........................................................199

Nomenclatura de ácidos, bases e sais............................ 163 Atividades......................................................................................164

DIVULGAÇÃO PNLD

CAPÍTULO 9 Cálculos químicos: uma iniciação.......................188

CAPÍTULO 8 Reações químicas: estudo qualitativo.............166 Representando as reações...................................................168 Conexões – Química, cotidiano e meio ambiente...................169

Determinando coeficientes de acerto............................ 170 É preciso ter método no balanceamento por tentativas.............................................................................. 170 Atividades.......................................................................................172

Concentração de uma solução...........................................199 Química: prática e reflexão......................................................199

Concentração em quantidade de matéria por litro (mol/L).................................................................................200 Reagente limitante...................................................................201 Atividades......................................................................................201 Viagem no tempo – Massa atômica: do hidrogênio ao carbono-12; Massa atômica de um elemento químico que possui isótopos........................................................................ 203 Atividades..................................................................................... 204

Decomposição do azoteto de sódio...................................173

CAPÍTULO 10 Reações de oxirredução.............................................. 206

Decomposição térmica do calcário...................................174

Conceitos importantes: oxidação e redução.............. 208

Decomposição por ação da luz e da eletricidade.........174

Atividades..................................................................................... 208

Reações de decomposição ou análise.............................173

Reações de síntese ou adição..............................................174

Um exemplo de reação de oxidação e redução.......... 208

Obtenção industrial do ácido clorídrico..........................174

Número de oxidação.............................................................. 209

A combustão do hidrogênio..................................................175

Número de oxidação médio.................................................. 211

Outros exemplos de reação de síntese............................175

Atividades.......................................................................................212

Atividades.......................................................................................175

Algumas generalizações sobre o cálculo do Nox.........213

Condições para que reações envolvendo eletrólitos ocorram...................................................................176

Atividade........................................................................................ 214

Reações de neutralização.......................................................176

Reações de oxirredução: agente oxidante e agente redutor............................................................................215

Reações de precipitação.........................................................176

Atividades...................................................................................... 216

Química: prática e reflexão.......................................................176 Conexões – Química e defesa do consumidor.........................180 Atividades.......................................................................................181

Reações com formação de eletrólitos mais fracos e/ou voláteis.................................................................. 182 Química: prática e reflexão...................................................... 183

Conexões – Algumas reações de oxirredução presentes no cotidiano......................................................................................217

Um tipo particular de oxirredução: substâncias simples com eletrólitos em solução................................220 A substância simples é um não metal.............................220 Atividades.......................................................................................221

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A substância simples é um metal......................................222

Nomenclatura dos óxidos.....................................................235

Química: prática e reflexão......................................................222

Atividades......................................................................................235

Atividades......................................................................................224

Classificação dos óxidos.........................................................236

Balanceamento de uma reação de oxirredução........225 Atividades......................................................................................227 Conexões – Os bafômetros e as reações de oxirredução........228

Equações de oxirredução na forma iônica....................228 Atividades......................................................................................229

Atividades......................................................................................239 Química: prática e reflexão...................................................... 241 Conexões – Química e ambiente – A chuva ácida...................242 Conexões – Química e Medicina – O gás hilariante: monóxido de dinitrogênio (N2O)...................................................243

CAPÍTULO 11 Óxidos..........................................................................................232

Atividades......................................................................................245

Introdução aos óxidos............................................................234

Testando seus conhecimentos............................................. 248

Resgatando o que foi visto.......................................................247

Unidade

DIVULGAÇÃO PNLD

4 Estado gasoso CAPÍTULO 12 Gases: importância e propriedades gerais.....252

Atividades.......................................................................................271

Por que estudamos os gases?.............................................254

Explicando a transformação isotérmica (Lei de Boyle)...............................................................................273

Comparando o estado gasoso com os demais estados...........................................................................................255

Como explicar o comportamento dos gases?.............272

Explicando a transformação isovolumétrica...............273

Atividade........................................................................................256

Explicando a transformação isobárica............................273

Liquefação de um gás.............................................................256

Explicando o princípio de Avogadro.................................274

Variáveis de estado de um gás............................................257

Atividades......................................................................................274

Pressão de um gás....................................................................258

Densidade absoluta.................................................................275

Conexões – Química e Física: Stevin e Pascal...........................259

Atividades......................................................................................275

Lei volumétrica de Gay-Lussac..........................................262

Como se calcula a densidade de um gás qualquer?......................................................................................276

Princípio de Avogadro.............................................................262 Viagem no tempo – Avogadro: um reconhecimento

Como a densidade de um gás varia com a pressão e com a temperatura?............................................276

póstumo..................................................................................... 264

Densidade relativa dos gases............................................... 277

Volume molar de um gás......................................................265

Atividades...................................................................................... 277

Volume molar nas CNTP e nas CPTP...............................265

Misturas gasosas....................................................................... 277

Atividades......................................................................................265

Pressão parcial de um gás..................................................... 277

Lei dos gases.............................................................................. 266

Atividades..................................................................................... 280

Química: prática e reflexão..................................................... 266

Conexões – Química e Biologia – Trocas gasosas

Consequências do princípio de Avogadro......................263

Química: prática e reflexão......................................................267

na respiração.................................................................................. 280

Lei de Boyle..................................................................................267

Cálculos em reações químicas das quais participam gases.......................................................................282

Lei de Charles e Gay-Lussac................................................ 268 Lei de Charles............................................................................. 268

Atividades......................................................................................282

Atividades......................................................................................269

Resgatando o que foi visto...................................................... 284

Lei dos gases ideais...................................................................270

Testando seus conhecimentos..............................................285

Atividades......................................................................................270

Tabelas para consulta............................................................... 286

Equação de estado e transformações gasosas...................271

Respostas.......................................................................................287

Lei dos gases (combinada).....................................................271

Referências bibliográficas....................................................... 288

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©SHUTTERSTOCK/WATCHARA

unidade

DIVULGAÇÃO PNLD

Introdução ao estudo da Química

▸

Leia os títulos das notícias que abrem esta unidade. Você já tinha percebido como é comum depararmos com a palavra química em nosso cotidiano?

<entra foto> Verificar a possibilidade de imprimir as matérias digitais seguintes, estudando a melhor forma para compor essas matérias de modo que as chamadas fiquem nítidas (e que fiquem claras as fontes) e fotografar essa composição. Com isso, o material fica mais verdadeiro com as fontes, estilos e tamanho de letra próprios de cada portal. Se precisar de mais chamadas, os autores poderão fornecer facilmente. Empresa Brasil de Comunicação, EBC, 7 out. 2015. Disponível em: <http://www.ebc.com. br/noticias/internacional/2015/10/nobelde-quimica-sai-para-tres-pesquisadores-dareparacao-de-dna>. Acesso em: 23 out. 2015.

Nesta unidade, vamos ver de que forma conhecimentos sobre a natureza da matéria se desenvolveram, se organizaram, passaram a ser elaborados com base em uma metodologia de pesquisa, se acumularam, se difundiram, dando origem à ciência Química. Também vamos retomar alguns conceitos básicos da área das Ciências da Natureza, como os de estados físicos da matéria e mudanças de estado. Analisaremos ainda outras possíveis alterações pelas quais um material passa e os conceitos de substância, substância simples, substância composta, além dos principais métodos para separar uma substância quando ela está misturada a outras. 10

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FOTOMONTAGEM/REPRODUÇÃO

https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/6463353/projeto-estuda-influencia-da-composicao-quimica-de-solos-agricolas-na-qualidade-de-hortalicas

Portal Embrapa, 20 out. 2015. Disponível em: <https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/6463353/projeto-estuda-influencia-dacomposicao-quimica-de-solos-agricolas-na-qualidade-de-hortalicas>. Acesso em: 23 out. 2015.

http://seculodiario.com.br/20862/10/pm-ambiental-registra-capina-quimica-em-area-de-preservacao-no-sul

DIVULGAÇÃO PNLD

Século Diário, 14 jan. 2015. Disponível em: <http://seculodiario.com.br/ 20862/10/pm-ambiental-registracapina-quimica-em-area-depreservacao-no-sul-do-es-1>. Acesso em: 23 out. 2015.

http://www.olhardireto.com.br/agro/noticias/exibir.asp?noticia=Embrapa_e_Embrap

Agro Olhar, 22 dez. 2015. Disponível em: <http://www.olhardireto. com.br/agro/noticias/exibir. asp?noticia=Embrapa_e_ Embrapii_unem-se_para_ pesquisas_em_Quimica_ Renovavel&edt=12&id=21994>. Acesso em: 4 jan. 2016.

http://exame.abril.com.br/geral/noticias/explosao-em-industria-quimica-mata-9-e-fere-2-na-china

Exame.com, 20 out. 2015. Disponível em: <http://exame.abril.com.br/geral/noticias/explosao-em-industria-quimica-mata-9-e-fere-2-na-china>. Acesso em: 23 out. 2015.

Nesta unidade Capítulo 1. Química: que ciência é essa? Capítulo 2. Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton Capítulo 3. Substâncias e misturas

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capítulo

Química: que ciência é essa?

DIVULGAÇÃO PNLD

D.A PRESS/ON/FABYANA MOTA

Alunos em laboratório de Química do curso de Engenharia de Alimentos na Universidade Federal da Paraíba (UFPB) em uma das muitas aplicações dos conhecimentos químicos. Foto de 2011.

Para situá-lo Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • os objetos de estudo da Química; • as aplicações do conhecimento químico e suas implicações socioeconômicas e ambientais.

Muitas pessoas nunca tiveram oportunidade de estudar Química; mesmo assim, já têm algumas ideias a respeito dessa ciência, elaboradas a partir das observações e reflexões acumuladas em sua vida. Talvez algo parecido aconteça com você. Ainda que não tenha estudado Química como passará a fazer a partir de agora, já deve ter algumas noções a respeito dela. Esse conhecimento foi se constituindo por meio da observação de fatos do cotidiano, de conversas informais, de reflexões sobre informações divulgadas em programas de televisão, em sites, revistas, jornais. Como ponto de partida, faça as atividades seguintes.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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MATRIZ

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1. Observe as tiras a seguir:

©NIQUEL NAUSEA/FERNANDO GONSALES

©GILMAR/ACERVO DO ARTISTA

Não escreva neste livro.

2. Leia, ao lado, o título de uma matéria e o pequeno texto que vem antes dele.

FOLHA DE S.PAULO/REPRODUÇÃO

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Que ideias a respeito da Química são ressaltadas nas tiras? Converse a respeito delas com seus colegas e com seu professor.

Ao terminar essa leitura, que ideia você tem sobre limpeza e química? 3. Em uma palestra sobre problemas associados ao cigarro, um médico afirmou: “É preciso evitar que as pessoas comecem a fumar porque não é fácil abandonar o cigarro, já que a nicotina causa dependência química”. O que o médico quis dizer com essa afirmação? 4. Procure em jornais, revistas, letreiros, anúncios, fotos e na internet frases relacionadas à Química. Registre-as em seu caderno e avalie os aspectos positivos e negativos de cada uma delas. Não se esqueça de anotar as fontes de cada uma das informações. 5. Faça uma pesquisa com quatro ou cinco pessoas (que não sejam estudantes de Ensino Médio) e peça que relacionem palavras ou mencionem fatos que elas associam à Química. Registre esses dados em seu caderno.

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Limão, vinagre e bicarbonato de sódio também ajudam na faxina

Limpeza sem química

a) Com base em suas anotações, procure avaliar se a imagem que essas pessoas têm da Química é predominantemente positiva ou negativa. b) Compare o material que você listou na questão 4 com os dados colhidos na sua pesquisa. Há algo em comum entre eles? Qual a ideia geral que se tem da Química?

GEROLLA, Giovanny. Folha de S.Paulo, São Paulo, 11 set. 2005. Disponível em: <http://www1.folha.uol. com.br/fsp/construcao/ cs1109200501.htm>. Acesso em: 23 out. 2015.

Este capítulo, além de propiciar uma reflexão sobre as ideias que você e seus colegas têm do campo de estudo da Química, permite a análise de alguns exemplos de transformações importantes para a aprendizagem das Ciências Naturais. Parte dele discute algumas das consequências das aplicações dos conhecimentos científicos. Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Talvez a maioria das pessoas não se dê conta, mas a Química está ligada ao dia a dia de todos os seres humanos e isso independe de se viver no campo ou em uma grande cidade, de ter ou não boas condições econômicas. Entretanto, muitas pessoas associam a Química a tudo o que é artificial. Predomina também a ideia de que essa ciência seria uma das principais responsáveis por prejuízos à saúde e à preservação do equilíbrio ambiental e da biodiversidade. Ouvimos com frequência frases do tipo: “Cuidado! Não coma isso: tem química”. Ou propagandas como: “Nossos produtos são isentos de substâncias químicas”. Mas, afinal, qual o campo de estudo da Química? Que papel tem essa ciência em nossa vida? Que uso os seres humanos fazem dela? A Química é uma ciência que se ocupa principalmente do estudo dos materiais e suas transformações. Por isso, graças a seu desenvolvimento, tem sido possível obter um grande número de materiais. Vamos ver alguns exemplos que mostram como o desenvolvimento da Química tem trazido benefícios à humanidade. A maioria dos tecidos das roupas que usamos nos dias de hoje foi obtida graças ao conhecimento químico. Algodão, seda, lã e outros materiais de origem animal ou vegetal, por exemplo, vêm convivendo com fibras sintéticas como o náilon, o poliéster e as lãs acrílicas. O náilon tem um emprego bastante amplo. Além de ser usado na confecção de roupas, é empregado, por exemplo, em engrenagens ou outras peças que necessitam ter alta resistência ao desgaste. ©SHUTTERSTOCK/MATPITCHAYA

O desenvolvimento da Química associado ao da Metalurgia permitiu a criação de muitas ligas metálicas. Na prática, uma liga metálica é empregada no lugar do metal que a constitui quando apresenta características vantajosas para o fim a que se destina. O aço, por exemplo, que é uma liga constituída basicamente de ferro e carbono, é mais resistente e mais facilmente transformado em fios e em lâminas do que o ferro. Além disso, dependendo da porcentagem de cada componente nessa liga e da presença de outros metais, o tipo de aço produzido pode apresentar propriedades que o tornam vantajoso para certas aplicações. Por exemplo, os aços inoxidáveis (basicamente, liga de ferro, carbono e cromo) são mais resistentes à corrosão que aços comuns. 14

Biodiversidade: termo criado em 1988, bastante usado nos últimos tempos para designar a variedade da vida em nosso planeta (flora, fauna, microrganismos), encontrada nos mais diferentes ambientes. Tendo em vista que as espécies e os ambientes que lhes dão suporte interagem, é desse processo que se dá a evolução das espécies. Nosso país possui a maior biodiversidade do mundo; estima-se que estejam no Brasil cerca de 2/3 das espécies existentes na superfície terrestre. A preservação da biodiversidade é fundamental para nossa sobrevivência.

©S HU TT ER ST OC K/ GO PF AS TE R

©SHUTTERSTOCK/WK1003MIKE

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Como o conhecimento químico tem sido empregado

Objetos fabricados com materiais sintetizados pelo ser humano.

Liga metálica: material formado por vários componentes, sendo ao menos um deles um metal.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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PULSAR IMAGENS/THOMAZ VITA NETO

Além dos diversos tipos de aço, empregados tanto em objetos simples − como talheres e travessas – quanto em estruturas complexas e resistentes de grandes obras de engenharia, outras ligas metálicas são bastante conhecidas e usadas. É o caso dos vários tipos de latão, ligas contendo basicamente cobre e estanho, resistentes à corrosão e facilmente transformadas em fios, e dos bronzes, formados por cobre, estanho e outros componentes, ligas ainda mais resistentes e menos vulneráveis à corrosão que os latões.

Ponte sobre o rio Paranaíba, ligando os municípios de Porto Alencastro (MS) e Carneirinho (MG), 2013. O aço é empregado em estruturas da construção civil, especialmente no caso de grandes obras. É muito usado, por exemplo, na estrutura de pontes, pois torna mais rápida e fácil essa etapa da construção do que se elas fossem feitas em concreto.

Avanços da Bioquímica – campo responsável pelo estudo dos processos químicos que ocorrem nos seres vivos − têm permitido conhecer muitos mecanismos de funcionamento de organismos, favorecendo o desenvolvimento da Biologia Molecular e da Farmacologia, fundamentais ao progresso da Medicina. A cada dia, novos princípios ativos são sintetizados por pesquisadores ou isolados a partir de produtos naturais, que, após um período de testes, são usados no controle e, em muitos casos, na cura de inúmeras enfermidades, o que era inviável há algumas décadas. Vários outros exemplos ainda poderiam ser citados. No entanto, não podemos nos esquecer de que, ao lado dessas conquistas, a utilização que se faz de muitos desses recursos também tem causado danos ao ambiente e à vida de modo geral. Embora algumas pessoas atribuam à Química a responsabilidade por esses problemas, é o ser humano que decide como o conhecimento químico vai ser usado. A Química é uma ciência que permite solucionar muitos desses problemas, desde que o ser humano tenha essa preocupação. Biologia Molecular e Farmacologia A Biologia Molecular é um dos campos de estudo mais recentes da Biologia. Iniciada em meados do século XX, seu principal objeto reside no estudo de características genéticas, entre elas a participação dos cromossomos, do DNA, em fatores hereditários. Enquanto a Genética estuda esses mesmos fatores em nível celular, a Biologia Molecular, como o próprio nome indica, o faz em nível molecular – unidades diminutas que constituem essas estruturas e que também são objeto de estudo da Química. Esses estudos são de fundamental importância na busca de tratamentos e na pesquisa de novas drogas, campo específico de estudo da Farmacologia. Ou seja, todas essas áreas de estudo ligadas ao campo da Farmácia e da Medicina são muito dependentes dos conhecimentos químicos.

Princípio ativo: substância que atua como medicamento no combate a uma doença. Quando compramos um remédio e o vendedor nos oferece outro equivalente – um genérico, por exemplo –, devemos verificar se o princípio ativo é o mesmo. Quando se extrai um medicamento de uma planta, mesmo que ela contenha vários componentes químicos, um deles (às vezes mais que um) terá o efeito desejado no organismo, o princípio ativo.

Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Conexões Química e ambiente – Problemas × soluções Vamos refletir um pouco sobre a importância da escolha de determinadas soluções para problemas enfrentados pela humanidade. Inseticidas

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No início dos anos 1940, com a descoberta da substância conhecida como DDT, imaginava-se que se teria conseguido, finalmente, combater insetos responsáveis por doenças e que destruíam a agricultura, sem causar danos à saúde humana e ao ambiente. Durante os 20 anos seguintes, a produção e o uso do DDT cresceram muito e as consequências disso começaram a ser percebidas. Embora a utilização desse e de outros inseticidas tivesse impedido que grandes grupos populacionais fossem vítimas de doenças como a malária e o tifo, por exemplo, percebeu-se que eles permaneciam muito tempo no ambiente. Se, por um lado, essa característica permitia que eles atuassem por tempo suficiente para combater muitas gerações de insetos, por outro, causava problemas ao ambiente, muitos deles decorrentes do fato de se acumularem na cadeia alimentar. Com o tempo, outras técnicas de combate a insetos passaram a ser empregadas, como o uso de inseticidas de menor durabilidade, de feromônios que atraem insetos e funcionam como armadilhas, e a esterilização de insetos por radiação.

Feromônio: substância produzida por animais que provoca reações em outros da mesma espécie. Existem vários tipos de feromônios, como os sexuais, que provocam a atração sexual do sexo oposto.

Os CFCs, clorofluorocarbonetos (impropriamente chamados de clorofluorcarbonos), foram muito usados em geladeiras, aparelhos de ar condicionado e aerossóis. Com o passar do tempo, revelaram-se prejudiciais à camada de ozônio – nome dado a uma região da atmosfera rica em gás ozônio. Essa camada nos protege de parte dos raios ultravioleta emitidos pelo Sol porque, ao absorvê-los, impede que nos atinjam e prejudiquem nossa saúde. Isso explica por que os CFCs vêm sendo substituídos por produtos que não destroem o gás presente nessa região da atmosfera. Proteger a camada de ozônio é importante para evitar queimaduras e câncer de pele, por exemplo.

ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

CFCs

Embalagem de inseticida em aerossol isento de CFCs.

Os combustíveis, a produção de energia e as questões ambientais Certamente, uma das maiores fontes de agressão ao meio ambiente tem vindo do uso de combustíveis fósseis e de seus derivados – caso da gasolina, do óleo diesel, do carvão, entre outros. Por quê? Geralmente a energia utilizada para movimentar um veículo, aquecer um alimento, aumentar a temperatura de uma mistura a ser processada em uma siderúrgica, por exemplo, é obtida a partir desses combustíveis e tem como consequência a formação de poluentes, isto é, de materiais que, em curto ou longo prazo, causam prejuízos ao ambiente e à vida em geral. Um dos desafios da atualidade é reduzir as emissões desses poluentes, seja substituindo os combustíveis fósseis por etanol ou hidrogênio, por exemplo, seja utilizando energia solar ou eólica (energia gerada pelo vento) em substituição a fontes mais poluentes.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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GETTY IMAGES/KEVIN FRAYER

Poluição elevada obriga turistas a usarem máscaras. Cidade Proibida, antigo Palácio Imperial da China, Pequim (2015). FOTOARENA/JOÃO PEDRO DURÃO

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Por esse motivo, as questões ambientais vêm sendo discutidas pela sociedade e pela mídia. Vários encontros internacionais foram realizados nos últimos 25 anos com o objetivo de conscientizar a comunidade internacional sobre a necessidade de todos os países buscarem soluções para frear as agressões à natureza. Entre esses encontros, tivemos a ECO-92, realizada na cidade do Rio de Janeiro em 1992, e a Rio+20 em 2012; desde 1995, têm sido realizadas, anualmente, as COP (Conferência das Partes da Convenção das Nações Unidas sobre a Mudança do Clima). Acordos internacionais, no entanto, não bastam para resolver essas questões. É necessária a contínua expansão do nível de conhecimento e de comprometimento de todos em relação às questões que envolvem o ambiente. A decisão de usar ou não determinado material, de que forma e em quais circunstâncias não deve depender apenas de uma legislação eficaz ou da maior agilidade dos órgãos públicos. A população tem de ser bem informada e atuante, capaz, assim, de compreender os principais aspectos envolvidos em cada decisão.

Peixes mortos na Lagoa Rodrigo de Freitas, Rio de Janeiro (RJ), em 2013. Chuvas intensas levam grande quantidade de matéria orgânica para a lagoa, que, ao se decompor, absorve o oxigênio da água, ocasionando a morte dos peixes.

1. Identifique no texto exemplos de usos benéficos e destrutivos que se pode fazer dos conhecimentos químicos.

Não escreva neste livro.

2. Reúna-se com seus colegas e conversem sobre: • outros usos benéficos ou negativos que se pode fazer dos conhecimentos químicos; • o papel de cada um de nós para que a humanidade tire o melhor proveito possível dessa ciência. Resuma em seu caderno as principais conclusões a que o grupo chegou. Depois cada grupo elege um representante para apresentar suas conclusões a toda a classe. As conclusões foram semelhantes?

Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Viagem no tempo

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Há quanto tempo a humanidade se dedica ao estudo dos materiais, valendo-se de metodologias e critérios científicos, como se faz em Química? Se compararmos o tempo de existência do ser humano na Terra com o tempo de existência da Química como ciência, podemos dizer que esse campo de estudo se estruturou há relativamente pouco tempo. No entanto, sua prática sempre esteve ligada à vida humana. O fogo, por exemplo, representa um dos mais antigos recursos usados por nossos ancestrais para transformar materiais retirados da natureza. A possibilidade de usar o fogo diferenciou o ser humano de outros animais. Em cavernas asiáticas, há vestígios de fogueiras feitas há 500 mil anos. Supõe-se que os povos primitivos o tenham encontrado na natureza – o fogo teria aparecido por ação de um raio, por exemplo – e, inicialmente, tenham aprendido a controlá-lo e a alimentá-lo. Imagina-se que só mais tarde se tenha conseguido produzir fogo atritando dois pedaços de madeira. O domínio do fogo representou uma conquista importante para a humanidade, uma vez que proporcionou acesso à iluminação e proteção contra o frio. Também com a utilização do fogo foi possível obter metais a partir dos minérios retirados da natureza, como é o caso do cobre (4000 a.C.). Voltando à questão sobre quando começou o estudo dos materiais, pode-se dizer que, desde as práticas iniciadas por nossos ancestrais, milhares de anos antes de Cristo – de caráter eminentemente empírico, isto é, baseadas somente nas observações e experiências vividas, sem a elaboração de teorias –, até a Química como ciência estruturada, houve um longo processo, que se estendeu até o início do século XIX.

©SHUTTERSTOCK/TALASHOW

O fogo e a revolução tecnológica

Há milhares de anos, o ser humano tem usado o calor do fogo, produzido em reações de combustão, para cozinhar os alimentos.

Antes dessa discussão, é importante fazer alguns esclarecimentos. Não se pode dissociar uma descoberta ou o desenvolvimento de um conjunto de conhecimentos do contexto em que eles têm lugar. Isso quer dizer que todo processo de criação científica está intimamente ligado a múltiplos aspectos da sociedade em que ocorre − a organização social e econômica, as crenças religiosas, os aspectos psicológicos e filosóficos (que dizem respeito a como as pessoas dessa sociedade veem o mundo e o sentido que dão à própria existência, por exemplo). O que se pretende destacar é que as descobertas que marcaram a Química no período em que ela começava a se estruturar como ciência fizeram parte de um processo que ocorreu em um período histórico e em certas sociedades que o favoreceram. Nesse sentido, vale destacar que esse processo foi influenciado pelo que aconteceu no decorrer do século XVI, quando houve avanços importantes no campo da Física e da Astronomia. Esse período se caracterizou pelo domínio da razão, da experimentação, em oposição às ideias dominantes na Idade Média (período histórico compreendido entre os séculos V e XVI), fortemente marcadas por interpretações místicas do cosmo. Isso provocou muitos choques. Foi marcante, por exemplo, o impacto causado pelos trabalhos do astrônomo italiano Galileu Galilei (1564-1642), que chegou a ser obrigado pela Santa Inquisição a negar sua teoria, uma vez que havia chegado à conclusão de que a Terra girava em torno do Sol, e não o Sol em torno da Terra. Além de Galileu, outros estudiosos passaram a valer-se de uma metodologia baseada em fatos observáveis e na experimentação. Retrato de Galileu Galilei, de Justus

JUSTUS SUSTERMANS/NATIONAL MARITIME MUSEUM, LONDRES, REINO UNIDO

Quando se inicia a Química?

Sustermans, 1639.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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No século XIII, diante do grande poder religioso e político da Igreja, sob a liderança do papa Gregório IX, foi criada a Santa Inquisição, um tribunal que julgava todos aqueles que, de alguma forma, pudessem ameaçar as crenças cristãs. Entre essas crenças estava a de que a Terra era o centro do Universo, baseada no filósofo Aristóteles. Ao expor ideias baseadas em observações astronômicas, feitas com um telescópio construído por ele mesmo, Galileu defendeu a tese de que o Sol era o centro do Universo. A publicação de sua obra, Diálogos sobre os dois grandes sistemas do mundo, em 1632, não foi aceita pela Igreja. Ele foi preso e condenado pela Inquisição. Para evitar que fosse queimado vivo, decidiu renegar suas ideias em uma confissão diante dos que o julgavam.

A guerra do fogo (La guerre du feu), de Jean-Jacques Annaud. França/ Canadá, 1981 (125 minutos). Esse filme franco-canadense, bastante premiado, conta a história de uma batalha entre duas tribos da Pré-História em torno da posse e da produção do fogo, tecnologia de grande importância na evolução humana.

Voltando à questão proposta no subtítulo, é difícil dizer com precisão quando se inicia a Química, até pelo fato de as primeiras práticas de natureza científica terem coexistido com outras, cujo caráter era bem diferente: as realizadas pelos alquimistas. Estas últimas foram praticadas por vários povos – egípcios, gregos, chineses, árabes, etc. – desde o século IV a.C. e começaram a perder importância durante o século XVIII, quando procedimentos de caráter científico ganharam espaço no estudo da matéria e de suas transformações. Os alquimistas realizavam um conjunto de práticas que tinha, entre suas principais motivações, a busca por uma maneira de transformar metais comuns em ouro e de obter um material que pudesse prolongar a vida; foi graças ao trabalho deles que muitos materiais foram obtidos. Pode-se dizer que foi da Alquimia que a Química, da maneira como é entendida hoje, se originou. No entanto, considera-se que dois estudiosos marcaram a Química em seu início. O primeiro deles foi o estudioso irlandês Robert Boyle (1627-1691). Autor do livro O químico cético (The Sceptical Chymist), desenvolveu suas pesquisas na Inglaterra. Boyle realizou experimentos planejados, partindo da elaboração de uma questão que pretendia esclarecer. Para isso, realizou observações, medidas, anotações, elaborou hipóteses, testou-as, formulou explicações, repetiu procedimentos e, com base em muitos deles, estabeleceu generalizações. Deixou muitos trabalhos na área da Pneumática – do estudo dos gases, como veremos no capítulo 12. O segundo foi o francês Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794), que deixou inúmeras contribuições para o desenvolvimento da Química. Entre elas, vale destacar a introdução do uso da balança em seu trabalho experimental, assim como os estudos sobre a reação de combustão (que veremos mais adiante). Fez inúmeros experimentos, incluindo vários em que mediu as massas dos particiPágina de abertura do livro de Robert Boyle, de 1661. pantes de processos químicos. Formulou a lei da conservação das massas, sobre a qual nos aprofundaremos no capítulo 2. Foi a partir dessa época, no final do século XVIII, que as técnicas para transformar os materiais passaram a ser exercidas usando uma metodologia baseada em investigações experimentais, próprias da Ciência moderna. Essa metodologia tinha como ponto de partida a formulação de um problema. Mas como surge a indagação que propicia a experimentação? Ela pode nascer de outro experimento realizado pelo mesmo estudioso, de dúvidas sugeridas pelos trabalhos de outros estudiosos, de reflexões realizadas a partir de observações feitas ou de acontecimentos imprevistos que ocorrem durante um experimento e que mudam o rumo da pesquisa.

Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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©WIKIMEDIA COMMONS/CHEMICAL HERITAGE FOUNDATION

Galileu e a Santa Inquisição

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A experimentação levará à coleta de dados, que pode ou não exigir a realização de medidas. Isso requer planejamento para que as condições do experimento estejam bem definidas. O registro dessas condições, bem como o das observações, garante a possibilidade de reprodução dos experimentos, viabilizando a comparação entre vários deles. Todo esse processo leva a novos problemas e a mudanças no curso das pesquisas, conduzindo à elaboração de teorias que expliquem os dados obtidos. Um esclarecimento A Ciência moderna foi marcada por uma visão mecanicista, racional, com ênfase na experimentação, no que pode ser observado. Havia também uma busca por certezas. Já a Ciência contemporânea abandonou essa busca por certezas absolutas, assumindo uma postura investigativa na busca de explicações, sujeitas a constantes revisões e reavaliações, já que suas conclusões são provisórias. Para a Ciência atual, a experimentação e a observação são apenas alguns dos recursos de que a busca pelo conhecimento dispõe. Sendo assim, não se pode afirmar que exista apenas um método científico ou uma única maneira de se construir conhecimento no campo das Ciências Naturais. 1. Explique em que medida a Química, apesar de ser considerada por muitos uma ciência jovem, está ligada à vida humana desde os seus primórdios.

Não escreva neste livro.

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2. Relacione o domínio do fogo à Química. 3. Cite alguns procedimentos típicos de uma ciência experimental que permitiram à Química adquirir uma base teórica que a fundamentasse. O conhecimento científico é construído a partir de dúvidas, surpresas e reconsiderações – A descoberta da penicilina A descoberta da penicilina G pelo médico inglês Alexander Fleming (1881-1955), em 1928, é um marco na Medicina; o trabalho de Fleming, seguido pelo de outros estudiosos, viabilizou a produção do primeiro medicamento usado como antibiótico em 1941. Fleming voltou da Primeira Guerra Mundial motivado pelo desejo de reduzir o sofrimento observado em soldados que tinham suas feridas infectadas pela bactéria Staphylococcus aureus e passou a realizar experimentos com culturas desse microrganismo. O cientista saiu de férias e esqueceu em seu laboratório algumas placas de cultura desprotegidas. Ao retomar a pesquisa, notou que elas estavam contaminadas por um bolor; a observação cuidadosa do material levou-o a notar que, em volta desse bolor, não havia mais bactérias. Fleming conduziu então sua equipe a um novo caminho: o objetivo de sua pesquisa era o de descobrir o que explicaria a destruição das bactérias ao redor das colônias de bolor. Experimentos levaram à obtenção de um fungo, Penicillium, extraído do bolor, e os pesquisadores concluíram que esse fungo era o responsável pela produção de uma substância que tinha efeito bactericida: a penicilina. Essa descoberta exemplifica a importância de o pesquisador manter-se atento à observação de aspectos não previstos de acordo com o objetivo da pesquisa inicial. Foi, portanto, um acaso que levou à descoberta do primeiro antibiótico, mas isso só foi possível porque o cientista soube explorar um fato inesperado; a observação e a reflexão em torno desse fato nortearam a formulação de uma pergunta em torno da qual novos experimentos foram realizados. Fonte: Jornal Brasileiro de Patologia e Medicina Laboratorial, v. 45, n. 5. Rio de Janeiro, out. 2009. Disponível em: <http://dx.doi.org/10.1590/S1676-24442009000500001>. Acesso em: 26 out. 2015.

• Que ocorrência acidental motivou Fleming a fazer pesquisas que levaram à descoberta da penicilina?

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Os químicos estudam as transformações dos materiais Para introduzir a ideia de transformação de materiais, vamos analisar alguns sistemas. Mas o que são sistemas para a Química? Chamamos de sistema o conjunto de materiais que são isolados de todos os outros com a finalidade de serem estudados. Se as características iniciais de um sistema são diferentes das finais, dizemos que ele sofreu uma transformação.

As mudanças de estado: um tipo de transformação Você está familiarizado com as transformações que ocorrem com a água quando é aquecida ou resfriada. Mas isso não ocorre apenas com a água. De maneira geral, os materiais presentes na natureza se transformam quando são aquecidos ou resfriados. Vamos falar um pouco sobre essas transformações.

Aquecendo estanho

PULSAR IMAGENS/RICARDO AZOURY

©SHUTTERSTOCK/TROMBAX

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É possível que você nunca tenha visto estanho; trata-se de um metal usado, por exemplo, em objetos de decoração e em soldas de componentes de circuitos eletrônicos.

Na soldagem de componentes de circuitos eletrônicos, como é o caso dos que compõem um computador, é usada uma liga de estanho na forma de fio (como na foto acima, à esquerda). Também utensílios de cozinha ou objetos de decoração (foto à direita) podem ser feitos de estanho. SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Você sabe que, quando aquecemos um cubo de gelo, ao atingir certa temperatura, ele “derrete”. Será que acontece algo semelhante com o estanho? Ao aproximarmos um pouco de estanho sólido de uma chama, observamos o aparecimento de um líquido – como pode ser observado na foto ao lado – que nos lembra o mercúrio – único metal líquido à temperatura ambiente, até pouco tempo bastante utilizado em termômetros clínicos (leia o boxe na página seguinte).

O aquecimento do metal estanho produz um líquido de cor prateada que lembra o mercúrio. Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Será que o aquecimento do estanho o transforma em mercúrio? Para saber se houve, de fato, uma transformação tão profunda – uma transformação química –, teríamos de comparar diversas propriedades do estanho líquido com uma série de propriedades do mercúrio. Por exemplo, podemos dizer que o estanho líquido não é mercúrio porque, quando se adiciona ácido clorídrico a ele, nota-se a liberação de bolhas, o que não ocorreria no caso do mercúrio. Mas então o que o aquecimento provocou no estanho? Ele apenas passou do estado sólido para o estado líquido. Essa transformação é chamada de fusão e pode ser representada por: estado inicial

aquecimento

estado final

estanho sólido

fusão

estanho líquido

Ou, de modo simplificado, por: ∆

estanho(s)

estanho(ℓ)

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Se colocarmos o estanho líquido em uma superfície fria, obteremos esse metal na forma sólida. A passagem de um material do estado líquido para o estado sólido é chamada de solidificação. Na solda de circuitos eletrônicos, por exemplo, o estanho sólido passa para o estado líquido quando entra em contato com o ferro de solda a alta temperatura; já ao se depositar sobre a superfície bem mais fria da placa do circuito, ocorre o processo oposto e o estanho líquido se solidifica. estado inicial

resfriamento

estado final

estanho líquido

solidificação

estanho sólido

estanho(ℓ)

resfriamento

Veja alguns símbolos adotados na linguagem científica: s – sólido ℓ – líquido g – gasoso ∆ – aquecimento

estanho(s)

Saúde sem mercúrio

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/CORDELIA MOLLOY

Em novembro de 2011 o uso do mercúrio em termômetros clínicos foi proibido no Brasil. Isso porque esse metal é tóxico. Um dos riscos de seu emprego em termômetros clínicos é o invólucro de vidro quebrar e o metal entrar em contato com a pele e as mucosas, causando danos à saúde. A exposição excessiva ao mercúrio danifica o sistema imunitário e pode acarretar transtornos psicológicos e digestivos, a queda de dentes e problemas cardiovasculares ou respiratórios. Desde 2008, está em curso uma campanha mundial, da qual faz parte a Organização Mundial da Saúde (OMS), pela “Saúde sem mercúrio”. Desde 2009, muitos hospitais aderiram a ela, deixando de usar termômetros e esfigmomanômetros de mercúrio (medidores de pressão). Fontes: <http://www.protecao.com.br/noticias/legal/ portarias_do_inmetro_proibem_o_uso_de_termometros_ de_mercurio/J9y4Jjjb/8997>; <http://portal.crfsp.org.br/noticias/5087-proibicao-deinstrumentos-com-mercurio.html>; <http://noticias.r7.com/saude/noticias/entidadesambientais-pedem-a-anvisa-que-proiba-termometros-demercurio-20100520.htm>. Acessos em: 24 nov. 2015.

Por muitos anos, o mercúrio, metal líquido à temperatura ambiente (foto acima), foi bastante utilizado em termômetros clínicos, para medir a temperatura de nosso organismo.

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Aquecendo iodo

GETTY IMAGES/PHOTO RESEARCHERS RM

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/DR. P. MARAZZI

Será que todo sólido submetido a aquecimento funde? Vamos considerar o caso do iodo.

À temperatura ambiente, o iodo encontra-se na forma de cristais cinzentos e brilhantes. Assim que se inicia o aquecimento do iodo sólido em uma capela de um laboratório, nota-se imediatamente o aparecimento de vapores arroxeados. Esses vapores são tóxicos e, por isso, não devem ser inalados. Observe a imagem. LATINSTOCK/PHOTO RESEARCHERS, INC./CHARLES D. WINTERS

LATINSTOK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY

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Talvez você associe o iodo a um líquido marrom-alaranjado, conhecido como “tintura de iodo”, utilizado como antisséptico (foto à esquerda); esse líquido é uma mistura de iodo e álcool. Já o iodo (foto à direita) é um sólido à temperatura ambiente.

Cuidado! Os vapores arroxeados, formados quando o iodo é aquecido, são tóxicos e não devem ser inalados. Observe na imagem que o experimento foi realizado em uma “capela”.

Capela: as capelas fazem parte dos equipamentos de laboratórios químicos para proteger as pessoas que nele trabalham quanto ao manuseio de produtos químicos tóxicos ou que podem liberar para o ambiente materiais prejudiciais à saúde. Nesse equipamento há um potente exaustor que minimiza o risco de essas substâncias se difundirem pelo espaço do laboratório.

Quando os vapores de iodo esfriam, ele passa diretamente para o estado sólido.

O iodo não passa do estado sólido para o estado líquido quando é aquecido nas condições do ambiente; o sólido se transforma diretamente em vapor. Chama-se sublimação a mudança direta de estado físico de sólido para gasoso. Em contato com uma superfície fria, o iodo na forma de vapor volta a ser sólido; portanto, o vapor de iodo se transforma diretamente em sólido com o abaixamento suficiente da temperatura. Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Continuamos tendo iodo antes e depois dessas transformações, que podemos representar por: estado inicial

aquecimento

estado final

iodo sólido

sublimação

iodo gasoso

∆

iodo(s)

iodo(g)

estado inicial

resfriamento

estado final

iodo gasoso

deposição ou sublimação inversa

iodo sólido

resfriamento

iodo(g)

iodo(s)

O que há em comum entre o aquecimento, seguido de resfriamento, da água, do estanho e do iodo?

DIVULGAÇÃO PNLD

Aquecimento e resfriamento de iodo, estanho e água são exemplos de mudanças de estado físico. Essas mudanças de estado são um dos tipos de transformação física. São atribuídos vários nomes à mudança de estado físico do estado gasoso para o sólido. De acordo com União Internacional de Química Pura e Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC), ela deve ser chamada solidificação. Em livros de nível superior de Física e Química são encontrados, também, os termos: ressublimação, sublimação inversa, deposição, entre outros. Nesta obra usaremos os termos sublimação inversa ou deposição para designar a mudança de estado de gás a sólido. Vamos relembrar o nome dessas mudanças de estado usando o exemplo da água. Ilustração elaborada para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala. PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Mudanças de estado físico da água

sublimação

fusão

vaporização

solidificação

condensação ou liquefação

estado sólido

estado líquido

estado gasoso

sublimação inversa ou deposição

Atenção! O vapor de água não é visível. A “nuvem” que costumamos ver acima de uma panela com água aquecida é constituída por gotículas de água líquida. O vapor de água (invisível) que sai do líquido quente esfria ao entrar em contato com o ar, que se encontra em temperatura inferior. Com esse resfriamento, o vapor volta para o estado líquido (condensação).

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Aquecer sempre provoca mudança de estado? O açúcar refinado é um material que se caracteriza por um conjunto de propriedades: nas condições ambientes, ele é sólido, branco, doce e dissolve-se bem na água. Vamos ver o que ocorre quando se aquece o açúcar refinado para fazer uma calda. À medida que é aquecido, a cor branca vai desaparecendo e progressivamente o produto do aquecimento vai escurecendo. Se passarmos do ponto de calda, obteremos um sólido escuro, um novo material com propriedades distintas das do sólido inicial. Observe o quadro: Estado inicial

Estado final

Cor

branca

preta

Sabor

doce

não é doce

Em água

dissolve-se bem

praticamente não se dissolve

açúcar

∆

produto preto

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Se resfriarmos esse novo material, ele não voltará a ter as características que possuía antes de ser aquecido. No aquecimento do açúcar refinado ocorrem transformações (ou reações) químicas. Vale dizer que nesse processo há liberação de gases.

Não escreva neste livro.

Química: prática e reflexão O aquecimento de alguns materiais pode produzir materiais novos, com propriedades diferentes das iniciais, como ocorreu com o açúcar refinado. E quando se junta um material a outro, pode ocorrer uma reação química? Material necessário

• 3 copos • cerca de 300 mL de água • 3 colheres (sopa) de vinagre

• 3 colheres (café) de bicarbonato de sódio • 3 colheres (café) de detergente

• 1 colher (sopa) • 1 colher (café)

Procedimentos

1. Coloquem quantidades iguais de água nos 3 copos e, em seguida, 1 colher (café) de detergente em cada um deles. 2. No primeiro copo, coloquem 3 colheres (sopa) de vinagre e 1 colher (café) de bicarbonato de sódio. Observem por alguns segundos. 3. No segundo copo, coloquem 2 colheres (café) de bicarbonato e observem por alguns segundos. 4. No terceiro copo, deixem apenas a água com o detergente. Descarte dos resíduos: os resíduos da atividade podem ser descartados diretamente no ralo de uma pia. Analisem suas observações

1. Anotem no caderno o que vocês observaram em cada um dos copos e comparem os resultados. 2. Por que vocês acham que foi misturado detergente à água? 3. O detergente foi colocado nos três copos com água. Em um deles, nada mais foi acrescentado. Por que vocês acham que foi adotado esse procedimento no terceiro copo? 4. Nos três copos da atividade foram misturados diferentes materiais. Em qual deles vocês acham que ocorreu reação química? Justifique sua resposta.

Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Misturar é diferente de reagir O experimento anterior foi proposto para ajudá-lo a diferenciar misturar de reagir. Analise as situações a seguir.

Acrescentando sal à água Quando se coloca um pouco de sal de cozinha na água, obtém-se um sistema incolor, de aspecto igual ao da água pura, e tem-se a impressão de que o sal desapareceu. Mas isso não ocorre. Você já deve ter tido a oportunidade de experimentar água na qual foi misturado sal de cozinha (se não o fez, faça isso na cozinha de sua casa) e pôde verificar que o sabor salgado, uma propriedade desse material, é mantido nessa mistura. Dizemos que o sal se dissolve na água, originando uma mistura homogênea ou solução, isto é, nesse tipo de mistura não é possível distinguir os materiais misturados – sal e água. Água e sal podem ser separados da solução por aquecimento: a água vaporiza-se e, ao encontrar uma superfície fria – como a tampa da panela onde a solução está –, condensa-se, enquanto o sal permanece no estado sólido, inalterado. A dissolução do sal na água é um exemplo de transformação física.

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Você sabe que, se acrescentarmos mais água quente a uma xícara de chá colorido, ele vai assumir uma cor mais clara. Nesse caso, não há transformação química, apenas física. Nesse processo houve acréscimo de água à solução – que já continha a água que foi usada em seu preparo; esse acréscimo provocou a diluição (da solução do chá preparado).

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Acrescentando água quente a uma xícara de chá

Acrescentando sumo de limão ao bicarbonato de sódio Quando gotejamos sumo de limão em bicarbonato de sódio, observamos uma rápida efervescência, ou seja, uma intensa produção de gás. Ao final, obtêm-se materiais com propriedades diferentes das dos materiais iniciais (bicarbonato de sódio e substâncias presentes no sumo de limão). Observando e comparando as transformações que vimos até aqui, chegamos à conclusão de que há dois tipos de fenômenos: ▸▸ transformações físicas: em que não há formação de novos materiais – é o caso da dissolução do sal em água, da diluição de uma solução ou da mudança de estado físico de um material, como o aquecimento da água líquida até que ela se transforme em vapor. ▸▸ transformações químicas ou reações químicas: em que há transformação de um ou mais 26

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

A solução inicial (A) contém chá (componentes do vegetal dissolvidos em certa quantidade de água quente). Com a adição de mais água, a solução inicial é diluída (B).

O bicarbonato de sódio “reage” com o sumo de limão. A produção de bolhas é um indício de que algum tipo de material, inexistente no início, pode ter se formado.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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materiais em outro(s) − como na queima do açúcar refinado ou na interação entre sumo de limão e bicarbonato de sódio. Ou seja, podemos representar o que ocorre em uma reação química por: estado inicial

reação química

estado final

reagentes

produtos

Antes de ocorrer uma reação química (estado inicial), as substâncias de um sistema são chamadas de reagentes; as substâncias obtidas após a reação (estado final) são chamadas de produtos.

Que evidências indicam a ocorrência de reação?

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/USTC INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY

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Normalmente, não bastam algumas simples observações para afirmar se, em um sistema, houve ou não reação química. Em todo caso, há alguns indícios, isto é, algumas pistas que, em seu conjunto, nos ajudam a compreender se uma reação ocorreu ou não. Vamos ver algumas delas. ▸▸ Produção de gases: quando o sumo de limão entra em contato com o bicarbonato de sódio, há formação de gás, que pode ser percebido, neste caso, pela efervescência.

Nesta foto há o registro da reação entre uma casca de ovo e ácido clorídrico, que gerou bolhas de dióxido de carbono. ▸▸ Formação de precipitado: outro indicativo de que em um sistema tenha ocorrido trans-

DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

formação química é a formação de um precipitado, ou seja, de um material sólido praticamente insolúvel em meio aquoso. B

Quando se misturam as soluções aquosas de sulfato de ferro(III) e hidróxido de sódio (A), forma-se um sólido insolúvel em água de cor castanho-avermelhada (B). Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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©SHUTTERSTOCK/RANGZEN

▸▸ Mudança de cor e aspecto:

quando um pedaço de ferro fica em contato com o ambiente e interage com o ar umedecido, ocorrem reações químicas, originando a ferrugem. Com isso, a superfície do ferro, que era acinzentada, passa a ser alaranjada, o que é um sinal indicativo de que houve reação química. A ferrugem que se forma na superfície de objetos ferrosos resulta de reações envolvendo o ferro, o oxigênio do ar e o vapor de água.

©CACO GALHARDO/ACERVO DO ARTISTA

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No processo de aquecimento de um alimento estão envolvidas reações químicas. Se o aquecimento prosseguir, o alimento pode queimar, passando a ter um aspecto semelhante ao do carvão.

A tira acima, ao mostrar o frango sendo “esturricado”, ironiza seu sabor desagradável, bem diferente do de um frango assado. O sabor final decorre dos materiais formados após esse aquecimento excessivo.

Vale destacar que nem sempre uma mudança de cor, por si só, indica que houve transformação química. ▸▸ Alterações de energia: as queimas de combustíveis são exemplos de reações químicas nas quais há liberação de energia térmica e, em muitos casos, luz. A energia liberada nesse tipo de reação pode ser usada, por exemplo, para aumentar a temperatura de um alimento sobre a chama de um fogão. Essas reações de queima, também chamadas de combustão, são importantes fontes de energia usadas para diversos fins. Por exemplo, a energia liberada na combustão da gasolina é usada para movimentar um automóvel. Com relação aos efeitos térmicos que acompanham as transformações, elas podem ser classificadas em: •• exotérmicas – quando liberam energia térmica para o ambiente (combustão, por exemplo); •• endotérmicas – quando absorvem energia térmica do ambiente (cozimento de um alimento, por exemplo). 28

Energia térmica: energia que transita entre corpos que estão em temperaturas diferentes.

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Conexões Química e energia O uso da energia térmica liberada em uma combustão faz parte do cotidiano de todos nós. Ao queimarmos o gás de cozinha de um fogão, nos valemos da energia liberada na queima desse combustível gasoso. Essa fonte de energia é usada, cotidianamente, para cozinhar os alimentos. No caso, a reação química transforma energia química em térmica. O mesmo vale para a combustão da gasolina, em um motor de explosão, responsável pela conversão da energia química proveniente da reação em energia mecânica, sem o que seria impossível o movimento do veículo. Em qualquer caso, a combustão implica dois tipos de reagentes: o combustível (o etanol, por exemplo) e o comburente (o oxigênio presente no ar, por exemplo). É por essa razão que se pode combater o início de um incêndio impedindo o contato do combustível com o ar. Para isso, pode-se recorrer a um cobertor ou outro material que “abafe” a chama ou isole o combustível do ar. As reações de combustão comumente precisam ser iniciadas por uma fonte de energia: de uma chama, de uma faísca elétrica, por exemplo. Em baterias e em pilhas, obtém-se energia elétrica a partir das reações químicas que ocorrem no interior desses equipamentos, isto é, há uma conversão da energia liberada nos processos químicos em energia elétrica. Tal energia pode ser utilizada para movimentar um motor ou ligar uma lanterna, por exemplo.

Em nosso organismo, reações químicas também são responsáveis pela obtenção da energia que nos permite respirar, pensar, andar, etc. É fácil concluir que a energia das reações é essencial para viabilizar processos naturais e outras atividades nas quais se necessite de energia. Combustíveis como o carvão em pedra, ou a gasolina, o diesel e o gás, extraídos do petróleo, são chamados de fontes não renováveis de energia, isto é, a natureza dispõe de quantidades limitadas de recursos dos quais são retirados combustíveis como o carvão mineral e o petróleo. Já o etanol, proveniente da cana-de-açúcar, é um combustível renovável, uma vez que é possível obtê-lo por meio de novas plantações, assim como o vento que movimenta as pás de usinas eólicas. A busca por novas alternativas Como já vimos, a preocupação com a preservação do ambiente tem ganhado espaço nos dias atuais. Por isso, vem crescendo o empenho de muitos países na busca por novas matrizes energéticas, visando evitar o esgotamento de fontes não renováveis e desenvolver tecnologias que permitam transformações de um tipo de energia em outro com menor impacto ambiental. Assim, fontes de energia que não envolvam a queima de combustíveis fósseis (carvão e derivados de petróleo) tendem a ser mais usadas e aprimoradas. PULSAR IMAGENS/MAURICIO SIMONETTI

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Reações químicas como fonte de energia

O Nordeste é o maior produtor de energia eólica do Brasil. Na foto, Complexo Eólico União dos Ventos, em São Miguel do Gostoso (RN), 2015.

Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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Atividades 1. Em uma atividade experimental, um estudante cortou uma maçã e a deixou exposta ao ambiente durante três horas. As fotografias a seguir mostram os resultados obtidos pelo estudante ao longo do tempo.

FOTOS: ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Não escreva neste livro.

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Maçã recém-cortada.

Após 30 minutos de exposição.

Após 3 horas de exposição.

a) Descreva o que acontece com a maçã desde o estado inicial até 3 horas depois. Que transformações podem ser observadas? b) Há algum indício de reação química? Quais? 2. Há extintores de incêndio que usam gás carbônico para apagar o fogo. Proponha uma explicação para o fato de, nessas condições, o combustível deixar de queimar. 3. Sobre cada transformação a seguir, indique, em seu caderno, os estados inicial e final e se ela é química ou física. No caso de tratar-se de mudança de estado, dê o nome. a) Acrescentar álcool à água. b) Colocar água no congelador por oito horas. c) Queimar madeira. d) O “desaparecimento” da naftalina guardada em um armário, deixando-o com “cheiro de naftalina”. e) A palha de aço que enferruja. 4. Leia o texto abaixo e responda às perguntas que seguem. Para a conferência que discute o futuro do planeta, em Paris, a COP21 [ocorrida em dezembro de 2015], o Brasil leva a meta de aumentar de 28% para 33% até 2030 as fontes renováveis de energia, como eólica, solar, biomassa, entre elas o etanol, na matriz energética. A meta desconsidera as hidrelétricas que, embora sejam renováveis, causam impacto ambiental e social por causa das barragens.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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A proposta tem o objetivo de reduzir o uso do carvão e de combustíveis derivados do petróleo, como o diesel, a gasolina e o querosene. Utilizados em aviões, caminhões, carros e nas usinas termelétricas – para geração de eletricidade –, são considerados vilões do efeito estufa, por liberar gás carbônico na atmosfera. Na 21ª Conferência das Partes da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas, que vai até 11 de dezembro, é esperado um acordo para diminuir os incentivos governamentais a esses combustíveis, os chamados subsídios. [...] Hoje o Brasil tem produzido energia elétrica de fato, principalmente por meio de usinas hidrelétricas. Junto com as fontes fósseis, as usinas são responsáveis por 83% do total da eletricidade gerada no país [...]. Segundo o Ministério de Minas e Energia, a eletricidade produzida pelo sol e pelos ventos era insignificante em 2004. Dez anos depois, por meio de financiamento estatal aliado à queda de preços dos equipamentos, a energia eólica chegou a 5% do total da eletricidade gerada em 2014, embora a energia fotovoltaica [obtida por meio das placas solares] ainda estivesse engatinhando (0,02%). [...] VIEIRA, Isabela (repórter); ADJUTO, Graça (edição). Dependente de hidrelétricas, Brasil quer mais energias renováveis. EBC Agência Brasil, 3 dez. 2015. Disponível em: <http://agenciabrasil.ebc.com.br/geral/ noticia/2015-12/dependente-de-hidreletricas-brasil-quer-mais-energias-renovaveis>. Acesso em: 26 dez. 2015

a) De acordo com o texto, qual é a fonte de energia mais utilizada no Brasil? Ela é classificada como fonte renovável ou não renovável? b) Dê exemplos de reações químicas envolvidas na obtenção de energia elétrica que contribuem para o agravamento do efeito estufa. c) Em textos de jornais e livros é comum descrever os aspectos positivos das fontes renováveis de energia e desconsiderar os impactos negativos causados ao meio ambiente e à sociedade. Nessa matéria de jornal, no entanto, são citadas algumas desvantagens de uma fonte renovável. Qual é ela? Quais as desvantagens dessa fonte de energia? d) Pesquise em sites e livros as desvantagens das outras fontes de energia renovável indicadas no texto e construa uma tabela com essas informações. Não se esqueça de utilizar fontes de pesquisa confiáveis e de indicá-las na atividade. e) Quando não se tem acesso à energia elétrica e se necessita iluminar um ambiente, pode-se recorrer a reações químicas que fornecem luz. Dê exemplos desses usos. 5. Neste capítulo, você pôde refletir sobre fatos, conhecimentos e tecnologias associados ao campo de estudo da Química. O amplo leque de questões que podem ser analisadas do ponto de vista da Química permite elencar desde aspectos comuns de nosso dia a dia até aplicações que requerem conhecimentos e tecnologias bastante sofisticados, que muito têm contribuído para a melhoria de nossa qualidade de vida. Apesar disso, muitos dos problemas que preocupam a sociedade atual são atribuídos a essa ciência. Entretanto, a quem se deve atribuir boa parte dos problemas ambientais: à Química ou aos seres humanos? Escreva um pequeno texto, fundamentando sua posição a respeito. Capítulo 1 Química: que ciência é essa?

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2 capítulo

Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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LATINSTOCK/CORBIS/PHILADELPHIA MUSEUM OF ART

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • a lei da conservação da massa; • a lei das proporções definidas; • a teoria atômica de Dalton.

Para situá-lo No capítulo anterior, você começou a formular o conceito de transformação química, um dos temas centrais no estudo da Química. Vamos agora refletir sobre observações que podem ser feitas em nosso dia a dia a propósito de algumas dessas transformações. Veja: IMAGENS: DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

Durante o século XVII, no período em que a Química era gestada, alguns estudiosos se valeram de contribuições dos alquimistas e tinham uma forma bastante peculiar de explicar os fenômenos da natureza. Com o avanço da ciência e da tecnologia, os conceitos, as teorias e os recursos trouxeram novas questões e desafios aos pesquisadores. Na foto, a obra O alquimista, de David Teniers, 1649.

Combustão de uma folha de papel.

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1. Como você explicaria essas observações aparentemente contraditórias?

IMAGENS: DOTTA2/ARQUIVO DA EDITORA

Quando queimamos uma folha de papel, como pode ser observado nas fotos da página ao lado, obtém-se um material escuro de massa menor que o papel tinha antes de queimar. Já a combustão da palha de aço produz um material de massa maior (fotos ao lado).

Combustão de uma palha de aço.

Agora, observe as imagens ao lado, que mostram uma vela queimando sobre uma balança digital recoberta por um vidro, isto é, em um processo do qual participa apenas o ar que está contido no interior do vidro. Pense na diferença entre o que acabamos de descrever e o que se pode deduzir observando as imagens. Observe os valores de massa da vela durante a combustão.

IMAGENS: DOTTA2/ARQUIVO DA EDITORA

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Você já percebeu o que acontece com uma vela quando colocamos fogo em seu pavio? De início, a parafina que constitui a vela e que está próxima da chama passa por mudanças de estado. É o vapor obtido nessas mudanças que entra em combustão. Com o passar do tempo, a parafina da vela acaba e, com isso, a chama desaparece.

À esquerda, a chama da vela se mantém acesa com o uso do ar contido no interior do vidro. À direita, a chama já se apagou, mesmo ainda havendo parafina.

2. O que é necessário para haver combustão?

Não escreva neste livro.

3. Observe as duas imagens em que uma vela é queimada em local recoberto por uma campânula de vidro. O que a balança indica? O que você pode deduzir com base nessas duas fotos? 4. Haveria alguma diferença se a queima da vela ocorresse sem a campânula de vidro? 5. Como você representaria as transformações do papel, da palha de aço e da vela? Quais são os reagentes e os produtos?

Campânula: recipiente de vidro em forma de sino utilizado comumente como equipamento de laboratório.

A observação das situações experimentais sobre as quais você acabou de refletir é útil para que se possa entender como questões semelhantes foram interpretadas por alguns estudiosos nos séculos XVIII e XIX. Neste capítulo, além de conhecer as contribuições desses pesquisadores, vamos relacioná-las com a construção de alguns alicerces da Química, estabelecidos no início do século XIX. Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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O desenvolvimento da Química Há algo mais belo que as mais belas descobertas; é o conhecimento da maneira pela qual são feitas. Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), filósofo alemão.

Dos gregos ao nascimento da Química

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PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Ao que tudo indica, foram os filósofos gregos os primeiros a especular sobre qual seria a constituição da matéria, há pouco mais de 2 500 anos. c.: (cerca de) indica Tales de Mileto (c. 624 a.C.-c. 558 a.C.), observando que a água poderia existir nas forque há incerteza mas líquida e gasosa, propôs que todo o Universo era formado por água. Anaxímenes sobre a data. (c. 585 a.C.-c. 524 a.C.) acreditava que o ar fosse a base de tudo o que há na Terra. Heráclito (c. 540 a.C.-c. 475 a.C.), centrando suas reflexões na ideia de que no Universo tudo está em constante mudança, supôs ser o fogo a base de tudo o que existia. Para Empédocles (c. 490 a.C.-c. 435 a.C.), além da água, do ar e do fogo, a terra participaria da constituição do Universo. Ele defendia a teoria dos quatro elementos, segundo a qual a interação entre esses quatro participantes seria regida por Amor, responsável pela união entre eles, e Ódio, responsável pela separação. De todas as concepRepresentação da teoria dos quatro elementos ções gregas sobre a maCores fantasia, sem escala. AR FOGO téria, uma das mais importantes é a de Leucipo (c. 480 a.C.-c. 420 a.C.), QUENTE defendida também por seu aluno Demócrito (c. 460 a.C.-c. 370 a.C.). Segundo essa concepção, se, por hipótese, fosse possível fragmentar a A teoria dos quatro SECO ÚMIDO amostra de um material elementos foi proposta qualquer pela metade e, por Empédocles e posteriormente ampliada em seguida, cada uma por Aristóteles. De acordo das partes fosse dividida com ela, os quatro ao meio e assim sucessiprincípios constituintes vamente, chegaríamos de tudo o que há – ar, FRIO a uma unidade imagináfogo, terra, água – se uniriam graças ao Amor e ria, invisível e indivisível, se separariam devido ao chamada átomo (o termo Ódio, e a interação entre ÁGUA TERRA vem do grego e significa eles formaria o quente, o “que não pode ser cortaseco, o frio e o úmido. do”, “indivisível”). Pouco tempo depois, Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.) criticou a concepção atomista e, retomando a teoria dos quatro elementos, completou-a, propondo que qualquer um deles poderia ser transformado em outro, já que na constituição dos quatro havia algo comum. Apesar de os filósofos gregos terem sido os primeiros a se preocupar com a composição da matéria, não se podem confundir essas ideias com as que surgiram como consequência de trabalhos feitos a partir do século XVIII, uma vez que não havia vínculo entre elas e a experimentação. Aliás, por conta de seu status social privilegiado, para os filósofos gregos, a manipulação de materiais era impensável – eles valorizavam as atividades mentais, associando o trabalho manual ao trabalho escravo, socialmente desvalorizado. 34

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No capítulo anterior, já nos referimos a técnicas que foram desenvolvidas por nossos antepassados e que lhes permitiram obter muitos materiais, entre os quais demos destaque aos trabalhos ligados à metalurgia, sem, no entanto, precisar quando essas práticas deixaram de ser consideradas alquímicas. Mas o que vem a ser alquimia? Quando ela surgiu? Provavelmente você deve ter alguma ideia sobre o significado da palavra alquimia. Frequentemente ela é associada a algo místico, misterioso, o que não deixa de ser, em parte, verdadeiro. É difícil precisar quando e onde a alquimia teve início. Mesmo quanto à origem dessa palavra, são encontradas várias versões. Uma das hipóteses liga a alquimia à metalurgia, o que daria a ela um caráter prático, embora a ligação com o sagrado e o místico se mantenha (por exemplo, os alquimistas usavam fórmulas e recitações mágicas para fazer invocações nos procedimentos de laboratório). A alquimia adquire importância no Egito, cerca de 300 d.C., devido à busca pela compreensão dos mistérios que envolvem a essência da matéria. As práticas alquímicas se espalharam pela Europa, China e pelo mundo árabe desde o início da Era Cristã até o século XVII. Entre as motivações do trabalho dos alquimistas estavam a busca da pedra filosofal – que seria capaz de realizar a transmutação, isto é, a transformação de qualquer material em ouro – e do elixir da vida – material que teria a propriedade de garantir juventude e vida eterna. Os alquimistas legaram à Química, por exemplo, receitas para a obtenção da pólvora, de alguns ácidos, bases e sais e do álcool (por meio da destilação do vinho). Supõe-se ainda que arsênio, antimônio, bismuto, fósforo e zinco tenham sido isolados pelos alquimistas. Também as técnicas de destilação e cristalização (que estudaremos mais adiante), além de equipamentos que utilizavam em seu trabalho, foram importantes contribuições para a Ciência moderna. Durante o século XVII, no período em que a Química era gestada, alguns estudiosos se valeram de contribuições dos alquimistas – como técnicas e instrumentos de laboratório – e procuraram estabelecer generalizações com base em fatos experimentais. O irlandês Robert Boyle, por exemplo, foi responsável por sistematizar o conhecimento sobre muitos compostos e materiais formados por eles. A partir de experimentos realizados com gases, Boyle retomou algumas ideias dos filósofos gregos e formulou uma lei, que posteriormente ficou conhecida como lei de Boyle e que você conhecerá mais para a frente neste volume. Apesar de os estudos de Boyle terem pressuposto a existência de átomos, passou-se mais de um século para que essa ideia voltasse com John Dalton (1766-1844) de modo mais consistente. Em seu livro O químico cético, Boyle tentou diferenciar os trabalhos desenvolvidos por alquimistas e químicos. Concluiu que o componente mais simples da Terra era um elemento e que dele não se poderia obter nada mais simples. Conhecendo o trabalho de um alquimista que obtivera o fósforo branco da urina, refez o experimento, porém usando o fósforo branco para produzir chama, criando a primeira versão do palito de fósforo. Foi no final do século XVIII que a Química passou a ter uma fundamentação teórica consistente. Dentre os estudos que contribuíram para isso, podemos destacar os de Antoine-Laurent de Lavoisier. Já no início do século XIX, com a formulação da teoria atômica de Dalton (que veremos no final deste capítulo), a ideia da matéria constituída por corpúsculos indivisíveis, chamados átomos, atinge novo patamar, ao se associar aos trabalhos experimentais quantitativos – aqueles nos quais são realizadas medidas.

Robert Boyle foi um dos primeiros cientistas a criar teorias científicas com base experimental. ROBERT BOYLE/WELLCOME LIBRARY, LONDRES, REINO UNIDO

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Os alquimistas

Elemento: nos textos que fazem referência aos conhecimentos que antecedem o século XIX, a palavra elemento tem significado diferente do que é atualmente atribuído a elemento químico, conceito que será analisado mais adiante.

Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Atividades

Não escreva neste livro.

1. Cite algumas contribuições “de natureza química” de povos que viveram antes de Cristo. 2. No que consistia a teoria dos quatro elementos?

4. Qual é uma possível explicação para a ausência de base experimental nas concepções gregas sobre a constituição da matéria? 5. Os trabalhos anteriores ao século XVIII foram inúteis para a Química? Explique. 6. Quais foram as motivações iniciais dos alquimistas?

A trajetória de Lavoisier e o esclarecimento da teoria do flogístico

Retrato de Lavoisier e sua esposa, de Jacques-Louis David, 1788. Óleo sobre tela, 259,7 cm × 194,6 cm. Marie-Anne Pierrette Paulze (1758-1836), esposa de Lavoisier, foi também sua assistente. JACQUES-LOUIS DAVID/METROPOLITAN MUSEUM OF ART, NOVA YORK, ESTADOS UNIDOS

3. Cite uma importante contribuição dos filósofos gregos para o conhecimento da constituição da matéria.

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Antoine-Laurent de Lavoisier nasceu em Paris em 1743. Depois de terminar o curso de Direito, provavelmente por influência de seu pai, que era procurador do Parlamento, passou a estudar ciências (Matemática, Astronomia, Química, Botânica, Geologia e Mineralogia). Acabou mesclando a vida política com a de cientista. Em 1768 ingressou na Académie Royale des Sciences (Academia Real de Ciências), fundada no século XVII por Luís XIV para promover a investigação científica na França − inicialmente como suplente, depois como presidente. Desenvolveu vários trabalhos de pesquisa na área da Química, como é o caso da produção de pólvora para o governo francês. Nesse tipo de atividade utilizava balanças de boa precisão para a época. Entre as muitas contribuições de Lavoisier para o desenvolvimento da Química, três foram especialmente importantes: a concepção da conservação da massa, a definição de elemento químico e a formulação de uma nomenclatura química.

A teoria do flogístico A teoria do flogístico ou flogisto – do grego phlogistós, “inflamável” −, publicada pelo estudioso alemão Georg Ernst Stahl (1660-1734), em 1697, apresentava uma explicação para o fenômeno da combustão baseada na ideia de que, quando há queima, algo é liberado. Essa ideia já era defendida por seu compatriota, Johann Joachim Becher (1635-1682), cerca de três décadas antes. Segundo ela, muitos materiais, ao queimar, têm sua massa reduzida porque uma parte do material (o flogisto) era perdida na queima. Quanto aos metais, que ganhavam massa ao serem queimados − caso do magnésio, do alumínio e do ferro, por exemplo −, a teoria admitia que o flogisto perdido por eles na queima tinha massa negativa. Dessa forma, a queima de uma folha de papel, que comentamos na abertura deste capítulo, serve para exemplificar o que Stahl interpretava como perda de flogisto. No caso da combustão da palha de aço, por raciocínio semelhante, Stahl diria que o flogisto do ferro seria negativo. Nessa época, o oxigênio, componente do ar, fundamental para o processo de combustão feito no ambiente, ainda não havia sido descoberto. Foi Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) quem descobriu o oxigênio, em 1771. Com essa descoberta, a teoria do flogístico passou a ser cada vez menos aceita. 36

BRAGA, Marco et al. Lavoisier e a ciência do Iluminismo. 2. ed. São Paulo: Atual, 2005. (Coleção Ciência no Tempo). Este livro contextualiza os trabalhos de Lavoisier com o desenvolvimento de diversas áreas; enfatiza aspectos históricos, sociopolíticos e econômicos do período em que o cientista viveu.

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Química: prática e reflexão A investigação de uma reação química envolve, entre outros fatores, o controle de variáveis, como a temperatura, a pressão, a quantidade de uma substância, etc. O que acontece com a massa de um sistema quando ocorre uma reação química? Material necessário

• 2 erlenmeyers ou garrafas de plástico de 510 mL ou 600 mL • 1 bexiga de plástico • 1 elástico • 2 pastilhas efervescentes • balança

Cuidado! Nunca coloque os materiais de laboratório na boca ou em contato com outra parte do corpo; não os aspire. Use óculos de segurança e avental de mangas compridas.

Procedimentos

1. Coloque uma quantidade de água equivalente em cada recipiente (cerca de 100 mL). 2. Insira uma pastilha efervescente na bexiga. Segure a pastilha no fundo da bexiga e prenda com elástico a boca da bexiga na boca do recipiente, cuidando para não derrubar a pastilha dentro do recipiente. Observe (abaixo, à esquerda) a foto desse esquema. 3. Meça a massa desse conjunto na balança. 5. Com o outro recipiente, meça a massa do conjunto recipiente e pastilha efervescente (abaixo, à direita).

DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

6. Em seguida, despeje a pastilha na água. Ao término da reação, anote suas observações e o valor de massa. DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

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4. Em seguida, despeje a pastilha na água do recipiente. Observe o que ocorre e anote o valor de massa.

Na imagem à esquerda, a pastilha efervescente está dentro da bexiga inserida na boca do recipiente. Na imagem à direita, a pastilha está ao lado do recipiente.

Descarte dos resíduos: As misturas podem ser descartadas na pia. A bexiga pode ser armazenada para outras atividades. Analisem suas observações

1. Que características foram observadas nessa transformação química? 2. Considere as observações experimentais realizadas nas etapas 4 e 6 dos procedimentos. Há diferença nos resultados? Explique. 3. Compare a resposta que você deu ao item anterior com a resposta dada na atividade 3 do Para situá-lo (página 33). Você reformularia a resposta dada no início do capítulo? Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Algumas contribuições de Lavoisier O ar, o oxigênio e a combustão

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campânula contendo ar e mercúrio

óxido de mercúrio(II)

lente

óxido de mercúrio(II)

Esquema representativo do processo usado por Priestley na obtenção do oxigênio, gás que chamou de ar deflogisticado. O feixe de luz que atravessa a lente atinge o óxido de mercúrio(II) e provoca, por meio de aquecimento, sua decomposição, liberando oxigênio.

Ilustração elaborada para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

retorta contendo mercúrio

luz

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Ilustração elaborada para Embora o oxigênio tenha sido descoberto por este conteúdo. Scheele, seu trabalho teve pouca repercussão. MuiCores fantasia, sem escala. tos atribuem essa descoberta a Joseph Priestley (1733-1804), que, em 1774, divulgou a descoberta de um gás que alimentava melhor a combustão do que o ar. Ele havia obtido esse gás a partir da decomposição do óxido de mercúrio(II), represenoxigênio tado em vermelho no esquema ao lado, feita por aquecimento. Para isso, recorreu a uma lente que mercúrio concentrava um feixe de luz sobre o óxido, aquecendo-o. O gás, ao qual Priestley atribuiu o nome de ar deflogisticado (com base na teoria do flogístico), era o oxigênio. Além de ter tomado conhecimento dessa e de outras pesquisas a respeito da natureza do ar, Lavoisier teve contato com o próprio Priestley. Como não concordava com a interpretação dos fatos baseada na teoria do flogístico, Lavoisier planejou uma série de experimentos, utilizando balanças. Entre seus experimentos, podemos mencionar o aquecimento do fósforo e do enxofre em ambiente aberto. Com isso, ele verificou que obtinha materiais de massas diferentes das de partida. Realizou também o aquecimento de outras substâncias, como o óxido de chumbo, notando o desprendimento de um gás. Uma de suas experiências mais famosas foi a do aquecimento do mercúrio em um vaso selado durante 12 dias. Como resultado, observou a formação de um sólido vermelho, que atualmente sabemos tratar-se de óxido de mercúrio(II), e a redução de volume do “ar” em cerca de 20% (hoje sabemos que essa redução ocorre por causa do consumo do oxigênio presente no ar, quando há a reação com o mercúrio). Observe o esquema que representa o experimento que Lavoisier realizou.

fonte de aquecimento

cuba contendo mercúrio

Esquema de um dos experimentos feitos por Lavoisier. Observe que o nível do mercúrio na campânula subiu, ocupando o lugar do ar (na verdade, oxigênio) que reagiu com o mercúrio produzindo um sólido avermelhado, o óxido de mercúrio(II). 38

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Lavoisier realizou também o processo inverso, isto é, o aquecimento do óxido de mercúrio(II), notando que voltava a obter mercúrio e “ar” em quantidades idênticas às que foram consumidas no processo anterior. Depois de uma série de experimentos, concluiu que o ar da atmosfera não continha apenas uma substância; o ar era, na verdade, uma mistura de diversos gases. Para ele, o ar da atmosfera era constituído

de aproximadamente um quarto de “ar deflogisticado”, ou seja, do ar que era respirável (essa parte respirável do ar é o oxigênio). Lavoisier identificou também outro constituinte do ar: o azoto (que hoje chamamos de nitrogênio). Outra contribuição de Lavoisier foi a conclusão de que a água era constituída de hidrogênio e oxigênio. Essas descobertas contribuíram para que seus contemporâneos abandonassem a ideia do flogisto.

Nomenclatura química Antigamente, não havia uma sistematização para nomear as substâncias. Desse modo, o nome delas, bem como os símbolos para representá-las, eram incompreensíveis para pessoas que não fossem iniciadas pelos alquimistas. Observe: Nome antigo

Símbolo utilizado pelos alquimistas

ácido sulfúrico

Diante dessa situação, um grupo de cientistas – Louis-Bernard Guyton-Morveau (1737-1816), Claude-Louis Berthollet (1748-1822), Antoine-François Fourcroy (1755-1809) e Lavoisier – publicou, em 1787, o Méthode de nomenclature chimique (Método de nomenclatura química), obra que tinha como um de seus objetivos aperfeiçoar a linguagem química. Lavoisier e os colaboradores buscaram, na medida do possível, utilizar a composição da substância para compor seu nome (por exemplo, o cloreto de sódio pode ser obtido pelas substâncias cloro e sódio). A definição de elemento químico para Lavoisier Em seu livro O químico cético, Boyle introduziu a ideia de elemento. Baseando-se nas teorias de Boyle, Lavoisier chamou de elemento químico todas as substâncias que não podemos decompor por nenhum processo (por exemplo, aquecimento). Atualmente, o conceito de elemento é bastante diferente e será discutido no capítulo 4.

©WIKIMEDIA COMMONS/BIBLIOTHÈQUE NATIONALE DE FRANCE

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ácido vitriólico

Nome atual

Página de apresentação do trabalho de nomenclatura química publicado por Morveau, Berthollet, Fourcroy e Lavoisier.

Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Leis ponderais das reações químicas A palavra ponderal (do latim pondus, “peso”) é utilizada na Química para se referir a leis relacionadas ao “peso” das substâncias nas reações químicas. Duas delas – a lei da conservação da massa, proposta por Lavoisier, e a lei das proporções constantes, proposta por Proust – foram fundamentais para o estabelecimento da Química como ciência no final do século XVIII e início do século XIX e serão abordadas adiante. Esclarecimentos necessários Peso e massa No passado era comum a utilização do termo peso para se referir à massa de objetos, materiais, etc. No entanto, massa e peso não são sinônimos. Massa é uma propriedade relacionada à dificuldade de alterar a velocidade do corpo. Por exemplo: o esforço necessário para empurrar um carrinho de supermercado cheio é maior do que o esforço feito para empurrá-lo vazio; isso porque a massa do carrinho cheio é maior. Peso é uma propriedade relacionada à força de atração entre o corpo e o astro (por exemplo, a Terra).

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Quando alguém sobe em uma balança para verificar se engordou ou emagreceu, obtém uma medida de sua massa, por exemplo, 50 quilogramas ou 50 kg. No entanto, todos dizem que estão “se pesando”. Por quê? É que as medidas de massa e peso de um corpo são proporcionais. Na verdade, a balança mede a força (peso) com que a Terra nos atrai e, quanto maior for a massa, maior será o peso correspondente. O peso de um corpo corresponde, em módulo, ao produto da sua massa pela aceleração da gravidade do local. Assim, a massa de um corpo não varia se ele estiver na Terra, na Lua ou em outro astro. Já o peso de um corpo na Terra será 6 vezes maior do que na Lua. Unidades de medida Quando fazemos uma medição, associamos um número a uma unidade. Na tentativa de uniformizar as unidades de medida adotadas para cada grandeza, na década de 1960 foi estabelecido o Sistema Internacional de Unidades (SI). A massa é uma das grandezas básicas do SI. No caso da massa, a unidade-padrão de medida é o quilograma (kg). Embora o quilograma seja a unidade-padrão, comumente são usados seus múltiplos e submúltiplos. Veja algumas dessas conversões no quadro abaixo: Algumas unidades de massa e suas conversões Unidades de medida

Conversões

miligrama (mg)

1 mg 5 1026 kg 5 1023 g

grama (g)

1 g 5 1023 kg

quilograma (kg), unidade recomendada pelo SI

1 kg 5 1 000 g 5 103 g

tonelada (t), unidade aceita pelo SI, ainda muito usada

1 t 5 103 kg

Grandeza: chamamos de grandeza tudo o que pode ser medido. Temperatura, velocidade, comprimento, área, volume são exemplos de grandezas. Para fazer medidas, isto é, para associar um número a uma grandeza, temos de usar um instrumento de medida; para medir a temperatura de uma amostra de água ou de nosso corpo, por exemplo, usamos termômetros.

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Lei da conservação da massa Embora se atribua a Lavoisier a formulação da lei da conservação da massa, o mais adequado é afirmar que ele propôs que, se uma reação química ocorresse em um sistema fechado, haveria a conservação da massa. Ou seja, a massa dos reagentes é igual à massa dos produtos. Em sua obra Traité élémentaire de Chimie (Tratado elementar de Química), de 1789, Lavoisier defendeu que qualquer ideia, por mais simples que fosse, deveria ser continuamente posta à prova por meio da experiência. Apesar disso, nessa publicação, a conservação da massa aparece como algo já sabido, que não é discutido em detalhe. Assim, segundo historiadores da Ciência, os textos originais de Lavoisier usam a palavra axioma para se referir ao que comumente se associa a essa “lei”. Vale destacar também que, embora seja frequente associar a Lavoisier o enunciado “Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”, não há nenhum trabalho escrito por ele que faça referência a esse enunciado.

Atividade

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Considere a informação:

Não escreva neste livro.

O ferro (presente no arame, na palha de aço ou em outra forma) exposto ao ar após certo tempo transforma-se em ferrugem, isto é, adquire coloração avermelhada, passando a ter massa maior. a) Como a teoria do flogístico explicaria essa alteração de massa? b) A massa se conserva na formação da ferrugem? Como você faria para verificar isso? c) Afora o ferro, de onde provêm os demais reagentes da transformação?

Axioma: premissa considerada necessariamente evidente e verdadeira, fundamento de uma demonstração, porém ela mesma indemonstrável, originada, segundo a tradição racionalista, de princípios inatos da consciência ou, segundo os empiristas, de generalizações da observação empírica [...]. INSTITUTO ANTÔNIO HOUAISS. Dicionário eletrônico Houaiss da língua portuguesa. Rio de Janeiro: Objetiva, 2010. Versão multiusuário 2009.

Observação:

Ao fazer as atividades anteriores, é provável que você tenha percebido que, para comprovar a proposição de Lavoisier no caso da formação de ferrugem, teríamos de utilizar um sistema fechado. Os reagentes do processo que origina a ferrugem são ferro (sólido) e substâncias gasosas provenientes do ar (oxigênio e vapor de água), de modo que: massa de ferro 1 massa dos gases (ar) incorporados à estrutura metálica = = massa do ferro “enferrujado” Se o experimento tivesse sido feito em recipiente fechado, não observaríamos o aumento de massa do sistema, pois os componentes do ar que se incorporaram ao ferro já fariam parte do sistema. A conservação da massa, na verdade, é válida mesmo que a reação se dê em um sistema aberto ao ambiente. A dificuldade residiria em determinar a massa de substâncias no estado gasoso.

A composição das substâncias Para que o conhecimento químico sobre os constituintes de um material avançasse, foram fundamentais os dados quantitativos relativos às reações químicas acumulados por alguns estudiosos, como foi o caso de Joseph-Louis Proust (1754-1826). Uma questão que o atraía: se variarmos a forma de obtenção de uma substância, sua composição será alterada? Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Ele procedeu a uma análise cuidadosa de amostras de carbonato de cobre com duas origens diferentes: preparado em laboratório e retirado da natureza. Verificou que, independentemente da origem, havia uma proporção constante em massa de 5 partes de cobre para 4 de oxigênio e 1 de carbono. 1

5 partes

4 partes

1 parte

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Esquema que ilustra uma proporção constante (5 : 4 : 1) de retângulos verdes, vermelhos e azuis entre as fitas 1, 2 e 3. Algo semelhante é válido para a relação entre as massas de cobre, oxigênio e carbono no carbonato de cobre.

Dessa forma, no limiar do século XIX, passou a ser possível identificar sistemas formados por várias substâncias, chamados de misturas – caso do ar, por exemplo, que é constituído de diferentes gases, entre os quais predominam o nitrogênio e o oxigênio –, e sistemas em que há apenas uma substância – caso da água, isenta de sais e gases dissolvidos, uma substância que tem composição fixa, isto é, para cada 8 g de oxigênio temos 1 g de hidrogênio. Esse tema será retomado e aprofundado nos próximos capítulos. Substância Substância é uma palavra largamente usada em Química. No próximo capítulo vamos analisar mais detidamente seu significado; em todo caso, vale fazer um esclarecimento inicial. Pense no significado da frase abaixo: “Eles discutiram e até brigaram, mas, do que eu ouvi, não havia diferença na substância do que disseram.” Nesse caso, poderíamos substituir “na substância” por “na essência”, isto é, no que é básico, no que é fundamental; enfim, apesar da aparente divergência, as ideias centrais das duas pessoas eram semelhantes. Concorda? Vamos agora fazer um paralelo entre esse significado e aquele que é usado em Química. No capítulo anterior, vimos alguns exemplos de mudança de estado, um tipo de transformação física. Por exemplo, quando a água é aquecida até entrar em ebulição, ela muda de estado físico (de líquido para gasoso). No século VI a.C., o filósofo grego Tales de Mileto afirmava que, ao passar por essa mudança, a essência da água não era alterada. Essa ideia permanece válida, pois, apesar de diferentes quanto ao aspecto, em ambas as formas ela continua sendo a mesma substância: água. Na prática, se tivermos um líquido incolor e quisermos saber se se trata de água, teremos de analisar uma série de propriedades desse líquido e comparar com as que estão registradas em livros de referência.

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Lei das proporções definidas Para saber se duas amostras de uma mesma substância procedentes de fontes diferentes apresentavam a mesma composição em massa, Proust fez experimentos em que repetia uma mesma reação química, variando e medindo as amostras das substâncias envolvidas. Como exemplo, considere os dados sobre a decomposição da água, em que são obtidos hidrogênio e oxigênio. Massas de oxigênio e hidrogênio obtidas pela decomposição de diferentes quantidades de água Experimento

água

oxigênio

hidrogênio

18 g

16 g

45 g

40 g

III

180 g

160 g

20 g

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Vamos calcular a relação massa de oxigênio/massa de hidrogênio para cada amostra de água formada nos diversos experimentos. moxigênio

(I)

mhidrogênio

(II)

moxigênio mhidrogênio

16 g 58 2g

(III)

40 g 58 5g

(IV)

moxigênio mhidrogênio moxigênio mhidrogênio

8g 58 1g

160 g 58 20 g

Ao determinar a relação massa de água/massa de hidrogênio ou massa de água/massa de oxigênio, também vamos encontrar relações constantes, respectivamente iguais a 9 e 9/8. Essas relações independem da origem da água (desde que ela esteja isenta de sais minerais e gases dissolvidos); ela pode tanto ter sido obtida da natureza (chuva, mar, lago, rio) quanto sintetizada em laboratório. Proporção em massa: água 9

oxigênio

hidrogênio

A generalização, feita a partir de experimentos com diversas substâncias, levou Proust a concluir que, numa dada reação química, existe uma proporção constante entre as massas das substâncias participantes. Essa lei ponderal, conhecida como lei das proporções definidas, foi publicada por Proust em 1799. Genericamente, podemos representá-la assim: Experimento

em que x, y, z, w representam as massas das substâncias X, Y, Z e W: x1 y z w 5 1 5 1 5 1 x2 y2 z2 w2 Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Um dos experimentos realizados por Proust foi o da determinação das quantidades em massa de cobre, carbono e oxigênio em amostras de diferentes origens de carbonato de cobre. A tabela abaixo relaciona as massas, em gramas, de carbonato de cobre com as massas dos elementos que o compõem. Composição de carbonato de cobre em função da massa Carbonato de cobre (g)

Cobre (g)

Carbono (g)

Oxigênio (g)

10,0

5,1

1,0

3,9

20,0

10,2

2,0

7,8

30,0

15,3

3,0

11,7

40,0

20,4

4,0

15,6

50,0

25,5

5,0

19,5

Tabela produzida para este conteúdo.

de cálcio que não reagiu – diz-se que havia excesso de 1 g de cálcio. Qual a massa da amostra de cálcio utilizada na reação? b) Se colocarmos 80 g de cálcio para reagir com 150 g de cloro gasoso, obteremos apenas cloreto de cálcio? Por quê? Qual deverá ser a massa do cloreto de cálcio formado? c) Qual lei ponderal está envolvida no raciocínio utilizado para resolver os itens anteriores? 3. O magnésio sofre combustão (queima), originando um pó branco, o óxido de magnésio. Esse processo é acompanhado da emissão de uma luz branca intensa e, por isso, era usado pelos fotógrafos nos antigos flashes. Se 12 g desse metal produz, na combustão, 20 g de pó branco, responda:

b) Usando os dados da tabela, construa um gráfico (em papel quadriculado ou no computador) de massa de carbono (no eixo das ordenadas) em função da massa de carbonato de cobre (no eixo das abscissas). c) O que se pode concluir da tabela fornecida e do gráfico do item b que você obteve? Qual a relação de proporcionalidade entre as massas de carbono e de carbonato de cobre? d) Construa um gráfico que relacione a massa de carbono com a massa de cobre. Que conclusão se pode tirar do gráfico obtido? e) Se construíssemos um gráfico da massa de carbono em função da massa de oxigênio, você acha que encontraríamos um perfil diferente do gráfico anterior? De que forma esse fato se relaciona com a lei das proporções definidas? 2. O cálcio sólido reage com cloro gasoso, originando cloreto de cálcio. Sabe-se que 40 g de cálcio reagem completamente com 71 g de cloro, originando 111 g de cloreto de cálcio. a) Uma pessoa provocou a reação entre uma amostra de cálcio e 14,2 g de cloro. Como resultado desse processo, obteve 22,2 g de cloreto de cálcio e ainda restou no recipiente 1 g 44

SÉRGIO DOTTA JR.

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a) Usando seu conhecimento sobre proporções e os dados da tabela, calcule a porcentagem, em massa, dos elementos que constituem o carbonato de cobre e represente-a em um gráfico “de pizza”.

Luz branca emitida pela combustão de magnésio metálico.

a) que massa de oxigênio do ar deve ter sido consumida no processo? Em que lei se baseia a resposta? b) calcule a relação entre a massa de magnésio que sofreu combustão e a massa de oxigênio consumida no processo. 4. Consultando os valores que aparecem na tabela Massas de oxigênio e hidrogênio obtidas pela decomposição de diferentes quantidades de água, na página anterior, construa gráficos (utilizando papel quadriculado ou o computador): a) da massa de água em função da massa de hidrogênio; b) da massa de oxigênio em função da massa de hidrogênio. 5. Ao se aquecer 1 kg de carbonato de cálcio, obtêm-se 560 g de óxido de cálcio, além de gás carbônico. a) Que massa de gás foi obtida? b) Qual a relação entre a massa do óxido de cálcio formado e a do carbonato de cálcio que se decompõe?

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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átomo Y:

átomo X: massa de

massa de

:y X

GETTY IMAGES/DE AGOSTINI

Com base nas massas das substâncias envolvidas nas reações, John Dalton (1766-1844) concluiu que a matéria é formada por pequenas partículas, que ele supôs indivisíveis. Os trabalhos que o levaram a essa conclusão foram publicados entre 1803 e 1827. Para Dalton, a ideia de átomo surgiu como uma possibilidade de justificar o que verificava experimentalmente. As conclusões de seu trabalho foram coerentes com as leis ponderais das reações – como as que vimos anteriormente, de Lavoisier e Proust. Os pontos básicos da chamada teoria atômica de Dalton, de modo simplificado, são os seguintes: ▸▸ A matéria é formada de partículas indivisíveis chamadas átomos. ▸▸ Átomos de um mesmo tipo (mesmo elemento) são iguais (em tamanho, forma, massa, por exemplo) e diferentes dos átomos de outro elemento. ▸▸ Os átomos podem se unir uns aos outros formando “átomos compostos” (atualmente, esses “átomos compostos” são chamados de moléculas). ▸▸ As reações químicas podem ser consideradas processos em que ocorrem união e separação de átomos. Z, para que você possa comVamos supor uma reação genérica X 1 Y preender como a teoria atômica de Dalton é capaz de justificar as leis de Lavoisier e de Proust. Utilizaremos a seguinte representação:

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Teoria atômica de Dalton

John Dalton desenvolveu trabalhos que o levaram a considerar que a matéria é descontínua (formada de pequenas partículas). Também estudou a incapacidade de algumas pessoas de distinguir cores (daltonismo), problema com que ele mesmo conviveu.

átomo composto Z: Y

1o- experimento mx 5 3x

my 5 3y

mz 5 3(x 1 y)

mx 5 8x

my 5 8y

mz 5 8(x 1 y)

Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as representações são apenas modelos para facilitar a compreensão; as partículas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos).

2o- experimento

Lavoisier 1o- experimento

3x 1 3y 5 3(x 1 y)

2o- experimento

8x 1 8y 5 8(x 1 y)

Proust 8x 3x 5 8y 3y 3x 8x 5 3(x 1 y) 8(x 1 y)

Apesar de a teoria atômica de Dalton ter se mostrado coerente para explicar os resultados experimentais que levaram às leis ponderais, apenas muitas décadas depois ela foi totalmente aceita no meio científico. No final do século XIX descobriu-se que um átomo podia emitir espontaneamente partículas menores e, nas primeiras décadas do século XX, foi possível provocar a fissão do átomo, isto é, a “quebra” de alguns tipos de átomos, o que contrariava a ideia de sua indivisibilidade. Mesmo assim, até hoje muitos processos podem ser compreendidos pelo modelo de átomo proposto por Dalton. John Dalton deixou importantes contribuições para diversas áreas das ciências, como a Química, a Física e a Meteorologia. Como veremos no capítulo 12, seus trabalhos colaboraram para a compreensão de algumas propriedades dos gases. Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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Não escreva neste livro.

Atividades

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

1. Em um laboratório de Química, um grupo de alunos realiza um experimento com o objetivo de estudar a reação entre carbonato de cálcio e ácido clorídrico. A imagem a seguir mostra o estado inicial (antes da reação) e final (após a reação).

estado inicial

estado final

Cores fantasia, sem escala.

Considerando que nessa reação são formados cloreto de cálcio (dissolvido em meio aquoso), água e gás carbônico, quantos gramas de gás carbônico foram formados nesse experimento?

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2. O metano é um gás combustível que pode ser obtido a partir do lixo orgânico. É formado apenas por carbono e hidrogênio (80 g são constituídos de 60 g de carbono e 20 g de hidrogênio). Qual a composição em porcentagem do metano (x% de carbono e y% de hidrogênio)? 3. O trióxido de enxofre, componente indesejável do ar poluído porque participa da chamada “chuva ácida”, é constituído por 40% de enxofre e 60% de oxigênio. Qual a massa de enxofre necessária para reagir com 96 g de oxigênio originando trióxido de enxofre?

Questão comentada 4. Verifica-se num experimento que 2 g de hidrogênio reagem com 71 g de cloro para formar o cloreto de hidrogênio. a) Qual a massa de cloreto de hidrogênio formada quando 10 g de hidrogênio são colocados em contato com 380 g de cloro? b) Qual o reagente em excesso? c) Qual a massa do reagente em excesso? Sugestão de resolução a) De acordo com a proporção fornecida (2 : 71), deduz-se que é o cloro que está em excesso: 2 g de hidrogênio

71 g de cloro

10 g de hidrogênio

x 5 355 g de cloro Se 10 g de hidrogênio reagem com 355 g de cloro, formam-se 365 g de cloreto de hidrogênio (lei de Lavoisier). b) Considerando que reagem apenas 355 g dos 380 g de cloro disponíveis, o reagente em excesso é o cloro. c) A massa do excesso é dada por: 380 g 2 355 g 5 25 g de cloro. 5. Qual a diferença essencial entre a concepção de átomo dos gregos e a de Dalton?

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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6. Segundo a teoria atômica de Dalton, como podemos interpretar uma reação química? Nela os átomos sofrem alteração?

Alguns trabalhos mais recentes tentam comprovar que a aspirina inibe o crescimento de vários tipos de tumores: endometrial, esofágico, gástrico, pulmonar e colorretal. Há também perspectivas do uso de aspirina para prevenção e tratamento de doenças que atacam o cérebro, como é o caso do mal de Alzheimer e de outras enfermidades degenerativas. [...] É importante observar, no entanto, que a aspirina pode gerar efeitos colaterais indesejáveis. Muitas pessoas não toleram a droga mesmo em baixas doses. A aspirina pode provocar dores estomacais, úlceras gástricas, diarreias, náuseas, sangramentos e hemorragias internas. Seu uso não é recomendado para quem possui problemas gástricos, renais ou biliares. Deve-se evitar também o uso indiscriminado, sem a devida prescrição médica.

7. O nitrato de amônio, usado como fertilizante, é constituído de nitrogênio, oxigênio e hidrogênio. Sabe-se que em 80 g desse fertilizante são encontrados 28 g de nitrogênio, 48 g de oxigênio e 4 g de hidrogênio. a) Determine a porcentagem, em massa, de nitrogênio, oxigênio e hidrogênio no nitrato de amônio. b) Qual a massa de nitrogênio contida em 4,0 kg de nitrato de amônio?

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8. Leia o texto abaixo e responda às questões. A aspirina é uma substância sólida conhecida há mais de 100 anos. Seu nome químico é ácido acetilsalicílico (AAS) e, provavelmente, é o medicamento mais conhecido e mais vendido no mundo. Milhões de pessoas já se utilizaram da aspirina para diminuir dores e baixar a febre. Acontece que, nos últimos trinta anos, muitas pesquisas foram realizadas com a aspirina, tendo sido encontrados novos usos para esta droga centenária. A história da aspirina começou há cerca de um século, quando o químico alemão Felix Hoffman pesquisava um medicamento para ser usado no tratamento da artrite, doença de seu pai. O objetivo dele era encontrar uma droga para substituir o salicilato de sódio, medicamento usado naquela época, mas que exigia grandes doses diárias e provocava irritação e fortes dores estomacais nos pacientes. Hoffman conseguiu preparar o ácido acetilsalicílico, que veio depois a ser chamado de aspirina. A nova droga tinha as mesmas propriedades do salicilato de sódio, conseguia melhorar a qualidade de vida dos portadores de artrite e gerava menos efeitos colaterais. [...] [...] Muitos estudos foram realizados com a aspirina nos últimos 30 anos, envolvendo grupos de pessoas que pertenciam a três categorias: pessoas com doenças cardiovasculares ou cerebrovasculares, pessoas em fase aguda de infarto e pessoas sadias. Nessas pesquisas, o uso da aspirina se mostrou de enorme importância na prevenção e tratamento de doenças cardiovasculares. Houve uma sensível diminuição no número de mortes e de infartos nos grupos considerados de risco. [...]

MASSABNI, Antonio Carlos. Um velho medicamento com novos usos. Química Viva. Conselho Regional de Química – IV Região. Disponível em: <http://www.crq4.org.br/quimica_ viva__aspirina>. Acesso em: 30 dez. 2015.

a) De acordo com o texto, a descoberta do ácido acetilsalicílico ocorreu devido às pesquisas do cientista Hoffman. Qual era o objetivo do seu estudo? b) O ácido acetilsalicílico pode ser obtido pela reação entre anidrido acético e ácido salicílico segundo a equação a seguir: anidrido acético 1 ácido salicílico ácido acetilsalicílico 1 ácido acético Se, para obter 180 g de ácido acetilsalicílico, são necessários 102 g de anidrido acético e 138 g de ácido salicílico, quantos gramas de ácido acético são formados nessa transformação? c) A automedicação, ou seja, a utilização de medicamentos por conta própria, sem prescrição médica, é um hábito entre os brasileiros, principalmente para problemas considerados simples, como dores de cabeça e febre. No entanto, tal prática pode causar problemas à saúde e, em alguns casos, até a morte. De acordo com o texto, a aspirina é uma exceção? Justifique sua resposta. d) Em grupos de três ou quatro alunos, pesquisem dados sobre acidentes envolvendo o uso de medicamentos sem prescrição médica no Brasil. Discutam as possíveis ações para combater a automedicação e elaborem uma apresentação com os resultados obtidos.

Capítulo 2 Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

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3 capítulo

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Substâncias e misturas

GETTY IMAGES/ MALZKORN/ULLSTEIN BILD

Uma substância chamada luminol é utilizada por peritos policiais para investigar crimes porque, após reagir com sangue, ela se torna visível no escuro, como nessa pegada.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • as principais diferenças entre substância e mistura de substâncias; • as diferenças entre substância simples e substância composta; • como caracterizar uma mistura em homogênea ou heterogênea; • alguns métodos de separação e suas aplicações no cotidiano.

Para situá-lo Entre as atividades exercidas por um químico, algumas têm semelhanças com as de um detetive. Para desvendar aspectos obscuros que podem ajudá-lo a entender fatos não presenciados, o detetive deve fazer observações e colher uma série de dados que lhe permitam refletir e elaborar hipóteses coerentes com as informações de que dispõe. Por exemplo, colhendo impressões digitais, fios de cabelo e amostras de sangue, ele pode chegar a conclusões do tipo: quantos e quais são os envolvidos na ocorrência, e qual a participação de cada um no evento a ser desvendado. Um químico também tem necessidade de obter informações sobre o que não é “visível” em relação a um material. Entre as atividades profissionais que exerce, uma consiste em descobrir qual ou quais são as substâncias constituintes de uma amostra que lhe é fornecida para ser analisada. Para isso, além de seus conhecimentos, ele terá de realizar uma série de procedimentos, como separar os componentes de uma mistura, fazer observações, experimentos, medidas, que lhe permitem identificar cada uma das substâncias que constituem o material que é objeto de sua investigação.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Vamos então refletir sobre algumas questões próximas a suas experiências de vida que possam lhe dar uma ideia do que será analisado neste capítulo. 1. Imagine que você esteja em uma cozinha e tenha diante de si duas amostras de sólidos brancos em pó, como as das fotos abaixo. Se souber com certeza que uma delas é de sal de cozinha e outra de açúcar, como poderia diferenciá-las?

DIVULGAÇÃO PNLD

ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Não escreva neste livro.

2. Suponha também que você esteja em um laboratório e tenha de diferenciar dois líquidos incolores, sendo um o álcool comum (etanol) e outro o éter comum (éter etílico). Como você acha que seria possível diferenciá-los? 3. É comum, no dia a dia, ouvirmos as expressões: ar puro, água pura, ferro puro, puro azeite de oliva, cloro puro. A palavra puro(a), nessas expressões, tem sentido positivo ou negativo? Que significado está sendo atribuído ao adjetivo puro? 4. Imagine que alguém lhe pergunte se a água que você bebe em casa é pura. Que resposta você daria supondo que, antes de usá-la para beber, ela tenha sido retirada da torneira de um filtro de sua cozinha? 5. Quando a água chega a uma Estação de Tratamento de Água (ETA), em geral, não está em condições de ser consumida. Por quê? Usando apenas os sentidos, que características você observaria para diferenciar essa água da que é disponibilizada para consumo da população? 6. Como você já viu em capítulos anteriores, o aço é uma liga de ferro que contém carbono, além de pequenas quantidades de outros metais. De acordo com essa composição, as propriedades do aço e, consequentemente, as possibilidades de uso variam. Uma coisa é certa: essa liga não é ferro “puro”. Nesse caso, a “impureza” é uma desvantagem? Explique. Neste capítulo, vamos conhecer as diferenças entre mistura e substância e estudar os processos usados para separar os vários componentes de uma mistura. Veremos também modelos que auxiliam nessa diferenciação. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Como diferenciar substância de mistura? Amostras de água de torneira ou de água mineral de diferentes procedências têm sempre as mesmas propriedades? Podemos perceber que, em geral, essas amostras podem apresentar gosto e cheiro diferentes. Mas por quê? Todos esses líquidos são constituídos basicamente por água, mas eles também contêm outros materiais (por exemplo, sais dissolvidos), que são responsáveis pelas diferenças de odor, gosto e até cor da água.

Em noticiários de jornais e televisão e no dia a dia é comum a utilização da expressão “água pura” associada a água potável, ou seja, água própria para o consumo humano. No entanto, na Química, o termo puro tem um significado diferente; ele indica que a água é isenta de outros materiais (como os sais dissolvidos), ou seja, a água pura é constituída de uma única substância, a água. Como você diferenciaria a água mineral (mistura de substâncias) de uma água pura (uma substância)? Você acha que o ar atmosférico é formado por uma única substância ou por uma mistura? Não escreva neste livro.

Atividade

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a) Imagine que se queira colocar um rótulo em cada uma delas. Para isso, é necessário descobrir o que cada uma contém. Talvez a primeira ideia que lhe venha à cabeça seja identificar os líquidos usando os órgãos dos sentidos. No entanto,

não é seguro identificar uma amostra pelo cheiro e pelo gosto. Por quê? b) Seria possível diferenciar o conteúdo dos três frascos por meio do aquecimento de uma amostra de cada um deles? Em caso positivo, explique como. c) Se passássemos amostras dos três líquidos através de um funil com papel de filtro (dos usados para coar café), haveria possibilidade de fazer a diferenciação dos conteúdos? Por quê?

Uma maneira de diferenciar uma substância de uma mistura consiste em verificar se as mudanças de estado físico ocorrem ou não em temperaturas constantes. Para exemplificar, vamos comparar o que se observa durante a ebulição da água (substância) e a da água com sal (mistura contendo cloreto de sódio – principal constituinte do sal de cozinha – dissolvido em água).

A água começa e termina sua ebulição (passagem do estado líquido para o gasoso) à mesma temperatura, ou seja, t1 é igual a t2.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

água

estado inicial

estado final t2

água com sal

A água da mistura água com sal começa e termina sua ebulição (passagem do estado líquido para o gasoso) em temperaturas diferentes, t2 é maior que t1. 50

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Considere três garrafas contendo líquidos incolores. Uma delas contém somente água, outra contém água e sal de cozinha dissolvido e a terceira, água e álcool comum.

estado inicial

sal

estado final

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Observe a seguir o gráfico de temperatura em função do tempo relativo ao aquecimento da água, do estado sólido (gelo) ao estado gasoso (vapor de água), realizado no nível do mar. Variação de temperatura da água (°C) em função do tempo de aquecimento (min) Temperatura (ºC) 120

líquido-gasoso

100

gasoso

80 60

líquido

40 20 0 –20 –40

sólido-líquido 5

Tempo de aquecimento (min)

sólido

–60

DIVULGAÇÃO PNLD

▸

Esse gráfico é apenas um esboço, isto é, as inclinações das retas não correspondem a dados obtidos experimentalmente. Não escreva neste livro.

Depois de analisar o gráfico, responda às questões: a) No início (t 5 0), qual é a temperatura da água e qual é seu estado físico? b) O que ocorre no intervalo entre 15 min e 25 min? c) Em que intervalo de tempo toda a amostra fica líquida? d) O que se dá no intervalo entre 50 min e 63 min? e) Qual o estado físico da água após 63 min?

Durante as mudanças de estado físico de uma substância, a temperatura permanece constante. Isso é representado graficamente pelas linhas horizontais paralelas ao eixo do tempo – chamadas de patamares. A temperatura em que uma substância “ferve”, ou seja, em que entra em ebulição, é denominada temperatura de ebulição. No caso da água, ao nível do mar, esse valor corresponde a 100 oC.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

< 100 ºC

100 ºC

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

No topo de uma montanha, a água entra em ebulição a uma temperatura inferior a 100 °C, que é o valor da temperatura de ebulição da água ao nível do mar, onde a pressão exercida pelo ar é igual a 1 atmosfera (1 atm).

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Para uma mistura como a de água e sal, o gráfico será como a seguir. Variação de estado físico de uma mistura de água e sal comum em função do tempo de aquecimento Temperatura gasoso

líquido-gasoso líquido

Tempo de aquecimento

Note que, ao contrário do que acontece com a água pura, a temperatura de ebulição da mistura de água e sal de cozinha não se mantém constante durante a mudança de estado.

Fonte: MASTERTON, W. L.; SLOWINSKI, E. J. Química geral superior. 4. ed. Rio de Janeiro: Interamericana, 1978. p. 11.

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De modo geral, no caso das misturas, a temperatura não se mantém constante durante as mudanças de estado. Assim, quando aquecemos uma mistura de água e sal, a ebulição da água se inicia em uma temperatura e termina em outra, mais alta. Ou seja, não há patamares (retas paralelas ao eixo do tempo) em gráficos de temperatura em função do tempo no caso das misturas. A mudança de estado se dá em um intervalo de temperatura, como mostra o gráfico acima. Esclarecimentos necessários

Quente e frio correspondem a diferença de temperatura? Calor e temperatura são conceitos-chave no estudo da Termologia, parte da Física que estuda esses conceitos, muito usados na Química. Por isso, vale a pena fazer um breve esclarecimento sobre eles. Em nosso cotidiano, é comum usarmos os termos quente e frio, valendo-nos de nossas sensações, para dar uma ideia da temperatura de um corpo. No entanto, esse tipo de informação não é confiável. Vamos ver um exemplo. Quando colocamos uma de nossas mãos em uma superfície metálica e a outra, simultaneamente, sobre uma superfície de madeira, ambas no mesmo ambiente há bastante tempo, temos a sensação de que o metal está mais frio do que a madeira. No entanto, o metal e a madeira devem estar à mesma temperatura, já que estão há certo tempo no mesmo ambiente. A sensação de que o metal é mais frio decorre do fato de que o calor transferido de nosso corpo (que está a uma temperatura maior do que a do ambiente) para o metal ocorre com maior rapidez do que o calor transferido para a madeira. Os adjetivos quente e frio são relativos e, portanto, não são precisos. Se tirarmos uma garrafa de água da geladeira e a

deixarmos em um ambiente no qual a temperatura é igual a 25 °C, o que ocorrerá? Passado algum tempo, a temperatura da água será igual à do ambiente, isto é, a água terá entrado em equilíbrio térmico com o ambiente. Para que a temperatura da água aumente, o ambiente cede calor para a água. Já no caso de um alimento que é retirado do fogão a uma temperatura elevada e é colocado no mesmo ambiente, ocorre o contrário: à medida que a comida esfria, ela perde calor para o local onde se encontra. De qualquer forma, dois corpos a temperaturas diferentes em um mesmo ambiente, depois de algum tempo, entram em equilíbrio térmico, isto é, passam a ter temperaturas iguais. A energia transferida de um corpo para outro por causa da diferença de temperatura entre eles é chamada de calor. A energia se transfere do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. O corpo que cede calor tem sua temperatura diminuída e o que recebe calor tem sua temperatura aumentada. Assim, dois corpos em um mesmo sistema, isolado do ambiente, trocarão energia até que suas temperaturas se igualem.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Dois corpos com a mesma massa têm a mesma densidade? Você, provavelmente, já deve ter ouvido esta pergunta quando era criança: o que pesa mais, 1 “quilo” de chumbo ou 1 “quilo” de algodão? Essa é uma pergunta que, feita a uma criança, costuma causar certo impacto. Isso ocorre porque é comum que elas confundam a massa de um objeto (medida em uma balança) com o volume (espaço ocupado). No caso, as duas amostras têm massa de 1 quilograma, ou seja, ambas têm mesma massa e mesmo peso. A

diferença está no espaço ocupado. O chumbo tem sua massa “concentrada” em volume menor que o do algodão. Quando comparamos diferentes amostras de água líquida, nota-se certa coincidência entre o valor numérico que exprime a massa e o que exprime volume, o que não ocorre com outras substâncias. Isso porque a densidade da água líquida equivale a 1 g/mL. Ou seja, em outras palavras:

1 mililitro de água

1 grama

1 000 mililitros (1 litro) de água

1 000 gramas (1 quilograma)

DIVULGAÇÃO PNLD

©SHUTTERSTOCK/SEALSTEP

Massa

©SHUTTERSTOCK/RON KLOBERDANZ

Volume

A balança (1) é um instrumento de medida de massa. Para medições de volume em laboratórios, é comum utilizar vidrarias, como balões volumétricos (2), provetas (3) e pipetas (4). 4

P. IMAGENS/PITH

©SHUTTERSTOCK/PRILL

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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07/05/16 19:19

1 L de mercúrio

1 L de água

1 L de etanol

12 kg

0,2 kg

0,5 kg

1 L de mercúrio corresponde a 13,5 kg

1 L de água corresponde a 1 kg

1 L de água

1 L de etanol corresponde a 0,8 kg

1 L de água corresponde a 1 kg

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Compare estas outras situações: Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Volumes iguais de materiais diferentes têm massas diferentes.

Observe que, de acordo com a ilustração acima, enquanto 1 litro de mercúrio tem massa igual a 1 litro de água mais 12,5 kg, 1 litro de etanol tem massa menor que a de 1 litro de água. Na tabela a seguir constam os dados de volume (em centímetro cúbico) de diferentes amostras de etanol a 20 °C e de massa (em gramas) correspondente a esses volumes. A partir desses dados foi construído um gráfico que relaciona a massa de etanol (em g) com seu volume (em cm3). Etanol

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Massa (g) 0,8 8 16 80 160 400 800

Massa de etanol em função de seu volume Volume (cm3) 1 10 20 100 200 500 1 000

Massa (g) 800

400

160 80

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Organic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 3-232.

100

200

500

1 000 Volume (cm3)

Note que, ao dividir os valores de massa pelos correspondentes valores de volume, obtemos uma relação proporcional: 80 g

100 cm

160 g 200 cm

400 g 500 cm

5 ... 5

0,8 1 cm

5 0,8

g cm3

Ou seja, uma relação constante para uma determinada temperatura. Ou:

0,8 g 1 cm

8g 10 cm

800 g 1 000 cm3

O gráfico de massa × volume de qualquer material é uma reta que passa pela origem, pelo fato de a massa e o volume do material serem diretamente proporcionais. Apesar disso, não há sentido físico no valor zero para a massa e o volume. Podemos resumir o que foi visto anteriormente da seguinte maneira: Densidade de um material é a relação entre sua massa e seu volume. O valor obtido é constante em dada temperatura e não depende da quantidade de material. massa m ou d 5 densidade 5 volume V Respondendo à questão inicial, só é possível que dois corpos com a mesma massa tenham a mesma densidade se ocuparem o mesmo volume. 54

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Caracterizando uma substância Geralmente, para identificar uma substância, recorre-se a um conjunto de propriedades que ela tem. Algumas delas, como temperatura de ebulição, temperatura de fusão, solubilidade em água (quantidade máxima de uma substância que pode ser dissolvida em determinado volume de água) e densidade, são característicos da substância, ou seja, variam de um material para outro. Essas propriedades são chamadas de específicas. Outras propriedades, como a massa e o volume, não permitem a identificação das substâncias e são classificadas como gerais. O sal que usamos no preparo de alimentos, conhecido como sal de cozinha, é formado principalmente por cloreto de sódio. Vamos analisar algumas das propriedades dessa substância. Observe a tabela: Propriedades do cloreto de sódio Temperatura de fusão (ao nível do mar)

Temperatura de ebulição (ao nível do mar)

Solubilidade em água (a 25 oC)

. 800 oC

1 465 oC

36,0 g/100 g de H2O

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Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-89.

Analisando essas propriedades do cloreto de sódio, podemos tirar algumas conclusões: ▸▸ abaixo de 800 °C ele é sólido; ▸▸ entre 800 °C e 1 465 °C é líquido; ▸▸ acima de 1 465 °C é gás; ▸▸ para dissolver (totalmente) 36,0 g de cloreto de sódio a 25 °C, são necessários 100 g de água. temperatura de fusão sólido

temperatura de ebulição líquido

800 oC

gasoso 1 465 oC

Temperatura

Isso quer dizer que, se uma amostra apresentar todas essas características, é bem provável que a substância seja cloreto de sódio.

Critérios de pureza Como acabamos de ver, o conjunto de propriedades específicas de uma substância serve para identificá-la. As temperaturas de fusão e de ebulição, a densidade e a solubilidade são os testes mais comuns em laboratório para verificar se uma amostra contém uma única substância ou uma mistura de substâncias. Elas constituem alguns dos critérios de pureza. Veja alguns exemplos na tabela abaixo. Note que a densidade a 25 °C do monóxido de carbono e do nitrogênio é idêntica. Isso quer dizer que, se uma pessoa estiver identificando uma amostra de uma substância desconhePropriedades de algumas substâncias a 1 atm cida e obtiver um valor de densidade igual a Temperatura Temperatura 1,14 g/L (a 25 °C), não conseguirá identificá-la Densidade Substâncias de fusão de ebulição (g/L) a 25 oC utilizando somente essa propriedade. Por isso, o o ( C) ( C) é importante destacar que, para caracterizar Hidrogênio 2259,3 2252,9 0,08 uma substância, é necessário conhecer o conNitrogênio 2210,0 2198,8 1,14 junto de suas propriedades específicas. Fonte: LIDE, David R (Ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 87th ed. Internet Version. Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2007.

Oxigênio

2218,8

2118,6

1,31

Monóxido de carbono

2205,0

2191,5

1,14

Dióxido de carbono

256,6

278,5

1,80

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Consultando a tabela a seguir, que indica as temperaturas de fusão e de ebulição de água, acetona, cobre, bromo, etanol e mercúrio, indique o estado físico de cada uma dessas substâncias nas temperaturas indicadas. Temperaturas de fusão e ebulição de algumas substâncias puras (a 1 atm) Água

Acetona

Cobre

Bromo

Etanol

Mercúrio

Temperatura de fusão ( C)

294,7

1 084,6

27,2

2114,1

238,8

Temperatura de ebulição ( C)

100,0

56,1

2 562,0

58,8

78,3

356,6

Fonte: LIDE, David R (Ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 87th ed. Internet Version. Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2007.

a) 10 °C

b) 240 °C

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2. Construa um gráfico temperatura (°C) 3 tempo (min) que represente o aquecimento de um sólido desde 0 °C até 120 °C, sabendo que se trata de uma substância pura que funde a 41 °C e cuja temperatura de ebulição é de 112 °C. A fusão se inicia aos 5 minutos e termina aos 11 minutos, e a ebulição ocorre no intervalo de 14 a 23 minutos. Qual o estado físico da amostra aos 12 minutos de aquecimento? 3. Em uma atividade experimental, o professor forneceu aos grupos de alunos esferas de cobre de diferentes tamanhos e pediu a eles que encontrassem a densidade da amostra fornecida. Para tanto, um grupo de alunos fez os seguintes procedimentos: • Mediu a massa da amostra de cobre fornecida, obtendo um valor igual a 89 g. • Colocou água em um cilindro graduado (proveta) até uma marca de 30 mL. • Mergulhou no líquido a esfera de cobre e notou que o nível da água se deslocou para a marca de 40 mL.

b) Qual é o volume total dos recipientes que contêm detergente? 5. Posteriormente, você compra outra marca de detergente em pó de mesma composição, com a indicação de 600 g na embalagem. Porém, só consegue encher 5 copos de 200 mL. a) Qual é a massa do detergente em pó do segundo pacote? b) Qual é o volume total dos recipientes que contêm detergente? c) Qual dos dois detergentes é mais denso? Considere que o volume do detergente corresponde ao volume total medido. 6. Na determinação da densidade dos detergentes dos dois pacotes, não se estava calculando apenas a densidade do detergente, caso contrário os valores encontrados deveriam ser idênticos. Explique a razão dessa diferença. 7. Reproduza a tabela abaixo em seu caderno e complete-a. Depois, faça as atividades seguintes.

a) Considerando que as amostras fornecidas pelo professor eram de cobre puro, ou seja, não havia impurezas (outras substâncias), qual é a importância de vários grupos de alunos executarem medidas da densidade do mesmo metal?

Relação entre massa e volume para o ferro e para o oxigênio (a 25 oC e 1 atm) Massa (g)

Volume (cm3)

Massa (g)

Volume (L)

b) Qual é o valor aproximado da densidade do cobre obtida pelo grupo de alunos?

////////////

1,0

1,31

1,00

15,74

2,0

////////////

2,00

157,4

////////////

13,1

////////////

1 000

c) O procedimento adotado pelo grupo de alunos é útil para identificar metais, mas ele poderia ser utilizado para amostras de açúcar? E de cortiça? Justifique sua resposta. 4. Na embalagem de um detergente em pó há uma indicação: 600 g. Imagine que você consiga encher 6 copos de 200 mL com o conteúdo do pacote. a) Qual é a massa do detergente? 56

c) 1 500 °C

Ferro

Oxigênio

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. Internet Version. Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-79 e 4-68.

a) Construa um gráfico de massa (g) em função do volume (cm3) para o ferro, se possível, em papel quadriculado.

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21/05/16 14:57

b) Qual é a densidade do ferro, em g/cm3? c) Qual é a densidade do gás oxigênio, em g/L? d) Calcule a massa de 1 cm3 (1 mL) de gás oxigênio. Qual é a densidade do oxigênio gasoso, em g/cm3? e) Explique o significado das densidades calculadas nos itens b e c. f) Qual é a relação entre a densidade do ferro e a do gás oxigênio? O que indica tal relação? 8. Observe o gráfico seguinte e responda às questões. Massa (g) A

100 80

60 C

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100 Volume (cm3)

a) Qual é o volume de 50 g de A? b) Qual é o volume de 40 g de B? c) Qual é a densidade de A? d) Qual é o volume de 100 g de C? e) Coloque A, B e C em ordem crescente de densidade. 9. Leia o texto seguinte e responda às questões.

GETTY IMAGES/CHRIS MCGRATH

Meu tio e a densidade do tungstênio Meu tio trouxe um minúsculo cilindro graduado de 0,5 mililitro, encheu-o com água até a marca de 0,4 mililitro e então

colocou lá dentro os grânulos de tungstênio. A água subiu um vigésimo de mililitro. Escrevi os números exatos e fiz o cálculo – o tungstênio pesava pouco menos de um grama e sua densidade era (A). “Excelente”, disse meu tio. [...] “Agora tenho aqui vários metais diferentes, todos em grânulos. Que tal você praticar pesando-os, medindo seu volume e calculando sua densidade?” Passei a hora seguinte empolgadíssimo na tarefa, e descobri que meu tio me fornecera uma variedade imensa, que ia de um metal prateado, um pouco embaciado, com densidade menor que 2, a um de seus grânulos de osmirídio* (eu reconheci o metal), cuja densidade era quase doze vezes maior. Quando medi a densidade de um minúsculo grânulo amarelo, vi que era exatamente igual à do tungstênio – (A) para ser exato. “Está vendo?”, meu tio comentou. “A densidade do ouro é quase igual à do tungstênio, mas a prata é bem mais leve. É fácil sentir a diferença entre ouro puro e prata revestida de ouro – mas seria difícil com o tungstênio revestido de ouro.” SACKS, Oliver. Tio Tungstênio – memórias de uma infância química. Trad. Laura Teixeira Motta. São Paulo: Companhia das Letras, 2002. p. 48-49. * Osmirídio é uma liga metálica formada principalmente por ósmio e irídio.

a) Do texto extraído do romance Tio Tungstênio, foi retirado um número e substituído pela letra (A). Calcule o valor aproximado de A. b) O trecho destacado contém um termo impróprio. Diga qual é e troque-o de modo a deixá-lo cientificamente correto.

Oliver Sacks (foto) nasceu em Londres, em 1933. Foi renomado neurologista e escritor. Graduou-se em Medicina pela Universidade de Oxford. Em 1965, mudou-se para Nova York, onde desenvolveu sua carreira como professor e médico especialista em desordens do sistema nervoso. Além de Tio Tungstênio, são suas obras Alucinações musicais: relatos sobre a música e o cérebro, O homem que confundiu sua mulher com um chapéu, Um antropólogo em Marte, Tempo de despertar, entre outros livros. Vítima de câncer, faleceu em Nova York, em agosto de 2015.

Tempo de despertar. Direção: Penny Marshall. Estados Unidos, 1990. 121 min. Adaptação para o cinema do livro Tempo de despertar, em que Sacks descreve sua experiência, entre 1969 e 1972, com pacientes sobreviventes de uma epidemia de encefalite letárgica, ocorrida entre os anos 1910-1920.

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Substâncias simples e substâncias compostas

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SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Uma substância pode ser simples ou composta. Em que critério se baseia essa classificação? Vamos analisar alguns experimentos que permitem diferenciá-las. Para isso, as substâncias serão submetidas a agentes físicos – como calor, luz, eletricidade. Observe, então, as imagens relativas a dois momentos do aquecimento do óxido de mercúrio – um sólido vermelho-alaranjado. O aquecimento do óxido de mercúrio(II) libera um gás incolor e permite observar a formação de um líquido prateado. Quando se aproxima um palito em brasa do gás liberado, aparece uma chama. Por isso, dizemos que esse gás é comburente, isto é, alimenta a queima da madeira do palito de fósforo.

Cuidado! Não faça este experimento. Ele requer cuidados que evitem a inalação de vapores de mercúrio, altamente tóxicos.

óxido de mercúrio(II)

Óxido de mercúrio(II). Do aquecimento dessa substância obtêm-se duas outras.

anel de mercúrio

O oxigênio liberado pelo aquecimento do óxido de mercúrio(II) faz o palito em brasa acender. O anel formado no tubo de ensaio indica que outra substância se formou.

Por mais que se aqueça o líquido obtido, não é possível decompô-lo em mais substâncias. A determinação de várias propriedades das duas substâncias obtidas permite concluir que: ▸ o líquido prateado é mercúrio – único metal líquido nas condições ambientes; ▸ o gás é o oxigênio, substância incolor, essencial às combustões ao ar e à nossa vida. Agora vamos ver o que acontece quando se passa uma corrente elétrica em ácido clorídrico. corrente elétrica

gás A

gás B polo +

Substância

Cor

Densidade (g L21) a 25 °C e 1 atm

gás A

incolor

0,082

gás B

verde-amarelado

3,17

polo – AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

ácido clorídrico

bateria

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

O esquema representa a decomposição de uma solução de ácido clorídrico (cloreto de hidrogênio aquoso) em hidrogênio gasoso e cloro gasoso, por ação da corrente elétrica (eletrólise). 58

gás cloro

gás hidrogênio

ácido clorídrico

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Com base nessas e em outras propriedades de cada gás, podemos identificar os gases A e B como hidrogênio e cloro, respectivamente. ácido clorídrico

corrente elétrica

gás hidrogênio

gás cloro

Quando uma substância, submetida apenas à ação de agentes físicos − como calor, luz, eletricidade –, é decomposta em outras, a substância de partida é chamada composta ou, simplesmente, composto. Substância composta (composto) é aquela que, por ação de um agente físico, se decompõe formando duas ou mais substâncias. A seguir estão representadas algumas reações de decomposição: aquecimento

óxido de mercúrio(II)(s)

2 HgO(s)

2 Hg(ℓ)

corrente elétrica

cloreto de hidrogênio(aq)

t . 2 700 °C

água(ℓ)

H2(g)

O2(g) Lembre-se: (s) – sólido (ℓ) – líquido (g) – gás (aq) – aquoso

Cℓ 2(g)

hidrogênio(g) 1 oxigênio(g)

t . 2 700 °C

2 H2O(ℓ)

1 oxigênio(g)

hidrogênio(g) 1 cloro(g)

corrente elétrica

HCℓ(aq)

DIVULGAÇÃO PNLD

mercúrio(ℓ)

2 H2(g)

O2(g)

As representações das transformações que aparecem indicadas acima são chamadas de equações químicas. Estudaremos em capítulos mais à frente como se escreve uma equação e de que forma ela pode ser interpretada. Uma decomposição por aquecimento, também chamada de decomposição térmica ou pirólise, muito importante para a sociedade, ocorre com o carbonato de cálcio – componente da rocha calcária. Por meio do aquecimento dessa substância, são obtidos dois novos compostos, o dióxido de carbono gasoso (gás carbônico) e o óxido de cálcio, comercialmente conhecido como cal, produto sólido largamente usado na construção civil. carbonato de cálcio(s) CaCO3(s)

aquecimento D

óxido de cálcio(s) 1 dióxido de carbono(g) CaO(s)

CO2(g)

Observe que, em todos esses exemplos, há um único reagente (substância composta) que se transforma, por ação de agente físico, em mais de um produto. Note também que, nessa última transformação, os produtos obtidos (CaO e CO2) podem ser decompostos novamente. Já uma substância simples não pode ser decomposta. Substância simples é aquela que, submetida a agentes físicos (luz, calor, eletricidade), não se decompõe em outras substâncias. São exemplos de substâncias simples: mercúrio (Hg), oxigênio (O2), hidrogênio (H2), cloro (Cℓ 2), prata (Ag), ferro (Fe) e cobre (Cu). Óxido de mercúrio (HgO), ácido clorídrico (HCℓ), água (H2O), óxido de cálcio (CaO) e dióxido de carbono (CO2) são exemplos de substâncias compostas. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Modelos para representar substâncias simples e substâncias compostas Tendo em vista que é impossível visualizar as unidades constituintes de uma substância, mesmo usando um microscópio óptico, torna-se importante recorrer a modelos que ajudem a representar os diferentes tipos de substâncias e a explicar processos de transformação em que elas estão envolvidas. Os estudiosos do século XIX propuseram modelos com base na teoria atômica de Dalton. Como vimos no capítulo anterior, essa teoria era capaz de explicar as leis ponderais das reações químicas. Esses modelos são bastante úteis até hoje para explicar grande parte dos conceitos estudados durante o curso de Química do Ensino Médio. Usando o modelo de Dalton, vamos diferenciar substâncias simples de compostas. Vale destacar que Dalton chamou de átomos compostos as unidades constituídas por conjuntos de átomos. Observe: óxido de mercúrio(II)

DIVULGAÇÃO PNLD

2 elementos

água

2 elementos

oxigênio

mercúrio

1 elemento

hidrogênio

oxigênio

1 elemento

Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (a representação é apenas um modelo e as partículas representadas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos).

O óxido de mercúrio(II) e a água são exemplos de compostos Elemento Símbolo formados por mais de um tipo de átomo (o óxido de mercúrio hidrogênio H é formado por mercúrio e oxigênio, e a água é formada por hidrogênio e oxigênio). Pode-se dizer que tanto o óxido de oxigênio O mercúrio quanto a água são formados por dois elementos carbono C químicos. Os elementos químicos podem ser representados mercúrio Hg por símbolos, conforme a tabela ao lado. As substâncias são representadas por fórmulas em que átomos do mesmo elemento químico ou de elementos diferentes estão unidos, formando aglomerados. Assim:

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Substância simples

Fórmula

Substância composta

hidrogênio

água

H2 O

oxigênio

gás carbônico

CO2

mercúrio

monóxido de carbono

Modelo

Fórmula

Cores fantasia, sem escala.

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Você pode notar que as substâncias simples são formadas por um só elemento químico, embora muitas vezes suas unidades constituintes sejam formadas por mais de um átomo. O número escrito à direita e abaixo do símbolo do elemento (índice) indica o número de átomos do elemento na unidade constituinte. Assim, o índice 2 que aparece na fórmula do hidrogênio (H2) indica o número de átomos de hidrogênio (H) que constitui cada molécula da substância simples hidrogênio.

Atividade O texto a seguir foi retirado de um site que tem a água como uma de suas preocupações ambientais. Leia-o com atenção e responda à questão seguinte.

Não escreva neste livro.

A água pura (H2O) é um líquido formado por moléculas de hidrogênio e oxigênio. Na natureza, ela é composta por gases, como oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio, dissolvidos entre as moléculas de água. [...] Fonte: ÁGUA: recursos hídricos. Ambiente Brasil. Disponível em: <http://ambientes.ambientebrasil.com.br/ agua/recursos_hidricos/agua_-_recursos_hidricos.html>. Acesso em: 30 out. 2015.

Diferentes substâncias, um só elemento Vamos ver agora um caso pouco frequente, mas bastante interessante: a possibilidade de um mesmo elemento químico constituir substâncias simples diferentes, que também diferem quanto a suas propriedades. Esse fenômeno é chamado de alotropia, e as substâncias simples formadas são chamadas de formas alotrópicas do elemento que as constitui.

Formas alotrópicas do oxigênio Cores fantasia, sem escala.

Observe a representação das duas substâncias simples diferentes que o elemento oxigênio forma: gás oxigênio e gás ozônio.

LATINSTOCK/ALAMY STOCK PHOTO/ MEDICIMAGE

Gás oxigênio: O2 ▸ Cor: não tem (incolor). ▸ Essencial à respiração. ▸ É o comburente presente na atmosfera, isto é, é o constituinte do ar indispensável para que algum material combustível queime na presença do ar.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Os trechos destacados encontram-se imprecisos do ponto de vista da linguagem científica. Reescreva-os em seu caderno de modo a torná-los mais adequados.

Cerca de 20% do volume do ar que respiramos é composto de oxigênio. Em balões de oxigênio, esse teor é bem mais elevado do que no ar, para aumentar a concentração de oxigênio no sangue.

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Gás ozônio: O3 Cores fantasia, sem escala. ▸▸ Cor: levemente azulada; odor: característico. ▸▸ Bactericida. ▸▸ Na estratosfera, que fica entre 30 km e 50 km de altitude, há uma “camada de ozônio” que absorve parte da radiação ultravioleta que vem do Sol. A incidência direta dessa radiação em nossa pele nos predispõe ao câncer de pele (é carcinogênica); o ozônio nessa região funciona como um protetor contra esse tipo de radiação. ▸▸ Na baixa atmosfera, o ozônio é capaz de agir como bactericida – quando em concentração relativamente baixa – e é um poluente do ar – quando em concentrações elevadas.

O gás ozônio é usado, por exemplo, no tratamento de água de piscinas em substituição ao cloro, que, em alguns usuários, pode causar irritação das vias aéreas e dos olhos.

A diferença de propriedades desses dois gases é consequência do fato de as moléculas que os constituem serem formadas por dois átomos no caso do gás oxigênio e três átomos no caso do gás ozônio. O gás oxigênio é formado por moléculas diatômicas (O2) e o gás ozônio é formado por moléculas triatômicas (O3). Em dias ensolarados, a formação de ozônio é favorecida em locais de tráfego intenso porque ele é produzido por reações químicas entre gases emitidos por veículos automotivos. Trata-se de um problema sério em metrópoles e grandes centros urbanos. O trecho da matéria abaixo evidencia essa questão. Qualidade do ar de BH não é boa em um terço do ano Estações que monitoram o ar na capital fazem disparar alerta. Especialistas criticam tamanho da rede de coleta [...] [...] De acordo com o levantamento do índice da qualidade do ar dos últimos 12 meses, o ozônio foi o grande vilão no ar da capital, tendo sido registrado em 99 dos 365 dias do período analisado. [...] [...] Estado de Minas, 8 out. 2015. Disponível em: <http://www.em.com.br/app/noticia/gerais/2015/10/08/interna_ gerais,695949/qualidade-do-ar-de-bh-nao-e-boa-em-um-terco-do-ano.shtml>. Acesso em: 3 nov. 2015.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Há outros casos de alotropia em que a diferença está na disposição espacial dos átomos, como veremos a seguir.

Formas alotrópicas do enxofre O enxofre é um sólido amarelo encontrado principalmente em terrenos de origem vulcânica como impureza de alguns minérios (a pirita, por exemplo, que é composta principalmente por ferro e enxofre – FeS2) e como subproduto do petróleo. O elemento enxofre pode formar substâncias simples diferentes: o enxofre rômbico e o enxofre monoclínico. Elas correspondem a estruturas distintas, ambas formadas por oito átomos, representadas por S8. O cristal de enxofre é encontrado na forma rômbica a temperaturas de até 95,3 oC. Acima dessa temperatura, ele passa para a forma monoclínica. Apesar de ambas serem formadas por unidades com oito átomos de enxofre, a distribuição espacial de suas unidades é bastante diferente, o que explica as diferenças de propriedades: a densidade do enxofre rômbico, por exemplo, é 2,1 g/cm3 e a do enxofre monoclínico é 2,0 g/cm3.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

©SHUTTERSTOCK/MARCELCLEMENS

Representação do cristal de enxofre Cores fantasia, sem escala.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

LATINSTOCK/SPL/ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY

DIVULGAÇÃO PNLD

Formas alotrópicas do enxofre

Fonte das representações: Royal Society of Chemistry. Disponível em: <http://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/ res00000686/allotropes-of-sulfur?cmpid=CMP00004757>. Acesso em: 7 jan. 2016.

As duas principais substâncias simples constituídas pelo elemento fósforo são o fósforo vermelho e o fósforo branco. A primeira, cujas moléculas são formadas pela união de um grande e variável número de grupos de 4 átomos de fósforo, (P4)n, é bastante conhecida por seu uso cotidiano em lixas de caixas de fósforos de segurança; já a segunda, P4, foi utilizada várias vezes para fins bélicos, inclusive durante a Primeira Guerra Mundial (1914-1918), como constituinte de armas químicas. Embora ambas sejam substâncias combustíveis, se expostas ao ar ambiente, têm comportamentos diferentes: o fósforo branco se incendeia espontaneamente (motivo pelo qual é armazenado em água), podendo causar sérias queimaduras se não for manipulado com cuidado; no caso do fósforo vermelho, é preciso fornecer-lhe energia para que a combustão se inicie – é o que fazemos, por exemplo, quando atritamos a cabeça do palito (que não contém fósforo) À esquerda, o fósforo vermelho e, à direita, o fósforo com a lixa da caixa de fósforos de segurança, onde branco em água. esse elemento se encontra. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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LATINSTOCK/PHOTO RESEARCHERS, INC./CHARLES D. WINTERS

Formas alotrópicas do fósforo

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GLOWIMAGES/ZUMA PRESS/XINHUA

O fósforo branco, conhecido por WP (de white phosphorus), é usado para fins bélicos como bomba incendiária. Como é altamente solúvel em lipídios (gordura), partículas que entram na pele podem queimar rapidamente chegando até os ossos, além de causar danos ao pulmão e à garganta devido à formação de um ácido (ácido fosfórico).

Formas alotrópicas do carbono: diamante e grafita

Explosão de bomba de fósforo branco na cidade de Gaza, localizada na chamada Faixa de Gaza (território palestino próximo a Israel), em 2009.

ângulo entre as ligações: 109º

109º

©SHUTTERSTOCK/YEKO PHOTO STUDIO

1 pm = 10–12m (picômetro)

LATINSTOCK/ALAMY/WORLD HISTORY ARCHIVE

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

154 pm

Diamante bruto.

Fonte da representação da estrutura cristalina do diamante: DUTCH, S. Diamond Structure. Natural and Applied Sciences. University of Wisconsin, Green Bay. Disponível em: <http://www.uwgb.edu/dutchs/Petrology/Diamond%20Structure.htm>. Acesso em: 11 jan. 2016

Representação da estrutura cristalina do diamante. Cores fantasia, sem escala. ângulo entre as ligações: 120º 120º

©SHUTTERSTOCK/TYLER BOYES

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Diamantes lapidados.

©SHUTTERSTOCK/IAN GRAINGER

DIVULGAÇÃO PNLD

Na natureza, é possível encontrar duas formas alotrópicas do carbono: o diamante e a grafita. O diamante, usado em objetos de adorno, é o material mais duro da natureza. Por essa razão, tem grande emprego industrial. A grafita que usamos para escrever é cinza-escura, apresenta brilho metálico e pode ser quebrada com pouco esforço. Por ser boa condutora elétrica, é empregada em pilhas elétricas e pode também ser usada como lubrificante.

335 pm

Amostra de grafita mineral.

Grafita usada para escrever.

141,5 pm

Representação da estrutura cristalina da grafita. Cores fantasia, sem escala.

Fonte da representação da estrutura cristalina da grafita: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 105.

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MATRIZ

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Conexões Química e tecnologia – Formas artificiais do carbono As buckybolas

As buckybolas assemelham-se a estruturas geodésicas, como a do museu em homenagem ao meio ambiente (The Biosphere), na cidade de Montreal, Canadá, que vemos na imagem acima. Foto de 2012.

20 hexágonos regulares

60 átomos de carbono

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

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©SHUTTERSTOCK/MEUNIERD

Uma terceira forma alotrópica do carbono foi obtida em laboratório pelas equipes de Richard Errett Smalley (1943-2005), dos Estados Unidos, e Harold (Harry) Walter Kroto (1939-), da Inglaterra, há cerca de trinta anos. A disposição dos átomos de carbono dessa forma alotrópica, conhecida por buckybolas (do inglês buckyballs) ou fulereno, lembra uma bola de futebol profissional. O nome original dessa forma de carbono é buckminster fullerene, em homenagem ao arquiteto

estadunidense Richard Buckminster Fuller (1895-1983), que criou a estrutura geodésica. Essa forma de carbono, de fórmula C60, é a mais simples de uma família de fulerenos, cujos arranjos moleculares fechados podem atingir até 960 átomos de carbono. Muitos químicos vêm realizando pesquisas sobre buckybolas, tendo em vista a enorme possibilidade de aplicações dessas substâncias, tanto na área médica, para viabilizar novas terapias (por exemplo, a de osteoporose), como em lubrificantes, combustíveis, baterias, entre outras.

Representação da estrutura das buckybolas. Cada uma delas é formada por 60 átomos de carbono, dispostos em 20 hexágonos regulares e 12 pentágonos regulares. Cores fantasia, sem escala. Fonte da ilustração: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 105.

12 pentágonos regulares

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Nanotubos de carbono

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©SHUTTERSTOCK/TYLER BOYES

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/EYE OF SCIENCE

Os nanotubos, outra forma alotrópica do carbono, são um tipo de fulereno. Descritos pela primeira vez em 1952, foram amplamente divulgados na comunidade científica apenas em 1991. A palavra nanotubo remete tanto à forma quanto à dimensão (o prefixo nano vem do grego e significa “excessiva pequenez”): 100 mil vezes mais fino do que um fio de cabelo.

átomos de carbono

Micrografia de tunelamento colorida de nanotubos de carbono. Por meio dessa técnica, é possível observar a topologia da superfície do material estudado. Aumento de 6 000 000 vezes para imagens de 6 cm × 6 cm.

Representação de parte da estrutura de um nanotubo. Cores fantasia, sem escala.

Diamantes artificiais Desde meados do século XX, cientistas vêm obtendo diamantes artificiais que, apesar de serem formados por cristais irregulares, têm encontrado emprego industrial por sua elevada dureza (diamante vem do grego adámas: “indomável”), por conduzirem bem o calor, terem baixa resistência à passagem do som – o que possibilita seu uso em alto-falantes – e por serem pouco reativos – o que permite seu uso em próteses no corpo humano. Mais recentemente, equipes de cientistas, incluindo brasileiros, têm se dedicado a pesquisar novas formas de diamantes artificiais e suas possibilidades de aplicação. Entre elas, podemos mencionar o uso de diamantes sintéticos em brocas adequadas a vários tipos de técnicas utilizadas em odontologia, para recobrimento de instrumentos médicos e peças de transplantes, funcionando como bactericida e inibidor da formação de coágulos sanguíneos, em ferramentas utilizadas em implantes ósseos e para o revestimento de bandejas usadas para transportar instrumental cirúrgico em hospitais. 1. Com base em seus conhecimentos e no que leu nesta seção e em outras fontes de pesquisa, faça um resumo sobre alguns empregos das formas de carbono naturais e artificiais.

Não escreva neste livro.

2. A descoberta dos fulerenos rendeu o Prêmio Nobel de Química em 1996 aos cientistas R. Crul, H. Kroto e R. Smalley. Você já ouviu falar do Prêmio Nobel? O que ele representa? Faça uma pesquisa em livros e sites sobre esse assunto.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Substância e mistura: diferenciação teórica ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Nos sistemas abaixo, estão representadas substâncias puras. Cores fantasia, sem escala.

O H

Água (H2O), substância composta de H e O.

Oxigênio (O2), substância simples.

Note que as ilustrações representam água e oxigênio. No que essas substâncias diferem? A água é uma substância composta (constituída por mais do que um elemento, H e O) e o oxigênio é uma substância simples (formada por um só elemento, O). No caso de misturas, há diferentes tipos de aglomerados atômicos, e cada um desses tipos corresponde a uma substância. Observe:

DIVULGAÇÃO PNLD

Cores fantasia, sem escala.

C O H

Representação do álcool comercial.

O álcool comercial é uma mistura de etanol (C 2H5OH) que contém teores variáveis de água. O álcool 54 oGL tem 54 cm3 de etanol para cada 46 cm3 de água. Cores fantasia, sem escala.

N O

Representação do ar “puro”.

O ar “puro” é uma mistura de diversos gases, na qual predominam dois: o oxigênio (O2), com cerca de 20%, e o nitrogênio (N2), com 80%, aproximadamente. Portanto, uma substância é composta por átomos ou aglomerados de átomos, cuja constituição é a mesma. As substâncias podem ser de dois tipos: ▸

substâncias simples ou elementares – formadas por um só elemento;

▸

substâncias compostas (compostos) – constituídas por dois ou mais elementos.

Já uma mistura é constituída de várias substâncias. Ela pode ser obtida quando essas substâncias são colocadas em contato sem se alterar, ou seja, quando não reagem entre si. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Não escreva neste livro.

Atividades SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

1. Observe a foto ao lado. Mesmo sem ter conhecimentos de Química, uma pessoa atenta pode notar algo incoerente na propaganda da loja. Na sua opinião, o que seria?

a) Quais representam substâncias simples? b) Quais são compostos binários, isto é, formados por dois elementos? c) Qual substância é simples e tetratômica? d) Quantos átomos formam uma molécula de butano, C4H10? e) Qual dessas substâncias está presente no ar não poluído?

Temperatura de fusão (oC) a 1 atm

Temperatura de ebulição (oC) a 1 atm

Cor

2 101,5

2 34,0

verde-amarelado

6. Nos sistemas a seguir, átomos são representados por esferas. Para resolver os itens de a a d, reproduza em seu caderno o(s) que corresponde(m) ao que é descrito.

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-58.

3. Com base nos dados das questões 1 e 2, nos conceitos de substância simples, substância composta e de elemento que você pôde construir até aqui, redija uma explicação possível para a confusão de informações sobre o cloro na propaganda. 4. Considere as seguintes informações: • Substâncias que contêm ferro devem fazer parte de uma alimentação saudável. • Sabe-se que ferro na forma metálica é atraído por ímãs, o que não acontece com compostos de ferro. Observa-se que: • Um medicamento que contém ferro, usado no tratamento da anemia, não é atraído por ímã. • Uma farinha enriquecida com ferro não é atraída por ímã. • Uma embalagem de cereais em flocos mostra que eles são atraídos por ímã.

III

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ ARQUIVO DA EDITORA

2. Dadas as seguintes propriedades do cloro, qual deve ser seu estado físico em uma temperatura ambiente de aproximadamente 20 °C, a 1 atm de pressão?

DIVULGAÇÃO PNLD

5. Considere as fórmulas P4, CO, C3H6O, N2, O3, C4H10.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

a) Substância pura composta. b) Substância pura simples. c) Mistura de duas substâncias, uma simples e uma composta. d) Mistura de duas substâncias simples. 7. Complete em seu caderno o quadro abaixo para os sistemas I, II, III, IV e V representados anteriormente. As respostas relativas ao sistema I estão dadas. I

III

Número de átomos

/////

Número de elementos

/////

Número de moléculas

/////

a) Se os flocos não forem atraídos por ímã, é porque não contêm ferro? Explique.

Número de substâncias

/////

b) Utilizando os conceitos de elemento, substância simples e substância composta, escreva um texto que explique o fato de o medicamento e a farinha não serem atraídos por ímãs, mas o cereal, sim.

Número de substâncias compostas

/////

Número de substâncias simples

/////

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Tipos de mistura

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Já vimos que, quando duas ou mais substâncias são colocadas em contato e não há transformação química, isto é, quando não reagem entre si, elas originam uma mistura.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

água

álcool etílico (etanol)

mistura de álcool e água (nessa mistura se mantêm os dois tipos de moléculas iniciais)

Representação de um béquer com água, outro com etanol e um terceiro com a mistura obtida quando se acrescenta água a etanol. Também estão representados os três líquidos, do ponto de vista microscópico, isto é, das unidades que os constituem.

De acordo com o aspecto, as misturas podem ser classificadas em homogêneas e heterogêneas.

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Misturas homogêneas ou soluções Misturas homogêneas ou soluções são as que têm o mesmo aspecto em todos os pontos, ainda que observadas com microscópios potentes. São exemplos de soluções: álcool comercial; ar isento de partículas sólidas (poeira); água com açúcar dissolvido; tintura de iodo (iodo dissolvido em álcool). Todas as misturas gasosas são homogêneas. O ar isento de pequenas partículas sólidas também é um exemplo de mistura homogênea. Em uma mistura homogênea ou solução, as unidades constituintes de um componente distribuem-se entre as do(s) outro(s), sem que seja possível distingui-los. Observe as imagens:

+ ág

solução 2

ir dilu

dissolver

água

solução 1

+ su co e mp con ó cen tr a r

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

suco em pó

solução 3

A solução 2 é mais diluída do que a 1. A solução 3 é mais concentrada do que a 1.

A solução 2 é mais diluída do que a 1. A solução 3 é mais concentrada do que a 1. Ou seja: Dissolver significa misturar substâncias que não reagem entre si, formando solução. ▸ Diluir significa acrescentar mais solvente a uma solução. ▸ Concentrar significa adicionar mais soluto a uma solução, ou retirar solvente dela. Para que fique mais claro, no exemplo mostrado na ilustração, a água é o solvente. Já o suco em pó contém várias substâncias que constituem o soluto. Vale lembrar também que, como as misturas têm composição variável, não podem ser representadas por fórmulas. ▸

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Misturas heterogêneas Misturas heterogêneas são as que apresentam regiões com diferentes aspectos, chamadas fases. As diversas fases de um sistema podem ser diferenciadas a olho nu ou por meio de microscópios de luz.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

água

óleo

areia

vinagre 2 fases: uma sólida e outra líquida

cubos de gelo (todos os cubos de gelo são uma fase) areia (os vários grãos de areia constituem uma só fase) 2 fases: 2 líquidos imiscíveis (que não se misturam)

2 fases: cada uma está dividida em várias partes com o mesmo aspecto

Misturas difásicas: apresentam duas fases.

Cores fantasia, sem escala.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

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Observação: Uma única substância pode se apresentar simultaneamente em duas ou três fases; é o caso do conjunto água líquida-gelo (heterogêneo). Por isso, mudanças de estado físico sólido-líquido, por exemplo, também são chamadas de mudanças de fase.

Água pura em duas fases: sólida e líquida.

Atividades

Não escreva neste livro.

1. Explique como proceder para: a) diluir uma solução alcoólica de iodo (iodo dissolvido em álcool); b) concentrar uma solução aquosa de dicromato de potássio (dicromato dissolvido em água). 2. Qual é a diferença entre dissolver e diluir? 3. Considere os sistemas indicados a seguir para responder aos itens de a a d. I. Álcool em água. II. 3 cubos de gelo em solução aquosa de sal. III. Vapor de água 1 gás carbônico. IV. Vapor de água 1 3 cubos de gelo. V. 1 colher de açúcar em 1 litro de água. VI. Nitrogênio 1 oxigênio. a) Quais constituem misturas? b) Quais são monofásicos? c) Qual é formado por substância pura? d) Quais contêm duas substâncias?

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Separação de misturas Quase todos os materiais obtidos da natureza são misturas de substâncias. Muitas vezes o ser humano está interessado em um ou mais componentes de uma mistura e, para isso, realiza métodos de separação que permitem obtê-lo(s). Você conhece algum método de separação? Como você faria para retirar os sais que estão dissolvidos na água do mar? Vamos agora estudar alguns processos de separação de misturas e suas aplicações.

Quando alguém passa aspirador de pó em um piso empoeirado, está fazendo com que o ar que contém essa poeira, ao passar pelo filtro no interior do equipamento, deixe retidas nele as partículas de poeira. Dizemos que essa mistura gás-sólido passou por uma filtração, separando o sólido (poeira) do gás (ar). Outro exemplo da aplicação do método de filtração ocorre quando uma pessoa prepara um café de modo tradicional. O coador de pano ou o de papel que é colocado em um suporte é um filtro que retém o pó de café, deixando passar o líquido, uma solução de café em água. Nesse caso, a filtração separa a fase sólida da fase líquida. Nos laboratórios, é muito frequente recorrer à filtração feita em funil de vidro. No processo, podem-se utilizar trompas de vácuo ou compressores de ar (ou bombas de vácuo), que reduzem a pressão dentro do recipiente, resultando numa sucção que acelera o processo de filtração. Esquema de filtração simples mistura

Esquema de filtração a vácuo papel-filtro

bastão de vidro

mistura mangueira

papel-filtro torneira funil de vidro

trompa de vácuo

frasco de segurança

béquer

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

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Filtração

vácuo

filtrado

funil de porcelana filtrado

kitasato

Aparelhagem de laboratório para dois tipos de filtração: à esquerda, a filtração simples; à direita, a filtração a vácuo.

Cores fantasia, sem escala.

Agora reflita: é possível separar por filtração sal de cozinha da água em que está dissolvido? E os componentes da mistura óleo e água? Para filtrar, é fundamental que a mistura seja heterogênea e que contenha pelo menos um componente no estado sólido, que ficará retido nos poros do filtro. Para que isso ocorra de maneira satisfatória, é preciso que os poros do filtro tenham dimensões menores que as dimensões das partículas do sólido. Portanto, não é viável separar sal de cozinha e água e óleo e água por filtração. A filtração é empregada para separar misturas heterogêneas de: ▸ sólido-líquido; ▸ sólido-gás. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Conexões Química e tecnologia Novos filtros: melhorando a vida das pessoas sem acesso a água potável

Fontes: Scientific American Brasil. Filtro completo em um canudinho. Disponível em: <http://www2.uol.com.br/sciam/noticias/filtro_ completo_em_um_canudinho.html>; Committing to Child Survival: A Promise Renewed Progress. Report 2013. Disponível em: <http://www.unicef.org/publications/files/ APR_Progress_Report_2013_9_Sept_2013.pdf>; World Health Organization. Arsenic. Disponível em: <http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs372/en/index.html>. Acessos em: 11 jan. 2016.

GETTY IMAGES/AFP/TONY KARUMBA

DIVULGAÇÃO PNLD

Como fazer para sobreviver em um lugar em que a única água disponível é imprópria para o consumo? Você já se imaginou tendo de ingerir água de uma lagoa barrenta, contaminada por microrganismos que transmitem doenças? Essa é a realidade de muitas pessoas que vivem em regiões carentes de saneamento básico. De acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), estima-se que, em 2014, cerca de 800 mil pessoas no mundo não tinham acesso a água potável. Em muitos locais, a água é conseguida em lagoas sujas, onde pessoas e animais dividem espaço. Segundo dados de 2012 do Unicef e da Organização Mundial da Saúde, 6,6 milhões de crianças menores de 5 anos morrem todo ano vítimas de causas evitáveis, como diarreia, pneumonia ou malária. Para tentar ajudar a reduzir esses índices, uma companhia suíça desenvolveu um filtro de água portátil e barato. Usando membranas têxteis com poros menores do que o diâmetro de um fio de cabelo, seguidas de uma resina impregnada com iodo e outra com carvão ativado, esse filtro é capaz de

filtrar 99,99% dos parasitas e bactérias presentes na água, sem o uso de eletricidade. Ele é menos efetivo para os vírus, que são muito menores, e também não retém arsênio, presente em altos níveis nas águas subterrâneas de vários países, como Bangladesh, Índia, Chile e México. Esses filtros têm sido entregues por grupos humanitários após desastres, como terremotos, e em locais de pobreza extrema, como Moçambique, Mianmar e Quênia. Apesar de não resolver o problema do acesso à água – já que muitas vezes é preciso percorrer longas distâncias para encontrar uma fonte de água, ainda que imprópria –, o uso desses filtros tem ainda outra vantagem: como as pessoas não precisam ferver a água para poder consumi-la, há uma redução no uso de combustíveis fósseis e de lenha, o que ajuda a diminuir a emissão de gases que contribuem para o efeito estufa.

Filtro de água portátil (versão família) utilizado para abastecer um galão de água na província ocidental do Quênia. O filtro portátil é uma opção barata que ajuda a reduzir o número de vítimas de doenças por uso de água não potável. Esse tipo de filtro pode abastecer uma família por cerca de três anos (ou 18 000 litros de água filtrada); já a versão individual é capaz de filtrar 1 000 litros de água, o suficiente para hidratar uma pessoa por um ano. Foto de 2011. Não escreva neste livro.

1. Por que esse tipo de filtro resolve, ao menos em parte, o problema da ausência de água tratada para o consumo em regiões carentes? 2. A que você atribui o fato de o texto informar que o filtro não elimina substâncias contendo arsênio em solução? 3. De que modo a evolução do conhecimento sobre o “mundo invisível” tem relação com esse recurso?

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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R-P/KINO.COM.BR

Peneiração Peneiração é um método de separação de materiais usado para misturas heterogêneas formadas por sólido e líquido ou por dois ou mais sólidos de dimensões diferentes. Nesse processo, são usadas peneiras que tenham malhas de tamanhos diferentes.

Ao deixarmos uma mistura heterogênea em repouso (de sólido e líquido, de líquido e líquido, de sólido e gás) em um recipiente (ou recinto), a fase mais densa deposita-se na parte inferior por ação da gravidade. É o que ocorre com a poeira – partículas sólidas em suspensão no ar – que se deposita em móveis, no chão, etc., ou com o vinagre, que, em uma mistura com óleo, usada no tempero da salada, fica na parte inferior da mistura. De acordo com as características da mistura a ser separada, são adotados procedimentos compatíveis. Observe-os nas imagens. A decantação é empregada para separar misturas heterogêneas de: ▸ sólido-líquido; ▸ líquido-líquido (funil de decantação); ▸ sólido-gás. Peneiração de areia em Rio Branco (AC). Foto de 2012.

TYBA/DELFIM MARTINS

Cores fantasia, sem escala.

funil de decantação

líquido A líquido B

©SHUTTERSTOCK/WAVEBREAKMEDIA

Tanque de decantação em estação de tratamento de água em Teresina (PI). Nesses tanques, as sujeiras (por exemplo, pequenas partículas sólidas) que estão dispersas na água decantam no fundo do recipiente. Foto de 2015.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Decantação

Em centrífugas e microcentrífugas, os tubos giram rapidamente, o que acelera o processo de decantação, fazendo o material mais denso se depositar no fundo do tubo.

Esse tipo de funil é usado em laboratórios para separar líquidos imiscíveis (que formam mais do que uma fase). O mais denso é retirado quando se abre a torneira, e o menos denso, pela parte superior do funil. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Destilação é um processo de separação de misturas homogêneas em fase líquida. Nessa separação, o sistema é aquecido até que o componente que evapora com mais facilidade, ou seja, o mais volátil, atinja a temperatura de ebulição; os vapores obtidos passam por um condensador, equipamento onde são resfriados, voltando ao estado líquido. A destilação simples normalmente é utilizada para separar os componentes de uma solução formada de líquido e sólido não volátil. Observe, a seguir, o equipamento usado em laboratório na destilação simples. O que acontece se utilizarmos o processo de destilação na água do mar? O aquecimento dessa mistura irá evaporar grande parte da água, que será condensada e coletada em um frasco. Essa água, diferentemente Cores fantasia, sem escala. Esquema de destilação simples da água do mar, é constituída apetermômetro condensador nas por água, ou seja, é uma única ou tubo refrigerante saída de água substância. Chamamos a água que passou pelo processo de destilação de água destilada. É importante destacar que no balão de destilação, balão de mistura destilação torneira além do sólido, pode sobrar certo mangueira volume do líquido.

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A destilação fracionada é utilizada normalmente para separar misturas formadas por líquidos miscíveis, ou seja, líquidos que se misturam. O grau de pureza dos líquidos coletados será tanto maior quanto maior for a distância entre as temperaturas de ebulição dos líquidos. É na coluna de fracionamento que o vapor sobe e é, em parte, condensado. Esse líquido desce pela coluna em direção ao balão. Entretanto, nesse processo, o líquido condensado entra em contato com o vapor proveniente da vaporização e que está subindo; com a troca de calor entre o líquido e o vapor, a fase gasosa é enriquecida com o vapor proveniente do líquido de temperatura de ebulição mais baixa. O vapor entra no condensador onde é resfriado e, então, é recolhido em outro frasco. Observando a variação de temperatura evidenciada pelo termômetro, é possível medir a temperatura do vapor em equilíbrio com o líquido de cada componente. Assim, substituindo o frasco coletor, os líquidos podem ser separados. 74

manta elétrica de aquecimento

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Destilação

entrada de água fria líquido destilado no frasco de coleta

Aparelhagem de laboratório para destilação simples. Fonte: MASTERTON, W. L.; SLOWINSKI, E. J. Química geral superior. 4. ed. Rio de Janeiro: Interamericana, 1978. p. 13.

Cores fantasia, sem escala.

Esquema de destilação fracionada termômetro coluna de fracionamento

saída de água

condensador

líquido destilado no frasco de coleta

torneira

mangueira

balão de destilação entrada manta elétrica de de água aquecimento

Aparelhagem de laboratório para destilação fracionada. Fonte: CHANG, R. Chemistry. 10th ed. New York: McGraw-Hill, 2010.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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PULSAR IMAGENS/LUCIANA WHITAKER

Evaporação Enquanto na destilação simples o interesse reside na substância líquida mais volátil, na evaporação, o interesse está voltado para o sólido que está dissolvido. Nesse método de separação, utilizado para misturas homogêneas formadas por sólido e líquido, ocorre o aquecimento da mistura até a completa evaporação do líquido. Essa técnica é utilizada, por exemplo, para a obtenção de sal marinho a partir da evaporação da água do mar, processo que ocorre de maneira lenta e por ação da energia solar e eólica (dos ventos).

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Dissolução fracionada Dissolução fracionada é um processo de separação de misturas usado para separar sólido de sólido. Usa-se um solvente que seja capaz de dissolver somente um dos componentes da mistura, o que explica o nome: dissolução de parte, isto é, fração da mistura. A dissolução fracionada é usada para separar, por exemplo, o cloreto de sódio da areia. Deve-se adicionar à mistura água em quantidade suficiente para dissolver o cloreto de sódio. Uma filtração faz com que a areia fique retida no filtro. O filtrado (material que passa pelo filtro, nesse caso, constituído de água e cloreto de sódio) é submetido a aquecimento para que a água seja eliminada e deixe o cloreto de sódio como resíduo.

Salina em Araruama (RJ): a energia solar, auxiliada pelo vento, evapora a água do mar e resta o sal. Foto de 2013.

Química: prática e reflexão Será que a tinta preta das canetas esferográficas é constituída de um único corante? Que técnicas vocês utilizariam para descobrir isso? Material necessário

• caneta esferográfica preta

• álcool

• tira de papel de filtro de mais ou menos 2 cm de largura por 10 cm de comprimento

• 1 copo de vidro

Cores fantasia, sem escala.

marca feita com caneta esferográfica

Procedimentos

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

1. Com a caneta, façam uma marca de mais ou menos 0,7 cm de diâmetro, a cerca de 3 cm de uma das extremidades do papel. 2. No copo, coloquem álcool até 1 cm de altura; mergulhem nele a extremidade da tira de papel mais próxima da marca de tinta. Somente a ponta deve ser mergulhada no álcool. 3. Observem e descrevam o que ocorre.

álcool

Analisem suas observações

1. A tinta da caneta contém somente uma substância corante? 2. A técnica de identificação proposta no início da atividade serve para identificar se a tinta é formada por uma substância ou por uma mistura? 3. Por que o álcool foi útil neste experimento? 4. Levantem hipóteses para explicar por que uma mancha “caminha” com velocidade maior que outra. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Atividades 1. No livro Todas as letras (Companhia das Letras, 1996), o compositor Gilberto Gil usa alguns termos e símbolos que são muito próprios da Química para analisar uma letra de seu parceiro João Donato. Na página 152 do livro dele, lê-se:

Não escreva neste livro.

[...] como se fosse composta de um número regular de átomos de uma substância simples, fundamental e conhecida, como H2O. Gil não deve ter tido como objetivo escrever um texto quimicamente correto; em todo caso, diga que palavras seriam inadequadas e por quê. Redija o trecho novamente corrigindo os termos que não estão corretos do ponto de vista químico.

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JOSÉ ALBERTO DE LIMA/AMAZÔNIA REAL

2. Os jornais vêm publicando notícias sobre queimadas e incêndios florestais no Brasil, como no Amazonas, em Rondônia, Goiás, Mato Grosso e Acre. Além dos danos às florestas, a fumaça atinge regiões distantes do local da queimada. Na foto, estudantes usam máscaras de tecido em protesto contra essa situação.

Alunos da rede pública do município de Manacapuru, no estado do Amazonas, fazem protesto nas ruas contra as queimadas e o desmatamento usando máscaras contra fumaça. Foto de outubro de 2015.

Considerando que a fumaça contém gases tóxicos e partículas em suspensão, o uso de máscaras seria eficiente? Explique por quê. 3. É possível separar os componentes das misturas abaixo pelos processos propostos? Explique por quê. a) Sal de cozinha e água por filtração. b) Benzeno e álcool, por destilação fracionada (o álcool tem temperatura de ebulição 5 78,5 °C e o benzeno tem temperatura de ebulição 5 80 °C). c) Carbonato de cálcio e água (mistura heterogênea) por centrifugação. d) Açúcar e água por decantação. e) Gás propano e gás nitrogênio, por liquefação (temperatura de ebulição do propano 5 241 °C; temperatura de ebulição do nitrogênio 5 2196 °C). 4. Leia o texto a seguir e, depois, responda às questões. Catadores de materiais recicláveis Os catadores de matérias reutilizáveis e recicláveis desempenham papel fundamental na implementação da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), com destaque para a gestão integrada dos resíduos sólidos. De modo geral, atuam nas atividades da coleta seletiva, triagem, classificação, processamento e comercialização dos resíduos reutilizáveis e recicláveis, contribuindo de forma significativa para a cadeia produtiva da reciclagem.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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Sua atuação, em muitos casos realizada sob condições precárias de trabalho, se dá individualmente, de forma autônoma e dispersa nas ruas e em lixões, como também, coletivamente, por meio da organização produtiva em cooperativas e associações. A atuação dos catadores de materiais reutilizáveis e recicláveis [...] contribui para o aumento da vida útil dos aterros sanitários e para a diminuição da demanda por recursos naturais [...]. [...] Fonte: Ministério do Meio Ambiente (MMA). Disponível em: <http://www.mma.gov.br/cidades-sustentaveis/residuos-solidos/catadores-de-materiais-reciclaveis>. Acesso em: 8 jan. 2016.

a) O trabalho realizado pelos catadores de materiais recicláveis e reutilizáveis envolve uma técnica de separação de misturas conhecida como catação. Esse método consiste na separação manual dos componentes de uma mistura que, na situação descrita pelo texto, pode ser a separação de materiais que são constituídos por vidro, metal, papel e plástico, por exemplo. Dê outros exemplos em que a catação pode ser empregada no cotidiano.

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b) De acordo com o texto, a atuação desses trabalhadores contribui para aumentar a vida útil dos aterros sanitários e para diminuir a demanda de recurso natural. Explique por quê. c) A atuação dos catadores de materiais recicláveis coloca, muitas vezes, a saúde do trabalhador em risco devido ao contato com materiais cortantes e à exposição a agentes biológicos. Em grupos de três ou quatro alunos, discuta possíveis ações para minimizar esse risco. Sob a orientação do professor, eleja um dos integrantes do grupo para apresentar as ideias aos demais colegas. d) Além dos riscos à saúde que os catadores de materiais recicláveis correm, eles enfrentam outras dificuldades no exercício de sua profissão, como preconceitos, agressões, a falta de reconhecimento profissional e a invisibilidade perante a sociedade. Em grupos de três ou quatro alunos, pesquise em livros e sites as condições de vida desses trabalhadores. Reúna-se com seus colegas de grupo e discutam as ações que poderiam ser feitas para melhorar a qualidade de vida dos catadores. Eleja um dos integrantes do grupo para apresentar as propostas do grupo.

Resgatando o que foi visto As explicações elaboradas por estudiosos das ciências sobre a constituição da matéria e as transformações químicas pelas quais os materiais passam sofreram mudanças significativas em certos períodos de nossa história. De que forma essas mudanças ocorreram e que importância elas tiveram na estruturação da Química como a conhecemos hoje foram alguns dos aspectos abordados nesta unidade. Alguns conceitos básicos para a aprendizagem da Química também foram contemplados: substância (simples e composta), mistura, entre outros; propriedades específicas de uma substância (temperatura de fusão, temperatura de ebulição, densidade). Procedimentos comuns em laboratórios e indústrias para separar os componentes de uma mistura e algumas formas simples usadas para identificá-los foram outros temas desenvolvidos na unidade. Liste os conceitos que estudou e, de modo esquemático, estabeleça relações entre eles. Reflita: as ideias que você tinha a respeito desses conceitos e procedimentos mudaram do início do capítulo 2 para o final do capítulo 3? Como?

Capítulo 3 Substâncias e misturas

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Testando seus conhecimentos

Não escreva neste livro.

1. Enem (2009) O ciclo da água é fundamental para a preservação da vida no planeta. As condições climáticas da Terra permitem que a água sofra mudanças de fase e a compreensão dessas transformações é fundamental para se entender o ciclo hidrológico. Numa dessas mudanças, a água ou a umidade da terra absorve o calor do sol e dos arredores. Quando já foi absorvido calor suficiente, algumas das moléculas do líquido podem ter energia necessária para começar a subir para a atmosfera.

do. Para preservar esse importante recurso, algumas companhias de saneamento estão disponibilizando no mercado a chamada água de reúso, que é obtida após o tratamento do esgoto das cidades. A água de reúso não pode ser utilizada para as chamadas “finalidades nobres” (consumo humano ou animal e higiene pessoal), mas pode ser aproveitada, por exemplo, em diversos processos industriais. Dentre as alternativas abaixo, assinale aquela que traz três situações em que a água de reúso pode ser utilizada.

Disponível em: <http//www.keroagua.blogspot.com>. Acesso em: 30 mar. 2009 (adaptado).

a) Produção de vapor para geração de energia; descarga em vasos sanitários; limpeza de ruas.

A transformação mencionada no texto é a:

b) Descarga em vasos sanitários; uso em chuveiros e lavatórios; limpeza de praças.

a) fusão. b) liquefação.

c) Produção de vapor para geração de energia; cocção de alimentos; descarga em vasos sanitários.

c) evaporação.

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d) solidificação.

d) Cocção de alimentos; uso em chuveiros e lavatórios; limpeza de pisos e paredes.

e) condensação 2. UPE/SSA1 (2012) Realizou-se a seguinte atividade experimental no laboratório de uma escola: Em uma cápsula de porcelana, colocada sobre uma chapa de aquecimento, adicionou-se determinada quantidade de um sólido, o ácido benzoico (C7H6O2). Depois, essa cápsula foi coberta com um pedaço de papel de filtro todo perfurado e colocou-se um funil de vidro em cima dele, cobrindo-o. Em seguida, vedou-se a saída do funil (a parte de menor diâmetro). Após a chapa ser ligada, percebeu-se uma névoa no interior do funil e, depois, a presença de cristais no formato de agulhas. Quais processos estão envolvidos nessa atividade experimental?

e) Uso em chuveiros e lavatórios; limpeza de utensílios domésticos; limpeza de ruas. 4. Enem (2008) Um jornal de circulação nacional publicou a seguinte notícia: Choveu torrencialmente na madrugada de ontem em Roraima, horas depois de os pajés caiapós Mantii e Kucrit, levados de Mato Grosso pela Funai, terem participado do ritual da dança da chuva, em Boa Vista. A chuva durou três horas em todo o estado e as previsões indicam que continuará pelo menos até amanhã. Com isso, será possível acabar de vez com o incêndio que ontem completou 63 dias e devastou parte das florestas do estado.

a) Destilação e solidificação. b) Filtração e decantação. c) Fusão e evaporação.

Jornal do Brasil, abr. 1998 (com adaptações).

d) Sublimação e cristalização. e) Vaporização e condensação. 3. Unicamp-SP (2013) Na região Amazônica existe água em abundância, mas o acesso aos serviços de tratamento e de saneamento é limitado. Já nas regiões industrializadas do Sul e Sudeste, a situação se inverte: a maioria da população tem acesso aos serviços de tratamento de água e de saneamento, mas os mananciais adequados à captação de água estão escassean78

Considerando a situação descrita, avalie as afirmativas seguintes. I. No ritual indígena, a dança da chuva, mais que constituir uma manifestação artística, tem a função de intervir no ciclo da água. II. A existência da dança da chuva em algumas culturas está relacionada à importância do ciclo da água para a vida.

Unidade 1 Introdução ao estudo da Química

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III. Uma das informações do texto pode ser expressa em linguagem científica da seguinte forma: a dança da chuva seria efetiva se provocasse a precipitação das gotículas de água das nuvens. É correto o que se afirma em a) I, apenas. b) III, apenas.

a) A temperatura da água pode ficar constante durante o tempo em que estiver fervendo.

c) I e II, apenas. d) II e III, apenas.

b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água.

e) I, II e III

FUVEST-SP/REPRODUÇÃO

1,00 Densidade (g/mL)

DIVULGAÇÃO PNLD

5. Fuvest-SP (2012) Água e etanol misturam-se completamente, em quaisquer proporções. Observa-se que o volume final da mistura é menor do que a soma dos volumes de etanol e de água empregados para prepará-la. O gráfico a seguir mostra como a densidade varia em função da porcentagem de etanol (em volume) empregado para preparar a mistura (densidades medidas a 20°C). 1,10

0,90 0,80 0,70 0,60 0,50

te” e temperatura mede a “quantidade de calor de um corpo”. Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática. Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura?

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % de etanol (em volume) empregado para preparar a mistura

c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela. d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura. e) Um forno pode fornecer calor para uma vasilha de água que está em seu interior com menor temperatura do que a dele. 7. Enem (2010) Em visita a uma usina sucroalcooleira, um grupo de alunos pôde observar a série de processos de beneficiamento da cana-de-açúcar, entre os quais se destacam: 1. A cana chega cortada da lavoura por meio de caminhões e é despejada em mesas alimentadoras que a conduzem para as moendas. Antes de ser esmagada para a retirada do caldo açucarado, toda a cana é transportada por esteiras e passada por um eletroímã para a retirada de materiais metálicos. 2. Após se esmagar a cana, o bagaço segue para as caldeiras, que geram vapor e energia para toda a usina.

Se 50 mL de etanol forem misturados a 50 mL de água, a 20°C, o volume da mistura resultante, a essa mesma temperatura, será de, aproximadamente,

3. O caldo primário, resultante do esmagamento, é passado por filtros e sofre tratamento para transformar-se em açúcar refinado e etanol.

a) 76 mL

Com base nos destaques da observação dos alunos, quais operações físicas de separação de materiais foram realizadas nas etapas de beneficiamento da cana-de-açúcar?

b) 79 mL c) 86 mL d) 89 mL e) 96 mL 6. Enem (2010) Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor” e “temperatura” de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como “algo quen-

a) Separação mecânica, extração, decantação. b) Separação magnética, combustão, filtração. c) Separação magnética, extração, filtração. d) Imantação, combustão, peneiração. e) Imantação, destilação, filtração. Capítulo 3 Substâncias e misturas

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04/05/16 17:10

A água do mar e dos icebergs é composta pelos mesmos elementos: hidrogênio e oxigênio. Como ela adquire formas tão diferentes? Ilha Rei George, Antártida, 2013.

unidade

DIVULGAÇÃO PNLD

Introdução à estrutura da matéria

Apenas 90 elementos naturais constituem uma imensa variedade de materiais. Como se explica isso? ▸ Qual a razão de, em pleno século XXI, recorrermos a modelos propostos no século XIX para explicar vários fatos?

▸

Nesta unidade, vamos conhecer alguns conceitos básicos sobre a estrutura da matéria, como átomo, molécula, íons e a relação desses constituintes com as propriedades de um material. Partindo do modelo de Dalton e dos fenômenos que ele não podia explicar, veremos ainda alguns dos modelos atômicos que o sucederam. Vamos estudar também a Tabela Periódica dos elementos – uma forma de organizar conhecimentos químicos – e as propriedades e os modelos de representação de substâncias iônicas, moleculares e metálicas.

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MATRIZ NOVA

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@GLOWIMAGES/SUPERSTOCK

Propriedades da água

DIVULGAÇÃO PNLD

Fórmula

H2 O

Temperatura de fusão a 1 atm (ºC)

Temperatura de ebulição a 1 atm (ºC)

100

18 8A

1A 1

2 11

rubídio 85,5 55

frâncio

estrôncio 87,6 56

césio 132,9 87

cálcio 40,1

bário 137,3 88

rádio

metais

boro 10,8

não metais 13

magnésio 24,3

3B 21

escândio 45,0 39

ítrio 88,9 57-71

La-Lu

89-103

Ac-Lr

titânio 47,9 40

háfnio 178,5 104

nióbio 92,9 73

tantálio 180,9 105

dúbnio

rutherfórdio

6B 24

vanádio 50,9

zircônio 91,2 72

cromo 52,0 42

molibdênio 96,0 74

7B 25

107

108

hássio

meitnério

ouro 197,0 111

112

roentgênio

copernício

índio 114,8 81

mercúrio 200,6

darmstádtio

gálio 69,7

cádmio 112,4 80

Aℓ

Tℓ

tálio 204,4 113

Uut

carbono 12,0 14

nitrogênio 14,0 15

silício 28,1 32

Ge Sn

estanho 118,7 82

chumbo 207,2 114

unúntrio

Fℓ

fleróvio

fósforo 31,0 33

germânio 72,6 50

alumínio 27,0

zinco 65,4

prata 107,9

platina 195,1 110

cobre 63,6

paládio 106,4

irídio 192,2 109

níquel 58,7

ródio 102,9

ósmio 190,2

bóhrio

cobalto 58,9

rutênio 101,1

rênio 186,2

seabórgio

ferro 55,8

tecnécio 75

manganês 54,9

tungstênio 183,8 106

Símbolo

berílio 9,0

potássio 39,1

sódio 23,0

P número e atômico r í o d nome do elemento o massa atômica

2A 4

lítio 6,9

hidrogênio 1,0 3

Grupo Família

Sb Bi

bismuto 209,0

bromo 79,9 53

telúrio 127,6 84

Cℓ

cloro 35,5

selênio 79,0

antimônio 121,8 83

flúor 19,0

enxofre 32,1

arsênio 74,9 51

oxigênio 16,0 16

hélio 4,0

iodo 126,9 85

polônio

astato

neônio 20,2 18

argônio 40,0 36

criptônio 83,8 54

xenônio 131,3 86

radônio

115

116

117

118

ununpêntio

livermório

ununséptio

ununóctio

Uup

Uus

Uuo

Série dos lantanídeos 57

lantânio 138,9

cério 140,1

praseodímio 140,9

neodímio 144,2

promécio

samário 150,4

európio 152,0

gadolínio 157,3

térbio 158,9

disprósio 162,5

hólmio 164,9

érbio 167,3

túlio 168,9

itérbio 173,0

lutécio 175,0

Série dos actinídeos 89

actínio

tório 232,0

protactínio 231,0

urânio 238,0

netúnio

plutônio

amerício

Cm cúrio

berquélio

califórnio

einstênio

100

férmio

101

mendelévio

102

nobélio

103

laurêncio

Nesta unidade Capítulo 4. Estrutura atômica: conceitos fundamentais Capítulo 5. Classif icação periódica dos elementos químicos Capítulo 6. Ligações químicas: uma primeira abordagem

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26/05/16 16:44

4 capítulo

DIVULGAÇÃO PNLD

FOTOS: LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ANDREW SYRED

Estrutura atômica: conceitos fundamentais

A observação das três imagens de uma ponta de lápis, com diferentes aproximações, permite notar cada vez mais detalhes. Se pudéssemos enxergá-la mais de perto ainda, será que notaríamos novos detalhes?

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • modelos atômicos (Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr); • partículas subatômicas (elétrons, prótons e nêutrons); • número atômico e número de massa; • elemento químico e símbolo; • isótopos e isóbaros. 82

Para situá-lo Muito do que vimos até aqui diz respeito ao que pode ser observado, submetido à experimentação. A partir deste capítulo, além desses aspectos fenomenológicos dos materiais − relativos aos fenômenos que podemos observar, medir, experimentar –, cada vez mais vamos nos valer de teorias e dos vários tipos de representação que nos ajudam a compreender o que não é visível. Pense no seguinte: nem sempre é fácil imaginar aquilo que está muito “distante” do que nossos órgãos dos sentidos podem perceber. Quando olhamos de perto um punhado de areia, vemos detalhes que não podemos distinguir se observamos a areia do 15º andar de um edifício, por exemplo. O mesmo acontece com a grafita de um lápis, como a que você viu acima.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ

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©LUÍS FERNANDO VERÍSSIMO/ACERVO DO ARTISTA

Agora leia a tira abaixo. Depois, responda às questões.

Não escreva neste livro.

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1. Em que reside o humor da tira? 2. Por que você acha que o autor da tira citou o átomo? Que relação ele fez? 3. Você acha que um átomo poderia realmente incomodar a pulga? 4. Você consegue imaginar a dimensão de um átomo? O modelo de Dalton, que você viu no capítulo 2, nos permite imaginar os átomos como se fossem unidades esféricas. Esse modelo é adequado, por exemplo, para explicar a fusão do estanho, metal que, como você já viu, funde a uma temperatura relativamente baixa: 230 °C. Isso explica o fato de ele não ser usado em conexões de canalizações como as de gás, uma vez que, em caso de incêndio, ele fundiria e o vazamento do gás contribuiria para agravar o incêndio. É provável que você saiba que a maioria das substâncias aumenta de volume ao fundir. No entanto, há algumas exceções. Uma delas é a água, que, ao se fundir, diminui de volume. É por isso que, quando esquecemos uma garrafa de vidro totalmente cheia de água líquida no congelador de uma geladeira, ela, provavelmente, se quebra. A prata também é uma exceção: no estado sólido ocupa um espaço maior do que no estado líquido. 5. Usando o modelo de Dalton, procure representar em seu caderno a fusão do estanho. 6. Represente em seu caderno a solidificação da prata usando o modelo de Dalton. 7. De modo semelhante aos casos anteriores, represente, em seu caderno, a ebulição do mercúrio, o único metal líquido nas condições ambientes.

Neste capítulo, partindo do modelo atômico conhecido, vamos estudar outros modelos de átomo que surgiram em função da necessidade de explicar fatos experimentais e que serão úteis para que outros conceitos químicos sejam entendidos. Entre esses fatos, podemos citar a descarga elétrica que notamos quando, em dias secos, tiramos uma blusa de material sintético, ou quando, ao desligar a tevê, os pelos de nosso braço ficam eriçados. Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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07/05/16 19:26

DIVULGAÇÃO PNLD

Imaginar dimensões tão grandes como as que envolvem distâncias entre galáxias e tudo o que se relaciona com o Universo, gigantesco para nós, é extremamente difícil. O mesmo vale quando tratamos de algo infinitamente pequeno, como o átomo e suas partes. Os átomos são tão diminutos que é impossível vê-los, por exemplo, através dos microscópios ópticos, que ampliam mais de mil vezes o objeto observado. Desde 1914, os cientistas têm conseguido determinar posições e dimensões de átomos nos cristais de substâncias por meio do uso de raios X. Graças ao desenvolvimento da ciência e da tecnologia, sabemos que o diâmetro de um átomo mede, aproximadamente, entre 1 ? 10210 m e 5 ? 10210 m, quer dizer, de 0,0000000001 m a 0,0000000005 m. Os cientistas traduziriam esses valores por, respectivamente, 0,1 nm e 0,5 nm (1 nanômetro 5 1 nm 5 1029 m). Para você ter uma ideia da dimensão desse número, observe a tabela abaixo, que compara os diâmetros da Terra, de uma gota de água, de uma molécula de água, de um átomo de oxigênio e outro de hidrogênio.

Do macro ao micro Para começar a ter uma ideia da dimensão do mundo dos átomos e moléculas, você pode acessar um dos seguintes sites (acessos em: 7 nov. 2015): <https://www.youtube.com/ watch?v=7S3cgUG4PNQ>; <https://www.youtube.com/ watch?v=Pq_bb-4WPyM>; <http://www.slideshare. net/centraldopps/ macro-micro-potencia-de-10>. A visita a esses recursos pode ajudá-lo a “viajar” do mundo “infinitamente grande” ao “infinitamente pequeno”, bem distante da visão que temos quando examinamos um objeto do cotidiano.

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Modelos atômicos: lidando com partículas que não podemos ver

©SHUTTERSTOCK/ SOMCHAI SOM

Diâmetro aproximado

Comparação dos diâmetros aproximados de diferentes corpos

Terra

Gota de água

Molécula de água

Átomo de O

Átomo de H

12 756 km

6,0 mm

0,182 nm

0,136 nm

0,046 nm

12 756 000 m

0,006 m

0,000000000182 m

0,000000000136 m

0,000000000046 m

1,3 ? 10 m

6 ? 10

1,9 ? 10

210

1,4 ? 10

210

0,5 ? 10210 m

Fontes: LIDE, David R. (Ed.). Atomic Radii of the Elements and Properties of the Solar System. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 9-49; 14-2; VILLERMAUX, Emmanuel; BOSSA, Benjamin. Single-drop fragmentation determines size distribution of raindrops. Nature Physics, 9 jul. 2009, v. 5, p. 697-702. Disponível em: <https://www.irphe.fr/~fragmix/publis/VB2009.pdf>. Acesso em: 4 nov. 2015.

Em 1931, Ernst Ruska (1906-1988), físico alemão, projetou e construiu o primeiro microscópio eletrônico, considerado um dos mais importantes inventos do século XX. Esse fato lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1986. Nessa época, esse microscópio já era capaz de ampliar objetos em até 1 milhão de vezes, isto é, era possível obter imagens de algo com dimensões de 1026 m. Atualmente cientistas podem acompanhar, por exemplo, reações químicas e ter noção do posicionamento dos átomos individualmente (10210 m), como se examinassem um mapa em relevo ou lessem um texto escrito em Braille.

LATINSTOCK/LBL/PHOTORESEARCHERS

Primeiro microscópio eletrônico

Fonte: RUSKA, August Friedrich Ernst. Molecular Expressions. Science, Optics & You. Florida State University. Disponível em: <http://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/ruska.html>. Acesso em: 13 jan. 2016.

Imagem por micrografia de tunelamento de uma molécula de DNA – responsável pelo armazenamento da informação genética. Foto ampliada . 2 000 000 vezes em imagens de 6 cm x 7 cm. Cores fantasia.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Considerando que o diâmetro de um átomo de carbono mede, aproximadamente, 0,15 nm (1,5 ? 10210 m), desenhe em seu caderno um traço de 3 cm (0,03 m) utilizando a grafita de um lápis ou lapiseira. Em seguida, responda a estes itens: a) A grafita, conforme consta no capítulo anterior, é uma forma alotrópica do carbono. Suponha que o traço que você fez seja formado por átomos de carbono enfileirados um ao lado do outro. Quantos desses átomos constituem o traço de 3 cm? b) Tomamos o cuidado de utilizar os termos considere e suponha para tratar do diâmetro do carbono e do fato de os átomos de carbono estarem enfileirados lado a lado. Formule algumas hipóteses para justificar esse cuidado. 2. Considere a teoria atômica de Dalton, segundo a qual a matéria seria constituída de unidades indivisíveis, os átomos. Entre os fatos relatados abaixo, qual(is) pode(m) ser explicado(s) por meio dessa teoria? Justifique. a) Numa reação química a massa total se conserva. b) Ao inserirmos os terminais de um circuito elétrico numa solução aquosa de sal, esse sistema conduz corrente elétrica. d) Quando um líquido vaporiza, seu volume no estado gasoso é maior do que no estado líquido.

Vimos que alguns processos podem ser entendidos recorrendo ao modelo de Dalton. Segundo esse modelo, os átomos se comportariam como se fossem unidades esféricas. Por meio dele, é possível explicar, por exemplo, a fusão do ferro, como se vê ao lado. Apesar de a teoria atômica de Dalton, divulgada no início do século XIX, ter sido importante para os avanços da Química e de ainda hoje valer para a compreensão de inúmeros fenômenos que estudamos, ela não permite explicar uma série de fatos experimentais, alguns dos quais passaram a ser conhecidos durante o século XIX. Por exemplo: ela não explicava fenômenos como a eletrização de um corpo por atrito ou as reações químicas provocadas pela passagem da corrente elétrica. Amplamente empregado pelo contemporâneo de Dalton, Humphry Davy (1778-1829), e pelo discípulo deste, Michael Faraday (1791-1867), na primeira metade do século XIX, esse processo – a eletrólise – levou à ideia de que os átomos estariam de alguma forma associados a cargas elétricas.

Possibilidade de representação da fusão do ferro metálico usando o modelo atômico de Dalton

Quando se aproxima uma bexiga de cabelos secos e limpos, pode ocorrer uma eletrização da bexiga e dos cabelos, que se atraem, produzindo o eriçamento dos fios. Seria possível explicar esse fato com base no modelo atômico de Dalton?

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos).

Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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MATRIZ NOVA

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Modelo atômico de Thomson

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/R3F

DIVULGAÇÃO PNLD

c) A explosão da bomba atômica. Nesse processo, ocorre a fissão, isto é, a quebra dos átomos.

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AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Ao longo do século XIX, buscando entender melhor os fenômenos elétricos, vários estudiosos realizaram inúmeros experimentos e conseguiram provocar descargas elétricas em ampolas de vidro contendo gases rarefeitos, isto é, à baixa pressão. No interior dessas ampolas havia placas metálicas que se ligavam, por fios, a fontes de energia elétrica de alta tensão – uma das placas funcionava como polo positivo (ânodo) e a outra, como polo negativo (cátodo). O aspecto da luminosidade no interior da ampola variava de acordo com a tensão (voltagem) aplicada, o gás utilizado e a pressão do gás. Observe a ilustração. Esquema de tubo de descarga elétrica contendo gás rarefeito Cores fantasia, sem escala.

ânodo +

cátodo –

bomba de vácuo

alta voltagem

amperímetro

DIVULGAÇÃO PNLD

Na figura está indicada a ligação da ampola com uma bomba a vácuo. Essa bomba tem a finalidade de retirar gás do interior da ampola e pode deixá-la praticamente sem gás.

Um desses estudiosos foi o físico inglês William Crookes (1832-1919). Ele realizou experimentos usando descargas elétricas em gases a baixíssima pressão (próxima do vácuo). Com a redução significativa da pressão no interior do tubo (gás rarefeito), uma luminosidade aparecia na parede da ampola em frente ao cátodo (polo negativo). Os raios que partiam do cátodo e iam em linha reta em direção ao lado oposto a ele passaram, então, a ser chamados de raios catódicos (observe a imagem ao lado). Crookes realizou inúmeras descargas, alterando algumas variáveis, como a posição das placas metálicas no interior do tubo, a natureza do gás usado, a inserção de um anteparo em frente à placa que funcionava como polo negativo, o cátodo, entre outras. Algum tempo depois, o também físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940), um dos cientistas que trabalhou com raios catódicos, constatou que eles possuíam massa, pois eram capazes de movimentar uma pequena hélice colocada dentro da ampola, eram barrados por um anteparo como o da cruz (veja a sombra que aparece no vidro, na foto acima) e mudavam de direção se a ampola ficasse entre as placas carregadas de um condensador – desviavam, aproximando-se da placa de carga positiva. Dando continuidade a seus experimentos, Thomson constatou que, independentemente do gás de início colocado na ampola ou do metal que constituía os eletrodos, a relação entre a carga e a massa das partículas que constituíam os raios cató86

©WIKIMEDIA COMMONS/D-KURU

Fonte: THE CATHODE Ray Tube site. History and Physics Instruments. Disponível em: <http://www.crtsite.com/big/geissler/hor%20geissler2-big.jpg>. Acesso em: 14 dez. 2015.

Tubo de Crookes.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

dicos era sempre a mesma. Assim, ele concluiu que os raios catódicos eram formados por um feixe de partículas idênticas, de carga negativa, e que essas partículas faziam parte dos átomos de toda a matéria. Essas partículas eram o que hoje conhecemos como elétrons. Como os corpos são neutros, Thomson propôs a existência, no átomo, de cargas positivas, capazes de neutralizar as negativas (dos elétrons). Em 1898, após diversos experimentos, elaborou um modelo de átomo que consistia em uma esfera sólida positivamente carregada, na qual estariam distribuídos elétrons, de carga negativa. O conjunto da esfera (de carga elétrica positiva) com os elétrons (de carga negativa) seria eletricamente neutro, ou seja, a soma das cargas dos elétrons presentes na esfera seria igual, mas de sinal contrário ao da carga distribuída no restante da esfera. Representação esquemática em corte do modelo atômico de Thomson Cores fantasia, sem escala.

DIVULGAÇÃO PNLD

No átomo eletricamente neutro: carga total positiva 1 carga total negativa 5 0. Fonte: CHEMICAL Heritage Foundation. Disponível em: <http://www.chemheritage. org/discover/media/distillations/054-holidaygreetings-2008.aspx>. Acesso em: 8 nov. 2015.

Esse modelo atômico pôde explicar os fenômenos elétricos, levando em conta que a entrada e a saída de elétrons no átomo provocaria um desequilíbrio das cargas elétricas. Desse modo, o átomo pode passar a ter um número de elétrons que faça com que o número de cargas negativas supere o de cargas positivas ou que seja inferior a ele. Os átomos que passam a ter carga elétrica diferente de zero são chamados de íons. Ao admitir a existência de elétrons no átomo, o modelo atômico de Thomson permitiu explicar fenômenos que o modelo de Dalton não conseguia. É o caso do cabelo bastante seco e limpo que pode ser eletrizado por atrito com um pente de plástico: se os átomos que constituem os fios de cabelo, com o atrito, cederem elétrons para o pente, este ficará com carga elétrica negativa, e os cabelos, com carga positiva. Isso explica por que eles se atraem (cargas elétricas opostas se atraem). Os experimentos de decomposição de certas substâncias por meio da passagem da corrente elétrica (realizados no século XIX por Davy e Faraday) também puderam ser explicados por esse modelo. De acordo com esse modelo, podemos explicar, então, o que acontecia nas ampolas do tipo das que descrevemos anteriormente: quando há certa quantidade de gás a baixa pressão no interior da ampola e se provoca uma descarga elétrica, os elétrons arrancados em virtude da elevada tensão elétrica aplicada entre os polos saem em alta velocidade do cátodo e, devido a sua alta energia, percorrem um caminho em linha reta em direção à parede oposta – e isso independe da posição do ânodo (polo positivo), embora a atração exercida por cargas elétricas seja capaz de desviar o feixe de elétrons. Nas Ciências Naturais, novos modelos surgem a partir da constatação de que fatos experimentais até então desconhecidos não podem ser explicados por modelos anteriores. Ainda assim, dependendo do que se deseja estudar, teorias e modelos propostos há muito tempo podem continuar se mostrando úteis. Isso explica por que a representação de átomos como esferas, proposta no início do século XIX, continua sendo de grande valia para explicar diferentes fenômenos, como as mudanças de estado físico. Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Em 1896, o francês Antoine-Henri Becquerel (1852-1908) descobriu, acidentalmente, que amostras contendo urânio poderiam emitir raios espontaneamente; esses raios eram capazes não só de atravessar diversos materiais, mas também de deixar marcas em filmes fotográficos. O casal de físicos Marie Sklodowska Curie (1867-1934) e Pierre Curie (1859-1906), ao estudar esse fenômeno, descobriu que outros elementos tinham propriedade semelhante à do urânio – a de emitir radiações. Essa propriedade foi chamada de radioatividade. Mas no que consistiam essas radiações? Buscando resposta a esse e outros questionamentos, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) propôs, em 1903, um experimento para determinar características dessas emissões radioativas. Ele inseriu uma amostra de material radioativo (polônio) na cavidade de um bloco de chumbo; nesse bloco havia uma pequena abertura para que as radiações emitidas saíssem em uma só direção, impedindo que elas se dispersassem. Um feixe dessas radiações passava entre duas placas de um condensador – uma com carga positiva e outra, negativa – e colidia com um anteparo fluorescente. Rutherford nomeou os feixes de radiação que chegavam ao anteparo de α, β e γ. Observe a ilustração. Experimento de Rutherford sobre a natureza das radiações emitidas por material radioativo amostra de material radioativo

LATINSTOCK/INTERFOTO/FRIEDRICH

Os átomos podem “quebrar”?

Marie Sklodowska Curie, polonesa, e Pierre Curie, francês, em foto por volta de 1900; o casal e Antoine-Henri Becquerel ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1903, por seus estudos sobre a radioatividade. Em 1911, Marie Curie recebeu o Prêmio Nobel de Química pela descoberta de dois elementos radioativos (que emitem radiação): o rádio e o polônio – nome dado em homenagem à Polônia, país onde nasceu. Marie Curie foi a primeira mulher a receber um Prêmio Nobel e a primeira pessoa a receber dois deles. Cores fantasia, sem escala.

placa carregada positivamente

γ α

bloco de chumbo

placa carregada negativamente

anteparo

Lembre-se de que a radiação não é visível; ela foi colorida na ilustração apenas por razões didáticas.

Fonte: CHANG, R. Chemistry. 5th ed. Highstown: McGraw-Hill, 1994. p. 38.

O feixe de radiações emitidas pelo elemento ao atravessar o campo elétrico de um condensador se dividia em três direções. Ao chegar ao anteparo, essas radiações deixavam impressões no material fluorescente. Com base nesse e em outros experimentos, Rutherford chegou às seguintes conclusões: ▸ os raios correspondiam a emissões de átomos naturalmente radioativos; ▸ as partículas que desviavam sua trajetória em direção à placa negativa deveriam ter carga positiva e foram chamadas de partículas α (alfa); ▸ as partículas que sofriam desvio em direção à placa positiva deveriam ter carga negativa e foram chamadas de partículas β (beta); ▸ as partículas α deveriam ter maior massa, uma vez que desviavam menos da direção inicial do que as partículas β; ▸ os raios que não eram desviados não tinham carga elétrica e foram chamados de raios γ (gama). 88

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Modelo nuclear de Rutherford

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Em 1911, Rutherford e alguns colaboradores realizaram uma série de experimentos com materiais radioativos que emitiam partículas α, cuja carga é positiva. Em um deles, incidiram um feixe de partículas em uma fina lâmina de ouro, de 1023 mm de espessura, conforme ilustra a figura. Experimento de Rutherford

Cores fantasia, sem escala.

anteparo fluorescente amostra de material radioativo

<EME18_QUI1_U2C4_I011 - Experimento de Rutherford> A radiação α não é visível, mas deixa marcas no anteparo fluorescente. A placa de chumbo no desenho tem a finalidade de impedir que o feixe de radiação α passe por outro lugar que não seja o orifício da placa.

orifício lâmina de ouro

feixe de partículas α bloco de chumbo

placa de chumbo

Mais de 99% das partículas α atravessaram a finíssima lâmina de ouro que ficava entre o orifício de onde saíam as partículas e o anteparo fluorescente; elas eram responsáveis pela luminosidade intensa que aparecia no anteparo. Observe: Cores fantasia, sem escala.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Fonte: CHANG, R. Chemistry. 5th ed. Highstown: McGraw-Hill, 1994. p. 39.

O que ocorreu: a maioria (mais de 99,9%) das partículas atravessou a lâmina sem desviar, como se ela não existisse; pouquíssimas a atravessaram com algum desvio e raríssimas voltaram em direção à fonte.

Fonte: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & Chemical Reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 69.

Com base no modelo de Thomson, Rutherford e sua equipe esperavam que as partículas atravessassem a lâmina metálica sem sofrer desvios expressivos. Observando as marcas detectadas no material fluorescente, concluíram que quase todas as partículas atravessavam a lâmina sem sofrer desvio. Isso indicava que havia regiões “vazias” nos átomos. Entretanto também notaram que algumas partículas atravessavam a lâmina desviando um pouco da trajetória inicial e que poucas não a atravessavam. O que mais surpreendeu nesse experimento foi o fato de que essas poucas radiações que não atravessavam a lâmina metálica voltavam em direção à fonte de radiação. Rutherford descreveu seu espanto afirmando que isso tinha sido a coisa mais incrível que havia acontecido, que era quase tão inacreditável quanto se atirássemos uma granada de 15 polegadas contra uma folha de papel e a granada voltasse e nos atingisse. Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Foi para explicar os resultados desses experimentos que Rutherford propôs um novo modelo de átomo. De que forma? ▸ O átomo deveria ter sua carga positiva concentrada (núcleo), de forma que as partículas α (também de carga positiva) que passassem próximo do núcleo seriam repelidas por ele e teriam sua trajetória desviada (cargas elétricas de mesmo sinal se repelem). ▸ O núcleo do átomo conteria quase toda a massa do átomo; por isso as partículas α que se chocassem com o núcleo (uma pequeníssima parte delas) voltariam no sentido da fonte que as emitira. ▸ O elétron, com carga negativa, teria massa desprezível em relação à das partículas α; por isso as partículas α que atravessassem a região ao redor do núcleo onde estariam os elétrons não mudariam de direção. Isso porque essas partículas α têm grande energia cinética, e o elétron tem massa desprezível em relação a elas. Vale destacar que uma partícula α tem massa quase 8 000 vezes maior que a do elétron. Fazendo uma analogia, poderíamos imaginar algo como um caminhão (partícula α) em alta velocidade atropelando uma lata de ferro (o elétron). O modelo de átomo proposto por Rutherford representou grande inovação em relação aos anteriores por supor a existência do núcleo atômico; o átomo seria uma esfera cujo raio teria dimensões da ordem de 1028 cm, no centro da qual estaria o núcleo, cujas dimensões seriam da ordem de 10212 cm. Para que você tenha ideia da relação entre as dimensões do raio do átomo e do núcleo, imagine que, se o núcleo “crescesse” até atingir 1 cm de diâmetro, o átomo teria de 100 m a 1 km de diâmetro. Segundo o cientista, os elétrons estariam espalhados ao redor do núcleo, movendo-se em torno dele em uma região de baixa densidade – pequena massa ocupando um grande volume: a eletrosfera. No núcleo estariam todas as cargas positivas do átomo. Para reforçar o que vimos, imagine um depósito de petróleo, cuja massa seja da ordem de 2 ? 108 kg, isto é, 200 000 000 kg ou 200 mil toneladas; se, magicamente, pudéssemos remover todas as eletrosferas dos átomos nele existentes, ele passaria a ocupar um volume menor que o de uma gota. Ou seja, a matéria é constituída de diminutos núcleos, com carga positiva, extremamente densos, cercados por uma região praticamente “vazia”, na qual estão os elétrons, de carga negativa.

Modelo de átomo de Rutherford

Em: <https:// commons. wikimedia.org/ wiki/File:3D_ anamation_of_the_ Rutherford_atom. ogv> (acesso em: 16 dez. 2015), você pode ver a representação do modelo de Rutherford em três dimensões.

Cores fantasia, sem escala.

Fique atento! R R: raio do átomo r : raio do núcleo

eletrosfera r

R 100 000 > r > 10 000

núcleo

O esquema está totalmente fora de proporção. Se a relação entre as dimensões átomo-núcleo estivesse correta, seria necessário um espaço muitíssimo maior do que o desta folha.

Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 239.

A análise detalhada dos resultados experimentais obtidos pela equipe de Rutherford praticamente não deixou dúvidas quanto à sua validade. Restava uma grande questão: como explicar a estabilidade desse átomo? 90

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Como o átomo pode ser estável, isto é, como ele não se desintegra, possuindo um núcleo de carga positiva e elétrons de carga oposta? Se os elétrons de carga negativa estivessem parados, deveriam ser atraídos pelo núcleo, incorporando-se a ele; tal raciocínio estava de acordo com as leis da Eletrostática, uma vez que cargas elétricas de sinais opostos se atraem. Uma explicação natural para alguns cientistas era propor que o movimento dos elétrons deveria ser análogo ao movimento dos planetas em órbitas ao redor do Sol. Ora, mas com base nas leis do Eletromagnetismo, já conhecidas na época, elétrons em movimento irradiam energia continuamente. Com isso, o raio da órbita diminuiria, o que também levaria os elétrons a colidirem com o núcleo. Cálculos matemáticos indicam que isso ocorreria quase instantaneamente. Ou seja, as leis da Física Clássica (como é o caso das usadas na Eletrostática e no Eletromagnetismo) que são válidas para descrever o movimento e as interações elétricas e magnéticas de objetos "do mundo macroscópico”– é o caso dos raios que aparecem durante tempestades ou do funcionamento de um motor – não permitem explicar as interações entre as partículas subatômicas que constituem um átomo. Nesta etapa do curso de Química, vamos nos limitar a uma ideia simplificada dessas explicações, porque os modelos atômicos propostos após o de Rutherford só podem ser explicados com base na Mecânica Quântica. Um dos físicos responsáveis pelos estudos da Mecânica Quântica foi o dinamarquês Niels Bohr (1885-1962); ele complementou o modelo de Rutherford quanto ao movimento dos elétrons ao redor do núcleo. Para elaborar uma explicação relativa aos elétrons, esse cientista realizou experimentos sobre as várias radiações luminosas emitidas por um elemento químico; essa emissão acontece quando uma amostra contendo esse elemento recebe energia, seja por aquecimento, seja quando é submetido a descarga elétrica. Como os experimentos que realizou não podiam ser explicados pela Física Clássica, Bohr elaborou uma série de postulados válidos para o elétron do átomo de hidrogênio; entre os pontos que ele admitiu como verdadeiros para justificar o que ocorria com os elétrons de um átomo, podemos citar: ▸▸ um elétron gira ao redor do núcleo em órbita circular; ▸▸ um átomo possui um número limitado de órbitas que se diferem umas das outras pelo raio; ▸▸ enquanto um elétron permanece em movimento em uma órbita, não emite nem absorve energia; ▸▸ cada uma dessas órbitas é caracterizada por determinada energia. A estabilidade do átomo foi justificada, portanto, por um modelo em que os elétrons giram ao redor do núcleo em camadas eletrônicas ou níveis de energia. O conjunto do trabalho dos dois cientistas, um que introduziu o modelo nuclear do átomo e outro que explicou a configuração dos elétrons, deu origem ao modelo de Rutherford-Bohr.

Eletrostática: parte da Eletricidade, é o campo da Física que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso, ou o equilíbrio de corpos que possuem carga elétrica, ou que são eletrizados. Eletromagnetismo: campo da Física que estuda a relação entre a eletricidade e o magnetismo. Mecânica Quântica: parte da Física iniciada com os estudos de Max Planck (1858-1947) em 1900, que tem por base o fato de os constituintes atômicos ora se comportarem como partículas, com massa e dimensões definidas, ora se manifestarem como ondas, semelhantes às que constituem a luz. Postulado: proposição que, apesar de não provada ou demonstrada, é tomada como ponto de partida para desenvolver um raciocínio matemático ou uma teoria científica. Com base nesses postulados, Bohr conseguiu explicar os resultados experimentais que obtivera.

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A questão não respondida por Rutherford e o modelo de Rutherford-Bohr

Cores fantasia, sem escala.

Fonte: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5b/Atome_de_ Rutherford.png>. Acesso em: 31 jan. 2016.

Modelo de Rutherford-Bohr. Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Outras partículas presentes no núcleo No núcleo do átomo existem diversas partículas. Do ponto de vista químico, são importantes: ▸▸ os prótons – cuja existência foi provada em 1920, por Rutherford; ▸▸ os nêutrons – previstos por Rutherford, mas descobertos por James Chadwick (1891-1974) em 1932. A carga elétrica do próton tem sinal contrário ao da carga elétrica do elétron. Assim, a carga do próton é 11,06 ? 10219 C e a do elétron é 21,06 ? 10219 C, em que C vem de coulomb – a unidade de medida de carga elétrica. Nesta fase inicial do curso de Química, é interessante considerar a relação entre as cargas dessas duas partículas, ou seja, a carga do próton dividida pela carga do elétron é igual a 1, embora essas cargas tenham sinal contrário. Quer dizer, se considerarmos que a carga do próton é 11, a do elétron será 21. Próton e nêutron têm massas praticamente iguais, porém quase 2 mil vezes maior que a do elétron: as massas do próton e do nêutron são iguais a 1,67 ? 10227 kg, já a massa do elétron é igual a 9,11 ? 10231 kg. Se atribuirmos ao próton a massa 1, o elétron terá massa aproximada de 1/1 840. As relações entre características de algumas partículas presentes no átomo estão resumidas na tabela a seguir.

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Características das partículas fundamentais do átomo Partículas

Massa (kg)

Massa relativa (assumindo como referência a massa do próton)

Carga elétrica relativa

próton (p )

1,67 ? 10

227

nêutron (no)

1,67 ? 10227

elétron (e2)

9,11 ? 10231

1/1 840

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis. 2009. p. 1-1. Disponível em: <http://www.fptl.ru/biblioteka/spravo4niki/handbook-of-Chemistry-and-Physics.pdf>. Acesso em: 4 nov. 2015.

O que é mesmo um modelo? Até aqui falamos de alguns modelos que tratam de algo distante de nossa percepção visual. Talvez você tenha ficado com a impressão de que alguns deles deveriam ser abandonados, já que se mostram incompletos considerando descobertas mais recentes. Vale esclarecer um pouco mais essa questão. Os modelos adotados no estudo da Física e da Química servem para entendermos fenômenos e, por isso, são bem diferentes, por exemplo, da maquete de um barco ou de uma casa, que representam algo visível e estático. No estudo da Química, os modelos devem ajudar a compreender como um sistema se comporta. Ao estudar átomos, moléculas – que são conjuntos de átomos – e outras unidades que estruturam a matéria, temos que, de alguma forma, “ver o que é invisível”. Para facilitar a compreensão e a explicação do maior número possível de propriedades de um sistema é que os cientistas recorrem a analogias.

As analogias valem-se do que há em comum entre objetos totalmente diferentes; elas não podem ser confundidas com cópias aumentadas do sistema em estudo, isto é, o modelo não tem caráter fotográfico. Na verdade, valemo-nos de um sistema conhecido que tem comportamentos semelhantes àquele que queremos estudar. Um modelo será tanto melhor quanto maior for o número de semelhanças que possamos apontar. Por exemplo, para explicar o comportamento de um gás podemos fazer uma analogia entre o que ocorre com suas unidades invisíveis e as esferas que colocamos dentro de um globo para fazer um sorteio. Que tipo de comparação pode ser feita? Com esse modelo, poderemos ter uma ideia mais clara de que, quanto mais gás é colocado num recipiente, maior será o número de choques possíveis entre suas partículas e as paredes do recipiente, ou seja, maior será a pressão exercida pelo gás, o que é semelhante ao que ocorre com as esferas dentro do globo.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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É isso que faz com que um modelo seja provisório e temporário, sujeito a alterações. Não perca de vista, porém, que ele é sempre uma representação da realidade e não a realidade – não é uma cópia do sistema em estudo. GLOWIMAGES/MONALYN GRACIA/CORBIS

Da mesma forma, quando giramos a manivela do globo com mais intensidade, ocorre algo que se assemelha às moléculas do gás quando aumentamos sua temperatura. Essa analogia, como qualquer outra, tem muitas limitações. Por exemplo, os choques entre as unidades que constituem um gás “não reduzem” a velocidade dessas partículas; o mesmo não ocorre com esferas que se chocam. Um modelo pode ser chamado de teoria quando reúne uma série de hipóteses mais gerais ou uma série de equações matemáticas, permitindo a melhor compreensão de um fenômeno. Como a ciência se transforma, o modelo utilizado para descrever determinado comportamento de um sistema pode ser substituído por outro. Isso ocorre quando o modelo primitivo não serve para explicar novas propriedades que foram percebidas em novos estudos sobre o fenômeno.

O comportamento das esferas durante o giro do globo pode ser uma analogia ao que acontece com moléculas de gás em um recipiente. Não escreva neste livro.

Atividades 1. Compare o modelo atômico de Dalton com o de Thomson. 2. Qual é a grande inovação do modelo de Rutherford? 3. Observações experimentais levaram Rutherford a propor um modelo que intrigou os cientistas da época. Por quê? 4. Em que medida as observações experimentais de Rutherford permitiram concluir que se necessitava de uma “nova” Física? 5. Que modelos atômicos (Dalton, Thomson ou Rutherford) podem explicar a existência de íons? 6. Para adquirir carga elétrica, um átomo deve ganhar ou perder partículas que o constituem. Quais são essas partículas? Que carga elétrica têm? 7. Quantos elétrons são necessários para equivaler à massa de 1 próton? 8. Quantos elétrons são necessários para “neutralizar” a carga de 1 próton? 9. Se um átomo tiver 36 prótons, quantos elétrons ele terá? Lembre-se de que o átomo não tem carga elétrica, ou seja, tem carga elétrica nula. 10. Se um átomo com 19 prótons, 19 elétrons e 20 nêutrons perde 1 elétron, o que ocorre com sua carga total? E com sua massa?

Questão comentada 11. Suponha 103 átomos com 20 prótons, 20 elétrons, 20 nêutrons. Calcule: a) a relação entre a massa do núcleo e a massa da eletrosfera em um átomo. b) a relação entre a massa total dos núcleos e a massa total das eletrosferas do conjunto dos 103 átomos. Sugestão de resolução a) núcleo: 20x 1 20x 5 40x eletrosfera:

20x 2x 5 1 840 1 84

40x 5 20 ? 184 5 3 680 (em um átomo) 2x 1 84 b) Em 103 átomos: 5

103 ? 40x 5 3 680 2x 3 10 ? 1 84

12. Como um átomo com 12 prótons pode se transformar em íon positivo de carga elétrica 12?

Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Número atômico (Z) O número atômico de um elemento químico é característico dele; é por isso que esse número serve para diferenciá-lo de outro elemento. Os números atômicos dos elementos foram determinados em 1913 por Henry Moseley (1887-1915), cientista da equipe de Rutherford. Número atômico é o número de prótons existentes no núcleo de um átomo. Costuma ser representado por Z. Assim: Z 5 número atômico 5 número de prótons, ou Z 5 np1 Se, por exemplo, o Z de um átomo é 10, isso significa que seu núcleo contém 10 prótons. Se o átomo for neutro, a eletrosfera será formada por 10 elétrons.

Elemento químico e símbolo

Elemento químico Número atômico (Z) ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Suponha a seguinte situação: um recipiente contém 106 átomos, todos com 17 prótons. Temos, portanto, um só tipo de átomo, caracterizado pelo número de prótons presentes em seu núcleo. Dizemos que no recipiente há um elemento químico. Chamamos de elemento químico ao conjunto de átomos de mesmo número atômico.

Elemento químico hidrogênio

Elemento químico hélio

está representando átomo de Z = 1, ou seja, com 1 próton no núcleo.

está representando átomo de Z = 2, ou seja, com 2 prótons no núcleo.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Elemento químico oxigênio

está representando átomo de Z = 8, ou seja, com 8 prótons no núcleo.

Essa conceituação de elemento químico só foi possível após a determinação, por Moseley, da carga nuclear (dada pelo total das cargas dos prótons) e a consequente definição de número atômico. Esse conceito atual de elemento químico é distinto do que era usado pelos alquimistas e pelos estudiosos dos séculos XVIII e XIX. Era prática comum, desde a época da Alquimia, a representação de elementos químicos por símbolos. Esses símbolos foram se modificando ao longo do tempo, até que, em 1818, Jöns Jakobs Berzelius (1779-1848) introduziu a notação que utiliza uma ou duas letras para representar cada um dos elementos químicos e que é usada até hoje com pequenas alterações. Na tabela a seguir, é possível observar como os símbolos de alguns elementos foram se alterando com o tempo.

Atenção! Sejam 7, 16, 1 000, 100 mil átomos – não importa o número –, todos com o mesmo número atômico, tem-se apenas um elemento químico.

Símbolos de alguns elementos químicos utilizados em diferentes épocas 1600

1700

1783

1808

1818

Ouro

Mercúrio

Chumbo

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

1500

Fonte: CHEMICAL Heritage Foundation. Disponível em: <http://www.chemheritage.org/discover/collections/search. aspx?q=alchemical%20symbols&collectiontype=Fine%20Art&page=0>. Acesso em: 4 nov. 2015.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Na representação de Berzelius, quando há dois ou mais elementos cujos nomes se iniciam com a mesma letra, recorre-se a uma segunda letra, minúscula. Os símbolos são internacionais e geralmente derivam do nome latino ou grego do elemento. Por isso, nem sempre o símbolo tem a inicial do nome do elemento em português. Observe alguns exemplos na tabela a seguir. Elemento químico, seu símbolo e seu número atômico Elemento

Símbolo

Número atômico

Símbolo

Número atômico

Hidrogênio (Hydrogenium)

Fósforo (Phosphorus)

Hélio (Helium)

Enxofre (Sulphur)

Carbono (Carbonium)

Potássio (Kalium)

Oxigênio (Oxygenium)

Cromo (Chromium)

Flúor (Fluorum)

Prata (Argentum)

Sódio (Natrium)

Ouro (Aurum)

Magnésio (Magnesium)

Mercúrio (Hydragyrum)

Elemento

Como vimos neste capítulo, as partículas que contribuem de maneira significativa para a massa de um átomo são os prótons e os nêutrons, constituintes do núcleo. Em razão disso, define-se número de massa como a soma do número de prótons e do número de nêutrons de um átomo. O número de massa é representado por A. A 5 número de massa = número de prótons 1 número de nêutrons A 5 np1 1 nn0 Como np1 5 Z (número atômico), então A 5 Z 1 nn0 Costuma-se representar um elemento qualquer por um símbolo (abaixo usamos a letra E) associado a seus valores de número atômico (Z) e número de massa (A). Assim, genericamente, temos: A 16 8 18 8

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Número de massa (A)

O indica átomos de oxigênio que possuem 8 prótons e 8 nêutrons, então A 5 8 1 8 5 16. O indica A 5 18. Sendo o oxigênio, Z = 8 … 18 5 8 1 nn0 … nn0 5 10. Lembre-se de que para átomos neutros: Mp1 5 Me2 35 Assim, 17Cℓ indica Z 5 17, isto é, 17 prótons e 17 elétrons, então: A 5 Z 1 nn0 … 35 5 17 1 nn0 … nn0 5 18

Isótopos Diferentemente do número atômico, o número de massa (A) não é característico de um elemento químico e, por isso, não serve para identificá-lo. Por exemplo, o gás oxigênio que respiramos é constituído por moléculas contendo átomos do mesmo elemento, O, com números de massa diferentes, embora todos tenham número atômico 8. Na natureza há três tipos de átomos de oxigênio: 168O, 178O e 188O. Agora reflita: O que eles têm em comum? Qual é a diferença entre eles? Eles diferem no número de nêutrons: 16O tem 8 nêutrons; 17O tem 9 nêutrons; 18O tem 10 nêutrons, e, por isso, diferem no número de massa. Isótopos são átomos do mesmo elemento químico que diferem quanto ao número de nêutrons. Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Dizemos que o oxigênio tem três formas isotópicas naturais. Veja outros isótopos naturais na tabela abaixo. Abundância na natureza (em %) de alguns isótopos Elemento Hidrogênio 1H Oxigênio 8

Isótopo 1 H

Abundância 99,98

H O

0,02 99,76

0,04

O Cℓ

0,20 75,77

Cℓ

24,23

100

Cloro

Cℓ Sódio

Fonte: BERGLUND, Michael; WIESER, Michael E. Isotopic Compositions of the Elements 2009. IUPAC. 14 jan. 2011. Disponível em: <http://pac.iupac.org/publications/pac/pdf/2011/pdf/8302x0397.pdf>. Acesso em: 14 jan. 2016.

Observação: Os três isótopos de hidrogênio são indicados pelo símbolo H, uma vez que todos eles são do mesmo elemento químico. No entanto, o 2H é, muitas vezes, representado por D, por ser chamado de deutério; a forma 3 H é chamada de trítio.

Atividades 1. A tabela acima indica que os átomos de um dos isótopos do H não tem nêutron. Identifique-o.

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2. Qual dos isótopos do hidrogênio é chamado hidrogênio leve?

3. Se, em uma amostra qualquer, houver 10 000 átomos de hidrogênio, quantos provavelmente são de cada um dos isótopos? Não escreva neste livro.

Os diferentes isótopos de um elemento comportam-se quimicamente do mesmo jeito, pois todos eles são formas diferentes do mesmo elemento. A principal diferença entre eles está na massa de seus átomos. A água pesada, usada em reatores nucleares, é mais densa que a água comum por ser formada exclusivamente por hidrogênio 21H, o que explica a representação D2O.

Isóbaros Você sabe o que significa a palavra isóbaro? O termo deriva do grego e corresponde à junção de iso, que significa “igual”, com baros, correspondente a “peso”. No caso, o termo isóbaro refere-se a átomos que têm núcleos com massas (pesos) K, um dos iguais, mas que não são do mesmo elemento químico. É o caso dos átomos 40 19 isótopos do potássio, e 40 20Ca, isótopo do cálcio. Ou seja, isóbaros são átomos que têm o mesmo número de massa (A) e diferentes números atômicos (Z). 40 Os átomos 40 19 K e 20Ca são isóbaros, tendo número de prótons (K: 19 e Ca: 20) e de nêutrons (K: 21 e Ca: 20) diferentes.

Não escreva neste livro.

Atividades Se necessário, consulte a tabela com os nomes, símbolos e números atômicos dos elementos químicos na p. 106.

4. Considere que 35 X e 37 Y representem genericamen17 17

1. Qual é o número atômico e o símbolo do alumínio, usado em panelas?

a) Quantos prótons e nêutrons tem X? E Y?

2. Quantos elétrons tem um átomo de Fe? 3. Imagine que seja possível isolar uma amostra com 100 000 átomos de mesmo número atômico. Quantos elementos ela teria?

te dois átomos. Sobre eles, responda: b) Os átomos são de elementos diferentes? c) Se você souber que X corresponde a Cℓ, o que pode concluir a respeito do símbolo de Y? Por quê?

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13/05/16 10:58

Distribuição dos elétrons no átomo Como vimos, Bohr complementou o modelo atômico de Rutherford propondo que os elétrons giram ao redor do núcleo, em camadas eletrônicas ou níveis de energia, e que isso é possível sem que eles percam energia. Nos átomos de qualquer elemento, os elétrons se distribuem em até sete camadas (K, L, M, N, O, P e Q), cada uma delas comportando um número máximo de elétrons. Quanto maior for a distância entre o Distribuição eletrônica dos elementos elétron e o núcleo, maior será sua energia. Camadas ou níveis de energia Elemento Assim, um elétron da camada L é mais enerK (n 5 1) L (n 5 2) M (n 5 3) N (n 5 4) gético do que um da camada K. He 2 2 Ao lado, são fornecidas as distribuições Be 2 2 2 eletrônicas de alguns elementos. Observe-as, Na 2 8 1 11 analisando de que modo os elétrons ocupam Ge 2 8 18 4 32 os níveis na ordem crescente de energia. Repare que, no caso da distribuição eletrônica dos elementos a seguir, não basta levar em conta o número máximo de elétrons de cada nível.

O (n 5 5)

Distribuição eletrônica dos elementos Camadas ou níveis de energia

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Elemento 20

K (n 5 1)

L (n 5 2)

M (n 5 3) 10

N (n 5 4)

8 18

O (n 5 5)

2 10

O que é possível notar? Apesar de as camadas M e N comportarem 18 elétrons, não são encontrados na natureza átomos com mais de 8 elétrons em sua camada externa.

Uma orientação inicial sobre distribuição eletrônica Para fazer a distribuição eletrônica de uma parte dos elementos químicos, os chamados representativos (dessa categoria estão excluídos os elementos de números atômicos de 21 a 28; 39 a 46; 57 a 78 e maiores do que 89): ▸▸ siga a sequência de preenchimento das camadas a partir do núcleo (K, L, M, ...), lembrando que cada camada comporta um número máximo de elétrons (a camada K, 2 elétrons; a L, 8; a M, 18; a N, 32; a O, 32; a P, 18; e a Q, 8); não coloque mais que 8 elétrons na última camada. ▸▸ se você tiver uma camada que permita 18 ou 32 elétrons e que seja a última de sua distribuição: – se o número de elétrons (n) a ser colocado for tal que 18 . n . 8, basta subtrair 8, passando o que resta para a outra camada. Reveja o exemplo do estrôncio, Sr. – se você colocar um número de elétrons (n) tal que 32 . n . 18, subtraia de n 18 elétrons e passe o que resta para a camada seguinte. Veja o exemplo: 55

Cs:

K 2

Cs:

L 8

27 18

0 9

– 18

–8

Observação:

As regras que acabamos de ver são úteis apenas para que você aprenda alguns conceitos básicos da Química. No entanto, não valem para todos os elementos. Basta que, por ora, você trabalhe com os números máximos de elétrons das três primeiras camadas (K: 2, L: 8, M: 18).

Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Produtos usados na agricultura mencionam em sua embalagem os símbolos do nitrogênio (N), do potássio (K) e do fósforo (P). Faça a distribuição eletrônica das camadas (K, L, ...) para átomos desses elementos. a) 7N

b) 19K

c) 15P

2. Que característica comum existe entre as configurações eletrônicas dos elementos N e P, da questão anterior?

3. O carbono é o elemento-chave na constituição dos seres vivos. Estudando os vários tipos de substâncias dos quais ele participa, os cientistas desenvolveram uma série de materiais “inspirados” no carbono, à base de silício, como é o caso dos silicones. Faça a distribuição eletrônica do 6C e do 14Si e diga que semelhança há nas configurações desses dois elementos.

A formação de íons

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Vimos que os átomos são eletricamente neutros porque possuem número de prótons (de carga positiva) igual ao de elétrons (de carga negativa). No entanto, átomos de um elemento químico podem perder ou ganhar elétrons. Quando isso ocorre, o íon fica com sua eletrosfera alterada em relação ao átomo, mas seu núcleo é preservado. Vamos ver qual é a consequência disso com alguns exemplos. "O cálcio é um elemento fundamental na formação de nossos ossos." Quando ouvimos essa afirmação, talvez nos lembremos do leite, dos queijos e de outros alimentos ricos em cálcio. Ora, mas o cálcio é um metal e, como se sabe, nenhum de nós ingere esse elemento na forma metálica; ele é ingerido na forma de íons. Qual é a diferença na eletrosfera de um íon de cálcio e de um átomo desse elemento? ▸ O íon cálcio perdeu dois elétrons em relação ao átomo de cálcio.

Cores fantasia, sem escala.

20 prótons 20 elétrons 20 nêutrons

20 prótons 18 elétrons 20 nêutrons

22 e2 carga 0

(perda de 2 elétrons)

átomo neutro de Ca 40 Ca: 2, 8, 8, 2 20

carga 12

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

cátion: íon positivo

cátion Ca21 Ca21: 2, 8, 8

40 20

Nos capítulos anteriores, descrevemos algumas reações de combustão e vimos que nelas há sempre participação de gás oxigênio. Quando se queima o magnésio, por exemplo, cada átomo de magnésio proveniente do metal combina-se com um átomo de oxigênio proveniente do gás oxigênio, formando um composto. Nesse composto, o oxigênio está na forma de íon negativo, O22 (ânion). ▸ O íon de oxigênio ganhou 2 elétrons em relação ao átomo de oxigênio.

Cores fantasia, sem escala.

ânion: íon negativo

8 prótons 8 elétrons 8 nêutrons

12 e2 carga 0

(ganho de 2 elétrons)

átomo neutro de O 16 O: 2, 6 8

8 prótons 10 elétrons 8 nêutrons

carga 22

ânion O22 O2: 2, 8

16 8

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Um dos isótopos do elemento oxigênio disponíveis na natureza é o 17O. Suponha uma amostra de óxido de cálcio (composto constituinte da cal, usada na construção civil) na qual todo o íon O22 presente seja desse isótopo. Quantos prótons, elétrons e nêutrons existem em um íon 178O22? 2. Quando o ferro metálico enferruja, formam-se compostos contendo íons Fe21 e Fe31. Considere esses íons do isótopo 56 do ferro. Quantos prótons, elétrons e nêutrons tem cada uma dessas espécies? Dado: número atômico do ferro: 26. 3. Ao responder à questão de uma prova, um aluno escreveu: “Quando um átomo de 12Mg perde 2 elétrons, transforma-se em outro elemento de número atômico 10, representado por 10Ne21”. Reescreva a afirmação, corrigindo-a. 4. Uma revista de estética enaltece o uso de argila verde como cicatrizante e na remoção de células mortas da superfície da pele. Entre os íons constituintes da argila verde são citados os de alumínio (Aℓ31), magnésio (Mg21), cobre (Cu21), zinco (Zn21), cálcio (Ca21), potássio (K1), lítio (Li1) e sódio (Na1). Alguns desses íons associam-se ao oxigênio, na forma de óxido, O22. São dados os números atômicos: Li: 3, O: 8, Na: 11, Mg: 12, K: 19, Ca: 20, Cu: 29. a) Explique a diferença do ponto de vista eletrônico entre a estrutura do átomo de 13Aℓ e do íon Aℓ31.

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b) Faça a distribuição dos elétrons em camadas do átomo de 20Ca e do íon Ca21. 5. Leia o texto a seguir e responda ao que se pede. Ministério trata como prioridade questão nuclear no país, diz presidente da INB O Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação está tratando como prioridade a questão nuclear no Brasil. [...]. “É uma área estratégica para o país, não só para a geração de energia, aplicar em áreas como a medicina ou a produção de radiofármacos [compostos utilizados em medicina nuclear]”, disse em entrevista à Agência Brasil. [...] O presidente da INB [Indústrias Nucleares do Brasil] também destacou que um projeto importante do país é o do reator produtor de radioisótopos para atender à demanda da medicina nuclear, estimada em torno de 2 milhões de procedimentos médicos para diagnóstico e tratamento de doenças. “O Brasil até hoje é dependente da importação do principal isótopo, o molibdênio, usado na produção desses radiofármacos”. Segundo ele, o Ministério pretende priorizar essa atividade estratégica. GANDRA, Alana. Ministério trata como prioridade questão nuclear no país, diz presidente da INB. EBC (Agência Brasil), 21 jun. 2015. Disponível em: <http://agenciabrasil.ebc.com.br/geral/noticia/2015-06/ministerio-trata-como-prioridade-questao-nuclear-nopais-diz-presidente-da-inb>. Acesso em: 14 jan. 2016.

a) O texto menciona uma importante aplicação para o isótopo de molibdênio. Identifique-a. b) Pesquise em livros e sites o significado de medicina nuclear, expressão utilizada no texto. Em seguida, produza um texto que explique seu significado no formato de verbete. Verbete é um gênero textual comum em dicionários e enciclopédias que tem como objetivo explicar uma palavra ou expressão de forma sucinta e clara. A seguir, está um exemplo de verbete tirado do Dicionário Houaiss eletrônico (São Paulo: Objetiva, 2009): radiofármaco preparado químico ou farmacêutico radioativo, usado como agente diagnóstico ou terapêutico. c) Consultando a Tabela Periódica dos elementos da página 106, represente o isótopo de molibdênio e indique a quantidade de elétrons, prótons e nêutrons. Considere para isso que o número de massa do isótopo é 99. Não se esqueça de indicar, no símbolo do elemento, o número atômico e o número de massa. Capítulo 4 Estrutura atômica: conceitos fundamentais

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5 capítulo

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GLOWIMAGES/ALAMY/JON BOWER UK

Classificação periódica dos elementos químicos

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • a classificação periódica; • propriedades periódicas; • a ligação metálica. 100

Para situá-lo Você já colecionou algum tipo de objeto? Se não, talvez conheça alguém que faça alguma coleção, como de camisas de times de futebol, miniaturas de automóveis, ingressos de shows, discos de vinil, CDs, etc. Agora imagine que um colecionador de selos (filatelista) tenha uma coleção de cerca de 2 mil selos e queira mostrar a uma pessoa alguns de seus exemplares raros. Se a coleção dele estiver bem organizada, conseguirá achá-los rapidamente, mas, se ela estiver desorganizada, não será nada fácil localizar um deles em especial. Mesmo alguém que não tenha o hábito de fazer coleções, se contar com uma biblioteca particular numerosa, sentirá dificuldade de localizar determinado livro caso não tenha estabelecido alguma maneira organizada de guardá-los. Para que o armazenamento de selos ou de livros seja organizado, é necessário estabelecer critérios de classificação.

©CORREIOS BRASIL/REPRODUÇÃO

Observe o que está estampado no ônibus da imagem acima. Esse ônibus e também alguns táxis com a mesma estampa fazem parte de uma campanha de divulgação do Parque de Ciência e Tecnologia de Oxford, na Inglaterra. Você sabe o que representam essas estampas?

Esse é um dos selos conhecidos por “barba branca” – nome dado aos selos emitidos entre 1877 e 1888, com a imagem de dom Pedro II. Imagine como seria difícil encontrá-lo em uma coleção de 2 mil selos caso ela não fosse organizada.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Mas o que é classificar? Para começar a pensar sobre esse assunto, leia o texto a seguir, retirado de um ensaio do escritor argentino Jorge Luis Borges (1899-1986). Segundo esse autor, uma antiga enciclopédia chinesa classificava os animais de acordo com os seguintes critérios: [...] a) pertencentes ao imperador; b) embalsamados; c) domesticados; d) leitões; e) sereias; fabulosos; f) g) cães em liberdade; h) incluídos na presente classificação; i) que se agitam como loucos; inumeráveis; j) k) desenhados com um pincel muito fino de pelo de camelo; l) et cetera; m) que acabam de quebrar a bilha; que de longe parecem moscas. n) [...] BORGES, Jorge Luis. Otras inquisiciones. Madrid: Alianza Editorial, 1976. (Tradução dos autores.)

1. Observe os critérios a e c. Há algo de estranho neles? Aponte outro par de critérios que se enquadram no mesmo caso. 2. Tente listar quantos critérios diferentes são usados para classificar os animais. 3. Você acha que esses critérios dão conta da classificação a que se pretendem? 4. Do mesmo modo que uma pessoa organiza um conjunto de livros ou CDs para facilitar seu manuseio, os cientistas também se valem de classificações para tornar mais racional o estudo de determinado campo do conhecimento. Para isso, adotam critérios de classificação, alguns dos quais você já deve ter visto − como é o caso dos adotados no estudo dos seres vivos, dos tipos de solos ou de climas. Também é o caso da classificação de substâncias em simples ou compostas, conforme o número de elementos químicos que participam delas. De acordo com esse critério, qual é a diferença entre substância simples e composta? 5. Ao estudar o capítulo anterior, você pode ter notado semelhanças entre alguns elementos químicos. Faça a distribuição eletrônica dos seguintes átomos: 11Na, 12Mg, 19K, 20Ca, Rb, 38Sr. De acordo com a configuração eletrônica, de quantas formas e como você po37 deria classificá-los?

Neste capítulo, vamos estudar desde as primeiras tentativas de classificar os elementos químicos até a elaboração da chamada Tabela Periódica, no século XIX. Veremos também que ela continua sendo material de consulta bastante útil no estudo da Química. Um lembrete: para ter bons conhecimentos sobre a Tabela Periódica dos elementos químicos, não é necessário memorizar a disposição dos símbolos desses elementos na tabela. O principal objetivo dessa classificação é facilitar o estudo e a compreensão de uma série de regularidades relativas ao comportamento dos elementos químicos que constituem todos os materiais. Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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Classificar: uma necessidade das ciências

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Para que você tenha ideia do contexto em que foram propostas as primeiras classificações dos elementos químicos, vale lembrar que, quando elas surgiram, no século XIX, na Europa, já haviam sido publicadas algumas obras importantes que sistematizavam conhecimentos de algumas áreas das ciências. Além do Traité élémentaire de Chimie (Tratado elementar da Química), de Lavoisier, do final do século XVIII, e do New System of Chemical Philosophy (Novo sistema de filosofia química), de Dalton, do início do século XIX, ainda podemos destacar: ▸▸ na Física, o Principia Mathematica (Princípios matemáticos), importante livro com as bases da Mecânica Clássica, lançadas por Isaac Newton (1642-1727) no final do século XVII; ▸▸ a publicação, no século XVIII, de diversos trabalhos do naturalista sueco Carl Lineu (1707-1778), nos quais foram estabelecidos os critérios de classificação e as bases da nomenclatura dos seres vivos, sendo os principais o Systema Naturae (Sistema Natural) – que dividiu a natureza em três reinos: animal, vegetal e mineral – e o Species Plantarum (Espécies de plantas) – que contém a classificação e os critérios de identificação de vegetais. Por volta de 1830, pouco mais de 50 elementos químicos já haviam sido identificados, o que demandava dos pesquisadores alguma forma de organizá-los. Várias tentativas de classificação surgiram nessa época, mas, de 1869 em diante, adotou-se, com algumas pequenas variações, a classificação proposta pelo russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907), a mais abrangente e, por isso, a de maior importância. Como foi elaborada essa classificação periódica, da qual surgiu a que usamos hoje? Partindo de dados coletados experimentalmente sobre as substâncias constituídas pelos elementos químicos conhecidos na época, Mendeleev dispôs os elementos em ordem crescente de massa atômica, agrupando aqueles com propriedades semelhantes.

H=1

Li = 7

102

Be = 9,4 B = 11 C = 12 N = 14 O = 16 F = 19 Na = 23

Mg = 24 Aℓ = 27,4 Si = 28 P = 31 S = 32 Cℓ = 35,5 K = 39 Ca = 40 ? = 45 ?Er = 56 ?Yt = 60 ?In = 75,6

Ti = 50 V = 51 Cr = 52 Mn = 55 Fe = 56 Ni = Co = 59 Cu = 63,4 Zn = 65,2 ? = 68 ? = 70 As = 75 Se = 79,4 Br = 80 Rb = 85,4 Cr = 87,6 Ce = 92 La = 94 Di = 95 Th = 118

Zr = 90 Nb = 94 Mo = 96 Rh = 104,4 Ru = 104,4 Pd = 106,6 Ag = 108 Cd = 112 Ur = 116 Sn = 118 Sb = 122 Te = 128? J = 127 Cs = 133 Ba = 137

Massa atômica e Tabela Periódica Dalton propôs que os átomos dos diversos elementos diferiam uns dos outros em massa (ele usou o termo "peso"). Foi ele quem introduziu, em seu livro New System of Chemical Philosophy, de 1808, o conceito de peso atômico, atualmente massa atômica, expressão que será utilizada daqui em diante. Além de Dalton, outros cientistas determinaram experimentalmente as massas atômicas relativas dos elementos, isto é, a massa atômica de um elemento em relação à de outro. Esses valores tiveram uma importância fundamental para a organização dos elementos químicos, conforme será abordado no boxe Viagem no tempo.

? = 180 Ta = 182 W = 186 Pt = 197,4 Ir = 198 Os = 199 Hg = 200 Au = 197? Bi = 210?

Tℓ = 204 Pb = 207

Ao longo dos anos, Mendeleev publicava novas formas da Tabela Periódica. A imagem ao lado mostra o primeiro esboço da Tabela Periódica proposto pelo cientista em 1869. Nela, os elementos com propriedades semelhantes estão organizados na mesma linha. Fonte: TOLENTINO, M.; ROCHA-FILHO, R. C.; CHAGAS, A. P. Alguns aspectos históricos da classificação periódica dos elementos químicos. Química Nova. São Paulo, v. 20, n. 1, fev. 1997. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo. php?pid=S0100-40421997000100014&script=sci_ arttext>. Acesso em: 16 jan. 2016.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Viagem no tempo A Tabela Periódica: um trabalho de muitos cientistas Entre as inúmeras tentativas de organização dos elementos químicos que antecederam a atual, podemos destacar: • As tríades de Döbereiner: quando o químico alemão Johann Wolfgang Note que a massa atômica do Döbereiner (1780-1849) fazia suas pesquisas, eram conhecidos persódio (23) é a média aritmética to de 50 elementos. Agrupando elementos que tinham propriedades das massas do lítio (7) e do químicas semelhantes, Döbereiner acabou por perceber que a massa potássio (39). Fato semelhante ocorre quando somamos as atômica de um correspondia, aproximadamente, à média aritmética massas atômicas do iodo (127) de outros dois. Assim, propôs a formação de tríades (grupos de três com a do cloro (35,5) e dividimos elementos), tais como: Cℓ 35,5 Br 80 I 127

• O parafuso telúrico de Chancourtois: em 1862, o geólogo e mineralogista francês Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois (1820-1886) propôs uma organização dos elementos em ordem crescente de suas massas atômicas, dispostas em uma estrutura tridimensional, conforme mostra o esquema ao lado. Os elementos com propriedades semelhantes eram posicionados na mesma linha vertical. • A lei das oitavas de Newlands: assim como seus antecessores, o químico inglês John Alexander Reina Newlands (1837-1898) estudou a periodicidade das propriedades dos elementos químicos e em 1864 propôs uma organização dos elementos químicos, em ordem crescente das massas atômicas, sugerindo que as semelhanças se repetiam de modo análogo às notas musicais (em oitavas).

Aℓ Si

Embora as propostas descritas tenham contribuído para se chegar à tabela atual, elas foram abandonadas por suas inúmeras limitações.

Esboço de parte do parafuso telúrico de Chancourtois.

O congresso para reorganização

Fonte: <http:// culturesciences.chimie.ens. fr/content/la-classificationperiodique-de-lavoisier-amendeleiev-1229>. Acesso em: 4 fev. 2016.

O final do século XVIII e a primeira metade do século XIX foram marcados pela evolução da Química como ciência. Nesse período, além das várias propostas para organizar os elementos, ampliou-se o número de elementos conhecidos. Apesar disso, chegou-se à segunda metade do século XIX sem um consenso entre os estudiosos da época. Muitos deles não concordavam com a introdução do conceito de massa atômica porque não aceitavam a teoria atômica e, portanto, não raciocinavam em termos de átomos/elementos; havia diversidade quanto às fórmulas propostas para uma mesma substância, o que dificultava a comunicação entre os cientistas. Era esse o panorama da Química quando ocorreu o 1º Congresso Internacional de Química, em Karlsruhe, Alemanha, em 1860. Organizado por dois importantes cientistas, o alemão August Kekulé von Stradonitz (1829-1896) e o francês Charles Adolphe Wurtz (1817-1884), o encontro reuniu 140 químicos de 12 países e tinha como objetivo eliminar divergências. O congresso durou três dias, mas terminou sem consenso. Ainda assim, dois cientistas – o alemão Julius Lothar Meyer (1830-1895) e o russo Dmitri Ivanovich Mendeleev – foram fortemente estimulados pelo químico italiano Stanislao Cannizzaro (1826-1910) a organizar propostas de classificação periódica dos elementos. Eles se valeram das massas atômicas (pesos) que Cannizzaro havia apresentado no congresso.

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

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Li 7 Na 23 K 39

por 2: obtemos um valor próximo de 80, massa atômica do bromo.

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LATINSTOCK/ALAMY/WORLDPHOTOS

Meyer procurou analisar as propriedades físicas (densidade e temperatura de fusão, por exemplo) de substâncias simples constituídas por elementos químicos conhecidos, relacionando-as com as massas atômicas desses elementos. Apesar de o trabalho elaborado por Meyer indicar a tendência de repetição periódica de algumas propriedades dos elementos em relação às suas massas atômicas, o de Mendeleev foi mais completo, entre outras razões, por aprofundar o estudo com propriedades químicas e por prever as propriedades de elementos ainda não descobertos. Em sua tabela, Mendeleev colocou os pouco mais de 60 elementos conhecidos na época em ordem crescente de massas atômicas. Mas o que parece mais incrível nesse trabalho é que ele deixou espaços vazios na tabela para que elementos então desconhecidos pudessem ser inseridos. Em relação a três desses elementos (gálio, germânio e escândio), Mendeleev chegou a fazer a descrição de muitas de suas propriedades, que se mostraram semelhantes às verificadas posteriormente, quando foram descobertos. Enfim, o trabalho de Mendeleev representa um divisor de águas na história da Química por sua capacidade de pesquisar as informações acumuladas, reuni-las e sintetizá-las. Lembre-se de que na época ele não contava com determinados conhecimentos químicos que poderiam ter facilitado seu trabalho de elaboração da classificação periódica. Entre eles, podemos citar: • muitos elementos químicos naturais, entre os quais os gases nobres, que se destacam pela falta de reatividade, eram desconhecidos;

Dmitri Ivanovich Mendeleev, químico russo, é considerado o principal criador da primeira Tabela Periódica semelhante à que conhecemos hoje. Foto feita por volta de 1900.

• não eram conhecidos os números atômicos (número de prótons), usados para sequenciar os elementos na Tabela Periódica atual. Apesar disso, Mendeleev inverteu a posição de alguns elementos, com base nas massas atômicas (pesos atômicos) – ordem que ele adotara –, de modo a colocar elementos de comportamento químico semelhante nas mesmas verticais. Foi o caso do iodo (I), de massa atômica 127, e do telúrio (Te), de massa atômica 128. Entretanto, a conclusão de que os elementos na classificação periódica estão na mesma ordem crescente que a de seus números atômicos só foi possível em 1913, quase 20 anos após a morte de Mendeleev. Atualmente é fácil entender a relação entre a classificação periódica e as configurações eletrônicas dos elementos. No entanto, é importante destacar que “[...] a Tabela Periódica pertence à química do século XIX”. BENSAUDE-VINCENT, B.; STENGERS, I. História da Química. Lisboa: Piaget, 1992. p. 202.

1. Por que a necessidade de classificar os elementos químicos surgiu somente no século XIX?

Não escreva neste livro.

2. Qual é a ordem dos elementos na classificação de Mendeleev? E na atual? 3. Liste em seu caderno algumas dificuldades enfrentadas por Mendeleev para executar seu trabalho. 4. Que conhecimentos posteriores à morte de Mendeleev foram esclarecedores para a compreensão da organização dos elementos que ele propôs? 5. Havia pontos comuns entre o trabalho de Meyer e o de Mendeleev. Cite dois exemplos que mostrem por que o trabalho de Mendeleev acabou por ofuscar o trabalho de Meyer. 104

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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A classificação atual dos elementos químicos Observe a imagem da página 106. Ela representa a classificação atual dos elementos químicos. Vamos começar a conhecer como é a estrutura atual da Tabela Periódica, outra maneira de chamar essa classificação. Observe os números que aparecem acima e à esquerda de cada símbolo dos elementos químicos. Eles representam seu número atômico. Esses números só foram determinados em 1913, após a proposição do modelo do átomo nuclear; por isso, não constavam da tabela proposta por Mendeleev, que morreu em 1907. Na Tabela Periódica atual, o número 1 indica o número atômico do hidrogênio (H); o número 2 corresponde ao número atômico do hélio (He), e assim por diante. A disposição dos elementos na tabela, da esquerda para a direita, segue a ordem crescente de números atômicos.

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Grupos e períodos Agora observe os números em preto (de 1 a 18) em cada uma das linhas verticais (colunas) da tabela; esses números indicam grupos. Cada coluna da tabela reúne os elementos de um mesmo grupo (18 no total). Antigamente, essas colunas eram conhecidas por família e recebiam um número e uma letra, indicados em vermelho na Tabela. As letras indicavam a divisão dos elementos químicos em dois grandes grupos: os elementos representativos – representados pela letra A (1A, 2A, 3A, etc.) – e os elementos de transição – representados pela letra B (1B, 2B, 3B, etc.). Qual é a característica comum aos elementos que pertencem a um mesmo grupo da Tabela Periódica? Vamos ver um exemplo. Observe a distribuição eletrônica dos elementos que pertencem ao grupo 14 (carbono, silício, germânio, estanho e chumbo): C: 2 - 4 Sn: 2 - 8 - 18 - 18 - 4 6 50 Si: 2 - 8 - 4 Pb: 2 - 8 - 18 - 32 - 18 - 4 14 82 Ge: 2 8 18 4 32 Como você pode perceber, todos os elementos desse grupo têm 4 elétrons no último nível de energia ou camada eletrônica. Ter o mesmo número de elétrons no último nível de energia é uma característica eletrônica comum aos elementos de um mesmo grupo, considerando os elementos representativos. Assim, se observássemos a distribuição eletrônica dos elementos químicos do grupo 1, notaríamos que todos apresentam 1 elétron na última camada eletrônica; os do grupo 2, 2 elétrons; os do grupo 13, 3 elétrons; os do grupo 15, 5 elétrons; os do grupo 16, 6 elétrons; os do grupo 17, 7 elétrons; e os do grupo 18, 8 elétrons. A única exceção é o hélio (He), presente na coluna 18 e que apresenta uma única camada com 2 elétrons. O comportamento químico de uma substância depende do número de elétrons existentes no último nível energético de seus átomos. Por isso, elementos de um mesmo grupo têm comportamento químico semelhante. Os grupos dos elementos representativos também são conhecidos com nomes especiais, como mostra o quadro abaixo. Grupo

Nome do grupo

Elementos presentes no grupo

Metais alcalinos

Li, Na, K, Rb, Cs, Fr

Metais alcalinoterrosos

Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra

Grupo do boro

Grupo do carbono

C, Si, Ge, Sn, Pb, Fℓ

B, Al, Ga, In, Tℓ

Grupo do nitrogênio

N, P, As, Sb, Bi

Calcogênios

O, S, Se, Te, Po, Lv

Halogênios

F, Cℓ, Br, I, At

Gases nobres

He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

Como você viu no capítulo anterior, a determinação do número atômico foi feita por Henry Moseley a partir da coleta de dados experimentais, nos quais elétrons altamente acelerados (os raios catódicos, formados em ampolas nas quais se faz a descarga elétrica em gases rarefeitos) foram lançados sobre anteparos de metais variados, produzindo radiações semelhantes à luz, porém mais energéticas, os raios X (usados em radiografias). A frequência (número de ondas por segundo) dos raios X emitidos varia com o número atômico do elemento usado no anteparo.

Observe no quadro ao lado que o hidrogênio não consta em nenhum grupo. Isso porque o hidrogênio é um caso especial. Ele apresenta uma configuração eletrônica semelhante aos metais alcalinos – ou seja, um elétron na última camada –, mas não possui propriedades de uma substância simples metálica. Por isso, embora seja colocado na mesma coluna dos metais alcalinos, o hidrogênio não é um metal alcalino!

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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MATRIZ

14/05/16 14:09

frâncio

césio 132,9

rubídio 85,5

potássio 39,1

sódio 23,0

cálcio 40,1

rádio

bário 137,3

estrôncio 87,6

magnésio 24,3

berílio 9,0

lítio 6,9

hidrogênio 1,0

Ac-Lr

89-103

La-Lu

ítrio 88,9

57-71

escândio 45,0

titânio 47,9

nióbio 92,9

dúbnio

105

tantálio 180,9

vanádio 50,9

cério 140,1

actínio

tório 232,0

cromo 52,0

protactínio 231,0

praseodímio 140,9

seabórgio

106

tungstênio 183,8

molibdênio 96,0

urânio 238,0

neodímio 144,2

bóhrio

rênio 186,2 107

tecnécio

manganês 54,9

não metais

metais

netúnio

promécio

hássio

ósmio 190,2

ferro 55,8

rutênio 101,1

108

amerício

európio 152,0

darmstádtio

platina 195,1

paládio 106,4

níquel 58,7

110

cúrio

gadolínio 157,3

roentgênio

ouro 197,0

prata 107,9

cobre 63,6

111

cádmio 112,4

zinco 65,4

térbio 158,9

berquélio

copernício

112

mercúrio 200,6

califórnio

disprósio 162,5

unúntrio

Uut

tálio 204,4

Tℓ

índio 114,8

gálio 69,7

113

alumínio 27,0

Aℓ

boro 10,8

hólmio 164,9

einstênio

Fℓ

fleróvio

114

chumbo 207,2

estanho 118,7

germânio 72,6

silício 28,1

carbono 12,0 14

arsênio 74,9

fósforo 31,0

férmio

érbio 167,3 100

ununpêntio

Uup

115

bismuto 209,0

antimônio 121,8

nitrogênio 14,0

telúrio 127,6

selênio 79,0

mendelévio

túlio 168,9

101

livermório

116

polônio

enxofre 32,1

oxigênio 16,0 16

nobélio

itérbio 173,0 102

ununséptio

Uus

astato

iodo 126,9

bromo 79,9

Cℓ

flúor 19,0

cloro 35,5

117

neônio 20,2

Uuo

laurêncio

lutécio 175,0 103

ununóctio

118

radônio

xenônio 131,3

criptônio 83,8

argônio 40,0

hélio 4,0

Fonte: IUPAC. Versão da Tabela Periódica dos Elementos publicada em 8 jan. 2016. Disponível em: <http://iupac.org/fileadmin/user_upload/news/IUPAC_Periodic_Table-8Jan16.pdf>. Acesso em: 7 abr. 2016.

plutônio

samário 150,4

meitnério

irídio 192,2

ródio 102,9

8B cobalto 58,9

109

Notas: De acordo com a União Internacional da Química Pura e Aplicada (cuja sigla em inglês é IUPAC), não são expressos os valores de massa atômica para elementos cujos isótopos não são encontrados em amostras naturais terrestres. Na fonte original, são indicados intervalos de massa atômica para os elementos H, Li, Mg, B, C, N, O, Si, S, Cℓ, Br e Tℓ. Os elementos químicos de número atômico 113, 115, 117 e 118 foram reconhecidos pela IUPAC no final de 2015. Até abril de 2016, não foram atribuídos nomes e símbolos a esses elementos.

Série dos actinídeos

lantânio 138,9

Série dos lantanídeos

rutherfórdio

háfnio 178,5

104

zircônio 91,2

Símbolo

P número e atômico r í o d nome do elemento o massa atômica

Grupo Família

Tabela Periódica dos Elementos

DIVULGAÇÃO PNLD EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

P e r í o d o

Grupo Família

Aℓ

Cℓ

Símbolo

metais não metais

Tℓ

Uut

Fℓ

Uup

Uus

Uuo

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Agora observe as linhas horizontais da Tabela Periódica da página ao lado. Chamamos de período ou série cada linha horizontal da Tabela Periódica. Mas qual é a característica eletrônica de elementos de um mesmo período? Observe: 1º período: H: 1 ..................... He: 2 3º período: Aℓ: 2 – 8 – 3 ........... Cℓ: 2 – 8 – 7 2º período: Li: 2 – 1 ............. N: 2 – 5 4º período: Ca: 2 – 8 – 8 – 2 ..... Se: 2 – 8 – 18 – 6 Como você pode notar, o número do período coincide com o número de níveis eletrônicos apresentado pelos elementos que o compõem. Assim, o elemento arsênio (As), de Z 5 33 (2 – 8 – 18 – 5), localiza-se no 4º período e tem elétrons em 4 níveis eletrônicos. Os elementos do 5º período têm os elétrons distribuídos em 5 níveis energéticos, e assim por diante. O 6º período é o mais longo da Tabela Periódica. Na coluna 3 desse período estão localizados os elementos que têm números atômicos de 57 a 71. Eles pertencem à chamada série dos lantanídeos, por ser iniciada pelo lantânio (La), de Z 5 57. Eles fazem parte de um grupo de elementos de grande relevância no mundo atual: as terras-raras; isso porque são muito empregados em equipamentos de alta tecnologia (leia a seção Conexões: Química e Economia, mais adiante). O 7º período apresenta lacunas, isto é, não é completo: à medida que novos elementos têm sido obtidos pelos físicos nucleares, juntam-se aos já conhecidos, nesse mesmo período. Na coluna 3, os números de 89-103 constituem a série dos actinídeos, cujo primeiro elemento é o actínio (Ac), de Z 5 89. Os lantanídeos e actinídeos são chamados de elementos de transição interna. Essas duas séries usualmente estão dispostas abaixo da tabela. Os elementos localizados depois do urânio (U), de Z = 92, são artificiais, isto é, só podem ser obtidos em laboratório. Esses elementos são chamados de transurânicos. A representação da Tabela Periódica estendida – como se abríssemos o quadrinho em que se encontram os lantanídeos e os actinídeos – pode tornar mais claro o que foi dito anteriormente.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Faça a distribuição eletrônica dos elementos abaixo indicando o grupo e o período a que pertence cada um deles.

de valência e está localizado no 3o nível eletrônico. Consulte a Tabela Periódica e indique o seu símbolo.

c) 34Se (importante no combate ao envelhecimento)

3. A que grupo da classificação periódica pertencem os elementos cujos números atômicos apresentam duas unidades a menos que os gases nobres do mesmo período?

d) 3Li (usado nas baterias de celulares e computadores)

4. Qual é o número atômico de um elemento pertencente ao:

a) 10Ne (usado em anúncios luminosos) b) 20Ca (constituinte dos ossos)

e) 6C (principal constituinte dos seres vivos)

a) grupo 1, 4o período?

2. Um átomo de halogênio tem 7 elétrons na camada

b) grupo 17, 2o período?

c) grupo 18, 4o período?

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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MATRIZ NOVA

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Conexões

DIVULGAÇÃO PNLD

De acordo com o que foi estabelecido pela IUPAC, a expressão terras-raras – ou elementos de terras-raras – corresponde a um grupo de 17 elementos químicos: os lantanídeos (números atômicos entre 57 e 71) mais o escândio (21Sc) e o ítrio (39Y), todos eles pertencentes à coluna 3 (grupo 3). O nome atribuído a esses elementos tem relação com o aspecto dos minérios dos quais foram retirados os primeiros metais desse tipo (que lembravam terra) e com o fato de, na época, ter-se a ideia de que eles Na foto, em sentido horário a partir da parte central superior, estão óxidos dos seguintes elementos de terras-raras: praseodímio (Pr), cério (Ce), fossem muito raros. Com a evolução lantânio (La), neodímio (Nd), samário (Sm) e gadolínio (Gd). tecnológica, ficou mais viável a exploração de terras-raras. Mesmo assim, o fato de ocorrerem em concentrações muito pequenas, bastante misturados a outras substâncias, torna difícil o processo de separação. O que associa esses elementos à economia contemporânea? É que eles estão presentes em muitos produtos eletrônicos de última geração ligados ao nosso cotidiano, como telefones celulares, painéis solares, smartphones, tablets, lasers, superímãs, telas de tevês, entre outros. Leia o trecho a seguir, de uma reportagem sobre terras-raras em Minas Gerais.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/PEGGY GREB

Química e Economia – Terras-raras: importância na economia atual

Terras-raras fazem Araxá ser cobiçada pelas mineradoras Com menos de 100 mil habitantes, cidade atrai as gigantes do setor com produto essencial à informática. [...]

CASTILHO, Araripe. Folha de S.Paulo, 19 ago. 2012. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/fsp/ mercado/61566-terras-raras-fazem-araxa-ser-cobicadapelas-mineradoras.shtml>. Acesso em: 10 fev. 2016.

108

PULSAR IMAGENS/THOMAZ VITA NETO

O município de Araxá (MG) [...] virou o queridinho de gigantes do setor de mineração do Brasil, [...] que começaram a ver possibilidades de novos lucros na cidade. O motivo vem da China, que concentra 97% da produção de terras-raras do mundo e, em 2010, passou a restringir suas vendas. Terras-raras são elementos químicos essenciais na fabricação de eletrônicos de alta tecnologia, como tablets, smartphones e telas de LCD. [...] Jazida de terras-raras em Tapira, cidade da região de Araxá (MG). Foto de 2014.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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50° O RR

Equador

0°

MA PI

RN PE

ALLMAPS/ARQUIVO DA EDITORA

Localização das reservas brasileiras de terras-raras

OCEANO ATLÂNTICO

BA MT DF

OCEANO PACÍFICO

MG ES

MS SP

Trópico de Capricórnio

PR SC

DIVULGAÇÃO PNLD

Limite internacional Limite estadual

510

1 020 km

Fonte: Reservas brasileiras e posição na Tabela Periódica. In: FRANÇA, Martha San Juan. Terras que valem ouro. Revista Unesp Ciência, abr. 2012. Disponível em: <http://www.unesp.br/aci_ses/revista_unespciencia/acervo/29/terrarara>. Acesso em: 10 fev. 2016.

Não escreva neste livro.

1. Por que a denominação terras-raras não é uma “boa escolha” para esse grupo de 17 metais de transição? 2. A seu ver, quais são as razões do interesse mundial nas descobertas de reservas de terras-raras no Brasil? 3. O Brasil tem descoberto reservas exploráveis de terras-raras, embora seja a China o país que detém a maior riqueza desses recursos. Além da China, outro país que possui reservas importantes, descobertas há relativamente pouco tempo, é o Afeganistão. Em grupos, façam uma pesquisa, em sites confiáveis da internet e em revistas científicas. Considerem os seguintes pontos: • Por que se diz que esses minerais são estratégicos? Qual o significado dessa expressão? • Considere o Brasil, a China e o Afeganistão. Quais são as principais questões envolvidas na exploração, importação e exportação desses minérios? Pondere sobre os aspectos que envolvem a história recente desses países, a existência ou não de conflitos internos e de estabilidade política, os interesses econômicos diversos dos países envolvidos, a existência ou não de quadros profissionais tecnicamente preparados para viabilizar a exploração e a comercialização dos recursos naturais, entre outras que possa julgar relevantes. 4. A exploração da jazida que aparece na foto da página ao lado mostra alguns danos que a mineração pode causar ao ambiente. Pesquise, em livros e sites, os impactos ambientais e sociais relacionados à exploração de minérios.

FRANÇA, Martha San Juan. Terras que valem ouro. Revista Unespciência, abr. 2012. Disponível em: <http:// www.unesp.br/aci_ses/ revista_unespciencia/ acervo/29/terrarara>. Acesso em: 21 dez. 2015. SIMPSON, Sarah. As riquezas enterradas do Afeganistão. Scientific American Brasil. Ano 10, n. 114, nov. 2011. SIMÕES, Janaína. Brasil tem uma das maiores reservas de terras-raras do planeta. Inovação Tecnológica, 24 maio 2011. Disponível em: <http://www. inovacaotecnologica. com.br/noticias/ noticia.php?artigo= reservas-terras-rarasbrasil#.VjyPM9KrTIU>. Acesso em: 21 dez. 2015.

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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07/05/16 19:40

Conceito de propriedade periódica

DIVULGAÇÃO PNLD

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Na classificação ou Tabela Periódica, os grupos reúnem elementos com semelhanças no comportamento químico. Quanto às propriedades físicas, há uma tendência a que variem de forma gradativa. Vamos ver duas propriedades dos elementos químicos que são periódicas: o raio atômico e a energia de ionização. Observe o quadro a seguir. Nele estão representados, em escala, os raios atômicos dos elementos de alguns grupos da tabela. Nos grupos (verticais), o valor do raio atômico aumenta de cima para baixo e, nos períodos (horizontais), grosso modo, ele diminui da esquerda para a direita. Variação nos raios atômicos, em picômetros, dos elementos representativos 1

(37)

(31)

(152)

(112)

(82)

(77)

(70)

(73)

(72)

(71)

Aℓ

Cℓ

(186)

(160)

(143)

(118)

(110)

(103)

(100)

(98)

(227)

(197)

(135)

(122)

(120)

(119)

(114)

(112)

(248)

(215)

(167)

(140)

(142)

(133)

(131)

Tℓ

(265)

(222)

(170)

(146)

(150)

(168)

(140)

(141)

Cores fantasia, sem escala (a representação é apenas um modelo e as partículas representadas não podem ser observadas diretamente nem com instrumentos). Picômetro é uma unidade de medida de comprimento que equivale a 10-12 m.

Fonte: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & chemical reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College, 1996. p. 377.

Como é calculado o raio atômico?

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Quando se pensa no raio de um átomo, pode-se imaginar que essa medida corresponda à distância entre seu núcleo, diminuto em relação ao átomo como um todo, e o elétron mais externo. Na verdade, isso é impossível. O que os estudiosos da estrutura da matéria conseguem determinar, então? A distância entre dois núcleos vizinhos. Desse modo, o conceito de raio atômico está relacionado com o nível de interação entre átomos de uma substância simples. Há casos r r em que as eletrosferas se interpenetram, devido a fortes interações entre os átomos (como a interação do hidrogênio com o cloro, por exemplo). Nesses casos, o raio se refere a determinada ligação química. Se considerarmos uma molécula composta de dois átomos idênticos, o Cores fantasia, sem escala. raio atômico (r) será igual à metade do valor da distância entre os núcleos.

110

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

5/2/16 17:01

Atividades 1. Com base nos valores de raio atômico indicados no quadro da página anterior e na Tabela Periódica da página 106, faça um gráfico de raio atômico em função do número atômico para os elementos com Z de 1 a 20. Utilize papel quadriculado ou um computador. a) O que você nota sobre a forma do gráfico? b) A que grupo pertencem os elementos de maior raio atômico? E os de menor raio atômico? 2. Considere a informação: chamamos de energia de ionização (Ei) a energia necessária para retirar o elétron mais externo do átomo de um elemento no estado gasoso. A unidade de medida utilizada na energia de ionização é o elétron-volt, cujo símbolo é representado por eV.

DIVULGAÇÃO PNLD

Energia de ionização em função do número atômico Z

Ei (eV)

13,6

24,6

5,4

9,3

8,3

11,3

14,5

13,6

7,4

21,6

Ei (eV)

5,1

7,6

6,0

8,1

10,5

10,4

13,0

15,8

4,3

6,1

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 10-203. Nota: Os valores foram arredondados para facilitar a elaboração do gráfico.

a) Construa um gráfico de primeira energia de ionização em função do número atômico, com base nos valores fornecidos. Utilize papel quadriculado ou um computador. b) O que você nota sobre a forma do gráfico? c) A que grupo pertencem os elementos de maior energia de ionização? E os de menor energia de ionização?

Observação: Os valores que aparecem no quadro usado na questão 2 referem-se apenas à primeira energia de ionização, isto é, à energia necessária para retirar um único elétron por átomo. Trata-se do elétron que é mais facilmente removido do átomo.

Primeira energia de ionização (kJ mol–1)

Você teve a oportunidade de analisar exemplos e de construir gráficos que relacionam uma propriedade periódica com o número atômico. O que é um fenômeno periódico? Reflita sobre a frequência com que se repetem certos fatos: a data de seu aniversário, as esPrimeira energia de ionização em função do número atômico tações do ano, o dia e a noite, o pingar de uma torneira, a publicação de uma revista ou de um pontos máximos gases nobres (18) 2 500 He jornal. São episódios que se repetem com certa Ne pontos mínimos alcalinos (1) 2 000 regularidade, isto é, são periódicos. Ar Apesar de as propriedades periódicas dos eleKr 1 500 Xe mentos não variarem de modo perfeito ao longo H Rn 000 1 da Tabela Periódica, com base nessas variações é possível fazer previsões sobre o comportamento 500 Li Na químico e os valores aproximados de algumas Rb Cs K 0 propriedades físicas dos elementos, de acordo 10 20 30 40 50 60 70 80 90 com a posição que ocupam na tabela. Número atômico (Z) Compare o gráfico que você construiu com Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 336. o que está ao lado: Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

3. Você analisou duas propriedades periódicas – raio atômico e energia de ionização. Procure explicar, com suas palavras, o que é uma propriedade periódica.

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DIVULGAÇÃO PNLD

Quando um átomo se transforma em íon, seu raio é alterado. Assim, o cátion Ca 21 é menor que o átomo neutro Ca. Por quê? Observe ao lado. Analisando as configurações eletrônicas do átoCa: 2 — 8 — 8 — 2 Ca21: 2 — 8 — 8 20 20 mo e do íon de cálcio, nota-se que o Ca21 tem uma camada eletrônica 22 e2 a menos que o Ca. Por isso, genericamente podemos dizer que um cátion é sempre menor que o átomo correspondente. E no caso de ânions? Com o aumento do número de elétrons na última camada, ocorre uma repulsão maior entre eles, o que resulta Cℓ: 2 — 8 — 7 Cℓ2: 2 — 8 — 8 17 17 em um raio maior. Por isso, um ânion é maior do que o átomo corres11 e2 pondente (veja ao lado a representação do átomo e do íon de cloro). Espécies químicas de elementos distintos que possuem o mesmo número de elétrons (isoeletrônicas) têm raios diferentes porque a força de atração que o núcleo de um átomo – de carga positiva − exerce sobre cada elétron é tanto maior quanto maior for a carga nuclear. Ou seja, quanto mais Ilustrações produzidas este conteúdo. Cores prótons houver no núcleo de um átomo, mais seus elétrons se aproximam dele, fazendo para fantasia, sem escala. com que o raio da espécie se torne menor. Observe as espécies representadas abaixo.

Número de p1

Número de e2

Aℓ 31

Mg 21

Na1

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ ARQUIVO DA EDITORA

Comparando raios de átomos aos de íons

Repare que as espécies representadas acima são isoeletrônicas. Elas têm, portanto, a mesma configuração eletrônica: 2 — 8 (10 elétrons); entretanto, têm tamanhos diferentes devido à maior atração pelo núcleo. Quanto maior a carga nuclear, maior a atração dos elétrons pelo núcleo, o que resulta em um raio menor. Não escreva neste livro.

Atividades Para fazer estas atividades, consulte a Tabela Periódica da página 106. 1. Para responder às questões dos itens a e b, considere o seguinte: O potássio (K) é um elemento que exerce importante papel em nosso organismo, regulando, por exemplo, os batimentos cardíacos. a) Qual é o número de prótons e de elétrons de um átomo de K? b) Em nosso organismo, o potássio se encontra na forma de íons potássio de carga 11. Qual é o número de prótons e de elétrons do K1? 2. O argônio (Ar) é um gás que, por não ser reativo, é usado quando se necessita de uma atmosfera que elimine o risco de incêndios. É o caso de seu

112

emprego em soldagens de metais a altas temperaturas quando há risco de explosão. Qual é o número de prótons e de elétrons do Ar? 3. O cloro (Cℓ) é um elemento que está presente em fluidos de nosso organismo na forma de íons cloreto (Cℓ2), atuando, por exemplo, na transmissão de impulsos nervosos. Qual é o número de prótons e de elétrons do Cℓ2? 4. Considere as espécies K e K1. Qual tem maior raio? Por quê? 5. Considere as espécies K1, Ar e Cℓ2. Qual tem maior raio? Por quê? 6. “Espécies isoeletrônicas têm mesmo raio.” Você concorda com a afirmação? Por quê?

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Dois grandes grupos: metais e não metais De acordo com um conjunto de propriedades (condutibilidade elétrica, condutibilidade térmica, por exemplo), os elementos podem ser classificados em metais e não metais. Observe a posição desses grupos na Tabela Periódica: 1

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Posição de metais e não metais na Tabela Periódica 18

B 3

Si Ge

NÃO METAIS As Sb

METAIS

DIVULGAÇÃO PNLD

Os elementos simbolizados por B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po eram, até pouco tempo, chamados de semimetais. Oficialmente, hoje, B, Si, As e Te são considerados não metais, e Ge, Sb e Po, metais.

Metais O enorme uso que as substâncias metálicas têm em nosso cotidiano é explicado por algumas propriedades que as caracterizam: ▸▸ são boas condutoras de eletricidade; por isso são empregadas em fios elétricos – geralmente de cobre − cobertos de plásticos, que são maus condutores elétricos (isolantes elétricos); ▸▸ apresentam brilho e cor; têm brilho típico e cor cinzenta (exceção feita ao cobre e ao ouro); ▸▸ são boas condutoras de calor; por esse motivo, são empregadas em panelas, assadeiras, ferros elétricos e outros aparelhos (por isso, seguramos uma panela quente ou um ferro elétrico pelo cabo, feito de material mau condutor de calor − classificado como isolante térmico); ▸▸ apresentam baixa energia de ionização; graças a essa propriedade, metais perdem elétrons com relativa facilidade, transformando-se em cátions (isso explica a presença de íons metálicos em muitos compostos, como será possível constatar ao longo do estudo de Química). Observe, agora, os valores de temperaturas de fusão e de ebulição de alguns metais: Temperaturas de fusão e ebulição de alguns metais a 1 atm Metal Fórmula da substância simples Temperatura de fusão (°C) Temperatura de ebulição (°C)

lítio

rubídio

césio

ouro

magnésio

mercúrio

tungstênio

180,5

39,3

28,5

1 064,2

650,0

238,8

3 422,0

1 342,0

688,0

671,0

2 856,0

1 090,0

356,6

5 555,0

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-57, 4-65, 4-71, 4-73, 4-75, 4-85, 4-96.

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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MATRIZ NOVA

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Com base na tabela da página anterior, procure refletir sobre o estado físico desses metais a 25 °C. Quais são sólidos? Quais são líquidos? Você conhece metais que, nas condições ambientes, estejam no estado gasoso? Alguns metais têm temperatura de fusão próxima da temperatura ambiente padronizada (25 °C); no que isso influi? Você deve ter concluído que, a 25 °C e 1 atm (nível do mar), os metais na forma de substâncias simples são sólidos, com exceção do mercúrio, que é líquido. A maioria das substâncias metálicas tem temperatura de fusão elevada. Entretanto, analisando os dados da tabela anterior, é possível notar que há metais com temperaturas de fusão relativamente mais baixas, como o rubídio (39,3 °C), o césio (28,5 °C) e o mercúrio (238,8 °C).

Ligação metálica

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Como se explica a alta condutividade elétrica dos metais? Um material é bom condutor de eletricidade quando possui cargas elétricas móveis, isto é, cargas que podem se movimentar nesse material. Uma das propriedades dos metais é o baixo número de elétrons nos níveis energéticos mais externos e os valores relativamente baixos das energias de ionização envolvidas na retirada dos elétrons mais afastados do núcleo. Tendo em vista a baixa atração do núcleo pelos elétrons mais externos, o modelo usado para explicar as propriedades dos metais supõe que esses elétrons possam se mover com liberdade entre os vários cátions metálicos. Lembre-se de que esses cátions nada mais são do que os núcleos dos átomos, de carga positiva, mais os elétrons que não fazem parte dessa nuvem de elétrons móveis; portanto, íons cujo saldo de carga é positivo. Esses cátions, geometricamente dispostos, ficam, portanto, imersos em uma “nuvem” ou “mar” de elétrons fracamente atraídos pelos seus núcleos. Esses elétrons móveis que constituem o chamado gás eletrônico funcionam como uma verdadeira cola que une os cátions e explicam a alta condutividade elétrica e térmica dos metais. O termo gás provém da analogia entre as partículas móveis de um gás e os elétrons livres do metal. Na forma de substância simples, um metal consiste em um agregado organizado com número (n) muito grande de átomos. Por isso, poderíamos representá-los por Fen, Aun, etc., indicando que o número de átomos necessários para formar uma unidade básica da substância simples é variável. No entanto, por simplificação, representa-se um metal apenas por seu símbolo. A geometria determinada pelos cátions que formam o retículo cristalino – a menor unidade que se repete na estrutura e que mantém as características da organização dos átomos no sólido cristalino – varia de acordo com o metal.

Observação: O modelo do gás eletrônico não é capaz de explicar certas propriedades dos metais. Por isso, foram elaborados modelos mais complexos, que fogem aos objetivos deste curso.

Modelo representativo do cristal de ferro Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Na ampliação (representada à esquerda), podemos ver um esquema do retículo cristalino (representado à direita), unidade que se repete na estrutura do cristal. 114

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

5/2/16 17:01

Não metais Os elementos não metálicos, na forma de substâncias simples, em geral são maus condutores de calor e de eletricidade, não têm brilho e podem apresentar coloração variável. Assim, à temperatura ambiente e pressão de 1 atm, o enxofre é um sólido amarelo, o cloro, um gás amarelo-esverdeado e o bromo, um líquido avermelhado. Observe na tabela abaixo os valores de temperaturas de fusão e de ebulição de algumas substâncias simples não metálicas. Temperaturas de fusão e ebulição a 1 atm de algumas substâncias simples não metálicas Não metal

flúor

cloro

bromo

iodo

oxigênio

enxofre

nitrogênio

Fórmula da substância simples

Cℓ 2

Br2

Temperatura de fusão (°C)

2219,7

2101,5

27,2

113,7

2218,8

115,2

2210,0

Temperatura de ebulição (°C)

2188,1

234,0

58,8

184,4

2182,9

444,6

2195,8

(rômbico)

Nota: O enxofre possui duas formas alotrópicas. A 95,3 °C, a forma rômbica (mais estável) se transforma na forma monoclínica, que se funde a 115,2 °C. Estados físicos das substâncias simples constituídas pelos elementos (a 25 °C, 1 atm) 1

18 8A

1A 1

Grupo Família

P e r í o d o

2A 3

2 11

Li Na

5 55

6 87

K Rb Cs Fr

número atômico

Símbolo

sólido

gasoso

líquido

artificial

Ca Sr

4B 22

Ti Zr

57-71

89-103

104

Ba La-Lu Ra Ac-Lr

Hf Rf

5B 23

V Nb Ta

105

6B 24

106

7B 25

Tc Re

8B 26

Fe Ru Os

8B 27

Co Rh Ir

Ag Au

Aℓ

Cℓ

Ne Ar

Zn Cd

Ga In Tℓ

Ge Sn Pb

As Sb Bi

Se Te

Br l At

Kr Xe Rn

107

108

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Considerando uma temperatura de 25 °C e 1 atm, ao analisar os dados da tabela, você pode concluir que o bromo é líquido; várias outras substâncias, como cloro, flúor, oxigênio e nitrogênio, são gasosas e outras, como iodo e enxofre, são sólidas.

Uut

Fℓ

Uup

Uus

Uuo

Série dos lantanídeos 57

Série dos actinídeos 89

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Fonte: DAYAH, Michael. Dynamic Periodic Table, 2013. Disponível em: <http://www.ptable.com>. Acesso em: 10 fev. 2016.

Observação: As propriedades atribuídas aos elementos são, em geral, propriedades das substâncias simples que eles formam. Assim, ao dizermos que o iodo é sólido, ou que tem temperatura de fusão 114 °C, ou ainda que é mau condutor de eletricidade, estamos nos referindo à substância simples iodo, representada por I2 e formada por 2 átomos de iodo ligados entre si. Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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Atividades Para resolver os exercícios de 1 a 5, consulte a Tabela Periódica da página 106 e considere os elementos sódio, magnésio, carbono, hélio, fósforo, flúor e rubídio.

Não escreva neste livro.

1. A que grupo e período pertence cada um deles? 2. Qual deve ter o maior raio atômico? 3. Quais são os gasosos a 25 °C, ao nível do mar? E quais são os sólidos nessas condições? 4. Quais são metais? 5. Pelo posicionamento na Tabela Periódica, você estima que o fósforo sólido seja um bom condutor de eletricidade? Por quê? 6. Qual é a cor de um objeto feito de cobre? Uma substância composta que contém íons de cobre deve ter necessariamente a mesma cor? 7. Leia o texto a seguir e responda ao que se pede.

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O chumbo e a saúde humana As propriedades tóxicas do chumbo e de seus compostos, apesar de conhecidas há muito tempo, continuam causando problemas para a saúde das pessoas e danos ao meio ambiente. Hoje não são mais utilizados encanamentos de chumbo e taças ou garrafas de bebidas fabricadas com este metal, como foi na Roma antiga. Tampouco são usadas tintas à base de óxido de chumbo, PbO, que podem intoxicar as pessoas e os animais. A diminuição do uso de gasolina contendo chumbo, implementada há mais de duas décadas, reduziu significativamente a concentração desse metal no meio ambiente. Particularmente no Brasil, o chumbo adicionado à gasolina como agente antidetonante foi totalmente substituído pelo etanol, que também atua como antidetonante, impedindo ou retardando a detonação nos motores à explosão. Apesar de todos os cuidados, ainda são observados casos de intoxicações agudas e crônicas por chumbo, cada vez mais difíceis de serem diagnosticadas. No Brasil, este tipo de intoxicação não tem uma classificação adequada quanto à sua ocorrência, principalmente pela falta de um número maior de registros estatísticos sobre o assunto. [...] Atualmente, o chumbo ainda é um poluente presente nas nuvens de poeira que se formam nas demolições de prédios e residências pintados há muitos anos. As paredes de casas antigas contêm elevada quantidade de chumbo, uma vez que um dos pigmentos utilizados nas tintas era o óxido de chumbo, PbO. Quando as casas antigas são demolidas, este óxido de chumbo pode ser inalado pelos trabalhadores em elevada quantidade, causando distúrbios respiratórios. A exposição prolongada pode acarretar problemas mais sérios aos trabalhadores, com destaque àqueles de origem neurológica. [...] [...] Além do chumbo, outros metais pesados como o mercúrio e o cádmio são altamente nocivos ao organismo humano. [...] MASSABNI, Antonio Carlos; CORBI, Pedro Paulo; CAVICCHIOLI, Maurício. Agentes para desintoxicação. Química viva (CRQ-IV), mar. 2011. Disponível em: <http://www.crq4.org.br/o_chumbo_e_a_saude_humana_ agentes_para_desintoxica>. Acesso em: 17 jan. 2016.

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a) De acordo com o texto, quais eram as principais fontes de exposição de chumbo no passado? E as atuais? b) O texto menciona, além do chumbo, outros elementos prejudiciais à saúde humana. Indique quais são e em qual período da Tabela Periódica eles se encontram.

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DOTTA2/ACERVO DO FOTÓGRAFO

8. Em um jogo adaptado de batalha-naval utilizando a Tabela Periódica como tabuleiro, os alunos tentavam descobrir em que posição se encontravam os objetos de seu colega que foram dispostos na Tabela Periódica, como pode ser observado na fotografia abaixo. Para isso, cada aluno informava uma coordenada, por exemplo, G1 P1 – onde G1 indica o grupo 1 e P1, o 1o período da Tabela Periódica. Caso o aluno acertasse a posição do objeto, poderia informar novas coordenadas até acertar completamente a posição de todos os objetos.

Adaptação do jogo batalha-naval utilizando a Tabela Periódica.

Consulte a Tabela Periódica da página 106 para responder aos itens abaixo e considere que os objetos não poderiam ocupar a região correspondente aos metais de transição interna – séries dos lantanídeos e dos actinídeos. a) Um dos alunos acertou a posição do objeto de seu colega com as coordenadas: G13 P3 e G13 P4. Quantos elementos foram indicados pelo aluno? Quais foram? b) Se um dos alunos tivesse colocado um objeto nos espaços correspondentes aos elementos molibdênio, tecnécio e rutênio, quais coordenadas teriam de ser ditas para descobrir a localização desse objeto? c) O professor colocou na Tabela Periódica um objeto que ocupava um quadrado e deu as seguintes dicas para que os alunos descobrissem: • é um elemento representativo; • a última camada eletrônica do elemento apresenta 6 elétrons; • o elemento apresenta elétrons nas camadas eletrônicas K, L, M e N. De acordo com essas informações, em que parte da Tabela Periódica se localizava o objeto colocado pelo professor?

Capítulo 5 Classificação periódica dos elementos químicos

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Ligações químicas: uma primeira abordagem

LATINSTOCK/CORBIS/WOLFGANG KAEHLER

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capítulo

Mina de cloreto de sódio do século XIII transformada em atração turística na Polônia. Foto de 2008.

Para situá-lo

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Em capítulos anteriores, você teve oportunidade de estudar teorias e modelos elaborados por estudiosos da ciência. Foi convidado a conhecer mais sobre a linguagem e os símbolos utilizados em Química, bem como os constituintes das substâncias. Observe a imagem a seguir:

1 Cores fantasia, sem escala.

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Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • ligações iônicas e covalentes; • eletronegatividade e polaridade das ligações; • fórmulas estruturais e de Lewis; • propriedades de substâncias iônicas e covalentes.

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©SHUTTERSTOCK/ROBERT KYLLO

A representação que você viu na página ao lado é um dos recursos de linguagem utilizados em Química. Você sabe o que ela significa? Outra forma de representação são as fórmulas, símbolos utilizados para representar as substâncias. Você já teve contato com algumas dessas fórmulas, como a da água, que é bastante conhecida, e a do cloreto de sódio, NaCℓ. As fórmulas estão associadas às unidades representativas de uma substância, constituída de aglomerados de partículas (átomos ou íons) ligadas. No caso da água, as unidades que a constituem, as moléculas, são formadas por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, o que está explicitado em sua fórmula molecular, H2O. Nas condições em que se encontram, esses aglomerados existem naturalmente, o que nos permite deduzir que, quando os átomos dos elementos constituintes estão ligados, devem apresentar maior estabilidade do que se estivessem isolados. Uma molécula H2O, por exemplo, deve ser mais estável do que seus constituintes, ou seja, os átomos de hidrogênio e oxigênio isolados. Assim como se associa à água a fórmula H2O, o cloreto de sódio é representado por NaCℓ. Já para representar o gás hélio, utilizado para encher balões de festa, é utilizado apenas seu símbolo, He. Qual a razão dessa diferença?

Balão preenchido com o gás hélio. Esse gás é representado apenas por seu símbolo, assim como os demais gases formados pelos elementos do grupo 18 da Tabela Periódica.

Neste capítulo, vamos estudar algumas explicações sobre como os átomos se unem para formar substâncias. Vamos analisar também as fórmulas e os modelos associados a essas explicações, relacionando-os às propriedades dos diferentes tipos de substâncias. Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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Até a década de 1960, os cientistas não conheciam nenhum composto formado por gases nobres. Por isso, esses elementos eram chamados de inertes, isto é, não se ligavam quimicamente a outros átomos. Na natureza, os gases nobres são encontrados como átomos isolados. Se era verdade que os átomos desses elementos não se ligavam quimicamente, nem mesmo a átomos de elementos muito reativos, podia-se concluir que tinham grande estabilidade. Foi por essa razão que as primeiras teorias relevantes que buscavam explicar as ligações químicas tomaram como referência os gases nobres. É importante destacar que essas teorias, embora muito úteis até os dias de hoje, não explicam todas as possibilidades de ligação entre os átomos dos vários elementos. Duas dessas teorias, que veremos mais adiante, foram levadas a público, em 1916, de forma independente: uma era a do cientista alemão Walther Kossel (1888-1956), que tratava da ligação iônica, e a outra, a do estadunidense Gilbert Newton Lewis (1875-1946), cujo enfoque era a ligação covalente, complementada em 1919 por Irving Langmuir (1881-1957). É importante lembrar que, nessa época, havia apenas três anos que Bohr propusera a explicação sobre a estrutura atômica, usada como base dessas teorias. Como você já viu, os gases nobres têm 8 elétrons no último nível de energia, chamado de camada de valência, exceção feita ao hélio, que tem apenas uma camada com 2 elétrons. Concluiu-se que essa configuração eletrônica conferia estabilidade ao átomo ou ao íon formado a partir dele. Foi com base nesse raciocínio que se elaborou a teoria eletrônica das ligações ou teoria do octeto, ou seja, a tendência de os elementos representativos apresentarem a última camada Gilbert Newton Lewis, físico-químico estadunidense, propôs em 1916 completa quando formam substâncias. um modelo para explicar as ligações químicas. Foto de 1937.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY

Os gases nobres e a teoria eletrônica das ligações

Ligação iônica Ligação iônica é um tipo de ligação química que se dá por meio da atração entre íons de cargas opostas. Os íons se formam graças à transferência de elétrons de um átomo para outro. Em geral, há um átomo que tende a ceder elétrons (metal), constituindo o cátion, e outro que tende a recebê-los (não metal) e que participa do ânion. Para que você entenda o que é uma ligação iônica, vamos ver como ela acontece no caso do cloreto de sódio (NaCℓ) e do cloreto de magnésio (MgCℓ 2).

Cloreto de sódio Você viu no capítulo anterior que os metais conduzem corrente elétrica em razão da mobilidade de seus elétrons. Para que haja corrente elétrica, é necessário que partículas com carga elétrica estejam presentes e que possuam mobilidade. O cloreto de sódio no estado líquido é bom condutor elétrico por causa da mobilidade de seus íons. No estado sólido, porém, o cloreto de sódio é mau condutor de eletricidade porque os íons não estão livres para se movimentar. 120

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O modelo proposto por Kossel para explicar a ligação iônica no cloreto de sódio é coerente com a condutibilidade elétrica dessa substância no estado líquido. Veja por quê. Sejam as configurações eletrônicas: ▸ Na: 2 2 8 2 1 11 ▸ Cℓ: 2 2 8 2 7 17 Para que o sódio (Na) atinja a configuração eletrônica de um gás nobre, ou seja, tenha 8 elétrons na última camada, é necessário que perca seu último elétron; com isso, sua configuração fica idêntica à do neônio (10Ne), o gás nobre mais próximo dele na Tabela Periódica. Para que o mesmo aconteça com o cloro (Cℓ), é preciso que ele aumente em um seu número de elétrons, isto é, que ganhe um elétron e fique com a configuração do argônio (18Ar). Quando isso acontece, formam-se íons, pois o número de elétrons desses elementos fica diferente do número de prótons. Observe: Na (átomo)

Cℓ (átomo)

11 p1

17 p1

11 e2

10 e2

17 e2

18 e2

np1 5 ne2

np1 . ne2

np1 5 ne2

np1 , ne2

11 p1

2 1 e2

1 1 e2

17 p1

Na ligação iônica, temos sempre uma transferência de elétrons. Vamos representar o exemplo da formação de NaCℓ de outro modo:

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Cℓ2 (ânion)

Na1 (cátion)

Na 11 elétrons 2–8–1

Na1 10 elétrons 2–8

Cℓ 17 elétrons 2–8–7

Cℓ2 18 elétrons 2–8–8

Representação da transferência de elétrons entre os átomos de Na e Cℓ, formando íons de cargas opostas, Na1 e Cℓ2. Lembre-se de que, na natureza, não são encontrados átomos de sódio ou de cloro isolados.

Podemos indicar o processo que origina a ligação iônica usando a notação de Lewis. De acordo com ela, representamos os elétrons do nível mais externo, chamado de camada de valência, de um átomo por pontos:

Na 1 Cℓ

1 Cℓ

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para o cloreto de sódio.

O cloreto de sódio pode também ser representado por sua fórmula iônica: Na1Cℓ2. Após a ligação, continuamos tendo os mesmos elementos químicos e, portanto, os mesmos símbolos, já que não houve alteração dos núcleos atômicos. Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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Cores fantasia, sem escala. EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Como os íons Na1 e Cℓ2 têm cargas de sinais opostos, eles se atraem; e, como a quantidade de carga é a mesma, eles formam um retículo cristalino na proporção 1 : 1. Tal retículo caracteriza-se pela distribuição geométrica dos íons no espaço. Observe a ilustração ao lado: Dois modelos do retículo cristalino do NaCℓ. À esquerda, os íons foram representados mais afastados apenas para facilitar a visualização da estrutura cúbica, o que é menos evidente na representação à direita, na qual os núcleos estão mais próximos. Observe que os íons Na1 são menores que os íons Cℓ2. O raio iônico do Na1 é menor que o do Cℓ2, o que explica essa diferença.

Cℓ2

Na1

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A ligação iônica origina um retículo cristalino iônico graças à interação entre os inúmeros íons que o constituem. A maioria dos compostos constituídos por íons encontra-se no estado sólido nas condições ambientes (25 °C, 1 atm). Já dissemos que os átomos se ligam de modo que o conjunto formado tenha maior estabilidade do que o conjunto dos átomos isolados. Estudos posteriores permitem que essa ideia de maior estabilidade seja traduzida em termos de menor energia potencial, isto é, EAB , EA 1 EB, onde: ▸ E representa a energia potencial; ▸ A e B representam átomos antes da ligação; ▸ AB representa o composto resultante da ligação. Considere a analogia: um corpo que é largado a certa Forma cúbica do cristal de cloreto de sódio, NaCℓ, altura (onde tem certa energia potencial) cai até o solo, por visível a olho nu. Observe que ela é semelhante à forma do retículo cristalino, que não é visível nem com exemplo, ficando em uma situação mais estável. Desse instrumentos ópticos sofisticados. modo, sua energia potencial passa a ser menor que antes. No exemplo usado, a energia potencial em jogo é mecânica, enquanto a envolvida no caso das ligações químicas é de natureza elétrica. No capítulo anterior, vimos que a retirada de elétron de um átomo no estado gasoso corresponde a um consumo de energia, chamada de energia de ionização. Isso nos leva à questão: considerada a ligação presente no NaCℓ, de que forma um átomo como o de sódio ficaria mais estável perdendo um elétron se, para isso, se deve fornecer energia? Na verdade, há vários processos em jogo: a energia de ionização para formar o cátion, a energia envolvida na chegada do elétron ao átomo de cloro e a resultante das interações elétricas entre os íons Na1 e Cℓ 2, que originam o sólido cloreto de sódio. Esta última contribui para a união entre os íons, originando o conjunto que é representado por NaCℓ.

©SHUTTERSTOCK/RUNI

Fonte: CHANG, R. Chemistry. 5th ed. Highstown: McGraw-Hill, 1994. p. 55.

Não escreva neste livro.

Atividade O fluoreto de cálcio é encontrado na natureza no minério chamado de fluorita. Trata-se do principal recurso usado para a obtenção do gás flúor. Levando em conta que o fluoreto de cálcio é um composto iônico, formado por 20Ca e F, responda: 9 a) Qual é a carga do cátion no fluoreto de cálcio?

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b) E a carga do ânion? c) Para que o conjunto que se forma seja eletricamente neutro, qual deve ser a proporção do número de cátions para o de ânions? d) Faça uma representação da ligação usando a fórmula de Lewis. Não se esqueça de indicar as cargas.

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Cloreto de magnésio O cloreto de magnésio (MgCℓ 2) é uma substância usada para diversos fins. Pode ser encontrado em suplementos alimentares, pois é fonte de magnésio para o organismo pela facilidade de liberar íons Mg21. Também é usado como coagulante, por exemplo, na preparação de tofu a partir do leite de soja. Como se dá a ligação química entre 12Mg e 17Cℓ? Veja: ▸ Mg: 2 2 8 2 2 grupo 2 precisa perder 2 e2 para completar o octeto, ou seja, 12 ter oito elétrons na última camada. ▸ Cℓ: 2 2 8 2 7 grupo 7 precisa receber 1 e2 para completar o octeto. 17 São necessários 2 átomos de Cℓ para 1 de Mg. De acordo com a representação de Lewis, temos:

Mg 1

Cℓ

Cℓ – –

Cℓ

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para o cloreto de magnésio.

Esquema simplificado da transferência de elétrons na ligação entre Mg e Cℓ

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Mg Antes da ligação

Depois da ligação

12 p

Cℓ 17 p

12 e2

17 e2

12 p1 22 e2

17 p1 11 e2

10 e2

18 e2

A fórmula do cloreto de magnésio é MgCℓ 2. Essa fórmula indica a proporção de 1 átomo de Mg para 2 de Cℓ. Ou melhor: essa proporção é de 1 cátion de carga 12, Mg21, para 2 ânions de carga 21, Cℓ2. Assim, cada conjunto de 3 íons terá carga total zero.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Tanto o ferro sólido como o cloreto de sódio (sal de cozinha) fundido conduzem corrente elétrica. O que há no ferro e no sal fundido que possa explicar tal comportamento? 2. Utilizando a notação de Lewis, represente a transferência de elétrons que dá origem aos compostos abaixo mencionados: a) Cloreto de potássio, formado por 19K e 17Cℓ. Trata-se de um composto usado tanto na preparação de fertilizantes para a agricultura como no sal diet, usado na dieta de pessoas hipertensas. b) Óxido de cálcio, composto formado por 20Ca e O, substância usada na construção civil, no 8 preparo da argamassa. c) Hidreto de lítio, formado por 3Li e 1H, uma subs-

tância bastante usada como gerador de gás hidrogênio – por simples adição de água, esse sólido libera H2. 3. Quando o hidrogênio, H, recebe um elétron e se transforma em ânion, podemos dizer que esse elemento químico passa a ser hélio? Por quê? 4. Quantos prótons e quantos elétrons tem o íon de cálcio? (Veja no item b da questão 2.) 5. Por que o íon de oxigênio pode ser representado por O2−? 6. Dê a fórmula de Lewis dos compostos binários formados pelos elementos: a) 3Li e 8O

c) 13Aℓ e 8O

b) 13Aℓ e 9F

Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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7. Considere o trecho da letra da canção “Quanta”, de Gilberto Gil:

b) Eles são metais ou não metais? c) Eles tendem a formar cátions ou ânions? d) Qual é o valor da carga de cada um dos íons desses elementos?

Mel de urânio, sal de rádio Qualquer coisa quase ideal

e) Qual é a relação entre o valor da carga e a posição do elemento na classificação periódica?

GIL, Gilberto. Quanta. Intérprete: Gilberto Gil In: Gilberto Gil. Quanta. Warner Music, 1998.

Suponha que o sal mencionado na letra seja o brometo de rádio. Localize o rádio (Ra) e o bromo (Br) na classificação periódica e escreva a fórmula desse composto. Indique também a carga do cátion e do ânion. 8. O césio 137 é usado em radioterapia. Que número de massa ele tem quando está na forma de cátion? Justifique.

DIVULGAÇÃO PNLD

9. Copie a tabela abaixo em seu caderno, preenchendo-a com os números corretos. Z

n p1

ne 2

nn 0

Íon Cℓ2

/////////

Íon Ba21

/////////

10. Localize Mg, Aℓ, Ca, Li e K na classificação periódica. Em seguida, responda: a) Em que grupos eles se encontram?

11. Localize F, Cℓ, O, S na classificação periódica e responda: a) Em que grupos eles se encontram? b) Eles são metais ou não metais? c) Eles tendem a formar cátions ou ânions? d) Qual é o valor da carga de cada um dos íons? 12. Dê as fórmulas dos compostos binários dos pares de elementos abaixo. Indique, em cada caso, a carga dos íons formados. a) Ba e F b) Ca e Cℓ c) K e O d) Rb e H 13. Quantos cátions e ânions são necessários para formar um conjunto estável nos compostos da atividade anterior?

Algumas generalizações Íons dos metais É possível o átomo de um metal perder 1, 2 ou 3 elétrons para se transformar em íon de carga 11, 12 e 13, respectivamente. Cátions grupo 1 grupo 2

E (E: Li, Na, K, Rb, Cs)

A Z

E (E: Mg, Ca, Sr, Ba)

A Z

2 1 e2 22e

E11

A Z

E21

A Z

Íons dos não metais Átomos dos grupos 17 e 16 e alguns do grupo 15 tendem a receber 1, 2 ou 3 elétrons, adquirindo, respectivamente, cargas 21, 22 e 23. Ânions grupo 16 grupo 17

E (E: 0, S, Se, Te)

A Z

E (E: F, Cℓ, Br, l)

A Z

1 2 e2 11e

E22

A Z

E12

A Z

O H, que tem um elétron na primeira camada, pode estabilizar-se recebendo mais um, já que esse nível comporta apenas dois elétrons. 124

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Ligação covalente ou molecular Assim como Kossel explicou a ligação iônica a partir da teoria do octeto, Lewis fez o mesmo em relação à ligação covalente. Ligação covalente ou molecular é a que se dá por compartilhamento de par de elétrons; os elétrons da ligação passam a pertencer aos dois átomos ligados. Chamamos molécula ao conjunto formado pelos átomos unidos por ligações covalentes. Como se dá essa ligação? Veja os exemplos a seguir.

Cloro O gás cloro é uma substância simples formada pelo elemento cloro, do grupo 17: Elemento

Distribuição eletrônica

Cℓ

Para atingir o octeto

falta 1 elétron

Na ligação entre dois átomos de cloro, Cℓ, ambos precisam de um elétron para se estabilizar. Nesse caso, forma-se um par eletrônico para o qual cada um dos átomos de cloro fornece um elétron, que passa a ser compartilhado pelos dois átomos.

Cℓ

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para a molécula de cloro.

Esse tipo de ligação é chamada de covalente. Ela é formada pelo compartilhamento de par(es) de elétrons. Após a ligação, o par de elétrons (assinalado) passa a pertencer aos dois átomos que, então, passam a ter 8 elétrons cada um, no último nível. O conjunto formado constitui a molécula de cloro e é eletricamente neutro, isto é, não há predomínio de cargas positivas ou negativas. Como não houve transferência de elétrons, não há íon. Além da fórmula de Lewis, usamos a fórmula estrutural, em que cada par eletrônico comum é representado por um traço (—), e a fórmula molecular, na qual o símbolo é acompanhado do número de átomos que participa da molécula – no caso, 2; por isso, Cℓ 2.

Cℓ

Fórmula eletrônica ou de Lewis

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ALM

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Cℓ

O cloro é um gás esverdeado, que tem propriedades bactericidas. É utilizado em estações de tratamento de água e em piscinas; em indústrias, é usado para o branqueamento de celulose e a fabricação de PVC, entre outros fins.

Cℓ — Cℓ

Cℓ2

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

Metano O metano, principal componente do gás natural, é uma alternativa de combustível menos poluente que a gasolina ou o carvão; isso porque sua queima dificilmente dá origem a fuligem ou monóxido de carbono, gás bastante tóxico. Recentemente foram localizadas grandes reservas desse gás no Brasil. O metano é um gás produzido em pântanos, plantações de arroz e no sistema digestório de animais, especialmente dos ruminantes (gado, por exemplo). Entretanto, quando liberado na atmosfera, esse gás tem efeito mais intenso do que o do gás carbônico no agravamento do efeito estufa.

Gás natural: combustível fóssil geralmente presente em poços de petróleo e matéria-prima para o GNV (gás natural veicular).

Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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A substância metano é formada por átomos de dois elementos químicos: carbono e hidrogênio. Trata-se, portanto, de um composto binário. Elemento C

6 1

Distribuição eletrônica

Para atingir o octeto

faltam 4 elétrons falta 1 elétron

Cada ligação covalente representa mais um elétron para cada átomo que nela está envolvido. Desse modo, para cada átomo de carbono são necessários 4 átomos de hidrogênio. O conjunto formado é a molécula de metano, representada por CH4.

H | H—C—H | H

CH4

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

H H

H Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

Não escreva neste livro.

Atividades DIVULGAÇÃO PNLD

1. A água é uma substância líquida nas condições ambientes. Se seu comportamento é justificado por ligações covalentes, você considera que ela deve ser um bom condutor de eletricidade? Explique. 2. Nos itens a, b e c, abaixo, são fornecidas as fórmulas moleculares de algumas substâncias. Represente-as pela fórmula de Lewis. a) H2O b) NH3 (amônia, gás usado como refrigerante) c) H2 (o combustível limpo) 3. Escreva as fórmulas estruturais de: a) HCℓ b) CHCℓ3 (clorofórmio) 4. Para responder às questões dos itens de a a e, utilize as substâncias seguintes: • nitrogênio (N2), o gás predominante no ar; • zinco (Zn), um dos componentes do bronze; • fluoreto de cálcio (CaF2), substância que se forma na superfície dos dentes após a aplicação local de compostos de flúor pelos dentistas; • ozônio (O3), gás que pode ser usado como bactericida; • níquel (Ni), presente em alguns aços; • cloreto de magnésio (MgCℓ2), que pode ser empregado como anticoagulante; • água (H2O); • iodo (I2), usado como desinfetante para fins medicinais. a) Quais são substâncias compostas? b) Quais são compostos iônicos? c) Quais são metais (formados por ligação metálica)? d) Quais conduzem bem a corrente elétrica no estado sólido? e) Quais são substâncias simples?

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Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Dióxido de carbono O dióxido de carbono é um dos gases que expelimos na respiração. Ele se forma também na combustão de matérias orgânicas, como gás natural, petróleo, madeira, álcool. O excesso desse gás no ar é o principal responsável pela intensificação do efeito estufa, associado ao provável aumento da temperatura terrestre e ao risco de desequilíbrios climáticos. A substância dióxido de carbono (ou gás carbônico) é um composto binário formado por 6C e 8O. Cada átomo de carbono compartilha 4 pares de elétrons e cada átomo de oxigênio, 2 pares: Elemento

Para atingir o octeto

faltam 4 elétrons

faltam 2 elétrons

6 8

Distribuição eletrônica

O— —C— —O

CO2

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

Nesse caso, existe dupla-ligação, isto é, 2 pares de elétrons entre o átomo de carbono e cada um dos átomos de oxigênio.

DIVULGAÇÃO PNLD

Nitrogênio O gás nitrogênio (N2) é uma substância simples formada pelo elemento nitrogênio (7N) do grupo 15. Os átomos de nitrogênio têm de compartilhar 3 pares eletrônicos para atingir uma situação mais estável por meio de ligação covalente. As fórmulas abaixo são usadas para representar a substância nitrogênio:

N— — —N

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

O nitrogênio é usado na indústria alimentícia para evitar o contato do alimento com o oxigênio atmosférico – substância responsável pela deterioração dos alimentos. É matéria-prima para obtenção de substâncias como a amônia, com a qual se produzem fertilizantes, por exemplo. Nesse caso, existe tripla-ligação entre os átomos de nitrogênio, isto é, 3 pares eletrônicos são compartilhados entre os dois átomos.

Dióxido de enxofre O dióxido de enxofre (SO2) é um gás poluente que irrita o aparelho respiratório. A concentração desse gás é monitorada no ar das grandes metrópoles, como São Paulo. A maior parte dele provém da queima de combustíveis contaminados com substâncias que contêm enxofre. Observe a distribuição eletrônica para o S e o O e quantos elétrons são necessários para que a última camada eletrônica fique completa. Elemento

Distribuição eletrônica

Para atingir o octeto

O 8

faltam 2 elétrons

Se nesse gás houvesse somente 1 S para 1 O, teríamos a configuração a seguir: dupla-ligação (covalente comum)

O Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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MATRIZ NOVA

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Como fica resolvida a estabilidade do outro O, que também necessita de 2 elétrons? Ele usa um dos pares eletrônicos do S não utilizado em outra ligação. Essa ligação é chamada de covalente coordenada (antigamente chamada de covalente dativa). A representação mais antiga dessa ligação em uma fórmula estrutural é feita por uma seta que aponta para o átomo que "se vale" do par de elétrons de outro para completar a camada de valência. Observe:

O S

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis

S— —O

SO2

Fórmula estrutural

Fórmula molecular

Observações: A ligação indicada com retângulo na fórmula eletrônica do SO2 é covalente porque se dá por compartilhamento de par de elétrons, apesar de esses elétrons terem origem no átomo de enxofre. Modernamente, essa ligação é indicada por dois traços, como se fosse uma dupla-ligação covalente comum. Desse modo, o SO2 pode ser representado por:

O— —S— —O

Para haver esse tipo de ligação, é necessário que haja um átomo que disponha de pares eletrônicos não utilizados em outra ligação. Veja, por exemplo, a fórmula da substância abaixo:

DIVULGAÇÃO PNLD

Como o átomo de cloro no ácido hipocloroso tem 6 elétrons (3 pares eletrônicos) não compartilhados, pode ainda efetivar mais 3 ligações com outros 3 átomos de oxigênio. Observe, ao lado, a fórmula dos compostos resultantes desses compartilhamentos.

Fórmula eletrônica ou fórmula de Lewis para o ácido hipocloroso (HCℓO), formado quando o gás cloro é dissolvido em água.

Cℓ

O O H — O — Cℓ

H — O — Cℓ

O H — O — Cℓ

O O

HCℓO2

HCℓO3

HCℓO4

ácido cloroso

ácido clórico

ácido perclórico Não escreva neste livro.

Atividade Represente a fórmula eletrônica e a estrutural das substâncias seguintes, cujas fórmulas moleculares são fornecidas. Observação: Nas moléculas das substâncias dos itens b a d, os carbonos (C) estão ligados entre si. a) CH2O – metanal ou formaldeído: é componente da solução de formol, usada para preservar cadáveres e tecidos de organismos vivos, nas indústrias de madeira, papel e celulose, na preparação de resinas; também é usada em abrasivos, plásticos, esmaltes sintéticos, tintas e vernizes. Trata-se de uma solução tóxica se inalada ou ingerida. b) C2H6 – etano: é um subproduto do refino do petróleo, presente no gás natural, muito utilizado para a produção de eteno.

128

c) C2H4 – eteno: também chamado de etileno, é o hormônio responsável pelo amadurecimento das frutas. Possui também grande aplicação industrial na fabricação de polímeros. d) C2H2 – etino: também chamado de acetileno, é usado em maçaricos, empregados em soldagens metálicas, porque neles é possível atingir temperaturas muito elevadas com a combustão. e) H2SO4 – ácido sulfúrico: um dos compostos de maior importância industrial (é matéria-prima para a fabricação de muitos materiais); na estrutura das moléculas dessa substância, os dois átomos de H ligam-se a átomos de O.

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Algumas generalizações sobre ligações químicas Os elementos dos grupos 14, 15, 16 e 17, além do hidrogênio, participam geralmente de ligações covalentes quando ligados a elementos desses mesmos grupos. Os elementos dos grupos 16 e 17 também podem participar de ligações iônicas quando são ligados a elementos dos grupos 1 e 2. Veja no quadro a seguir o resumo dessas possibilidades. Ligação covalente

Exemplo

—E

E E Grupo 17 (átomos precisam de 1 e2 para atingir o octeto)

H — O — Cℓ

—E

O E

—E

H — O — Cℓ O

—E—

H — O — Cℓ

Ligação iônica

O F , Cℓ , Br2, I2

—E—

H—S—H

DIVULGAÇÃO PNLD

H — Cℓ

O Grupo 16 (átomos precisam de 2 e2 para atingir o octeto)

E Grupo 14 (átomos precisam de 4 e2 para atingir o octeto)

H—O—S—O—H O

—E—

Ligação iônica

E22 — E2

Ligação iônica e covalente

Grupo 15 (átomos precisam de 3 e2 para atingir o octeto)

—E—

—E— |

H—O—S—O—H O O22 H — O2 H—N—H | H O

—E— |

H—O—P—O—H | O—H

| —E— |

H | H—C—H | H

Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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MATRIZ NOVA

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Natureza das ligações e comportamento das substâncias À medida que estudamos os modelos usados para explicar as ligações entre átomos, corremos o risco de esquecer que eles foram formulados para explicar o comportamento das substâncias. Mas, a partir dos modelos, podemos prever também algumas propriedades relacionadas à natureza das ligações dessas substâncias.

Substâncias iônicas Se, em uma substância, há ao menos uma ligação iônica, então estão presentes cátions e ânions e, portanto, ela é iônica. Vamos destacar algumas propriedades das substâncias iônicas: ▸▸ Têm, em geral, temperatura de fusão elevada, pois a fusão implica uma desorganização

das unidades constituintes do sólido, o que requer que se forneça muita energia para vencer a forte atração entre íons de cargas opostas. Por isso, em geral, são sólidos nas condições ambientes. ▸▸ Acima da temperatura de fusão, isto é, quando estão no estado líquido, conduzem bem

a corrente elétrica graças à mobilidade dos íons. ▸▸ Substâncias iônicas que se dissolvem em água formam soluções condutoras de corrente

Substância

CuSO4 ? 5 H2O* sulfato de cobre pentaidratado

NaCℓ cloreto de sódio

PbO óxido de chumbo(II)

Temperatura de fusão (°C)

560,0

800,7

887,0

Estado físico

sólido

Temperatura de fusão e estado físico de algumas substâncias iônicas (25 oC, 1 atm)

Substância

CuO óxido de cobre(II)

Fe2O3 óxido de ferro(III)

Cr2O3 óxido de cromo(III)

MgO óxido de magnésio

Temperatura de fusão (°C)

1 227,0

1 539,0

2 320,0

2 825,0

Estado físico

sólido

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Temperatura de fusão e estado físico de algumas substâncias iônicas (25 oC, 1 atm)

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

elétrica. Isso porque a dissolução quebra a ligação entre os íons no retículo cristalino e esses íons possuem liberdade de movimento na solução.

LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-59, 4-62, 4-69, 4-70, 4-74, 4-89. * O sulfato de cobre anidro, CuSO4 (não hidratado), é um sólido branco, enquanto o hidratado é azul e, por isso, representamos a quantidade de moléculas de água presente em sua fórmula.

130

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Substâncias moleculares

Cores fantasia, sem escala.

Estado físico, cor, temperaturas de fusão e de ebulição de algumas substâncias simples

Substância simples

H2 hidrogênio

Cℓ 2 cloro

Br2 bromo

I2 iodo

Temperatura de fusão (°C)

2259,2

2101,5

27,2

113,7

Temperatura de ebulição (°C)

2252,8

234,0

58,8

184,4

Estado físico e cor

gás incolor

gás esverdeado

líquido marrom-avermelhado

sólido cinzento

ILUSTRAÇÕES: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Nas tabelas a seguir estão reunidas propriedades de algumas substâncias moleculares. Repare que na primeira são mostrados apenas exemplos de substâncias simples e, na segunda, de substâncias compostas.

DIVULGAÇÃO PNLD

Estado físico, cor, temperaturas de fusão e de ebulição de algumas substâncias compostas

Cores fantasia, sem escala.

Substância composta

H2 O água

HCℓ cloreto de hidrogênio

NH3 amônia

C10H8 naftaleno

Temperatura de fusão (°C)

0,0

2114,2

277,7

80,3

Temperatura de ebulição (°C)

100,0

285,0

233,3

217,9

Estado físico e cor

líquido incolor

gás incolor

sólido branco

Analisando os valores das temperaturas de mudança de estado das substâncias simples que constam da tabela, é possível perceber que o intervalo em que eles variam é relativamente amplo. Assim, entre as substâncias simples exemplificadas, encontramos desde valores muito baixos, como o da temperatura de fusão do hidrogênio (H2), igual a 259,2 °C negativos (2259,2 °C ), até 113,7 °C para o iodo (I2). Algo semelhante ocorre com os compostos. Entre os exemplos da tabela, a temperatura de ebulição da água é 100 °C e a do cloreto de hidrogênio (HCℓ) é 285,0 °C, portanto, bem abaixo da temperatura ambiente, em torno de 25 °C, o que explica o fato de essa substância ser um gás nas condições ambientes.

Glicerina, ácido bórico, ureia e glicose também são compostos moleculares.

C 3 H8 O3 glicerina

C6H12O6 glicose

H3BO3 ácido bórico

CO(NH2)2 ureia

Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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MATRIZ

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Fonte: LIDE, David R. (Ed.). Physical Constants of Inorganic Compounds and Physical Constants of Organic Compounds. In: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. (Internet Version). Boca Raton, FL: CRC/Taylor and Francis, 2009. p. 4-46, 4-67, 4-98, 3-382.

131

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Podemos, de modo simplificado, fazer algumas generalizações sobre as substâncias moleculares: ▸▸ Podem ser encontradas nos três estados físicos nas condições ambientes. ▸▸ Em geral têm temperatura de fusão bem mais baixa do que a das substâncias iônicas. Note que mesmo o iodo, que possui a temperatura de fusão mais alta entre os exemplos (113,7 °C), tem valor bem inferior ao do NaCℓ (800,7 °C), um dos compostos iônicos listados na tabela da página 130. ▸▸ Elas não são boas condutoras de corrente elétrica no estado líquido, ao contrário das substâncias iônicas.

▸▸ Moleculares: são as constituídas pelos não metais.

É o caso, por exemplo, do hidrogênio (H2), flúor (F2), bromo (Br2), iodo (I2) e nitrogênio (N2). Como alguns elementos químicos podem formar mais do que uma substância simples – fenômeno da alotropia que vimos no capítulo 3 –, destacamos, abaixo, os casos mais importantes, com as respectivas fórmulas. Elementos e suas formas alotrópicas

Qual é a fórmula de uma substância simples?

DIVULGAÇÃO PNLD

Como alguém que está iniciando os estudos de Química pode representar cada um dos diferentes tipos de substâncias simples? Com base no que foi estudado até aqui, é possível dizer que há dois tipos de substâncias simples: ▸▸ Metálicas: são aquelas em que o elemento constituinte é um metal (é o caso da maior parte dos elementos químicos). De acordo com o que vimos no capítulo anterior, nelas os átomos se unem por ligação metálica, constituindo grandes agregados formados por um número enorme e indeterminado de átomos. De modo simplificado, todas podem ser representadas apenas pelo símbolo do metal correspondente. Exemplos: zinco (Zn), cobre (Cu), chumbo (Pb), ouro (Au), ferro (Fe), magnésio (Mg).

diamante, C (diam): Cn

grafita, C (graf): Cn

ozônio: O3

oxigênio: O2

rômbico, S (romb): S8

monoclínico, S (mono): S8

fósforo branco: P4

fósforo vermelho: Pn ou (P4)n

Na Tabela Periódica representada a seguir estão resumidas as fórmulas de algumas substâncias simples. Nela estão incluídos os gases nobres, cujas unidades são monoatômicas.

* Elementos que constituem mais de uma substância simples. 3

METAIS

N2 O2, O3 F2

Cℓ2

Br2

S8*

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Fórmulas de algumas substâncias simples

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Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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MATRIZ NOVA

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Eletronegatividade, ligações polares e apolares Em uma ligação química, cada átomo atrai os elétrons da sua camada de valência com força diferente. Vamos examinar os modelos de ligação em duas moléculas que você conhece:

DIVULGAÇÃO PNLD

cloro (substância simples)

Cℓ

cloreto de hidrogênio (substância composta binária de H e Cℓ)

Linus Carl Pauling (1901-1994), químico estadunidense, ganhador do Nobel de Química, em 1954, por suas pesquisas sobre a natureza das ligações químicas e a elucidação de estruturas complexas; e do Nobel da Paz, em 1962, por suas ações a favor do fim dos testes nucleares. Foto de 1958.

Tanto na substância cloro quanto no cloreto de hidrogênio, as ligações que unem os átomos são covalentes; no entanto, o par de elétrons que os liga não é compartilhado do mesmo modo nessas moléculas. Na molécula de cloro (Cℓ 2), o par de elétrons é atraído com a mesma intensidade pelos dois átomos, uma vez que eles são do mesmo elemento. Dizemos que a ligação é covalente apolar. Na molécula de cloreto de hidrogênio (HCℓ), o Cℓ atrai mais fortemente os elétrons que o H e, por isso, o par fica deslocado para o Cℓ, isto é, os elétrons da ligação não são igualmente compartilhados pelo H e pelo Cℓ. Assim, a região ao redor do Cℓ fica com maior concentração de cargas negativas e aquela ao redor do H, com maior concentração de cargas positivas. A ligação no HCℓ é, portanto, polar. Trata-se de uma situação intermediária entre a ligação covalente apolar (em que o par de elétrons é atraído com a mesma intensidade pelos dois átomos) e a ligação iônica (em que o elétron pertence a um dos átomos, o que fica com carga negativa, e o outro que perdeu o elétron passa a ter carga positiva). A ligação apolar ocorre quando há ligação entre átomos do mesmo elemento. No caso de átomos de elementos diferentes, em geral há polarização, que poderá ser maior ou menor, dependendo da diferença de eletronegatividade dos elementos que participam dela. A eletronegatividade está relacionada à capacidade de, em uma molécula, um átomo atrair o(s) elétron(s) envolvidos na ligação química. O gráfico abaixo indica os valores de eletronegatividade dos elementos segundo Linus Carl Pauling (1901-1994), o primeiro cientista a propor, em 1939, uma escala relativa de eletronegatividade. Para estabelecer Eletronegatividade segundo a escala de Pauling tais valores, ele fixou arbitrariamente o valor 4,0 para o flúor (F), que, segune ad vid do sua escala, é o mais eletronegativo i t ele ga tro ne ne dos elementos, determinando os demais o ga tr tiv ele ida por comparação. Os gases nobres foram de excluídos porque, na época, não se conheciam ligações entre átomos desses elementos.

GETTY IMAGES/THE LIFE PICTURE COLLECTION

Cℓ

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Cℓ

Excluídos os gases nobres, as setas indicam a tendência de crescimento da eletronegatividade. Os elementos mais eletronegativos de um grupo são, de modo geral, os de menor número atômico, localizados na parte superior. Em um período, a tendência de crescimento da eletronegatividade se dá no sentido do aumento do número atômico. Fonte: UNIVERSIDAD de Valladolid. Escuela de Ingenierías Industriales. Dpto. Química Orgánica. Curso de introducción en Química General. Disponível em: <http://www.eis.uva.es/~qgintro/sisper/tutorial-05. html>. Acesso em: 22 jan. 2016.

Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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MATRIZ NOVA

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DIVULGAÇÃO PNLD

Elemento

Eletronegatividade

0,9

4,0

Cℓ

d’ 2

Acima, esquema da distribuição eletrônica para o átomo de flúor e para o átomo de cloro. Note que a distância do núcleo até a camada de valência no átomo de flúor é menor do que no átomo de cloro, ou seja, seu raio atômico é menor.

Elemento

Eletronegatividade

Elemento

Eletronegatividade

Cℓ

3,0

4,0

Na1 1 F –

Na 1 F

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

A eletronegatividade dos elementos é uma propriedade periódica que, em linhas gerais, tende a variar da seguinte forma: F 9 ▸ Quanto mais à direita estiver um elemento num período, maior será sua eletronegatividade (nos períodos cresce da esquerda para a direita). Assim, quanto mais próximo d 2 de atingir a configuração eletrônica de gás 7 nobre, maior será sua tendência de atrair elétrons. ▸ Quanto mais para baixo estiver um elemento em um grupo, menor será sua eletronegatividade (nos grupos ela cresce de baixo para cima). Vamos analisar dois halogênios (grupo 17), F (4,0) e Cℓ (3,0), ambos com 7 elétrons no último nível. A diferença entre eles está na distância que esses elétrons têm do núcleo. A atração entre cargas opostas é tanto maior quanto menor é a distância entre elas. Portanto, quanto menor a distância entre os elétrons ( 2 ) e o núcleo ( 1 ), maior a atração entre eles. Um elemento de baixa eletronegatividade é bastante eletropositivo: é o caso dos metais, que perdem elétrons com mais facilidade que os outros elementos. A ligação iônica entre dois átomos ocorre quando há diferença significativa de eletronegatividade entre ambos. Caso essa diferença não seja suficientemente grande para a transferência de elétrons, ocorrerá ligação covalente polar. Quando os átomos tiverem a mesma eletronegatividade, a ligação será apolar. Observe estes exemplos:

Cℓ

Na1F2

Cℓ — F

F—F

Ligação iônica

Ligação covalente polar

Ligação covalente apolar

Hidrogênio (H2), oxigênio (O2), nitrogênio (N2), bromo (Br2), iodo (I2), etc. são substâncias formadas por moléculas apolares. Cloreto de hidrogênio (HCℓ) e água (H2O) são substâncias formadas por moléculas que apresentam ligações polares. Não escreva neste livro.

Atividades 1. Por que o elemento de Z 5 8 é mais eletronegativo que o de Z 5 16?

b) Coloque as ligações dadas em ordem crescente de polaridade.

2. Considere as ligações H — F; H — Br; H — P; H — C; H — O; H — H, consulte os valores de eletronegatividade e faça o que se pede:

3. Considere os elementos Mg e O, cujas eletronegatividades são, respectivamente, 1,2 e 3,5.

a) Qual é a ligação mais polar?

134

a) Eles devem formar composto iônico ou molecular? Por quê?

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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b) Qual seu estado físico nas condições ambientes? c) No estado sólido, eles conduzem corrente elétrica? E no estado líquido? Justifique suas respostas.

DIVULGAÇÃO PNLD

4. Leia o texto a seguir e responda às questões. Todo mundo aprende na escola que átomos podem se ligar de dois modos: cedendo (e recebendo) ou compartilhando elétrons. Agora, um grupo de cientistas faz uma descoberta que obriga a uma revisão dos livros didáticos, ao demonstrar a existência de um terceiro método. Detalhe: isso só acontece em ambientes submetidos a campos magnéticos extremos. Nada que possa se dar na Terra, ou mesmo no Sol, mas só em objetos muito densos, que produzem copiosa intensidade de magnetismo. É o caso das anãs brancas e das estrelas de nêutrons. Ambas são cadáveres estelares, por assim dizer – objetos que um dia foram estrelas convencionais, mas esgotaram seu combustível e tiveram seu núcleo esmagado pela gravidade, compactando sua matéria ao extremo. Simulando em computador o que aconteceria com átomos nas vizinhanças desses objetos, compondo sua atmosfera, o quarteto liderado pelo norueguês Trygve Helgaker, da Universidade de Oslo, constatou que eles podem se ligar em moléculas. Mas o elo descoberto não se forma nem por ligações covalentes (em que átomos compartilham elétrons) nem por ligações

iônicas (em que um átomo doa elétrons a outro). [...] [...] A reação, chamada de ligação paramagnética, é uma novidade no mundo da química e pode produzir moléculas improváveis, como hélio molecular (He2). [...] “Claramente essa ligação magnética não tem papel na química do cotidiano”, disse Helgaker à Folha. “Mas ainda assim é interessante saber que uma ligação pode ser criada por forças magnéticas, embora ela só possa ter um papel sob condições astrofísicas extremas.” Até agora, as simulações de computador do grupo de Helgaker trabalharam só com átomos de hidrogênio e hélio – os menores e mais simples. [...] Por ora, contudo, todos os resultados estão restritos à teoria. Não existem métodos capazes de produzir na Terra, nem por um instante, campos magnéticos tão intensos. [...] Fonte: NOGUEIRA, Salvador. Estudo sugere um novo tipo de ligação química em estrela. Folha de S.Paulo, 20 jul. 2012. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/ fsp/cienciasaude/55449-estudo-sugere-um-novo-tipo-deligacao-quimica-em-estrela.shtml>. Acesso em: 17 jan. 2016.

a) De acordo com o texto, qual era o objetivo do grupo de cientistas? b) O texto menciona que a ligação química descoberta “é uma novidade no mundo da química e pode produzir moléculas improváveis, como o hélio molecular”. Explique por que o autor do texto considerou essa molécula improvável.

Resgatando o que foi visto As mudanças de concepção a respeito da constituição da matéria e da organização do conhecimento químico foram marcantes no período que vai do final do século XVIII ao início do século XIX. Aspectos importantes que uniram estudos de físicos e químicos, muitos deles na época considerados filósofos naturais, foram destacados nesta unidade. Que importância há em conhecer esses aspectos históricos? Por que levou tanto tempo para que a ideia da existência de átomos fosse aceita pela comunidade científica? Por que se dá tanta importância ao trabalho de Dalton, Thomson, Mendeleev? Avalie as respostas que você dá agora a essas questões e compare com o que você pensava no início deste estudo. Faça o mesmo em relação às perguntas que abriram esta unidade.

ESTOURO Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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Testando seus conhecimentos

Não escreva neste livro.

Número de nêutrons (N)

90 80

40 50 30

c) na eletrosfera, região que concentra toda a massa do átomo, encontram-se os elétrons.

30 20 20

d) o número de massa ou número de Moseley é a soma do número de prótons com o número de elétrons.

40 50 60 70 80 Número de prótons (Z)

100 110

e) o elemento químico corresponde a um conjunto de átomos de mesma carga nuclear.

KAPLAN, I. Física Nuclear. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1978 (adaptado).

O antimônio é um elemento químico que possui 50 prótons e possui vários isótopos – átomos que só se diferem pelo número de nêutrons. De acordo com o gráfico, os isótopos estáveis do antimônio possuem: a) entre 12 e 24 nêutrons a menos que o número de prótons.

4. Uespi-PI (2012) Os radioisótopos são hoje largamente utilizados na medicina para diagnóstico, estudo e tratamento de doenças. Por exemplo, o cobalto 60 é usado para destruir e impedir o crescimento de células cancerosas. Os números de prótons, de nêutrons e de elétrons no nuclídeo 60 Co31 são, respectivamente: 27

b) exatamente o mesmo número de prótons e nêutrons. c) entre 0 e 12 nêutrons a mais que o número de prótons. d) entre 12 e 24 nêutrons a mais que o número de prótons.

a) 33, 27 e 24

d) 27, 33 e 27

b) 27, 60 e 24

e) 27, 33 e 24

c) 60, 33 e 27 5. FGV-SP (2012) A tabela seguinte apresenta dados referentes às espécies K, K1, Ca21 e S22.

e) entre 0 e 12 nêutrons a menos que o número de prótons. 2. UEPG-PR (2013) Na natureza podem-se encontrar três variedades isotópicas do elemento químico urânio, 136

238 U92

b) os átomos de um mesmo elemento químico obrigatoriamente devem apresentar o mesmo número de nêutrons.

Z = N para os núcleos sobre esta linha

235 U92

a) a caracterização de um elemento químico ocorre pela determinação do seu número de massa.

60 70

DIVULGAÇÃO PNLD

100

234 U92

(01) O urânio-234 possui 92 prótons e 92 elétrons. (02) O urânio-235 possui 92 prótons e 143 nêutrons. (04) Os três átomos possuem o mesmo número de massa. (08) O urânio-238 possui 92 elétrons e 146 nêutrons. Dê como resposta a soma dos números associados às afirmações corretas.

0 19

0 0

110

3. IFCE (2012) Ao longo da história da química, muitos modelos surgiram, para tentar explicar a complexidade do átomo, desde a crença de que ele seria uma minúscula esfera até a construção de um modelo matemático probabilístico. Com relação às características do átomo e ao conceito de elemento químico, é correto afirmar-se que:

120

20 0

130

0 0

núcleos estáveis

140

150

160

representadas abaixo. Com relação a esses isótopos, no estado fundamental, assinale o que for correto.

ENEM/REPRODUÇÃO

1. Enem (2009) Os núcleos dos átomos são constituídos de prótons e nêutrons, sendo ambos os principais responsáveis pela sua massa. Nota-se que, na maioria dos núcleos, essas partículas não estão presentes na mesma proporção. O gráfico mostra a quantidade de nêutrons (N) em função da quantidade de prótons (Z) para os núcleos estáveis conhecidos.

Espécie

Nêutrons

Ca21

S22

Unidade 2 Introdução à estrutura da matéria

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Em relação a essas espécies, são feitas as seguintes afirmações: I. K1 e Ca21 são isótonos. II. K e Ca21 são isóbaros. III. K1 tem mais prótons que K. IV. K1 e S22 têm o mesmo número de elétrons.

Raios atômicos e iônicos de alguns metais Ca

Aℓ

197 pm

191 pm

152 pm

143 pm

137 pm

Ca11

Na11

Cd21

Aℓ 31

Zn21

100 pm

102 pm

103 pm

53 pm

83 pm

É correto apenas o que se afirma em: a) I e II.

c) I e IV.

b) I e III.

d) II e III.

e) II e IV.

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6. UFPB (2012) As pilhas e baterias estão incorporadas ao cotidiano da vida moderna. Esses materiais geralmente contêm metais tóxicos, por exemplo, cádmio, cujo descarte de forma incorreta pode contaminar o meio ambiente. Utilizando a tabela periódica e sabendo que o número de massa do cádmio é 112, é correto afirmar que esse elemento possui:

a) b) c) d) e)

Número de prótons

Número de nêutrons

Número de elétrons

20 64 20 48 48

20 48 32 64 112

20 64 20 48 64

7. Cefet-MG (2012) O filme Homem de Ferro 2 retrata a jornada de Tony Stark para substituir o metal paládio, que faz parte do reator de seu peito, por um metal atóxico. Após interpretar informações deixadas por seu pai, Tony projeta um holograma do potencial substituto, cuja imagem se assemelha à figura ao lado. Essa imagem é uma representação do modelo de a) Rutherford.

c) Dalton.

b) Thomson.

d) Bohr.

8. Enem (2010) O cádmio, presente nas baterias, pode chegar ao solo quando esses materiais são descartados de maneira irregular no meio ambiente ou quando são incinerados. Diferentemente da forma metálica, os íons Cd21 são extremamente perigosos para o organismo, pois eles podem substituir íons Ca21, ocasionando uma doença degenerativa nos ossos, tornando-os muito porosos e causando dores intensas nas articulações. Podem ainda inibir enzimas ativadas pelo cátion Zn21, que são extremamente importantes para o funcionamento dos rins. A figura a seguir mostra a variação do raio de alguns metais e seus respectivos cátions.

ATKINS, P. ; JONES, L. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2001 (adaptado).

Com base no texto, a toxicidade do cádmio em sua forma iônica é consequência de esse elemento: a) apresentar baixa energia de ionização, o que favorece a formação do íon e facilita sua ligação a outros compostos. b) possuir tendência de atuar em processos biológicos mediados por cátions metálicos com cargas que variam de 11 a 13. c) possuir raio e carga relativamente próximos aos de íons metálicos que atuam nos processos biológicos, causando interferência nesses processos. d) apresentar raio iônico grande, permitindo que ele cause interferência nos processos biológicos em que, normalmente, íons menores participam. e) apresentar carga 12, o que permite que ele cause interferência nos processos biológicos em que, normalmente, íons com cargas menores participam. 9. Fuvest-SP (2012) Na obra O poço do Visconde, de Monteiro Lobato, há o seguinte diálogo entre o Visconde de Sabugosa e a boneca Emília: – Senhora Emília, explique-me o que é hidrocarboneto. A atrapalhadeira não se atrapalhou e respondeu: – São misturinhas de uma coisa chamada hidrogênio com outra coisa chamada carbono. Os carocinhos de um se ligam aos carocinhos de outro. Nesse trecho, a personagem Emília usa o vocabulário informal que a caracteriza. Buscando-se uma terminologia mais adequada ao vocabulário utilizado em Química, devem-se substituir as expressões “misturinhas”, “coisa” e “carocinhos”, respectivamente, por: a) compostos, elemento, átomos. b) misturas, substância, moléculas. c) substâncias compostas, molécula, íons. d) misturas, substância, átomos. e) compostos, íon, moléculas. Capítulo 6 Ligações químicas: uma primeira abordagem

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3 unidade

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Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

Em capítulos anteriores, você aprendeu algumas maneiras de classificar substâncias utilizando alguns critérios. É o caso das substâncias simples e compostas, iônicas, moleculares ou metálicas, por exemplo. Nesta unidade você vai conhecer mais alguns grupos de substâncias: ácidos, bases, sais e óxidos. Isso facilitará a aprendizagem de diversos tipos de reações químicas, que envolvem essas e outras substâncias. ▸ O solo brasileiro precisa ter sua acidez reduzida para que muitas plantações sejam produtivas. Como isso pode ser feito? 138

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ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Tomate, laranja, limão, vinagre têm uma característica química comum. Qual é ela? Você sabe qual é a diferença entre o sal comum e o light?

Nesta unidade Capítulo 7. Ácidos, bases e sais Capítulo 8. Reações químicas: estudo qualitativo Capítulo 9. Cálculos químicos: uma iniciação Capítulo 10. Reações de oxirredução Capítulo 11. Óxidos

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7 capítulo

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ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Ácidos, bases e sais

Muitos alimentos e produtos presentes em nosso dia a dia contêm ácidos. O ácido cítrico, por exemplo, está presente no tomate, no limão e na laranja; o ácido acético é encontrado no vinagre; o ácido bórico é um dos componentes da água boricada e do polvilho antisséptico; o ácido acetilsalicílico está presente em alguns medicamentos; e o ácido sórbico é um dos componentes de alguns cremes esfoliantes.

Para situá-lo Leia o trecho de uma reportagem e o título de uma matéria publicada em um site. Para evitar a azia, especialistas recomendam não consumir alimentos gordurosos e frutas ácidas como limão e abacaxi [...] Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • ácidos, bases e sais segundo o conceito de Arrhenius; • nomenclatura e formulação de ácidos, bases e sais; • indicadores ácido-base e pH.

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KRIEGER, Jessica. Azia: conheça as causas e saiba quais alimentos evitar. Disponível em: <http://arevistadamulher.com.br/nutricao/content/2004905-azia-conheca-ascausas-e-saiba-quais-alimentos-evitar>. Acesso em: 14 dez. 2015.

Artista brasileiro cria quadrinhos ácidos para fazer reflexões sobre a sociedade Disponível em: <http://www.hypeness.com.br/2014/09/quadrinhos-pra-la-de-acidos-fazemreflexoes-sobre-a-sociedade>. Acesso em: 14 dez. 2015.

Agora, pense sobre o significado do adjetivo ácido em cada um dos contextos.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Por se tratar de uma palavra comum na linguagem cotidiana, é provável que você tenha uma ideia do significado desse termo e de seus derivados (acidez, por exemplo). Na primeira frase, ácidas se refere ao sabor (acre, azedo) característico de certas frutas, enquanto ácidos, na segunda, quer dizer “mordazes, agressivos” e exprime o tipo de crítica que o artista faz à sociedade. Se você examinar matérias publicadas em jornais e revistas impressos ou na internet, verá que não é difícil encontrar as palavras ácido, acidez e acidificação, usadas com certa variação de significado, conforme o contexto. Leia mais estes trechos de notícias. Galeria parisiense expõe obras do artista capixaba Sami Hilal [...] O artista utiliza a técnica do circuito impresso, trabalhando a imagem sobre uma placa de cobre. A imagem é trabalhada com uma tinta que não reage ao ácido. “É semelhante à técnica da gravura em metal: você faz o desenho, coloca no ácido, o ácido grava, e você tem ali o desenho gravado na chapa. Meu desenho fica registrado, mas o ácido vaza, criando uma renda. Trabalho muito com a ausência, a perda da pátria, da língua”, explica.

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Disponível em: <http://www.brasil.rfi.fr/cultura/ 20140107-galeria-parisiense-expoe-obras-do-artista-capixaba-sami-hilal>. Acesso em: 15 dez. 2015.

Expedição científica vai rastrear acidificação no oceano Ártico Cientistas do Serviço Geológico dos Estados Unidos vão [...] monitorar as tendências de acidificação no oceano Ártico relacionadas com emissões de carbono, informou a instituição. [...] A acidificação oceânica é um processo pelo qual as águas absorvem dióxido de carbono da atmosfera, provocando alterações químicas no [...] nível de pH, o que deixa o oceano mais ácido. Como os oceanos atualmente absorvem mais de um quarto dos gases do efeito estufa presentes na atmosfera, aumenta cada vez mais a preocupação com a acidificação e seus efeitos na vida marinha, explicou [a oceanógrafa Lisa] Robbins. [...] “Pode haver redução da formação do casco em alguns organismos. A acidificação poderia obstruir o crescimento de várias formas de vida marinha, do plâncton para cima”, disse ela. “Afetaria toda a cadeia alimentar.” EXPEDIÇÃO científica vai rastrear acidificação no oceano Ártico. O Estado de S. Paulo, 11 ago. 2011. Disponível em: <http://saude.estadao.com.br/noticias/geral,expedicao-cientifica-vai-rastrear-acidificacao-no-oceano-artico,757307>. Acesso em: 15 dez. 2015.

1. A respeito dos dois textos acima, responda: a) Em qual dos trechos de notícia a acidez de um meio é associada a algo útil e positivo? Explique. b) Identifique, no texto dessas notícias, um trecho que menciona a medida usada para indicar o nível de acidez ou alcalinidade de um meio. c) A segunda notícia se refere ao monitoramento da

acidez da água do oceano Ártico. Por que esse procedimento é importante? 2. Apesar de haver formas mais eficazes de tratar problemas de acidez estomacal, algumas pessoas costumam combater esse desconforto usando produtos como o leite de magnésia. Levante uma hipótese: que características desse material o tornam capaz de combater a acidez?

Neste capítulo, veremos os conceitos de ácido e base em solução aquosa segundo a teoria de Arrhenius. Serão abordadas também as principais propriedades dos ácidos, bases e sais. Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Ácidos e bases Antes de apresentar qualquer ideia que possa ser nova para você, faça o seguinte experimento.

Química: prática e reflexão Nas páginas anteriores, você viu que a palavra ácido pode ter diferentes significados de acordo com o contexto. No entanto, quando se fala em manipulação de ácidos, as pessoas tendem a se preocupar com o perigo. Por quê? Nesta atividade você irá analisar o efeito de algumas soluções sobre corantes encontrados no chá-mate ou chá-preto. Você sabe que, se pingarmos vinagre ou sumo de limão sobre bicarbonato de sódio, observaremos o mesmo fenômeno: a formação de bolhas de gás (efervescência). A adição de sumo de limão ao chá produzirá o mesmo resultado que a adição de vinagre ao chá? Material necessário

• 7 copos incolores comuns ou béqueres de 250 mL

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• 7 etiquetas para identificação

• papel de filtro (ou coador de café de papel)

• 1 colher (de café)

• 1 xícara de chá-mate ou preto

• cerca de 1 g de cal virgem, que pode ser adquirida em lojas de materiais de construção

• meio limão • 20 mL de vinagre

• água

• 3 conta-gotas

• funil ou suporte para coador de café

Cuidado! se óculos U de segurança e avental de mangas compridas. Use luvas de látex.

Procedimento

1. Etiquetem os 7 copos, numerando-os de 1 a 7. 2. Escrevam na etiqueta do copo 2 a expressão água de cal. 3. Preparem a mistura de água de cal colocando, no copo 1, água até a metade e meia colher (de café) de cal; agitem. Após a agitação, coloquem mais meia colher de cal na água, agitem a mistura e filtrem-na, passando o conteúdo do copo 1 através do funil com papel de filtro (ou suporte para coador com coador de café de papel) para o copo 2. 4. Coloquem volumes iguais de chá em cada um dos copos numerados de 3 a 6. 5. No copo 4, adicionem ao chá 5 gotas do sumo do limão. 6. Repitam o procedimento anterior no copo 5, substituindo o sumo de limão por vinagre. 7. No copo 6, adicionem ao chá uma colher (de café) da mistura do copo 2. 8. No copo 7, acrescentem ao chá 5 gotas do sumo do limão. Em seguida, adicionem, gota a gota, a mistura do copo 2 até observar alguma mudança no sistema. 9. Anotem no caderno os resultados observados.

Atenção! • A dissolução da cal na água libera calor. Ela deve ser feita pela adição de pequenas quantidades de cal à água, seguida de agitação. Nunca coloquem água na cal! • O limão, em contato com a pele e as mucosas, pode causar queimaduras graves se houver posterior exposição a raios solares.

Descarte dos resíduos: as misturas dos copos 3 a 7 podem ser descartadas diretamente no ralo de uma pia; a mistura de água de cal pode ser etiquetada e armazenada em frascos de vidro para futuros experimentos; o papel de filtro (ou coador) e o filtrado podem ser descartados em lixo comum. Analisem suas observações

1. Que mudança(s) ocorreu(ram) com o chá ao se adicionar sumo de limão e vinagre a ele? 2. Considerando o texto introdutório e os resultados experimentais, o que o vinagre e o sumo de limão têm em comum para produzir o mesmo tipo de resultado? 3. Que resultados vocês observaram na oitava etapa do procedimento? Como vocês classificariam a água de cal? 142

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Viagem no tempo

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Um pouco da história dos conceitos de ácido e base Antigas civilizações já conheciam substâncias de caráter ácido e de caráter básico (ou alcalino). O ácido acético (substância presente no vinagre), por exemplo, já era conhecido pelos egípcios, que o obtinham pela transformação do etanol (C 2H5OH), álcool presente no vinho. É a presença do etanol, aliás, que explica por que, com o tempo e dependendo da forma como é armazenado, o vinho adquire sabor azedo. O gás amoníaco (NH3), substância com propriedades básicas, também era conhecido pelos egípcios, que registraram em papiro a forma de obtê-lo. Embora tentativas de classificar as substâncias quanto à acidez e à basicidade tenham sido feitas anteriormente, uma das primeiras propostas consideradas relevantes foi a do irlandês Robert Boyle (1627-1691). Após vários experimentos, Boyle observou que todas as substâncias que apresentavam caráter ácido – e não apenas algumas delas – provocavam o efeito da mudança de cor no xarope de violetas (nessa época, já se conhecia um teste de mudança de cor, feito com xarope de violetas, que ficava vermelho em meio ácido e verde em meio alcalino). Ele realizou ampla pesquisa, usando vários extratos vegetais, entre os quais alguns empregados no tingimento de tecidos, como o de pau-brasil, cuja coloração varia de vermelho intenso, em meio ácido, a amarelado, em meio básico. O uso de corantes por artesãos, na tinturaria, e por artistas, em pinturas, levou à constatação de que, com o tempo, ou na presença de certas substâncias, esses pigmentos tinham a coloração alterada. Graças a observações desse tipo, que permitem diferenciar um meio ácido de um básico mediante a mudança de cor, é que se passou a usar os chamados indicadores ácido-base, de grande valia até os dias de hoje. Em suas pesquisas, Boyle constatou que certos materiais não alteravam a coloração desses corantes e classificou-os como neutros. Apoiando-se em experimentos, Boyle foi um dos primeiros a estabelecer formalmente que é ácida “qualquer substância que torne vermelhos os extratos de plantas”. Observações posteriores, porém, levaram à conclusão de que nem todos os indicadores, diante de um meio ácido ou básico, respondiam com as mesmas mudanças de cor. Lavoisier propôs, no final do século XVIII, identificar ácidos e bases considerando sua composição, e seus estudos sobre a combustão do carvão, do enxofre e do

fósforo o levaram à obtenção Caráter básico ou dos ácidos carbônico, sulfúrialcalino: considere, neste momento, co e fosfórico, respectivamenque o caráter básico te. Ele procurava relacionar a ou alcalino é uma composição do material à acicaracterística de substâncias que têm dez, em um raciocínio fundaa capacidade de mentado no fato de que, para neutralizar ácidos. obter os óxidos (de carbono, enxofre e fósforo) – que em água dão origem a ácidos –, é preciso realizar reações de combustão e, para que elas ocorram, o oxigênio do ar é essencial. Os ácidos, portanto, seriam compostos oxigenados; ou seja, para Lavoisier, a presença de oxigênio (o nome oxigênio, de origem grega, significa “formador de ácidos”) estava ligada à acidez. Pesquisadores posteriores verificaram que o responsável pelo caráter ácido de uma substância é o hidrogênio, e não o oxigênio, ao constatar que existem ácidos, como o clorídrico (HCℓ), por exemplo, que não possuem oxigênio em sua composição. A respeito desses conceitos químicos, vale destacar a publicação do brasileiro Vicente Coelho de Seabra Silva Telles (c. 1764-1804), graduado em Medicina e Filosofia pela Universidade de Coimbra, em Portugal. Adepto das ideias de Lavoisier, em 1788 estabeleceu uma classificação das substâncias em dois grandes grupos: combustíveis (as que podem ser queimadas) e incombustíveis (as que não pegam fogo). No grupo das incombustíveis, estão os materiais de caráter básico (ou alcalino) e ácido, cujas propriedades podemos destacar; por exemplo, a capacidade de ácidos e bases de mudar a cor de extratos vegetais (ácidos avermelham extratos azulados e bases tornam verde o xarope de violetas). Essa mudança de cor provocada por um ácido pode ser restituída por uma base, assim como a mudança de cor provocada por uma base pode ser restituída por um ácido. Fonte: COSTA, António Amorim da. Vicente Coelho de Seabra Silva Telles. Disponível em: <http://www.spq.pt/files/docs/ Biografias/Vicente%20Coelho%20de%20Seabra%20%20port.pdf>. Acesso em: 12 nov. 2015.

1. Com base no que vimos até aqui, aponte algumas propriedades de ácidos e de bases. 2. Que diferença você pode apontar entre o objetivo das pesquisas de Lavoisier e as de seus antecessores, no que se refere à compreensão do conceito de ácido? Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Função química Ao estudar um pouco da história dos conceitos de ácido e base, você deve ter notado a tentativa de agrupar as substâncias, de acordo com suas propriedades, a fim de facilitar seu estudo. Neste volume da coleção, estão sendo abordados conceitos químicos que valem para o conjunto das substâncias e, por isso, dizem respeito à Química Geral; apesar disso, muitos dos exemplos usados fazem parte da Química Inorgânica, isto é, do campo de estudo das substâncias obtidas dos minerais existentes na natureza. Ácidos, bases e sais representam grupos de substâncias que têm certas características comuns, o que permite estudá-las em conjunto; esses grupos constituem as principais funções da Química Inorgânica. À medida que outros conceitos forem estudados, o significado de função química será esclarecido.

Propriedades funcionais

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Da mesma forma que, na Tabela Periódica, agrupamos os elementos químicos em famílias ou grupos, podemos agrupar as substâncias de acordo com algumas semelhanças entre suas propriedades, decorrentes de Algumas propriedades funcionais dos ácidos características estruturais comuns Condutibilidade elétrica Bons condutores (solução aquosa). a tais substâncias. Reagem com a maioria dos metais (como Fe, Zn, Ni, Aℓ) Os ácidos servem de exemplo de liberando gás hidrogênio. função química com a qual temos Mudam a cor de certos corantes de origem vegetal. Reatividade contato em nosso cotidiano. Veja Reagem com carbonatos e bicarbonatos liberando gás. no quadro ao lado as principais Neutralizam substâncias e soluções básicas. propriedades dessas substâncias.

ℓ – líquida A capacidade de conduzir corrente elétrica varia de uma substância para outra. Com s – sólida base em testes de condutibilidade elétrica, podemos classificar as substâncias em bons aq – solução aquosa e maus condutores. fios de cobre Exemplos de maus condutores: ▸ não metais: iodo, I (s), enxofre, S(s), fósforo, P (s); tampa de 2 4 lâmpada proteção ▸ substância molecular: água, H O(ℓ), cloreto de hidrogênio, HCℓ(ℓ); 2 ▸ substância iônica sólida: hidróxido de sódio, NaOH(s), cloreto de polo sódio, NaCℓ(s). polo + Ilustrações produzidas para este conteúdo. –

Cores fantasia, sem escala.

Representação de um teste de condutibilidade elétrica da água destilada. Observe que a lâmpada não acendeu, o que significa que essa substância não conduz eletricidade.

Exemplos de bons condutores: ▸ metais: cobre, Cu(s), zinco, Zn(s), prata, Ag(s), ouro, Au(s); ▸ substância iônica em solução: soluções aquosas de hidróxido de sódio, NaOH(aq), cloreto de sódio, NaCℓ(aq), sulfato de potássio, K2SO4(aq).

Representação de um teste de condutibilidade elétrica de uma solução aquosa de hidróxido de sódio. Observe que a lâmpada acendeu, indicando que a solução conduz corrente elétrica. 144

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Condutibilidade elétrica

bateria

fios de cobre tampa de proteção lâmpada polo +

polo – bateria

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Dissociação iônica O quadro abaixo sintetiza um teste de condutibilidade elétrica feito para sistemas que contêm somente água, H2O(ℓ), cloreto de sódio, NaCℓ(s), e cloreto de sódio em água, NaCℓ(aq). Analise-o tendo em mente as explicações teóricas para as diferenças apontadas; lembre-se de que a condução de corrente elétrica depende de partículas com cargas elétricas que apresentam mobilidade. Teste de condutibilidade elétrica de NaCℓ(s), H2O(ℓ) e NaCℓ(aq) Lâmpada do sistema

Condutibilidade elétrica

Como explicar?

H2O(ℓ)

Não acende

Má

Moléculas neutras

NaCℓ(s)

Não acende

Má

Íons quase fixos

NaCℓ(aq)

Acende

Boa

Íons com grande liberdade de movimento

No NaCℓ(s), as cargas elétricas (íons) quase não têm mobilidade: os íons estão “presos” no retículo cristalino. No caso da água, apesar da mobilidade das partículas de H2O(ℓ), elas são neutras. Como você terá oportunidade de estudar durante seu curso de Química, apesar de a água ser um composto molecular, uma parte das moléculas de água que se encontram em um recipiente está na forma iônica (H1 e OH2). Entretanto, o número de íons em relação ao de moléculas é tão pequeno que, em geral, os equipamentos utilizados não conseguem acusar a condutibilidade elétrica do meio.

Como a água dissolve o cloreto de sódio? A água (substância molecular) dissolve o NaCℓ (sólido iônico), gerando uma solução. Nesse processo, a água libera os íons Na1 e Cℓ2, que estavam ligados quimicamente, formando um retículo cristalino de cloreto de sódio. Nas ligações covalentes da água, os átomos de oxigênio assumem caráter negativo – por serem mais eletronegativos que os de hidrogênio e atraírem mais o par eletrônico da ligação –, por isso os cátions sódio, Na1, são atraídos por esses átomos. Algo semelhante ocorre entre os ânions cloreto, Cℓ 2, e os átomos de hidrogênio da água (que assumem caráter positivo por serem menos eletronegativos que os de cloro). Veja na representação a seguir: δ2

δ1

O δ1 H

Cℓ

δ1

–

– –

δ1

–

δ2

Nas moléculas, o símbolo δ (sigma) é usado para representar átomos que assumem caráter positivo ou negativo em uma dada ligação covalente. É graças a essas interações que a água dissolve o NaCℓ sólido, separando os íons Na1 e Cℓ2, que ficam cercados por moléculas de H2O. A mobilidade dos íons explica a condutibilidade elétrica da solução formada. Esse processo pode ser representado por uma equação química:

Na1Cℓ2(s) cloreto de sódio

H2O(ℓ)

Na1(aq) 1

Cℓ2(aq)

íons sódio

íons cloreto

Na1

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

Representação esquemática da dissolução de uma molécula do cloreto de sódio em água.

Cℓ2

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Sistema

A água provoca a separação dos íons que já existem na estrutura do Na1Cℓ2 sólido. Tal fenômeno é denominado dissociação iônica ou, simplesmente, dissociação. Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Ionização Como você sabe, quando a água está isenta de impurezas, ela é má condutora de eletricidade. O mesmo ocorre com o H2SO4. No entanto, a mistura desses dois maus condutores origina uma solução ácida que é boa condutora de eletricidade. Nesse processo, as substâncias moleculares H2SO4 e H2O interagem, originando íons. Esse processo é denominado ionização. antes

H2SO4(ℓ)

H2O(ℓ)

(substância molecular)

depois

ionização

(substância molecular)

H2SO4(aq)

solução aquosa de ácido sulfúrico (íons móveis)

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Que modelo justifica a ionização? Vamos analisar o processo de ionização verificando o que acontece com o cloreto de hidrogênio ou gás clorídrico, HCℓ(g), ao ser colocado em água. A ionização ocorre devido à interação entre as moléculas da água e do cloreto de hidrogênio. Nas ligações entre hidrogênio e oxigênio na água, o par de elétrons da ligação fica mais próximo ao oxigênio (elemento mais eletronegativo), assumindo caráter negativo. Os átomos de hidrogênio (menos eletronegativos) assumem caráter positivo. Na ligação entre cloro e hidrogênio, no cloreto de hidrogênio, HCℓ(g), o cloro, por ser mais eletronegativo, atrai mais fortemente o par de elétrons da ligação do que o hidrogênio, dando origem a uma carga parcial negativa (d2). A carga parcial positiva (d1) está no hidrogênio. δ1

δ2

Cℓ

δ2

Cℓ

1 H

H O

O que ocorre nessa interação? Nessa interação, há atração entre a parte positiva da molécula de HCℓ e a parte negativa da molécula de H2O. Isso provoca a quebra da ligação H — Cℓ: o átomo de H fica sem seu elétron, que passa a se unir ao Cℓ. Dessa forma, o H fica com carga 11, e o cloro fica com carga 21. O hidrogênio, H, que, antes dessa quebra, possuía 1 próton e 1 elétron, perde esse elétron e, para se estabilizar, utiliza o par disponível do oxigênio da água, ficando com 2 e2 na sua camada de valência. Como o H tinha carga positiva, quando se associa com a molécula de H2O (neutra), forma um íon positivo, o H3O1. Composição de prótons e elétrons dos átomos antes e depois da ionização Antes da ionização

Depois da ionização Carga elétrica

Íons

Constituintes

Partículas

Carga elétrica

Cℓ2 ânion cloreto

Cℓ

17 p1 18 e2

1 p1

Moléculas

Constituintes

Partículas

HCℓ gás clorídrico

Cℓ

17 p 17 e

1 p1 1 e2

0 0

H2 O água

1p 1e

8p 8e

H 3 O1 cátion hidroxônio

1p 1e

8p 8e

1 1

Esse processo é chamado de ionização porque, de moléculas neutras, HCℓ e H2O, formam-se íons, Cℓ2 e H3O1. 146

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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A teoria de Arrhenius A formulação da teoria de Arrhenius representa um marco para a Química. Ela permitiu explicar fatos experimentais e serviu de fundamento para estabelecer avanços em relação aos conceitos ácido-base propostos por seus antecessores. Leia o boxe a seguir.

Viagem no tempo ©WIKIMEDIA COMMONS/PHOTOGRAVURE MEISENBACH RIFFARTH & CO. LEIPZIG

Um jovem que abalou uma crença Em 1884, o sueco Svante August Arrhenius (1859-1927), então um jovem estudante de Química, elaborou uma teoria – que ficou conhecida como teoria de Arrhenius – capaz de explicar de modo coerente um fato que desafiava os cientistas da época.

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Um fato experimental Naquele período, já se havia verificado que, quando se dissolve um sólido, como a sacarose (açúcar comum), em água, a temperatura de solidificação da água diminui, ficando abaixo de 0 oC; quanto maior é a quantidade de sacarose, em relação ao volume da solução, mais acentuada é a redução da temperatura de solidificação da água. Havia, porém, um fato que intrigava Arrhenius: quando se preparam duas soluções, uma de sacarose e outra de cloreto de sódio, ambas com a mesma quantidade de unidades “moleculares” de soluto no mesmo volume de solvente, verifica-se que a de cloreto de sódio tem temperatura de solidificação inferior à da solução de sacarose. Como explicar essa diferença? A explicação de Arrhenius

x moléculas de sacarose por litro de água

x “unidades” de NaCℓ por litro de água

banho de gelo-seco

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Svante August Arrhenius, químico e físico sueco. Seu trabalho, no final do século XIX, foi fundamental para superar a concepção de indivisibilidade do átomo. Foto tirada em 1909.

A imagem acima representa o resfriamento de duas soluções aquosas: uma de sacarose (açúcar) e outra de cloreto de sódio.

Arrhenius propôs que cada partícula de NaCℓ poderia se dividir em duas partículas com cargas elétricas opostas: os íons (o termo íon havia sido introduzido em 1821, por Michael Faraday, 1791-1867). Assim, em 1884, Arrhenius apresentou a teoria da dissociação iônica à comunidade acadêmica, que lhe outorgou o título de Ph.D. (equivalente ao título de doutor). Essa conquista deveu-se muito mais ao caráter lógico de seu trabalho do que à aceitação de sua teoria. Ela não foi bem recebida porque punha em xeque a crença no átomo indivisível, considerada indiscutível pelos cientistas da época. As descobertas de Thomson no final do século XIX e início do XX – das quais tratamos no capítulo 4 – contribuíram para que a teoria de Arrhenius obtivesse credibilidade, e o cientista acabou recebendo o Prêmio Nobel de Química duas décadas depois, em 1903. Foi graças a Arrhenius que se associou a presença de íons livres a soluções aquosas de ácido clorídrico, HCℓ(aq), e cloreto de sódio, NaCℓ(aq). Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Ácidos HCℓ, HNO3 e H2SO4 são exemplos de substâncias que, segundo o conceito de Arrhenius, proposto em 1884, liberam íons com mobilidade na presença de água, ou seja, são eletrólitos. Podemos definir eletrólitos como substâncias que, ao se dissolverem em água, produzem uma solução condutora de corrente elétrica. As substâncias iônicas solúveis em água, como brometo de potássio, KBr(aq), cloreto de cálcio, CaCℓ2(aq), e hidróxido de sódio, NaOH(aq), são eletrólitos porque sofrem dissociação iônica, ou seja, as soluções aquosas dessas substâncias apresentam íons com mobilidade. Algumas substâncias moleculares, como ácido clorídrico, HCℓ(aq), ácido sulfúrico, H2SO4(aq), e ácido nítrico, HNO3(aq), quando dissolvidas em água, sofrem ionização, ou seja, originam íons livres em solução e, por isso, também são eletrólitos. Sabe-se hoje que, em água, os ácidos liberam íons hidroxônio, H3O1(aq). Vamos ver um exemplo. O vinagre é uma solução aquosa formada por, aproximadamente, 6% em massa de ácido acético (isso significa que, de cada 100 g de vinagre, 6 g correspondem ao ácido acético). O ácido acético (puro) não é bom condutor de corrente elétrica, porém, na presença de água, torna-se bom condutor.

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H—C—C H

O δ2

δ2 δ1

1 H

ácido acético

CH3COOH(ℓ)

Observação: Enquanto a passagem de corrente elétrica por um metal não ocasiona alteração química, a que ocorre em uma solução eletrolítica ocasiona uma reação química: a eletrólise.

1 H3C — C

H3O1

H água

íons hidroxônio

H2O(ℓ)

H3O1(aq)

íons acetato

1 CH3COO2(aq)

A equação acima explica por que isso acontece. Na ausência de água, não há íons livres. Já na presença de água, ocorre ionização.

Conceito de ácido de Arrhenius Considerando a teoria da dissociação iônica de Arrhenius, podemos afirmar que ácidos são compostos que, em solução aquosa, fornecem um único tipo de cátion: o hidroxônio, H3O1. Podemos representar a ionização de um ácido qualquer HA por:

HA(ℓ)

H2O(ℓ)

H3O1(aq)

A2(aq)

Ou seja: todos os ácidos produzem H3O1(aq) em meio aquoso. Podemos, por simplificação, equacionar:

HA(ℓ)

água

H1(aq)

HNO3(ℓ)

água

H1(aq)

1 NO23 (aq)

A2(aq)

Exemplificando:

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Atividades 1. “Não se deve lidar com eletricidade com as mãos molhadas.” Essa é uma recomendação de segurança bastante conhecida. Por que isso seria perigoso, se a água destilada é má condutora de corrente elétrica? 2. Considere os seguintes compostos: • fluoreto de potássio, KF(s), usado em indústrias de cerâmica e vidrarias; • ácido perclórico, HCℓO4(ℓ), usado como herbicida. a) Qual deles é iônico e, dissolvido em água, pode dissociar-se? Indique o processo por meio de equação. b) Qual deles é molecular e, em água, libera íons? Equacione o processo.

Ionização de poliácidos Muitos ácidos têm mais de um átomo de H ionizável. É o caso do H2SO4, um diácido (tem dois átomos de hidrogênio ionizáveis): δ1

δ2

δ1

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1 H2O

1 etapa a

H3O1

δ2

δ1

íons hidroxônio

S O

íons hidrogenossulfato

(HOSO3)2 O

S H

H2O

2a etapa

H3O1

SO422

íons hidrogenossulfato (HOSO3)2

íons hidroxônio

íons sulfato

Note que, em cada uma das etapas, apenas um dos átomos de hidrogênio de cada molécula de H2SO4 origina o íon hidroxônio. Se somarmos as duas etapas de ionização, teremos: H2SO4(ℓ)

2 H2O(ℓ)

ionização global

2 H3O1(aq)

íons hidroxônio

SO422(aq) íons sulfato

Observação: Só uma parte das moléculas que sofreram a primeira etapa de ionização sofrerá a segunda etapa.

Com base nesse raciocínio, a ionização total do H3PO4 pode ser equacionada por: H3PO4(ℓ)

3 H2O(ℓ)

ionização global

3 H3O1(aq) íons hidroxônio

PO432(aq) íons fosfato

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Força de um ácido Se a solução de um ácido A conduz a corrente elétrica melhor que a de um ácido B, é porque a solução de A contém, em um mesmo volume, uma quantidade de íons maior que a de B. Constata-se experimentalmente que, em idênticas condições (mesma quantidade de moléculas de ácido e de água, temperatura, etc.), o ácido clorídrico conduz melhor a corrente elétrica que o ácido acético, portanto sua ionização produz um número de íons maior que a ionização do ácido acético, isto é, o HCℓ tem grau de ionização maior. Dizemos, então, que o ácido clorídrico é mais forte que o ácido acético. A força de um ácido está relacionada com sua condutibilidade elétrica, a qual é decorrente da porcentagem de moléculas do ácido que ioniza.

Grau de ionização (α) A equação de ionização total de um ácido indica quantos íons se formam para cada molécula de ácido. No entanto, não são todas as moléculas de ácido que, dissolvidas em água, fornecem íons. Ou seja, o fato de a solução aquosa de ácido clorídrico apresentar condutibilidade maior do que a de ácido acético (presente no vinagre), sob mesmas condições, indica que o ácido clorídrico está mais ionizado, isto é, tem maior porcentagem de ionização. Supondo que 100 moléculas de um ácido – genericamente representado por HA – sejam colocadas em água e somente 80 liberem íons, teríamos então: H2O

H3O1

excesso

(80)

(ionizam-se)

(íons formados)

Das 100 moléculas, 80 sofreriam ionização, originando 80 íons H3O1 e 80 íons A2. Ficariam sem se ionizar 20 moléculas, que continuariam na forma HA. Dizemos que, nesse caso, o grau de ionização – representado pelo símbolo α – foi de 80%: α5

no de moléculas que se ionizam 80 ⇒ α 5 0,8 ou α 5 80% ⇒ α 5 o n de moléculas inicialmente dissolvidas em água 100

O grau de ionização pode ser expresso em número decimal ou em porcentagem. Um ácido será tanto mais forte quanto Força de ácidos e condutibilidade maior for seu grau de ionização. Simplificadamente, podemos dizer que: ▸ são ácidos fortes aqueles com α 5 50%. Exemplos: ácido perclórico (HCℓO 4), ácido nítrico (HNO3), ácido sulfúrico (H2SO4), ácido iodídrico (HI), ácido bromídrico (HBr), ácido clorídrico (HCℓ); ▸ são ácidos fracos aqueles com α , 5%. Exemplos: ácido carbônico (H 2 CO3), ácido cianídrico (HCN), ácido acético (CH3COOH), ácido bórico (H3BO3); ▸ são ácidos moderados (ou médios) aqueles com grau de ionização intermediário, entre o dos ácidos fortes e o dos fracos, ou seja, 5% , α , 50%. Exemplos: ácido fosfórico (H3PO4), ácido oxálico (H2C2O4), ácido sulfuroso (H2SO3); ácido fluorídrico (HF). 150

luminosidade forte polo +

polo –

bateria

HCℓ(aq) ácido clorídrico

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

luminosidade fraca polo +

polo –

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Observação: O grau de ionização α de um ácido depende da temperatura e da quantidade da substância dissolvida na solução, aspecto que será aprofundado mais adiante em seu estudo de Química.

bateria

CH3COOH(aq) ácido acético

Duas soluções nas quais foi colocado o mesmo número de moléculas de HA por litro de solução conduzem corrente elétrica tanto melhor quanto maior for o grau de ionização. O ácido clorídrico é um ácido mais forte do que o ácido acético, sendo, portanto, melhor condutor de corrente elétrica.

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Força de um ácido e periculosidade Nem sempre a força de um ácido é indicativa de sua periculosidade. O ácido cianídrico (HCN), por exemplo, é uma substância extremamente tóxica, embora seja um ácido fraco (α 5 0,08). Ele foi utilizado por algum tempo, nos Estados Unidos, nas câmaras de gás para executar criminosos condenados à pena de morte. Em 2013, no incêndio de uma boate na cidade de Santa Maria (RS), o gás cianídrico foi o principal responsável pela morte de mais de 230 pessoas. A queima da espuma que recobria o teto do estabelecimento liberou esse gás, que intoxicou a maior parte das vítimas.

Alguns ácidos de importância comercial Excluída a água, o ácido sulfúrico é a substância mais empregada na indústria química. A quantidade desse ácido produzida pela indústria química de um país serve de indicador de seu índice de desenvolvimento econômico. Isso porque ele é matéria-prima para a fabricação de muitos materiais. Entre seus usos, podemos citar: ▸▸ a obtenção do ácido fosfórico, que, por sua vez, é empregado no preparo de detergentes e fertilizantes; ▸▸ o emprego na indústria de petróleo; ▸▸ a obtenção do sulfato de alumínio, Aℓ (SO ) , substância utilizada na indústria de papel 2 4 3 e no tratamento de água; ▸▸ a fabricação de baterias chumbo-ácido, usadas em veículos automotivos. Em solução concentrada, o ácido sulfúrico é um excelente desidratante, isto é, retira água do meio em que se encontra (por essa característica, dizemos que ele é higroscópico). Quando se acrescenta água ao ácido sulfúrico, há grande liberação de calor (processo exotérmico). O ácido sulfúrico concentrado, em contato com a pele, provoca sérias queimaduras. Isso explica por que se devem tomar cuidados especiais ao preparar uma solução aquosa mais diluída a partir dele: ▸▸ usar equipamento de proteção individual adequado (avental de mangas compridas, luvas de látex e óculos de proteção); ▸▸ nunca adicionar água ao ácido, e sim adicionar o ácido à água, lentamente e com agitação constante – a quantidade de calor liberada é proporcional à quantidade de ácido. A água ajuda a dispersá-lo. Por isso, é necessário garantir que, o tempo todo, a água esteja presente em maior quantidade.

Ácido nítrico: HNO3(aq)

©SHUTTERSTOCK/SARKA

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Ácido sulfúrico: H2SO4(aq)

O HNO3 é usado para fabricar fertilizantes, explosivos, corantes, derivados plásticos, nitrocelulose (substância usada em plásticos, revestimentos, filmes fotográficos, tintas, adesivos, etc.). Trata-se de uma substância volátil, tóxica e oxidante. Agricultor aplica mistura de fertilizante em plantação. A manipulação desse tipo de composto requer o uso de equipamentos de proteção individual (EPI), como óculos de proteção, luvas (como na foto ao lado), máscara, botas, etc., para evitar possíveis danos à saúde. Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Ácido clorídrico: HCℓ(aq)

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As soluções aquosas concentradas de ácido clorídrico, HCℓ(aq), são extremamente corrosivas e, por isso, devem ser manuseadas com cuidado. O cloreto de hidrogênio, HCℓ(g), é um gás corrosivo que irrita o sistema respiratório e, por essa razão, deve ser manuseado com equipamentos de proteção individual. Se inalado em grandes quantidades, pode causar o estreitamento dos bronquíolos, levando ao acúmulo de líquido nos pulmões e, eventualmente, à morte. O ácido clorídrico contendo impurezas é vendido no comércio com o nome de ácido muriático. É usado na limpeza de pedras e pisos, especialmente para remover resíduos de cimento ao término de obras de construção. Esse ácido também está presente no suco gástrico e tem papel importante no processo digestório. Quando em excesso no estômago, provoca a sensação de azia e queimação (hiperacidez estomacal). Porém, a carência de ácido clorídrico no suco gástrico, aliada a outros fatores, pode tornar a digestão mais lenta.

O excesso de acidez no estômago causa azia e queimação. O humor da tira se cria por uma troca: se uma cotação de quatro estrelas demonstraria a excelência da comida do quartel, a cotação de quatro tabletes de antiácido não deixa dúvidas sobre a falta de qualidade do lugar!

Atividades

Não escreva neste livro.

1. Se colocarmos 5 ? 105 moléculas de H3PO4 em água, constataremos que somente por volta de 1,35 ? 105 sofrem ionização. a) Qual é o grau de ionização do H3PO4? b) Como se pode classificar esse ácido quanto à força? 2. Após a ionização completa da molécula de um ácido HxA, obtêm-se ânions Ax2. O que se pode concluir sobre o número de hidrogênios ionizáveis do ácido? 3. A solução aquosa de ácido perclórico, HCℓO4(aq), é boa condutora de corrente elétrica. Como se comporta o HCℓO4(ℓ) em relação à condutibilidade elétrica? Justifique. 4. Como poderemos diferenciar um ácido forte de um fraco, experimentalmente? 5. Praticamente não há moléculas de cloreto de hidrogênio (HCℓ) em certa solução de ácido clorídrico diluída. Justifique esse fato.

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Bases ou hidróxidos O principal constituinte da soda cáustica, material vendido no comércio para desentupir encanamentos obstruídos por gordura, é o hidróxido de sódio, NaOH. Essa substância pertence à função base ou hidróxido. São outros exemplos de base: ▸▸ hidróxido de potássio, KOH, comercialmente chamado de potassa; ▸▸ hidróxido de cálcio, Ca(OH) , conhecido como cal extinta ou cal hidratada – é obtido 2

por adição de água à cal e empregado em construções; ▸▸ hidróxido de alumínio, Aℓ(OH) , e hidróxido de magnésio, Mg(OH) , usados como 3

antiácidos.

Preste atenção nas fórmulas desses compostos. Com o que estudamos até aqui, você pode deduzir algumas das propriedades das bases. Que generalizações podem ser feitas sobre as bases ou hidróxidos, segundo o conceito de Arrhenius? Observe a tabela abaixo.

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Características de algumas bases Nome

Fórmula

Natureza

Estado físico (a 25 oC, 1 atm)

hidróxido de sódio

NaOH

iônico

sólido

hidróxido de potássio

KOH

iônico

sólido

hidróxido de cálcio

Ca(OH)2

iônico

sólido

hidróxido de alumínio

Aℓ(OH)3

iônico

sólido

Entre as bases da tabela acima: ▸▸ todas são sólidas, o que é compatível com o fato de serem iônicas nas condições

ambientes; ▸▸ todas têm o ânion OH2 (hidróxido).

Conceito de base de Arrhenius Considerando a teoria da dissociação iônica de Arrhenius, podemos afirmar que bases são compostos que, em solução aquosa, fornecem um único tipo de ânion: o OH2, chamado de hidróxido ou hidroxila. O processo de dissociação iônica é o que ocorre com as bases ao serem colocadas em água; o meio formado como resultado dessa dissolução (total ou parcial) é, portanto, eletrolítico. A dissociação iônica do hidróxido de sódio, uma base bastante solúvel em água, é representada por:

Na1OH2(s) hidróxido de sódio

H2O

Na1(aq)

íons sódio

OH2(aq) íons hidróxido

Pelo fato de se dissolver bem em água, a solução de hidróxido de sódio é boa condutora de corrente elétrica. As bases dos demais metais alcalinos (grupo 1), todas bastante solúveis em água, e as de alguns metais alcalinoterrosos (grupo 2), embora menos solúveis que as dos metais alcalinos – como o Ba(OH)2 e o Ca(OH)2 –, são outros exemplos de bases que conduzem bem a corrente elétrica em solução aquosa. Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Algumas bases de importância comercial Hidróxido de amônio: NH4OH

Ao contrário das demais bases – sólidos iônicos que sofrem dissociação em água liberando OH2 –, a solução conhecida comercialmente com o nome de amoníaco é obtida pela dissolução de NH3(g), amônia ou gás amoníaco, em água. A amônia é um gás extremamente irritante e corrosivo, podendo causar sérios danos às vias respiratórias se for inalado. δ1

1 H H N H H

O H

H2O(ℓ)

NH14 (aq)

OH2(aq)

água

íons amônio

δ1

δ2 δ1

δ2

H O H

NH3(g)

δ1

H amônia

íons hidróxido

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) que aparecem na equação química indicam que as reações são As duas setas ( reversíveis, isto é, alguns dos íons formados voltam a reagir, tornando a formar NH3(g) e água. O hidróxido de amônio, uma base, é muito usado: ▸▸ na preparação de fertilizantes agrícolas; ▸▸ como matéria-prima na obtenção de ácido nítrico; ▸▸ no preparo de produtos de limpeza; ▸▸ como gás refrigerante, atualmente empregado apenas em grandes indústrias.

Hidróxido de sódio: NaOH Esta é uma das bases mais empregadas; comercialmente, é vendida com o nome de soda cáustica. Sua manipulação requer cuidados especiais e equipamentos de proteção individual porque se trata de uma substância corrosiva e desidratante, ou seja, higroscópica, que atrai as moléculas de água. É usada na indústria téxtil, de papel e na preparação de sabões e detergentes, por exemplo. SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Atenção! O NaOH é corrosivo.

O hidróxido de sódio ataca a pele, o vidro e alguns metais.

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Força das bases O hidróxido de amônio é impropriamente representado por NH4OH, pois, na verdade, não há como isolar uma substância que apresente essa composição. Em solução aquosa de gás amoníaco, NH3(aq), a porcentagem de moléculas que reagem com a água e formam íons NH14 (aq) e OH2(aq) é pequena. Por isso, o hidróxido de amônio é considerado uma base fraca, isto é, tem grau de ionização baixo. Por simplificação, costuma-se representar o hidróxido de amônio por NH3(aq) ou NH4OH(aq). Fique atento, porém, ao fato de não existir NH4OH(puro), isto é, sem a presença de água. Com exceção do hidróxido de amônio, NH4OH, que é uma base fraca e bastante solúvel em água, as demais bases têm sua força vinculada à solubilidade em água, ou seja, as bases bastante solúveis são fortes e as pouco solúveis são fracas. ▸ Bases fortes Bases de metais do grupo 1: hidróxido de lítio, LiOH; hidróxido de sódio, NaOH; hidróxido de potássio, KOH; hidróxido de rubídio, RbOH; hidróxido de césio, CsOH. As bases do grupo 1 são as mais fortes por serem bastante solúveis em água. Bases de metais do grupo 2: hidróxido de cálcio, Ca(OH)2; hidróxido de estrôncio, Sr(OH)2; hidróxido de bário, Ba(OH)2. ▸ Bases fracas A maioria das bases é fraca; excetuam-se os hidróxidos dos metais dos grupos 1 e 2. Exemplos de bases fracas: hidróxido de chumbo(II), Pb(OH)2; hidróxido de zinco, Zn(OH)2; hidróxido de ferro(III), Fe(OH)3; hidróxido de cádmio, Cd(OH)2; hidróxido de níquel(II), Ni(OH)2; hidróxido de amônio, NH4OH (fraca devido ao baixo grau de ionização do NH3). Observações: • Todas as bases são sólidas nas condições ambientes (têm alta temperatura de fusão), com exceção do hidróxido de amônio. • É frequente usarmos a expressão solução alcalina para fazer referência a uma solução básica. Ou seja, os termos base, hidróxido e álcali são sinônimos.

Atividades As questões de 1 a 3 referem-se ao hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, e ao hidróxido de amônio, NH4OH. 1. Ambos são considerados bases. Por quê? 2. Quando testamos a condutibilidade elétrica de soluções produzidas com a mesma quantidade de hidróxido de cálcio e de hidróxido de amônio, notamos uma diferença na intensidade de luz emitida pela lâmpada do equipamento. Explique a razão dessa diferença. 3. Represente em seu caderno, na forma de equação, a dissociação da base forte em água. Considere as fórmulas dos compostos a seguir para resolver os exercícios de 4 a 6.

H3C — O — H

Aℓ(OH)3

(1)

(2)

4. De acordo com Arrhenius, qual deles representa uma base? 5. Explique como você concluiu que um dos compostos não pode ser base, ainda de acordo com Arrhenius. 6. Um dos compostos é líquido nas condições ambientes. Qual é? Explique como chegou a essa conclusão.

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Quando pensamos em representantes dessa função, com frequência nos vem à mente o sal de cozinha, formado, principalmente, por cloreto de sódio, NaCℓ. Mas existem muitos outros sais, como o carbonato de cálcio, CaCO3, presente no mármore; o sulfato de bário, BaSO 4, sal praticamente insolúvel em água e usualmente ingerido para agir como contraste em radiografias do sistema digestório; o sulfato de cálcio, CaSO4, substância presente no giz; o nitrato de potássio, KNO3, usado como fertilizante; o fosfato de cálcio, Ca 3(PO 4)2, também usado como fertilizante; além de outros, como os sais presentes na foto ao lado.

CoCℓ2 ? H2O CuSO4 ? 5 H2O

Ni(NO2)2 ? 6 H2O

CrCℓ 3 ? 6 H2O

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/MARTYN F. CHILLMAID

Sais

FeCℓ 3 ? 6 H2O

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Conceito de sal Considerando a teoria da dissociação iônica de Arrhenius, podemos afirmar que sais são compostos iônicos que têm pelo menos um cátion proveniente de uma base e um ânion proveniente de um ácido. No sulfato de bário, BaSO4, por exemplo, pode-se considerar que o bário é proveniente do hidróxido de bário, Ba(OH)2, e o sulfato é proveniente do ácido sulfúrico, H2SO4.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ALAIN POL, ISM

Você pode observar que os sais são substâncias sólidas nas condições ambientes e podem ter colorações diferentes. Alguns apresentam moléculas de água em sua estrutura, sendo chamados de sais hidratados, como os da imagem acima.

Radiografia do sistema digestório: o sulfato de bário foi usado como contraste. A cor laranja se deve à interação do organismo com a substância sulfato de bário.

Sais utilizados na alimentação Sal refinado, sal light e salgante são alguns dos sais utilizados como ingredientes na culinária. Você sabe qual é a diferença entre eles? O sal refinado, também conhecido como sal de cozinha, pode ser obtido pela evaporação da água do mar, seguida de um processo de refinamento que elimina impurezas, adicionando-se, então, substâncias que deixam os grãos mais “soltos”. Enquanto a composição do sal de cozinha é, principalmente, cloreto de sódio (NaCℓ), o sal light apresenta 50% de cloreto de sódio e 50% de cloreto de potássio (KCℓ); seu sabor é mais suave que o do sal refinado, e ele é utilizado por algumas pessoas para diminuir o consumo de sódio, associado à hipertensão e a doenças cardiovasculares, entre outras. O salgante não possui cloreto de sódio; sua composição é principalmente cloreto de potássio. Esse sal deixa um sabor residual amargo na boca e não é recomendado para pessoas com problemas renais ou que consumam medicamentos que retêm potássio.

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O que é neutralização? Para aumentar a confiança do consumidor em um produto, um dos recursos das propagandas é usar termos da área das ciências ou da medicina. Assim, é possível que você já tenha visto propagandas – principalmente de certos medicamentos e de xampus – em que se emprega a expressão neutralizar a acidez. Essa expressão se refere, nesses contextos, a uma propriedade das bases: a de reagir com ácidos formando água. Se a água do sistema for totalmente evaporada, obteremos um sal como resíduo. Assim, podemos dizer que sais são compostos que podem ser obtidos pela reação de neutralização entre um ácido e uma base seguida da evaporação da água do sistema. Observe atentamente algumas equações químicas que representam reações de neutralização:

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NaOH(aq)

HCℓ(aq)

NaCℓ(aq)

hidróxido de sódio cátion: Na1

ácido clorídrico ânion: Cℓ2

cloreto de sódio Na1Cℓ2

água

(base)

(ácido)

(sal)

(água)

H2O(ℓ)

A água produzida na reação resulta da união dos íons H1, provenientes do ácido, com os íons OH2, fornecidos pela base. Observe agora a equação a seguir, em que se obtêm 2 moléculas de H2O para cada conjunto iônico do sal formado:

2 HNO3(aq)

Ba(NO3)2(aq)

hidróxido de bário

ácido nítrico

nitrato de bário

água

(base)

(ácido)

(sal)

(água)

dissociação iônica

ionização

dissociação iônica

BaOH2(aq)

Ba21 1 2 OH2

2 H1 1 2 NO23

Ba21 1 2 NO23

2 OH2

2 H1

2 H2O

1 2 H2O(ℓ)

2 H2O

A proporção 2 : 2 equivale à proporção 1 : 1, o que quer dizer que para cada ânion OH2 há necessidade de um cátion H1. Assim, a equação iônica que melhor representa a neutralização de um ácido por uma base é:

OH2(aq)

H1 (aq)

H2O(ℓ)

A neutralização, o pH e os indicadores Em propagandas de produtos de higiene e beleza, também é comum o emprego do termo pH com a intenção de dar credibilidade ao que se diz sobre o produto. Mas o que é pH? Podemos dizer, de modo simplificado, que pH é uma “medida” da acidez ou basicidade (alcalinidade) de um meio. Cada valor de pH está associado a certa concentração de íons H1(aq), ou seja, à quantidade desses íons por unidade de volume de solução. Nas condições ambientes (25 °C e 1 atm), o pH 5 7 indica que o meio é neutro; valores abaixo de 7 indicam que o meio é ácido (quanto mais baixo é o valor do pH, mais ácido é o meio), e valores acima de 7 indicam que o meio é alcalino (quanto maior é o valor de pH, mais básico é o meio). Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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O pH pode ser medido por meio de um aparelho (peagâmetro) ou pela análise das cores de tiras de papel poroso contendo um pigmento sensível à concentração de íons hidrogênio (os já mencionados indicadores ácido-base). Cada tom de cor do papel corresponde a determinado pH. ...

meio ácido

neutro

...

meio básico

Escala de pH indicando as faixas correspondentes ao meio ácido e ao meio básico e o valor correspondente ao meio neutro.

DIVULGAÇÃO PNLD

Fita indicadora universal com o padrão de cores correspondente aos valores de pH desse indicador. Qual valor você observa ao testar o pH do pedaço de laranja?

Teste de pH de um pedaço de laranja utilizando a fita indicadora universal. Note que o resultado indica que o meio é ácido.

Em pH 5 7,0, a concentração de íons H1(aq) é igual à concentração de íons OH2(aq). Se um meio é ácido (pH , 7,0), isso quer dizer que a concentração de íons H1(aq) é maior que a de OH2(aq). Quanto maior é essa diferença, mais ácido é o meio e menor o valor de pH. Quando é acrescentada uma base – que fornece íons OH2(aq) – a uma solução ácida, os íons H1 são total ou parcialmente neutralizados, o que faz o valor do pH aumentar:

H1(aq) 1 OH2(aq)

H2O(ℓ)

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Observe a seguir a ilustração de um experimento realizado com uma solução aquosa de hidróxido de sódio, usando fenolftaleína como indicador, à qual se acrescentam gradativamente gotas de ácido clorídrico. A reação de neutralização que ocorre provoca uma repentina mudança na coloração do líquido, que passa de rosa a incolor, quando o pH chega a 8 (meio básico). Essa mudança visual é chamada de viragem do indicador.

Cores fantasia, sem escala.

gotas de HCℓ(aq) NaOH(aq) 1 fenolftaleína coloração rósea

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incolor NaCℓ(aq) 1 fenolftaleína

A presença de fenolftaleína na solução aquosa de hidróxido de sódio faz o líquido adquirir coloração rósea. A adição de solução aquosa de ácido clorídrico altera o pH do meio, fazendo com que o líquido passe a ser incolor.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões Química e saúde – A reação de neutralização e o tabagismo Ao longo do tempo, a indústria tabagista tem usado alguns recursos para que as pessoas se tornem mais rapidamente dependentes do cigarro. Vamos refletir sobre alguns deles, com base na leitura de dois fragmentos de matérias veiculadas pela imprensa. Cigarro é mais viciante que cocaína e heroína, diz relatório BRASÍLIA – Relatório preparado pela organização de controle do tabagismo Campanha Crianças Livres do Tabaco (CTFK) lançado nesta terça-feira, 2 [de setembro de 2014], no Brasil, mostra que cigarros r

estão mais viciantes e perigosos. Feito a partir da análise de pesquisas científicas e de documentos fornecidos pela indústria do tabaco, o trabalho afirma ser mais fácil tornar-se dependente de cigarro do que de cocaína e de heroína. A mudança, afirma o documento, é resultado de estratégia adotada pelas companhias. Ao longo dos últimos 50 anos, assegura o relatório, os produtos passaram a apresentar um teor maior de nicotina, tiveram a inclusão em sua fórmula de amônia e açúcares, que aumentam seu efeito e tornam a fumaça mais fácil de ser inalada. [...]

DIVULGAÇÃO PNLD

Documentos reunidos no relatório mostram que os teores de nicotina dos cigarros aumentaram 14,5% entre 1999 e 2011. [...] Pesquisadores afirmam no trabalho que a amônia acrescentada ao tabaco aumenta a velocidade com que a nicotina chega ao cérebro e a sua absorção, o que torna a sensação de prazer mais rápida e mais intensa. A amônia também torna a fumaça do cigarro mais suave, o que facilita a sua inalação pelos pulmões.

[...] De acordo com o trabalho, apesar de fumarem menos, tanto homens quanto mulheres têm um risco muito maior de desenvolver câncer de pulmão e doença pulmonar obstrutiva crônica do que em 1964, quando foi divulgado o primeiro relatório produzido pelo governo americano sobre o impacto do tabagismo na saúde. [Um dos autores do relatório, o professor David Burns] criticou a suspensão no Brasil da resolução da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa) que proibia a adição de produtos que conferissem sabor para os cigarros. “Companhias usam os aditivos para aumentar o número de vendas, para atrair jovens e evitar que pessoas abandonem o tabagismo”, disse. FORMENTI, Lígia. O Estado de S. Paulo, 2 set. 2014. Disponível em: <http://saude.estadao.com.br/noticias/geral,cigarro-e-mais-viciante-quecocaina-e-heroina-diz-relatorio,1553676>. Acesso em: 16 dez. 2015.

Açúcar e amônia podem sair da composição do cigarro [...] A 4ª Conferência das Partes (COP4) da Convenção para Controle do Tabaco, organizada pela Organização Mundial da Saúde [...] traz como um dos destaques de sua agenda uma discussão que vem tirando o sono – e ameaçando o bolso – de produtores de tabaco e cigarreiras: a retirada de aditivos, principalmente o açúcar e a amônia, da lista de componentes do cigarro [...]. Maior exportador de tabaco do mundo, o Brasil envia para o exterior cerca de 675 toneladas de fumo por ano [...]. Desse montante, 15% são de tabaco tipo burley, uma qualidade do fumo mais amarga que precisa da adição de até 10% de açúcar para se tornar palatável ao consumidor. “Isso é feito com os olhos voltados ao público jovem, que começa a fumar cada vez mais cedo [...]. [...] O segundo aditivo na mira da Convenção, a amônia, pode potencializar em até cem vezes os efeitos viciantes da nicotina no organismo. “Esse produto é usado com o único objetivo de deixar o consumidor viciado o mais cedo possível”, diz o pneumologista Sérgio Ricardo Santos. Com a eventual retirada desses componentes da formulação do cigarro, espera-se que o produto se torne menos atrativo ao jovem e que haja uma diminuição nos danos causados à saúde do fumante. YARAK, Aretha. Veja, São Paulo, 16 nov. 2010. Disponível em: <http://veja.abril.com.br/noticia/saude/ acucar-e-amonia-podem-sair-da-composicao-do-cigarro/>. Acesso em: 17 dez. 2015.

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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1. Qual é a fórmula da amônia? Que caráter tem a solução dessa substância em água? 2. Ambos os textos afirmam que a adição de amônia ao tabaco tem relação com o processo pelo qual o fumante se torna dependente do cigarro. Levando em conta que, no Brasil, o solo é, em geral, ácido, explique por que essa adição tem colaborado para aumentar o número de dependentes do cigarro. 3. Por que os jovens estão no centro das discussões do encontro internacional organizado pela Organização Mundial da Saúde? 4. De acordo com o primeiro texto, os cigarros estão mais viciantes e perigosos como resultado de “estratégia adotada pelas companhias”. Um assunto como esse, sério e que tem impacto em nossa vida, exige que as pessoas se posicionem e, para isso, é preciso ter informações. Então pesquise em fontes confiáveis e registre os dados mais importantes: a) Que riscos à saúde o cigarro representa, independentemente da adição de açúcar e amônia? b) Quem pode fumar no Brasil e em que locais? c) Quais são as restrições em relação à propaganda desse produto? 5. Agora dê sua opinião: levando em conta a responsabilidade social das empresas, o que você pensa sobre a estratégia comercial de tornar o cigarro mais viciante? Justifique seu ponto de vista com argumentos.

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6. No Brasil, vem ocorrendo o endurecimento das leis contra o uso e a publicidade de cigarros. Por exemplo, as embalagens de cigarro devem conter advertências sobre os males que esse produto pode causar à saúde. Veja o que diz sobre isso um especialista em propaganda e marketing: “Esse tipo de aviso nas embalagens é feito para o não fumante e reforça algo que todos sabem, inclusive o fumante. Quem fuma não o faz por desconhecer os riscos à saúde ou porque tem expectativa de que o cigarro irá fazer bem, mas porque é um vício. [...]”, explica o professor Marcelo Pontes [...] da Escola Superior de Propaganda e Marketing (ESPM). BÜLL, Patrícia. Indústria tabagista segue em alta, apesar de mais restrições. Disponível em: <http://brasileconomico.ig.com.br/brasil/economia/2015-04-14/ industria-tabagista-segue-em-alta-apesar-de-mais-restricoes.html>. Acesso em: 18 dez. 2015.

Comente a opinião de Marcelo Pontes, relacionando-a com a presença de açúcar e amônia nos cigarros. 7. Muitas famílias de pequenos proprietários rurais e de trabalhadores rurais sobrevivem da plantação do tabaco. Proponha alternativas que o governo e a sociedade podem adotar para que essas pessoas sobrevivam dignamente, caso a produção de tabaco seja reduzida.

A reação de neutralização e os tipos de sal Considere as duas possibilidades de neutralização do ácido sulfúrico, H2SO4(aq) – que é um diácido, isto é, um ácido constituído por 2 átomos de hidrogênio ionizáveis –, por hidróxido de potássio, KOH(aq):

H2SO4(aq)

KOH(aq)

ácido sulfúrico

hidróxido de potássio

HHSO4(aq)

KOH(aq)

H2SO4(aq)

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2 KOH(aq)

ácido sulfúrico

hidróxido de potássio

HHSO4(aq)

KOH(aq) 1 KOH(aq)

neutralização parcial

KHSO4(aq)

hidrogenossulfato de potássio (hidrogenossal) neutralização total

K2SO4(aq) sulfato de potássio (sal normal)

H2O(ℓ) água

2 H2O(ℓ) água

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Se ácido sulfúrico e hidróxido de potássio reagirem na proporção de 1 : 1, apenas um dos hidrogênios ionizáveis do ácido será neutralizado. Genericamente, o tipo de sal formado é chamado de hidrogenossal, por ainda conter hidrogênio ionizável. Quando ocorre a neutralização total, como acontece na segunda possibilidade, há a formação de um sal que pode ser classificado como sal normal. De modo semelhante, vamos analisar o que ocorre quando uma dibase, isto é, uma base que apresenta duas hidroxilas, como o hidróxido de cálcio, Ca(OH)2(aq), reage com um ácido como o ácido clorídrico, HCℓ(aq). Se essas substâncias reagirem na proporção de 1 : 1, teremos um sal com o íon hidroxila.

Ca(OH)2(s)

hidróxido de cálcio

HCℓ(aq) ácido clorídrico

neutralização total

Ca(OH)Cℓ(aq) 1

H2O(ℓ)

hidroxicloreto de cálcio (hidroxissal)

água

Ca(OH)(OH)

DIVULGAÇÃO PNLD

Isso porque somente um dos grupos hidróxido foi neutralizado. Quando o sal apresenta íon(s) hidroxila(s) em sua composição, ele é classificado como hidroxissal. De forma análoga ao que ocorre com o ácido sulfúrico, pode acontecer a neutralização total dos íons hidroxila:

Ca(OH)2(s) hidróxido de cálcio

2 HCℓ(aq)

CaCℓ 2(aq)

ácido clorídrico

cloreto de cálcio (sal normal)

1 2 H2O(ℓ) água

Ca(OH)(OH) Com base nas diversas possibilidades de neutralização, vamos classificar os principais tipos de sal. ▸▸ Sais normais são aqueles que podem ser obtidos pela neutralização total de um ácido

por uma base. Eles não contêm grupo OH2 ou H1. Exemplos: sulfato de potássio, K2SO4; fosfato de bário, Ba3(PO4)2; carbonato de cálcio, CaCO3. ▸▸ Hidrogenossais são aqueles que têm um só tipo de cátion e cujo ânion contém um ou

mais hidrogênios ionizáveis. Os hidrogenossais formam-se quando apenas parte dos H ionizáveis de um poliácido é neutralizada por uma base. Exemplos: hidrogenossulfato de potássio, KHSO4; monoidrogenofosfato de bário, BaHPO4; hidrogenocarbonato de sódio, NaHCO3. Antigamente, os hidrogenossais também eram chamados de sais ácidos, expressão que pode sugerir que suas soluções são ácidas, o que não é verdadeiro. Por isso, essa nomenclatura deve ser evitada. O NaHCO3, hidrogenocarbonato de sódio, às vezes é chamado de carbonato ácido de sódio, no entanto sua solução tem caráter básico (ainda utilizado por muitos como antiácido estomacal). O NaHCO3 é comercializado também com o nome de bicarbonato de sódio.

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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▸▸ Hidroxissais são aqueles que têm um só tipo de cátion e cujo ânion contém uma ou mais

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

hidroxilas. Exemplos: hidroxicloreto de cálcio, Ca(OH)Cℓ; di-hidroxinitrato de alumínio, Aℓ(OH)2NO3; hidroxissulfato de ferro(III), Fe(OH)SO4.

O monoidrogenocarbonato de sódio ou bicarbonato de sódio (NaHCO3) é um sal muito utilizado na culinária, na confecção de pães e bolos. O fato de o NaHCO3 ter caráter básico explica por que ainda hoje algumas pessoas o utilizam para combater a azia. Repare que no rótulo de uma embalagem de sal, à direita, é mencionado o combate à acidez. (Vale lembrar que quem tem episódios frequentes de azia ou dor de estômago deve consultar um médico, e não se automedicar.) ▸▸ Sais duplos são aqueles em que os cátions correspondem aos de duas bases ou em

que os ânions correspondem aos de dois ácidos. – Sais duplos quanto ao cátion:

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⎧ bases: NaOH e KOH

NaKSO4

NaKSO4 ⎨

sulfato duplo de sódio e potássio

⎩ ácido: H2SO4

– Sais duplos quanto ao ânion:

⎧ base: Ca(OH)2

CaCℓBr

CaBrCℓ ⎨

cloreto brometo de cálcio

⎩ ácidos: HBr e HCℓ

Em qualquer um dos casos estudados, o total de cargas correspondente à fórmula do sal é zero, como podemos ver no quadro abaixo. Cargas presentes nos diversos tipos de sal Sal

Total de cargas positivas

Total de cargas negativas

Soma das cargas

normal Ca2P2O7

Ca21

P2O42 7

14 1 (24) 5 0

Ca21

H2P2O22 7

12 1 (22) 5 0

OH2

SO422

pirofosfato de cálcio

hidrogenossal CaH2P2O7 di-hidrogenopirofosfato de cálcio

hidroxissal Fe(OH)SO4

hidroxissulfato de ferro(III)

sal duplo

KMgF3 fluoreto de magnésio e potássio

162

11 13

13 1 (23) 5 0

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Nomenclatura de ácidos, bases e sais Agora que você já estudou ácidos, bases e sais, vamos começar a dar os nomes de alguns deles. Para nomear os ácidos, utilizamos a seguinte estrutura: ácido (nome do ânion com a terminação alterada) Terminação

Exemplos

Ânion

Ácido

Ânion

Ácido

-eto

-ídrico

S (sulfeto)

H2S (ácido sulfídrico)

-ato

-ico

BO32 (borato) 3

H3BO3 (ácido bórico)

-ito

-oso

NO22 (nitrito)

HNO2 (ácido nitroso)

Hidrácidos

não contém oxigênio em sua composição

nome: ácido ... ídrico

Oxiácidos

contém oxigênio em sua composição

nome: ácido ... ico ou oso

A nomenclatura de oxiácidos de fósforo e enxofre apresenta uma pequena variação em relação à dos outros oxiácidos. Observe a tabela.

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

Ácidos

Exemplos Ânion

Ácido

SO (sulfato)

H2SO4 (ácido sulfúrico)

22 4

SO (sulfito)

H2SO3 (ácido sulfuroso)

PO432 (fosfato)

H3PO4 (ácido fosforoso)

PO (hipofosfito)

H3PO2 (ácido hipofosforoso)

22 3

32 2

Para nomear as bases, utilizamos a seguinte estrutura: hidróxido de

(nome do cátion)

Se o cátion for de um elemento que pode apresentar várias cargas, indica-se a carga (ou valência) do cátion em algarismos romanos. Por exemplo: Elemento Ferro

Cátion

Fórmula (base)

Nome (base)

Fe(OH)2

hidróxido de ferro(II)

Fe(OH)3

hidróxido de ferro(III)

Para nomear os sais, utilizamos a seguinte estrutura: (nome do ânion)

O H2SO4 praticamente puro é um líquido viscoso (observe o conteúdo do béquer), bem diferente do sal Na2SO4 anidro, que é derivado desse ácido, um sólido cujos cristais são brancos, como se pode observar à esquerda na foto acima.

(nome do cátion)

Suponha que se queira saber qual é o nome do composto K3PO4. Consultando a tabela de cátions e ânions, temos:

⎧ ⎨ ⎩

K3PO4 ânion: PO432 (orto)fosfato potássio (orto)fosfato de potássio cátion: K1 No caso de o cátion poder apresentar várias cargas (valências), usam-se algarismos romanos para indicá-las. Observe os exemplos: Metal Cobre

Cátion

Ânion

Sal

Nome

22 4

Cu2SO4

sulfato de cobre(I)

22 4

CuSO4

sulfato de cobre(II) Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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Atividades Consulte a tabela de cátions e ânions do final do livro para resolver as questões. Sempre que julgar necessário, examine também a Tabela Periódica.

b) O sulfato de amônio é muito utilizado como fertilizante, pois, além de ser fonte de nitrogênio, corrige o pH do solo.

1. Entre os ácidos de importância industrial, podemos mencionar:

c) O sulfato de alumínio é um sal presente na composição de alguns papéis; esse sal é o responsável pelo amarelamento do papel.

I. o ácido clorídrico: o principal componente da mistura vendida sob o nome comercial de ácido muriático; II. o ácido nítrico: sua solução é bastante corrosiva; quando misturado ao ácido clorídrico, é capaz de reagir com o ouro, metal pouco reativo; III. o ácido fosfórico: usado como conservante de refrigerantes do tipo cola;

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IV. o ácido sulfúrico: substância que se dissolve em água com liberação de calor – por isso as soluções aquosas dessa substância precisam ser preparadas com uma série de precauções. Para os quatro ácidos acima mencionados: a) escreva a fórmula molecular; b) dê o nome e a carga dos ânions obtidos pela ionização total desses ácidos. 2. Considere as bases mencionadas abaixo e escreva a fórmula de cada uma delas. a) Hidróxido de sódio: importante em processos industriais, como a fabricação de papel; b) Hidróxido de cobre(II): pode ser usado na agricultura como fungicida; c) Hidróxido de ferro(II): usado em medicamentos veterinários para o tratamento da anemia provocada por deficiência de ferro.

d) O alquimista alemão Johann Rudolf Glauber (1604-1670) foi o responsável por obter, no século XVII, alguns sais muito empregados ainda hoje. É o caso do permanganato de potássio – muito usado em laboratório e em desinfecção de água e de vegetais – e do sulfato de sódio – muito empregado em vários processos industriais, inclusive no chamado processo Kraft (fabricação de papel a partir da polpa da madeira), em medicamentos, etc. 5. A acidez do solo é prejudicial ao cultivo de plantas devido à diminuição da disponibilidade de nutrientes e ao surgimento de íons tóxicos às plantas, como o cátion alumínio (Aℓ31). A calagem – adição de cal – ou o uso de outros corretivos de acidez do solo são fundamentais para aumentar a produtividade e a eficiência de adubos. Considerando que um técnico analisou o pH de três amostras de solo distintas e obteve os resultados indicados a seguir, responda: em qual(is) amostra(s) será necessário o emprego de corretivos de acidez de solo? amostra 1 amostra 2 amostra 3

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3. Dê o nome das bases: a) Aℓ(OH)3: componente principal da gibbsita, uma das formas sob a qual o alumínio pode ser encontrado na natureza; b) Ni(OH)2: usada em baterias recarregáveis de níquel-cádmio; c) Ba(OH)2: pode ser usada para eliminar a acidez provocada por derramamentos de ácido. 4. Represente os cátions e os ânions que constituem os sais mencionados nos itens abaixo, procedendo como no item a. a) O acetato de alumínio é um sal que, em solução aquosa, é usado como antisséptico (desinfetante).

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3 4

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Escala de pH do indicador universal.

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Não escreva neste livro.

6. Leia o texto a seguir e responda às questões.

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Excesso de sal pode causar doenças cardiovasculares Apesar de ter papel importante no organismo e contribuir para um bom funcionamento do corpo, o consumo abusivo do sal de cozinha pode trazer problemas à saúde. O excesso de sódio, principal componente do sal de cozinha, está associado ao desenvolvimento da hipertensão arterial, de doenças cardiovasculares, renais e outras, que estão entre as primeiras causas de internações e óbitos no Brasil e no mundo. O sódio é responsável pela regulação da quantidade de líquidos que ficam dentro e fora das células. Quando há excesso do nutriente no sangue, ocorre uma alteração no equilíbrio entre esses líquidos. O organismo retém mais água, que aumenta o volume de líquido, sobrecarregando o coração e os rins, situação que pode levar à hipertensão. A pressão alta prejudica a flexibilidade das artérias e ataca os vasos, coração, rins e cérebro. Dados [...] do Ministério da Saúde revelam que 22,7% dos brasileiros já receberam diagnóstico de hipertensão. Por dentro, os vasos são cobertos por uma fina camada, que é lesionada quando o sangue circula com pressão elevada. Com isso, eles se endurecem e ficam estreitos, podendo entupir ou romper com o passar dos anos. O entupimento de um vaso no coração pode levar a um infarto [...]. No cérebro, o entupimento ou rompimento levam ao Acidente Vascular Cerebral (AVC), conhecido como derrame [...]. Nos rins, podem ocorrer alterações na filtração do sangue e até a paralisação dos órgãos. Portanto, evitar a ingestão excessiva de sal é uma medida simples que pode prevenir vários problemas graves de saúde. A recomendação de consumo máximo diário de sal pela Organização Mundial de Saúde (OMS) é de menos de cinco gramas por pessoa. O Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) revela, no entanto, que o consumo do brasileiro está em 12 gramas diários, valor que ultrapassa o dobro do recomendado. [...] Opção saudável Uma das maneiras mais práticas de diminuir o consumo de sódio é observar as informações nutricionais no verso das embalagens ao comprar alimentos industrializados. Se a quantidade for superior a 400 mg em 100 g do alimento, é considerado um alimento rico no nutriente, sendo prejudicial à saúde. É recomendável sempre escolher aquele que apresentar menos sódio. [...] Para contribuir com a diminuição do consumo de sódio, o Ministério da Saúde firmou um acordo com a indústria alimentícia pela redução gradual do teor de sódio em alimentos processados. Desde 2011, o Governo Federal fechou três termos de compromisso para que várias categorias de alimentos sejam produzidas com menos sódio. [...] Somados os três convênios, a previsão é de que até 2020, estejam fora das prateleiras mais de 20 mil toneladas de sódio. [...]. PORTAL BRASIL. Excesso de sal pode causar doenças cardiovasculares. Disponível em: <http://www.brasil.gov.br/saude/2012/11/excesso-de-sal-pode-causar-doencas-cardiovasculares>. Acesso em: 20 jan. 2016.

a) O trecho destacado no primeiro parágrafo do texto apresenta uma imprecisão do ponto de vista da Química. Reescreva o trecho, adequando-o. b) O texto menciona uma maneira de diminuir o consumo de sódio: observar a quantidade desse nutriente nas informações nutricionais que aparecem no rótulo de alimentos. Pesquise essa informação em diferentes alimentos presentes em sua casa e construa uma tabela com esses dados, identificando os alimentos ricos em sódio segundo o padrão adotado no texto. c) Em grupo de três ou quatro colegas, construa um painel, a ser apresentado na escola, sobre o consumo de sal e a saúde. Pesquisem em fontes confiáveis a importância do sal na alimentação (quando consumido moderadamente) e os prejuízos causados pelo consumo excessivo desse nutriente. Utilizem as informações coletadas por vocês e por seus colegas para responder ao item b. O painel deve ter textos curtos e claros, imagens com legendas explicativas e as fontes de pesquisa utilizadas.

Capítulo 7 Ácidos, bases e sais

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8 capítulo

Reações químicas: estudo qualitativo

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FOTOARENA/DUDA BAIRROS

Cerca de 280 mil toneladas de alimentos são comercializadas mensalmente na Companhia de Entrepostos e Armazéns Gerais de São Paulo (Ceagesp), em São Paulo (SP). Foto de 2015.

Para situá-lo Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • o que é equação química; • coeficientes de acerto das equações químicas; • método das tentativas de balanceamento das equações; • reações de síntese e decomposição; • condições para que reações envolvendo eletrólitos ocorram; • algumas reações químicas importantes em nossa vida.

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Há mais de dois séculos, o economista inglês Thomas Robert Malthus (1766-1824) analisou dados de produção e preço dos produtos e concluiu que, enquanto a disponibilidade de alimentos aumentava anualmente em progressão aritmética, a população mundial crescia, no mesmo período, em progressão geométrica. Se Malthus estivesse certo, de 1960 a 1970, por exemplo, a população teria pulado de cerca de 3 bilhões para 3 072 bilhões de pessoas! No entanto, em 1970, ela não chegava a 4 bilhões de indivíduos (<http://www.census.gov/population/international/ data/worldpop/graph_population.php>, acesso em: 29 fev. 2016). Isso porque, para esse economista, os meios de subsistência aumentariam numa progressão de 1 : 2 (em um ano), de 2 : 3 (no ano seguinte), de 3 : 4 (no ano seguinte), e assim por diante; enquanto isso, o número de habitantes da Terra aumentaria na proporção de 1 : 2 (em um ano), de 2 : 4 (no ano seguinte), de 4 : 8 (no ano seguinte), e assim por diante. Além de errar na projeção do crescimento populacional, Malthus não levou em conta a capacidade que a humanidade tem de gerar novas tecnologias para a produção de alimentos. Graças a essas novas tecnologias, que incluem o uso de fertilizantes e o desenvolvimento de sementes mais produtivas, a taxa de crescimento da produção de alimentos no mundo superou as previsões de Malthus.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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5/2/16 16:28

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[...] O Brasil está pronto para se tornar o principal fornecedor de produtos agrícolas capaz de atender a crescente demanda mundial, originada principalmente na Ásia. [...] As exportações agrícolas do Brasil desempenham um papel importante nos mercados internacionais. O Brasil é o segundo maior exportador agrícola mundial e o maior Plantação de café no município de Manhuaçu (MG). fornecedor de açúcar, suco de Foto de 2015. laranja e café. [...] Nos últimos vinte anos, o setor agrícola brasileiro cresceu rapidamente com base na produtividade, bem como na expansão e consolidação da fronteira agrícola nas regiões Centro-Oeste e Norte. Apesar de o mercado interno absorver a maior parte da produção agrícola, esse crescimento foi impulsionado principalmente pela expansão da produção de produtos destinados à exportação, especialmente soja, açúcar e aves. [...]

PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

Porém, isso não significa que toda a população mundial esteja bem alimentada. Segundo a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura – FAO (dados de 2015), cerca de 800 milhões de pessoas passam fome no mundo. Para resolver a questão, é preciso não apenas que as pessoas tenham dinheiro para comprar alimentos, mas que os alimentos sejam produzidos em quantidade suficiente e adequadamente distribuídos entre os países. O Brasil é um dos grandes fornecedores mundiais de produtos agrícolas, conforme podemos ler no texto a seguir.

Progressão aritmética: sucessão em que se obtém cada termo somando um número constante ao precedente, como em 1, 2, 3, 4... Nesse exemplo, o número constante adicionado (razão) é 1 (1 1 1 5 2; 2 1 1 5 3; 3 1 1 5 4). Já a sequência 3, 6, 9, 12... constitui uma progressão aritmética de razão 3. Progressão geométrica: sucessão em que se obtém cada termo multiplicando um número constante ao precedente, como em 1, 2, 4, 8... Nesse exemplo, a sequência dos termos é obtida multiplicando-se cada um deles por 2. Já em 3, 9, 27..., a razão da progressão geométrica é 3, pois se multiplica cada número por 3 para obter o próximo.

OCDE-FAO. Perspectivas agrícolas no Brasil: desafios da agricultura brasileira 2015-2024. Disponível em: <https://www.fao.org.br/download/PA20142015CB.pdf>. Acesso em: 14 jan. 2016.

1. Que fatores socioculturais e econômicos podem ter contribuído para a queda da taxa de crescimento populacional? 2. Que avanços no conhecimento químico devem ter contribuído para que a produtividade agrícola venha se ampliando? 3. O Brasil é um grande produtor de grãos, no entanto seu solo é predominantemente ácido, o que comprometeria boa parte da produção agrícola. Que caráter (ácido, básico ou neutro) devem ter as substâncias usadas para tratá-lo? 4. Entre as substâncias hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, e ácido fosfórico, H3PO4, qual é a adequada para tratar solos ácidos? Explique.

Neste capítulo, dedicado ao estudo das reações químicas, vamos analisar processos que permitiram melhorar a qualidade de vida das pessoas, como os que possibilitam o aumento da produção agrícola pelo controle da acidez dos solos. Também veremos reações químicas que envolvem eletrólitos e muitas outras; é o caso das que são empregadas na obtenção de energia, cujos impactos ambientais é preciso considerar para apontar algumas maneiras de minimizá-los. Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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e2 e2

polo —

polo +

O: H:

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água H2O

oxigênio O2

NO23

OH2

NO23

OH2

bateria

eletrólise

hidrogênio H2

Observando essa representação, é possível deduzir que, para cada 4 moléculas de água (H2O), formam-se 2 moléculas de oxigênio (O2) e 4 moléculas de hidrogênio (H2). Os números 4, 2 e 4 indicam que nessa reação há uma proporção. Dessa proporção, subentende-se que, para cada duas moléculas de água (H2O), formam-se 1 molécula de oxigênio (O2) e 2 moléculas de hidrogênio (H2). Lembre-se: símbolos

representam

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Para relembrar o conceito de reação, vamos representar a eletrólise da água. A palavra eletrólise tem origem grega (eletro-, “eletricidade” 1 -lise, “quebra”) e indica a decomposição de uma substância por ação da corrente elétrica. Mas, como vimos, a água não é um bom condutor de eletricidade. Para que a corrente elétrica possa circular através dela, é preciso que ela contenha íons com mobilidade; para isso, a água pode ser levemente acidulada, mediante o acréscimo de algumas gotas de ácido sulfúrico ou ácido nítrico, por exemplo. Observe a imagem ao lado. Essa transformação pode ser representada assim:

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Representando as reações

Representação esquemática da eletrólise da água. Os fios indicam a chegada e a saída de elétrons ao sistema em reação, o que é feito pela ligação desses fios a uma fonte de corrente contínua (a uma bateria, por exemplo).

elementos químicos

fórmulas

substâncias

equações químicas

reações químicas

Assim, a reação química de eletrólise da água pode ser representada pela equação: reagente (1o membro)

2 H2O(ℓ) (água)

eletrólise

produtos (2o membro)

2 H2(g) 1 O2(g)

(hidrogênio) (oxigênio)

Essa representação indica a proporção entre o número de moléculas (ou conjuntos iônicos) de cada substância que reage e o número de moléculas de cada substância formada. Na decomposição da água, cada duas moléculas de H2O formam duas moléculas de H2 e uma de O2. Assim, em uma equação química, temos sempre estes componentes: ▸▸ fórmulas das substâncias participantes, isto é, dos reagentes e dos produtos; ▸▸ coeficientes de acerto, que indicam a proporção numérica entre as moléculas (ou conjuntos iônicos, no caso de compostos iônicos) de cada substância participante da reação. No caso da eletrólise da água, os coeficientes são, respectivamente, 2, 2 e 1. É importante ressaltar que o coeficiente 1 não precisa, necessariamente, ser escrito. 168

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões Um dos gases produzidos na combustão da gasolina nos veículos automotores é o monóxido de carbono (CO). Uma das formas de reduzir a emissão de CO pelos veículos é a colocação de catalisadores nos canos de escapamento. Os catalisadores aceleram a reação do monóxido de carbono com o oxigênio do ar transformando-o em dióxido de carbono, gás cuja toxicidade é bem menor que a do monóxido de carbono. Nesse processo, assim como em qualquer outro que utilize catalisadores, estes não são consumidos, ainda que algumas vezes seja preciso trocá-los por terem se tornado menos eficientes. Embora todos os automóveis produzidos no Brasil desde a década de 1990 disponham de catalisadores, até o final de 2008 as motocicletas continuavam a ser fabricadas sem esse dispositivo. Essa é uma das razões pelas quais, nessa época, uma motocicleta, mesmo a de baixa cilindrada, chegava a emitir até seis vezes mais gases tóxicos do que um carro novo. Também contribuiu para a redução de emissão de poluentes ao longo do tempo, tanto em carros quanto em motos, a substituição dos antigos carburadores pelo sistema de injeção eletrônica de combustível. Diante da exigência do Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares (Promot), que, por etapas, obrigou que esses veículos reduzissem seus limites de emissão de poluentes, desde 2009 os catalisadores passaram a ser usados também em motos. As limitações referem-se a três tipos de poluente: monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. No caso da emissão de monóxido de carbono por motocicletas, o limite passou de 13 g/km rodado, em 2003, para 5,5 g/km, em 2005, e para 2 g/km, em 2009 (BRASIL. Ministério do Meio

1. Represente por meio de fórmulas moleculares os reagentes e os produtos da reação do monóxido de carbono (CO) com o oxigênio do ar. 2. Utilizando o modelo atômico de Dalton, represente o número mínimo de moléculas necessário para formar o produto da combustão do CO. 3. De acordo com o Ministério do Meio Ambiente, o estabelecimento de normas para controlar a emissão de poluentes das motocicletas se deu por conta do “vertiginoso crescimento do segmento das motocicletas e veículos similares nos últimos anos no país e seu perfil de utilização, notadamente no segmento econômico de prestação de serviços de entregas em regiões urbanas” (BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares (PROMOT). Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_ arquivos/promot_163.pdf>. Acesso em: 21 dez. 2015).

a) A que trabalhadores se refere o trecho em que se fala do “segmento econômico de prestação de serviços de entregas em regiões urbanas”? b) Por que você acha que esse segmento cresceu tanto nos últimos anos? c) Faça uma pesquisa sobre os motivos que levam as pessoas a entrarem nessa profissão, suas condições de trabalho e os riscos envolvidos nesse tipo de atividade. Se você conhece alguém que exerça essa atividade, faça uma entrevista com ele sobre essas questões. Anote as respostas e apresente-as aos colegas. PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

DIVULGAÇÃO PNLD

Química, cotidiano e meio ambiente

Ambiente. Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares (PROMOT). Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_arquivos/promot_163.pdf>. Acesso em: 21 dez. 2015).

Na combustão da gasolina forma-se CO. Apesar de essa substância ser combustível, não é suficientemente transformada em dióxido de carbono (CO2) sem o catalisador. Graças a ele, quase todo o CO que seria emitido pelo veículo reage com o oxigênio do ar (O2), originando CO2.

Em 2009, os catalisadores tornaram-se obrigatórios também para as motos. Na foto, motos no trânsito de Brasília (DF), em 2015.

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Determinando coeficientes de acerto Considere a combustão do metano (CH4), principal componente do gás natural, originando gás carbônico (CO2) e água. A representação dessa combustão, usando o modelo atômico de Dalton, é: EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

O: H:

metano

oxigênio

dióxido de carbono

Representação esquemática da combustão do metano.

água

A equação química da combustão do CH4 é:

1 CH4(g) 1 2 O2(g)

1 CO2(g)

metano

oxigênio

dióxido de carbono

CH4(g)

1 2 O2(g)

CO2(g)

metano

oxigênio

dióxido de carbono

1 2 H2O(g) água

Como vimos, os coeficientes de acerto 1, 2, 1, 2 indicam a proporção entre os números de moléculas das substâncias participantes. Assim, se tivermos 10 moléculas de CH4, serão consumidas 20 de O2 para formar 10 moléculas de CO2 e 20 de H2O. No acerto dos coeficientes de uma equação, procura-se usar os menores números inteiros, embora, em algumas equações, possam também ser encontrados coeficientes fracionários. Assim, a combustão do CO pode ser representada por:

2 CO(g) 1 O2(g) monóxido de carbono

oxigênio

2 CO2(g) ou dióxido de carbono

CO(g) 1 monóxido de carbono

Observe que a proporção 2 : 1 : 2 equivale a 1 :

1 O (g) 2 2

oxigênio

1 : 1. 2

É preciso ter método no balanceamento por tentativas A maior parte das equações que serão objeto de nosso estudo pode ser balanceada pelo método das tentativas. Para as equações que não podem ter seus coeficientes acertados dessa forma, outro método será analisado no capítulo 10. Para entender como balancear equações químicas, vamos equacionar a reação do propano (C 3H8) – um dos combustíveis usados para acender as tochas olímpicas – com o oxigênio. Para isso, vamos supor que esse combustível, em contato com o oxigênio do ar, em condições adequadas, origine somente gás carbônico e água. Vale lembrar que essa reação também ocorre quando acendemos a chama de um fogão abastecido com GLP (gás liquefeito do petróleo, vendido em botijões), pois ele contém propano, que, ao chegar aos queimadores, se encontra no estado gasoso. Por ora, vamos explorar a combustão do propano. 170

CO2(g) dióxido de carbono

Tocha olímpica dos jogos realizados em 2016, no Rio de Janeiro, que passou por mais de trezentas cidades brasileiras durante cerca de noventa dias. O que mantém a tocha acesa? A combustão de duas substâncias, o gás propano (C3H8) e o butano (C4H10), contidos em um pequeno cilindro no interior da tocha. LATINSTOCK/REUTERS/PAULO WHITAKER

DIVULGAÇÃO PNLD

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Como devemos proceder para fazer o balanceamento da equação de combustão desse gás? 1. Primeiro, escrevemos as fórmulas das substâncias participantes, que, no caso da combustão do propano, são estas:

C3H8(g)

propano

O2(g) oxigênio

CO2(g)

dióxido de carbono

reagentes

H2O(g)

água

produtos

2. Escolhemos, então, como ponto de partida o elemento químico que aparece em apenas um reagente e um produto. No exemplo, não seria uma boa escolha iniciar o balanceamento pelo O, uma vez que ele aparece em duas substâncias no lado dos produtos. Já o H e o C podem ser utilizados como ponto de partida, sendo mais fácil começar pelo H, que tem os índices mais altos: 8 átomos por molécula de C3H8 e 2 átomos no caso de H2O. 3. Fixamos um número na frente de cada fórmula que contém o elemento escolhido, de modo que o número de átomos desse elemento no primeiro membro da equação seja igual ao número de átomos desse elemento no segundo membro. Esse procedimento está de acordo com a lei de Lavoisier: a massa e, consequentemente, o número de átomos de cada elemento permanecem inalterados em uma reação.

1 C3H8(g) 1

O2(g)

DIVULGAÇÃO PNLD

1 ? 8 5 8 átomos de hidrogênio

CO2(g)

1 4 H2O(g)

4 ? 2 5 8 átomos de hidrogênio

4. Continuamos o balanceamento, sem perder de vista que, ao colocarmos um coeficiente de acerto diante de uma fórmula, outros coeficientes, em geral, podem ser determinados: o 1 na frente do C3H8 determina que há 3 C no lado dos produtos; por isso, temos de colocar 3 à frente do CO2:

1 C3H8(g) 1

O2(g)

1 ? 3 5 3 átomos de carbono

3 CO2(g)

1 4 H2O(g)

3 ? 1 5 3 átomos de carbono

5. Para saber que número deve ser colocado à frente do O2, único coeficiente que falta ser completado, devemos nos perguntar: Qual é o número que, multiplicado por 2, dá 10 (há 6 átomos de O em CO2 e 4 em H2O)?

1 C3H8(g) 1

5 O2(g)

3 CO2(g)

4 H2O(g)

Algumas dicas importantes ▸▸ Durante o balanceamento da equação, é útil que você escreva o número 1 na frente

das substâncias cujo coeficiente de acerto já tenha sido definido como unitário. Desse modo, você fica sabendo que essas substâncias já foram balanceadas e não corre o risco de errar, trocando um coeficiente de acerto que já havia sido definido. Ao final, os coeficientes unitários podem ser dispensados. ▸▸ É possível chegar a coeficientes fracionários. Observe a equação parcialmente balanceada:

1 C3H6(g) 1

O2(g)

propeno

oxigênio

3 CO2(g)

dióxido de carbono

3 H2O(g) água

Se no segundo membro há 9 átomos de oxigênio (6 no CO2 e 3 no H2O), precisamos ter 9 átomos de oxigênio no primeiro membro. Qual é o número que multiplicado por 2 (índice do oxigênio no O2) resulta em 9? É 4,5 ou 9. 2 9 1 C3H6(g) 1 O (g) 3 CO2(g) 1 3 H2O(g) 2 2 Isso quer dizer que, para cada molécula do combustível, são gastas 4,5 de oxigênio. Ou:

2 C3H6(g) 1

9 O2(g)

6 CO2(g

1 6 H2O(g)

Atenção! Nunca altere a fórmula das substâncias no momento de acertar os coeficientes. Escrever 3 C 2H2 é bem diferente de escrever C6H6. O índice que aparece na fórmula de uma substância indica o número de átomos de um elemento que participa da constituição de uma molécula dessa substância. Por exemplo: 3 H2 3 moléculas constituídas por 2 átomos de H. Isso é bem diferente de: 1 molécula formada por 6 átomos de hidrogênio (essa molécula não existe).

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Não escreva neste livro.

©ISTOCKPHOTO.COM/TRAMINO

Atividades 1. O hidrogênio (H2) já é usado como combustível de veículos, sendo considerado uma opção ambientalmente sustentável para os veículos movidos a gasolina ou álcool, uma vez que sua combustão é limpa. a) Equacione a reação que representa essa combustão. b) Faça a “leitura” da equação, explicitanto seu significado. c) Por que é costume dizer que a combustão do hidrogênio é “limpa”? 2. Quimicamente, escrever O2 é o mesmo que escrever 2 O? Explique. 3. Nos itens abaixo, faça o balanceamento das equações.

O hidrogênio, combustível de uso nos programas espaciais, tem sido usado também em automóveis. O motor a hidrogênio não emite poluentes: o resultado de sua operação é apenas água.

a) O etileno (C2H4) é uma substância gasosa que pode ser obtida do petróleo e é matéria-prima para a fabricação do polietileno, plástico largamente empregado em nosso cotidiano. Trata-se de um gás combustível, cuja reação com o oxigênio do ar pode ser representada por:

C2H4(g) 1 O2(g) etileno

oxigênio

CO2(g)

dióxido de carbono

1 H2O(ℓ) água

b) A equação da combustão do butano (C4H10), um dos componentes do gás de cozinha, é:

DIVULGAÇÃO PNLD

C4H10(g) 1 O2(g) butano

oxigênio

CO2(g)

dióxido de carbono

1 H2O(ℓ) água

c) O fósforo (P), quando entra em combustão, origina pentóxido de difósforo, segundo a equação:

P(s) fósforo

1 O2(g)

oxigênio

P2O5(g)

pentóxido de difósforo

d) O potássio metálico reage violentamente com a água. Nesse processo, uma pequena porção do metal movimenta-se rapidamente na superfície da água, sendo acompanhada por uma chama de cor arroxeada. Trata-se de uma reação que requer muito cuidado por parte de quem a executa, já que pode provocar sérias queimaduras.

K(s) potássio

1 O2(g) água

KOH(aq) 1 hidróxido de potássio

H2(g)

hidrogênio

e) Combustão do sódio:

Na(s) 1 O2(g) sódio

oxigênio

Na2O(s) óxido de sódio

4. Se o óxido de sódio produzido na combustão do sódio reagir com solução de ácido fosfórico, H3PO4(aq), dará origem a fosfato de sódio, Na3PO4, e água. Represente esse processo por meio de equação química. 5. Baseie-se nas equações dos itens a e b do exercício 3 e responda: a) Na reação de combustão do etileno, o número de moléculas dos reagentes é diferente do número de moléculas formadas nos produtos? E na reação do butano? b) O que não mudou em nenhuma das duas reações? 6. Cascas secas de laranja e limão costumam ser usadas para iniciar a combustão de madeira ou carvão. Os óleos essenciais contidos nessas cascas contêm 90% de limoneno, que é bastante inflamável. A fórmula dessa substância é C10H16. a) Explique por que as cascas têm de estar secas para serem usadas para esse fim. b) Escreva a equação de combustão completa do limoneno, originando CO2 e H2O. 172

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Reações de decomposição ou análise Nas reações de decomposição ou análise, de uma substância reagente obtemos mais de um produto. É o que ocorre, por exemplo, na fermentação usada para produzir pães e bolos com fermento químico (hidrogenocarbonato de sódio).

2 NaHCO3(s)

hidrogenocarbonato de sódio

Na2CO3(s) 1

CO2(g)

1 H2O(g)

carbonato de sódio

dióxido de carbono

água

Lembre-se: D indica aquecimento.

A seguir, veremos alguns tipos de reação de decomposição.

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Decomposição do azoteto de sódio

2 NaN3(s)

2 Na(s) 1

3 N2(g)

azoteto de sódio

sódio

nitrogênio

©SHUTTERSTOCK/SONY HO

Em janeiro de 2014, todos os carros novos comercializados no Brasil passaram a ter obrigatoriamente dois equipamentos que melhoram a segurança de seus usuários: freios ABS, que evitam o travamento das rodas em frenagens bruscas, e airbags frontais, isto é, para o motorista e o passageiro dos bancos da frente. Airbag é um equipamento que protege motorista e passageiro, em caso de colisão violenta do veículo. Trata-se de uma bolsa feita de material resistente que infla rapidamente graças a reações que produzem um gás – o nitrogênio – que preenche todo o espaço interno da bolsa em frações de segundo. Normalmente, para esse fim, utiliza-se a decomposição do azoteto de sódio (NaN3), substância sólida branca, também chamada de azida de sódio, extremamente tóxica. Veja abaixo a equação dessa decomposição:

Quando o veículo reduz abruptamente a velocidade, sensores são acionados e provocam o conjunto de reações que produz o gás. Como ele se forma em velocidade muito alta, o airbag infla quase simultaneamente ao impacto sofrido pelo veículo, evitando que a cabeça do motorista ou do ocupante do banco ao lado se choque contra o volante, o painel ou o para-brisa. Mas por que falamos anteriormente em “conjunto de reações”? Porque, além do azoteto de sódio (NaN3), cuja decomposição é responsável pela produção do nitrogênio, há outros componentes no interior dessa bolsa. Um deles é o nitrato de potássio (KNO3). Ele participa de uma reação secundária, cuja função é eliminar o risco representado pelo sódio – metal muito reativo que reagiria com a umidade do ar e atacaria a pele – formado na decomposição do NaN3.

10 Na(s) 1 2 KNO3(s)

K2O(s)

1 5 Na2O(s) 1

N2(g)

nitrato de potássio

óxido de potássio

óxido de sódio

nitrogênio

sódio

Airbags são equipamentos de segurança que protegem motoristas e passageiros do impacto de colisões; a redução abrupta da velocidade do veículo provoca reações que liberam nitrogênio gasoso, inflando o airbag.

Como o óxido de sódio (Na 2O) e o óxido de potássio (K 2O) também devem ser eliminados, há ainda o dióxido de silício (SiO2), componente da areia, que, ao reagir com essas substâncias, produz substâncias inofensivas às pessoas e ao ambiente. Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Decomposição térmica do calcário Decomposição térmica é o mesmo que pirólise (piro-, “fogo” 1 -lise, “quebra”). O carbonato de cálcio (CaCO3), encontrado nas rochas calcárias, origina, por aquecimento, óxido de cálcio (CaO), que é a cal usada na construção civil, na metalurgia, na agricultura e na indústria, e gás carbônico (CO2), o gás presente nas bebidas gasosas, como refrigerantes, por exemplo.

CaCO3(s) carbonato de cálcio

CaO(s)

CO2(g)

óxido de cálcio

dióxido de carbono

A reação de decomposição do fermento químico, cuja equação você viu na página 173, também é um exemplo de decomposição térmica.

Decomposição por ação da luz e da eletricidade

DIVULGAÇÃO PNLD

O cloreto de prata (AgCℓ), exposto à luz por algumas horas, transforma-se em prata (Ag) e cloro gasoso (Cℓ 2). Esse sal, inicialmente branco, vai adquirindo uma tonalidade escura devido à formação de prata metálica.

AgCℓ(aq)

luz

cloreto de prata

Ag0(s) 1 prata

1 2

Cℓ 2(g)

cloro

A eletricidade também pode provocar reações químicas em substâncias que contêm íons móveis; por exemplo, ocorrem reações em todos os casos de condutibilidade elétrica vistos no capítulo 7. Essas reações são chamadas de eletrólise.

Reações de síntese ou adição Há reações em que, de várias substâncias, chega-se a um único produto. Elas são chamadas de reações de síntese ou adição. Vamos analisar alguns exemplos a seguir.

Obtenção industrial do ácido clorídrico Como vimos no capítulo anterior, o ácido clorídrico, HCℓ(aq) – solução aquosa de cloreto de hidrogênio, HCℓ(g) –, é bastante usado em indústrias e laboratórios. Para obter HCℓ(aq), inicialmente se produz HCℓ(g), que será recolhido em água. O método industrial para obter o cloreto de hidrogênio consiste na reação do gás hidrogênio com o gás cloro. Observe:

H2(g) hidrogênio (substância simples)

1 Cℓ 2(g) cloro (substância simples)

2 HCℓ(g)

HCℓ(g)

cloreto de hidrogênio (substância composta)

cloreto de hidrogênio

H2O

HCℓ(aq) ácido clorídrico

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Quando uma decomposição ocorre por ação da luz, ela é chamada de fotólise (foto-, “luz” 1 -lise, “quebra”). É o que ocorre, por exemplo, com os sais de prata utilizados nos filmes das máquinas fotográficas tradicionais.

Na foto A, são mostrados dois tubos contendo cloreto de prata pouco solúvel em água. Na foto B, vemos que o tubo à esquerda foi parcialmente recoberto com material opaco à luz. Na foto C, percebe-se que o cloreto de prata do tubo à direita, exposto à luz, escureceu, pois se decompôs formando prata metálica, em pó, de cor cinza-escuro, e gás cloro; o tubo que havia sido coberto não teve alteração na cor.

Nesse caso, de duas substâncias, hidrogênio (H2) e cloro (Cℓ 2), em condições apropriadas, obtém-se um único produto, o cloreto de hidrogênio (HCℓ), ou seja, ocorre a síntese desse gás. O ácido clorídrico é a solução aquosa do gás obtido. 174

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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A combustão do hidrogênio A combustão do hidrogênio também é um exemplo de reação de síntese. Em certas condições especiais, o gás hidrogênio (H2) e o gás oxigênio (O2) reagem e formam água. Para ser iniciada, essa reação requer pequena quantidade de energia, obtida por meio da chama de um palito de fósforo ou de uma faísca, por exemplo.

2 H2(g)

hidrogênio

O2(g)

2 H2O(ℓ)

oxigênio

água

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GETTY IMAGES/CHIP SOMODEVILLA

Como, por combustão, o hidrogênio libera grande quantidade de energia, e o produto dessa combustão é a água, ele é considerado uma fonte potencial de energia limpa. Avanços tecnológicos vêm viabilizando o uso do hidrogênio como combustível para veículos; na forma líquida, ele é empregado como combustível de foguetes.

De 1981 a 2011, os Estados Unidos lançaram ônibus espaciais, usados pela Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (NASA) para colocar satélites em órbita ou enviar ao espaço missões tripuladas, como as responsáveis por reparar equipamentos em órbita. Na foto, o lançamento do ônibus espacial Atlantis em 8 de julho de 2011, no Centro Espacial John F. Kennedy, na Flórida (Estados Unidos). O lançamento dessas espaçonaves ocorre graças à energia liberada na combustão do H2(g).

Outros exemplos de reação de síntese Observe as equações de outros exemplos de reação de síntese. ▸ Síntese do cloreto de amônio:

▸

NH3(g) 1

HCℓ(g)

NH4Cℓ(s)

amônia

cloreto de hidrogênio

cloreto de amônio

Síntese do dióxido de carbono ou combustão do monóxido de carbono:

2 CO(g) monóxido de carbono

O2(g)

2 CO2(s)

oxigênio

dióxido de carbono

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Quando se queima carvão para fazer churrasco, procura-se criar condições para que a combustão seja completa, com a formação de dióxido de carbono. No entanto, é difícil evitar a formação de monóxido de carbono (CO), um gás muito prejudicial ao nosso organismo. a) Equacione os dois processos mencionados, considerando que o carvão seja formado principalmente por carbono. b) Qual desses processos requer mais oxigênio? 2. O gás amoníaco, NH3(g), é matéria-prima importante na obtenção de fertilizantes usados na agricultura. Industrialmente, ele é obtido por reação de síntese, a partir de substâncias simples. Equacione essa reação de síntese. 3. O monóxido de carbono (CO) é um gás que foi bastante usado como combustível (gás de rua). Ele fazia parte da mistura obtida a partir da hulha, um tipo de carvão mineral. Equacione a reação de combustão desse gás, originando gás carbônico. Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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4. A queima do magnésio metálico origina o óxido de magnésio (composto binário de Mg e O). Equacione o processo. 5. Na obtenção industrial do ácido sulfúrico, podem ser usadas três reações de síntese, que você deve equacionar de acordo com as descrições a seguir: a) combustão de enxofre sólido (S), originando SO2 gasoso (reação rápida); b) síntese do SO3, por reação de SO2 com oxigênio; por tratar-se de reação lenta, utilizam-se catalisadores – substâncias que, sem alterar os produtos da reação, a tornam mais rápida; c) transformação do trióxido de enxofre em ácido sulfúrico a partir da reação com água. 6. O metanol, substância irritante cujos vapores atacam a visão, tem importância na indústria, sendo usado principalmente como solvente. É possível obter o metanol (CH3OH) de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) em determinadas condições. Equacione o processo.

Condições para que reações envolvendo eletrólitos ocorram Agora vamos analisar algumas reações que ocorrem espontaneamente, envolvendo ácidos, bases e sais.

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Reações de neutralização Como já vimos, ácidos e bases reagem entre si, em um processo que origina sempre um sal e água. As reações entre ácidos e bases podem ser chamadas de reações de neutralização. Observe a equação de uma reação de neutralização:

2 Aℓ(OH)3(s) 1

3 H2SO4(aq)

Aℓ 2(SO4)(aq)

hidróxido de alumínio 6 OH2

ácido sulfúrico 6 H1

sulfato de alumínio (sal normal)

6 H2O(ℓ) água 6 H20

Note que, nessa reação, assim como em qualquer neutralização total, o número de íons hidróxido (OH2) consumidos é igual ao número de íons hidrogênio (H1) consumidos e ao número de moléculas de H2O formadas: x OH2 5 x H1 5 x H2O

Reações de precipitação Ao analisar suas observações relativas ao experimento a seguir, no qual estão envolvidos compostos iônicos em solução aquosa, você perceberá outra possibilidade de ocorrência de reação entre dois eletrólitos em solução aquosa.

Química: prática e reflexão A mistura de soluções contendo íons pode produzir sólidos pouco solúveis (ou praticamente insolúveis) que são denominados precipitados. Você acha que é possível prever esse tipo de reação? A mudança na ordem em que as soluções reagentes são colocadas em contato altera o resultado? 176

Cuidado! Use óculos de segurança, luvas de látex e avental de mangas compridas.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Material necessário

• 2 estantes com 6 tubos de ensaio de 15 mm 3 150 mm • 4 conta-gotas • 4 béqueres ou copos de vidro • caneta marcadora de vidro

• soluções aquosas de: • sulfato de cobre(II), CuSO4 (encontrado em lojas de produtos para aquários); • carbonato de sódio, Na2CO3 (encontrado em lojas de produtos para cerâmica); • cloreto de sódio, NaCℓ (pode ser utilizado o sal de cozinha); • cloreto de potássio, KCℓ (encontrado em farmácias ou no sal light).

Procedimento

1. Numerem os tubos de ensaio de 1 a 12. 2. Copiem no caderno a tabela abaixo.

DIVULGAÇÃO PNLD

Mistura de soluções aquosas cloreto de sódio

cloreto de potássio

sulfato de cobre(II)

carbonato de sódio

Fórmula química

/////////////////////////

/////////////////////////////

////////////////////////////

///////////////////////////////

carbonato de sódio

///////////////

/////////////////////////

/////////////////////////////

////////////////////////////

———————————

sulfato de cobre(II)

///////////////

/////////////////////////

/////////////////////////////

———————————

cloreto de potássio

///////////////

/////////////////////////

———————————

cloreto de sódio

///////////////

——————————

3. Coloquem cerca de 2 mL de solução aquosa de cloreto de sódio (NaCℓ) – cerca de 40 gotas – no tubo de ensaio 1. Com outro conta-gotas, acrescentem o mesmo volume de solução aquosa de carbonato de sódio (Na 2CO3) nesse tubo de ensaio. 4. Observem o que ocorre e anotem na tabela o que veem: houve mudança? Qual? 5. Repitam os procedimentos acima para as misturas de soluções indicadas na tabela. Utilizem para isso os tubos de ensaio 2 a 6. Cuidado para não usar o mesmo conta-gotas em soluções diferentes. 6. Para os tubos de ensaio 7 a 12, repitam cada uma das adições feitas nos tubos anteriores, invertendo a ordem usada. Por exemplo, no tubo de ensaio 7, introduzam primeiro a solução de carbonato de sódio e depois a de cloreto de sódio. 7. Anotem na tabela o que observaram. Descarte dos resíduos: As misturas contendo somente íons sódio e/ou potássio podem ser descartadas na pia; as misturas contendo íons cobre(II) podem ser misturadas e transferidas para um frasco com rótulo para eventual uso em outro experimento. Analisem suas observações

1. De acordo com o que vocês observaram na atividade, a ordem em que os reagentes são postos em contato altera o resultado da reação? 2. Em qual mistura ocorreu uma reação química? Representem a equação química da reação indicando o precipitado formado. 3. A mistura de soluções aquosas de sulfato de sódio e carbonato de potássio reage formando um precipitado? Expliquem seu raciocínio. 4. Alguns íons metálicos são tóxicos e, por isso, misturas que os contenham não devem ser descartadas em rios, mares ou lagoas. As misturas contendo íons cobre utilizadas no experimento, por exemplo, não podem ser despejadas na pia. O sal sólido de cobre, no entanto, pode ser retirado da mistura por um método de separação. Descreva como vocês realizariam esse processo com os resíduos do experimento, explicando que método de separação poderia ser utilizado. Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Ocorrência de reações e formação de precipitado Como você estudou no capítulo 1, a formação de precipitado é um dos indícios da ocorrência de reação química. Se colocarmos uma solução contendo certos íons em contato com outra contendo íons diferentes dos iniciais, ocorrerá reação sempre que houver a possibilidade de se formar uma base ou sal menos solúvel, ou seja, um eletrólito mais fraco. Lembre-se de que nas soluções aquosas de sais temos, na verdade, íons liberados por dissociação. Nas soluções mostradas nas fotos a seguir, existem os íons chumbo(II) (Pb21), nitrato (NO32), potássio (K1) e iodeto (I2). Os íons Pb21 associados a I2 formam PbI2, pouco solúvel em água e visível na forma de um precipitado amarelo. A indicação da formação de um composto pouco solúvel em água (precipitado) é feita com o símbolo (s), de sólido. Acompanhe a análise da reação entre as soluções aquosas de nitrato de chumbo(II) e iodeto de potássio.

Pb(NO3)2(aq)

2 KI(aq)

PbI2(s)

iodeto de potássio (sal solúvel)

iodeto de chumbo (sal precipitado)

nitrato de potássio (sal solúvel)

PbI2(s)

2 K1(aq) 1 2 NO23 (aq)

nitrato de chumbo(II) (sal solúvel)

Pb21(aq) 1 2 NO23 (aq) 1 2 K1(aq) 1 2 I2(aq) Pb21(aq)

2 I2(aq)

PbI2(s)

DIVULGAÇÃO PNLD

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

2 KNO3(aq)

A solução incolor de iodeto de potássio (KI) contém os íons K1 e I2; a de nitrato de chumbo(II), Pb(NO3)2, contém íons Pb21 e NO23 .

Cuidado! O nitrato de chumbo(II) é tóxico. Não tente efetuar esta reação.

O precipitado amarelo de iodeto de chumbo(II) (PbI2) é o produto da reação entre os íons Pb21(aq) e I2(aq). Aos poucos, ele vai decantando e se deposita no fundo do tubo.

É possível prever se uma reação de precipitação ocorre sem realizar o experimento? Sim: se um dos possíveis produtos for uma substância pouco solúvel em água, isso significa que a reação é possível. Para conferir a solubilidade das substâncias, consulte uma tabela de solubilidade como a apresentada abaixo, o recurso mais adequado para fazer essa previsão. Essa consulta ajuda a prever a ocorrência ou não de reação entre, por exemplo, soluções aquosas de cloreto de bário, BaCℓ 2, e de sulfato de amônio, (NH4)2SO4. Tabela resumida da solubilidade de sais em água (a 25 oC) Compostos solúveis

Exceções

Quase todos os sais de Na1, K1, NH14 Haletos: sais de Cℓ2, Br2 e I2

Haletos de Ag1, Hg21 e Pb21 2

Fluoretos

Fluoretos de Mg 21, Ca21, Sr21, Ba21, Pb21 2

Nitratos: NO3 Sulfatos

Sulfatos de Sr21, Ba21, Pb21, Ca21

Ácido inorgânicos

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Tabela resumida da solubilidade de sais em água (a 25 oC) Compostos insolúveis

Exceções

Sais de CO22 , PO32 , C2O22 e CrO22 4 3 4 4

Sais de NH14 e de cátions de metais alcalinos

Sulfetos

Sais de NH14 , Ca21, Sr21 e de cátions de metais alcalinos

Hidróxidos e óxidos metálicos

Hidróxidos e óxidos de Ca21, Sr21, Ba21 e dos cátions de metais alcalinos

Fonte: MOREIRA, C. I. F. Recursos digitais para o ensino sobre solubilidade. 2006. 131f. Dissertação de Mestrado. Universidade do Porto, Porto, 2006. Tabela 1, p. 19. Disponível em: <http://nautilus.fis.uc.pt/cec/teses/carina/docs/tesecompleta.pdf>. Acesso em: 21 dez. 2015.

Os termos solúvel e insolúvel usados nas tabelas são pouco precisos. Por exemplo, classificamos o nitrato de prata (AgNO3) e o carbonato de sódio (Na 2CO3) como sais solúveis em água, mas isso não significa que não haja um limite para essa solubilidade ou que eles sejam igualmente solúveis em água. Veja como podemos usar as informações da tabela de solubilidade para analisar o que ocorre quando soluções de cloreto de bário e de sulfato de amônio são colocadas em contato.

BaCℓ 2(aq) 1 (NH4)2SO4(aq)

BaSO4(s) 1 2 NH4Cℓ(aq)

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Produtos possíveis

Consultando a tabela

NH4Cℓ, cloreto de amônio

cloretos → solúveis, e o de NH41 não é exceção; ou seja, íons NH41 ficam em solução.

BaSO4, sulfato de bário

sulfatos → solúveis, e o de Ba21 é exceção. Daí BaSO4 depositar-se.

Pode-se concluir que a reação ocorre porque um dos possíveis produtos dessa reação é o sulfato de bário (BaSO4), substância pouco solúvel em água. Na verdade, nessa reação, há a união de parte dos íons provenientes da dissociação do BaCℓ2(aq) com íons originados da dissociação do (NH4)2SO4(aq). O contato dos íons Ba21(aq) com SO422(aq) provoca a precipitação do BaSO4, que é pouco solúvel em água; os íons NH41(aq) e Cℓ2(aq) permanecem em solução:

Ba21(aq) 1 SO422(aq) íons bário

BaSO4(s)

íons sulfato

sulfato de bário

A equação em que são indicados apenas os íons que participam da reação (e não as fórmulas das substâncias das quais esses íons fazem parte) é chamada de equação na forma iônica.

Solubilidade: uma propriedade específica A solubilidade de uma substância é expressa por um valor numérico que varia com a temperatura e com o solvente utilizado. Por exemplo: a solubilidade do nitrato de prata (AgNO3), em água, é igual a 219 g/100 cm3 de água, a 20 °C. Isso significa que, nessa temperatura, para cada 100 cm3 de água, é possível dissolver totalmente 219 g de AgNO3. Cada substância tem um valor próprio de solubilidade. Existem tabelas nas quais podemos consultar o

valor numérico da solubilidade em água – já determinado experimentalmente – de diversas substâncias. Nessas tabelas, encontramos, por exemplo, que a solubilidade do nitrato de potássio (KNO3) a 20 °C é igual a 30 g/100 cm3 de H2O. Analisando os valores de solubilidade do AgNO3 e do KNO3, você pode perceber que, no mesmo volume de água, a 20 °C, é possível dissolver uma massa de AgNO3 cerca de 7 vezes maior que a massa de KNO3 que pode ser dissolvida. Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Conexões Química e defesa do consumidor

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Brinquedos com chumbo trazem sério risco à saúde das crianças Brinquedos pintados com tintas à base de chumbo são um perigo para a saúde das crianças. Mas ainda assim esses brinquedos entram no Brasil ilegalmente. A Organização Mundial da Saúde (OMS) recomenda que esse tipo de produto seja proibido no mundo todo. [...] O chumbo é um produto tóxico que em altas doses causa problemas no cérebro e no sistema nervoso central. Todo ano, o chumbo mata 143 mil pessoas e provoca atraso mental em 600 mil crianças ao redor do mundo. A intoxicação acontece principalmente Brinquedos apreendidos por conter chumbo. pelo contato com tintas à base de chumbo, usadas na pintura de casas, móveis e brinquedos. “A tinta à base de chumbo é três vezes mais barata que a tinta comum. [...]”, diz o químico Olívio Galão. Esse tipo de tinta já deixou de ser fabricado em 30 países e a ideia é banir o produto em todo o mundo até 2020. No Brasil, uma lei de 2008 estabelece limites para o uso do chumbo. Mas o risco para as crianças ainda resiste no colorido dos brinquedos piratas. Em um dos depósitos do Instituto de Pesos e Medidas do Paraná, as prateleiras estão lotadas de brinquedos que foram apreendidos porque não tinham o selo no Inmetro. A maioria foi importada da China, onde o chumbo continua sendo usado em peças e tintas que colorem jogos, bolas e bonecas. [...]

©GLOBO COMUNICAÇÃO E PARTICIPAÇÕES S.A/REPRODUÇÃO

Nos últimos anos, muitas matérias têm sido veiculadas na mídia, chamando nossa atenção para a presença de chumbo em brinquedos infantis e em tintas usadas na pintura de imóveis. Leia os trechos dos artigos a seguir, que tratam dessa questão.

PORTAL do Consumidor, 18 out. 2013. Disponível em: <http://www.portaldoconsumidor.gov.br/noticia.asp?id=24979>. Acesso em: 15 nov. 2015.

Inmetro analisa concentração de chumbo em tintas imobiliárias O Programa de Análise de Produtos do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro), em parceria com o Ministério do Meio Ambiente (MMA) e com o Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior (MDIC), avaliou 17 marcas de tintas imobiliárias [...] visando avaliar a concentração de chumbo nos produtos, pelo perigo que a substância em níveis acima do permitido representa à saúde humana e ao meio ambiente. [...] “[...] A exposição ao chumbo pode causar uma série de doenças, principalmente para crianças pequenas. Como a tinta com chumbo se deteriora ao longo do tempo, as pessoas podem inalar ou ingerir, por meio da poeira doméstica, lascas de tinta ou solo contaminado”, destacou o assistente da Diretoria de Avaliação da Conformidade, Paulo Coscarelli. A Aliança Global para a Eliminação da Tinta com Chumbo (Gaelp), da Organização Mundial da Saúde (OMS) e do Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA), já desenvolve campanhas em diversos países, com o objetivo de conscientizar sobre os riscos de exposição de crianças a tintas contendo chumbo e minimizar a exposição de pintores e usuários a esse produto. INMETRO – Notícias e eventos, 5 out. 2015. Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/noticias/verNoticia.asp?seq_noticia=3735>. Acesso em: 15 nov. 2015.

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1. Em sua opinião, a maioria das pessoas sabe que tintas à base de chumbo são tóxicas? Sugira formas de fazer com que essa informação chegue ao conhecimento não só dos consumidores, mas também de trabalhadores que manipulam tintas (operários, pintores), para que evitem riscos à saúde. 2. Pirataria é crime, e os produtos piratas são baratos porque são produzidos sem preocupação com higiene, segurança e preservação ambiental. Além disso, os trabalhadores recrutados para sua fabricação não contam com garantias trabalhistas: não há salário mínimo, respeito à carga horária máxima de trabalho, segurança, etc. Converse com os colegas: o que leva as pessoas a comprar um produto pirata? Que medidas poderiam ser tomadas para resolver essa situação? 3. Com base no que leu, responda: que efeitos têm os íons de chumbo no organismo? 4. Segundo os textos, por que, apesar de sua toxicidade, a tinta à base de chumbo ainda é usada em diversos produtos? 5. “Para detectar a presença de chumbo [...] o brinquedo é banhado a 37 oC com água, depois imerso num recipiente com mistura aquosa com ácido clorídrico. Esse teste visa observar a reação do produto após possível ingestão.” (NOGUEIRA, Italo. Após novo recall, Inmetro fará teste de chumbo em brinquedo. Folha de S.Paulo, São Paulo, 7 set. 2007. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/folha/dinheiro/ult91u326522.shtml>. Acesso em: 22 dez. 2015.)

Descreva o procedimento usado para testar a toxicidade das tintas de brinquedos. Qual a finalidade do uso de ácido clorídrico na detecção de chumbo nessas tintas?

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6. Equacione na forma iônica o processo usado na detecção de chumbo.

Atividades 1. Equacione as reações entre ácido e base que permitem obter, além da água, as substâncias abaixo. Indique-as também na forma iônica: a) sulfato de ferro(III)

Não escreva neste livro.

b) fosfato de sódio

2. Equacione as reações de precipitação possíveis, indicando com (aq) os participantes em solução aquosa e com (s) os precipitados. a) NaOH 1 CuSO4

b) HCℓ 1 AgNO3

c) Pb(NO3)2 1 H2S

d) Ca(OH)2 1 FeCℓ3

Questão comentada 3. (Unicamp-SP) Uma solução contém cátions bário, Ba21, chumbo, Pb21, e sódio, Na1. Os cátions bário e chumbo formam sais insolúveis com ânions sulfato, SO22 4 . Dentre esses cátions, apenas o chumbo forma sal insolúvel com o ânion iodeto, I2. a) Com base nessas informações, indique um procedimento para separar os três tipos de cátion presentes na solução. b) Escreva as equações das reações de precipitação envolvidas nessa separação. Sugestão de resolução a) Inicialmente, podemos adicionar um iodeto solúvel, que reagirá com íons Pb21 formando um composto insolúvel. A adição de I2 deve ser feita até que a quantidade de precipitado fique constante. Pb21(aq) 1 2 I2(aq) PbI2(s) O conjunto deverá ser filtrado de modo a reter no papel de filtro todos os íons Pb21 na forma de sal insolúvel. No filtrado, adiciona-se excesso de sulfato solúvel, precipitando os íons Ba21. Ba21(aq) 1 SO22 BaSO4(s) 4 (aq) Repetindo a filtração, os íons Ba21 ficarão retidos no papel de filtro sob a forma de BaSO4. No filtrado, estarão os íons Na1 com todos os ânions presentes. b) Pb21(aq) 1 2 I2(aq) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq)

PbI2(s) BaSO4(s)

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Reações com formação de eletrólitos mais fracos e/ou voláteis A seguir, você vai analisar reações em que o produto é um ácido mais fraco, ou uma base mais fraca, ou é mais volátil.

O produto é um ácido mais fraco ácido1

sal1

(forte)

ácido2

sal 2

2 NaCℓO4(aq)

(fraco)

Exemplo:

2 HCℓO4(aq)

ácido perclórico (ácido forte)

Na2S(aq)

H4S(aq)

sulfeto de sódio

ácido sulfídrico (ácido fraco)

perclorato de sódio

O produto é uma base mais fraca base1

sal1

(forte)

base2

sal 2

KCℓ(aq)

(fraca)

Exemplo:

KOH(aq)

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hidróxido de potássio (eletrólito forte)

NH4Cℓ(aq)

NH4OH(aq)

cloreto de amônio

hidróxido de amônio (eletrólito fraco)

NH4Cℓ(aq)

NH3(g) 1 H2O(ℓ) 1

KCℓ(aq)

cloreto de amônio

amônia

cloreto de potássio

Ou:

KOH(aq)

hidróxido de potássio (eletrólito forte)

água

O produto é mais volátil Você sabe o que significa a palavra volátil? De origem latina, ela quer dizer “que tem asas, que voa” e se aplica, na Química, a substâncias que vaporizam em pressão e temperatura ambientes. Por exemplo, se deixarmos aberto um frasco contendo álcool, com o tempo o volume do líquido diminui. Dizemos, então, que o álcool é um líquido volátil, o que é consequência de sua baixa temperatura de ebulição. Os ácidos voláteis também têm essa característica, o que faz com que apresentem alta taxa de evaporação a temperatura ambiente. Os ácidos podem ser voláteis ou fixos. ▸▸ Ácidos voláteis: são os ácidos que apresentam baixa temperatura de ebulição. O vinagre

tem cheiro pronunciado devido à volatilidade do ácido acético, um de seus componentes. As moléculas desse ácido atingem nossos órgãos olfativos, produzindo a sensação (o cheiro) que associamos ao vinagre. O ácido nítrico (HNO3) e os ácidos que não apresentam oxigênio – como o ácido clorídrico (HCℓ), o ácido sulfídrico (H2S), o ácido cianídrico (HCN) – são voláteis; por isso, em ambientes onde são efetuadas reações que produzem esses ácidos, as pessoas devem estar munidas de máscaras, uma vez que eles são tóxicos. ▸▸ Ácidos fixos: são os ácidos que apresentam alta temperatura de ebulição. Alguns dos

ácidos mais usados em laboratórios e indústrias são o ácido sulfúrico (H2SO4) e o ácido fosfórico (H3PO4), ambos ácidos fixos. Alguns ácidos fixos, como o oxálico (H2C2O4) e o fosforoso (H3PO3), são sólidos nas condições ambientes. 182

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Mas por que mencionamos a classificação dos ácidos em voláteis e fixos? Porque existe a possibilidade de ocorrer reação entre um ácido fixo (de alta temperatura de ebulição) e um sal, com a formação de um ácido volátil e outro sal. ácido1

sal1

ácido2

(fixo)

sal 2

(volátil)

Para esse tipo de reação envolvendo ácido fixo, parte-se de um sal no estado sólido (sem dissolvê-lo em água). O aquecimento do sistema favorece a reação, facilitando o desprendimento do ácido volátil. Por exemplo:

H3PO4(ℓ)

ácido fosfórico (ácido fixo)

3 NaCℓ(s)

cloreto de sódio

3 HCℓ(g)

cloreto de hidrogênio (ácido volátil)

Na3PO4(s) fosfato de sódio

Química: prática e reflexão

DIVULGAÇÃO PNLD

A casca de ovo contém carbonato de cálcio, a mesma substância que existe na concha dos moluscos, no calcário e no mármore. O que ocorre quando esses materiais são inseridos em um meio ácido? Material necessário

• casca de 1 ovo • 1 colher de café • 2 mL de vinagre (solução aquosa de ácido acético) • 1 recipiente pequeno de vidro transparente Procedimento

1. Coloquem um fragmento de casca de ovo no recipiente de vidro. Usando um cabo de colher, procurem quebrar a casca em pedacinhos menores. 2. Acrescentem vinagre até cobrir o fragmento de casca de ovo. 3. Observem e registrem o que acontece. Descarte do resíduo: O resíduo do experimento deve ser armazenado em frasco rotulado para ser usado em futuras atividades. Analisem suas observações

1. Descrevam o que observaram.

Não escreva neste livro.

2. O que se pode dizer da solubilidade do sal CaCO3 em água? 3. Tendo em vista que as bolhas que saem do frasco são de dióxido de carbono (CO2), tentem equacionar a reação. 4. O ácido clorídrico, HCℓ(aq), comercializado com o nome de ácido muriático, é usado para fazer limpeza em construções ou reformas. a) Por que essa técnica de limpeza exige cuidados especiais? Que medidas de segurança devem ser tomadas? b) O ácido clorídrico pode ser usado para limpar mármore (material que contém carbonato de cálcio, CaCO3)? Por quê?

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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Tipos de reação que merecem destaque Carbonatos e hidrogenocarbonatos reagem com ácidos. O ácido carbônico formado (H2CO3) decompõe-se rapidamente em CO2(g) e H2O(ℓ). Por isso, ao equacionar esse tipo de reação, é comum omitir a formação desse ácido. ▸ Veja o exemplo da reação de um carbonato com HCℓ:

K2CO3(s)

1 2 HCℓ(aq)

carbonato de potássio

2 KCℓ(aq) 1 H2O(ℓ) 1

ácido clorídrico

cloreto de potássio

água

CO2(g)

dióxido de carbono

<H2CO3>(aq) ácido carbônico

Na forma iônica, temos:

2 K1(aq) 1 CO322(aq) 1 2 H1(aq) 1 2 Cℓ2(aq) 1 CO322(aq) 2 H1(aq) íons carbonato

íons hidrogênio

2 K1(aq) 1 2 Cℓ2(aq) 1H2O(ℓ) 1CO2(g) H2O(ℓ) 1 CO2(g) água

dióxido de carbono

DIVULGAÇÃO PNLD

Os compostos com o íon HCO32 (hidrogenocarbonato ou bicarbonato), como NaHCO3 (hidrogenocarbonato de sódio ou bicarbonato de sódio), por exemplo, ao reagirem com ácidos, também formam H2CO3, que libera CO2(g) e H2O(ℓ). É isso que explica a efervescência observada quando pingamos limão (material contendo um ácido orgânico – o ácido cítrico) sobre bicarbonato de sódio.

HCO32(aq)

íons hidrogenocarboneto ▸

H1(aq)

H2O(ℓ) 1

íons hidrogênio

água

CO2(g)

dióxido de carbono

Já vimos que o hidróxido de amônio, NH4OH(aq), é, na verdade, uma solução de amônia, NH3(g), em água, H2O(ℓ). Por isso, é melhor indicar NH3(g) e H2O(ℓ) como produtos da reação, em vez de NH4OH, especialmente se o processo for feito a temperatura elevada:

NaOH(aq) 1

NH4Cℓ(s)

hidróxido de sódio

cloreto de amônio

NaCℓ(aq) cloreto de sódio

1 NH3(g) 1 H2O(ℓ) amônia

água Não escreva neste livro.

Atividades 1. Complete em seu caderno as reações possíveis, indicando quais ácidos e bases são fortes e quais são fracos. a) HNO3(conc) 1 KCN(s) b) NaOH(s) 1 NH4Cℓ(s)

//////////// ////////////

2. Reproduza as equações no caderno, colocando as setas reação:

, de acordo com o sentido da

a) (NH4)2SO4 1 Ca(OH)2 //////////// 2 NH4OH 1 CaSO4 b) H2S 1 2 KI //////////// K2S 1 2 HI c) NiCℓ2 1 2 NaOH //////////// Ni(OH)2 1 2 NaCℓ d) BaSO4 1 2 NH4OH //////////// (NH4)2SO4 1 Ba(OH)2 3. a) Os íons Ba21 são bastante tóxicos. No entanto, o sulfato de bário é usado como contraste por ser praticamente insolúvel em água. Consulte os dados necessários e diga se os compostos BaCℓ2, Ba(NO3)2 poderiam ser usados para a mesma finalidade. b) Tendo em vista que em nosso aparelho digestório há uma concentração elevada de íons H1, explique por que o BaCO3 não poderia ser usado para a mesma finalidade.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Resumindo: É necessário que uma das condições analisadas anteriormente se verifique para que uma reação envolvendo dois compostos – ácidos, bases ou sais – ocorra espontaneamente. Elas podem ser assim resumidas: ▸▸ se houver uma neutralização (reação entre ácido e base): ácido

sal

base

água (sempre possível)

▸▸ se ocorrer formação de eletrólito mais fraco:

ácido1

base1

forte fixo

sal2

ácido2

sal2

base2

solúvel solúvel

pouco solúvel solúvel fraca

solúvel

solúvel forte

fraco volátil

sal1

pouco solúvel

sal1 solúvel pouco solúvel

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Portanto, para saber se uma reação entre dois compostos pode ou não ocorrer espontaneamente, basta completar a equação química que corresponderia a ela e verificar se ela satisfaz uma das duas condições acima. Observe, por exemplo, a equação de uma suposta reação indicada a seguir; como nenhuma dessas condições é satisfeita, sabemos que a reação não ocorre espontaneamente.

KNO3(aq)

1 H(CH3COO)(aq)

KCH3COO(aq)

ácido acético ácido fraco volátil

acetato de potássio sal solúvel

nitrato de potássio sal solúvel

HNO3(aq)

ácido nítrico ácido forte volátil

No sentido contrário, porém, essa reação pode ocorrer espontaneamente. Vamos indicar os íons provenientes da dissociação dos sais solúveis que participam da reação acima:

KNO3

HCH3COO

K(CH3COO)

sal

ácido fraco

ácido forte

HNO3 sal

As reações e a redução do número de íons livres Toda reação que envolve dois compostos pertencentes às funções ácido, base ou sal é espontânea no sentido em que há redução do número de íons livres no sistema. Retomemos os exemplos de equações iônicas (de neutralização, de precipitação e com formação de eletrólito mais fraco) para que isso fique mais claro. ▸▸ Reação de neutralização: ácido

base

água

H (aq)

OH (aq)

H2O(ℓ)

íon hidrogênio

íon hidróxido

(íons livres)

água

(moléculas)

▸▸ Reação de precipitação:

Ag1(aq)

íons prata (íons livres)

Cℓ2(aq)

AgCℓ(s)

íon cloreto

cloreto de prata (íons associados)

No caso da neutralização, para cada dois íons (um cátion H1 e um ânion OH2 ), forma-se uma molécula H2O, o que reduz a quantidade de íons livres do sistema. Lembre-se de que os íons correspondentes ao ânion do ácido e ao cátion da base permanecem em solução. Algo semelhante ocorre no caso das reações de precipitação. Nelas, 1 cátion se une a 1 ânion para formar uma substância pouco solúvel que se deposita no fundo da solução. Os íons que formam o precipitado abandonam a solução, reduzindo o número de íons livres. Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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▸▸ Reação com formação de eletrólito mais fraco:

H2SO4(aq)

2 KCH3COO(aq)

ácido sulfúrico forte

acetato de potássio

2 H1(aq) 1 SO22 (aq) 1 2 K1(aq) 1 2 (CH3COO)2(aq) 4 predomínio de íons livres

K2SO4(aq)

sulfato de potássio

1 2 H(CH3COO)(aq) ácido acético fraco

2 K1(aq) 1 SO22 (aq) 1 2 H(CH3COO)(aq) 4

íons livres

predomínio de moléculas

No caso da formação de ácidos ou bases mais fracos, o que acontece é que o reagente é um ácido forte – como o H2SO4(aq) –, por isso praticamente a totalidade de suas moléculas foi transformada em íons livres. Já o produto é um eletrólito fraco – no exemplo acima, o ácido acético tem pequena parte de suas moléculas ionizada. Ou seja, com a reação também ocorre uma redução do número de íons livres em solução. Veja outro exemplo:

Na2CO3(aq)

carbonato de sódio

2 HCℓ(aq)

2 NaCℓ(aq)

ácido clorídrico

cloreto de sódio

2 Na1(aq) 1 CO22 (aq) 1 2 H1(aq) 1 Cℓ2(aq) 3

1 H2O(ℓ) 1

2 Na1(aq) 1 Cℓ2(aq) 1 H2O(ℓ) 1

CO2(g)

gás carbônico

CO2(g)

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Lembre-se: Dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2) e amônia (NH3) são compostos moleculares gasosos nas condições ambientes, por isso, nas equações, devem ser representados dessa forma.

Atividades 1. Indique, por meio de equação iônica, os processos a seguir, considerando que ocorrem em solução aquosa:

Não escreva neste livro.

a) uma base adicionada a um sal de ferro(III), originando um precipitado gelatinoso cor de ferrugem; b) um sal de amônio em contato com uma base forte liberando gás amoníaco. 2. Leia os fragmentos extraídos, respectivamente, de uma matéria disponível na internet e de uma notícia de jornal.

LANTMANN, Áureo. Projeto Soja Brasil, 14 dez. 2014. Disponível em: <http://www.projetosojabrasil.com.br/artigo-calagem>. Acesso em: 18 nov. 2015.

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Calagem: adubação da terra com cal para corrigir a acidez do solo. Estiagem: falta de chuvas, seca. KINO.COM.BR/JACEK

Calagem para garantir um bom desenvolvimento da soja Tem sido comum nesta safra, em função de estiagens, o aparecimento de manchas nas lavouras de soja. As manchas são amareladas; em outras [lavouras] a soja não se desenvolveu bem, outras ainda apresentam alguns sintomas de deficiências nutricionais. Esse conjunto de observações pode estar ligado a problemas decorrentes de calagem, em excesso, em falta ou até aplicada de forma desuniforme. [...] O efeito mais marcante do calcário em solos ácidos talvez seja que, ao corrigir a acidez do solo, ele aumenta a eficiência das adubações. A não utilização de calcário ou a calagem malfeita são fatores mais fortes para a baixa eficiência das adubações, a baixa produtividade e/ou baixos lucros ou mesmo o prejuízo dos agricultores, em [...] um grande número de culturas no Brasil. [...]

Calcário aplicado em terreno preparado para plantação. Gonçalves (MG), 2012.

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É hora de aplicar calcário no solo [...] “Solos ácidos, caracterizados por baixos valores de pH (menor que 5,5), teores insuficientes de cálcio e excesso de alumínio e/ou manganês, são predominantes na maior parte do Brasil e limitam fortemente a produtividade das culturas, pois impedem absorção plena dos nutrientes pelas plantas”, diz o pesquisador científico Cristiano Alberto de Andrade, do Instituto Agronômico (IAC-Apta), em Campinas (SP). [...] A aplicação de calcário agrícola corrige essa acidez, permitindo que a adubação seja plenamente aproveitada. [...] três meses antes do início do plantio de verão, é o momento de fazer a calagem, sempre baseada, porém, na análise química do solo, realizada em laboratórios especializados. [...] “A calagem deve ser feita três meses antes do plantio para que haja tempo suficiente para a reação do corretivo, com o início das chuvas.” [...] O pesquisador explica que os principais danos às plantas provocados por solos ácidos estão relacionados ao desenvolvimento das raízes, já que a acidez elevada e o teor excessivo de alumínio prejudicam o crescimento do sistema radicular, reduzindo a absorção de água e nutrientes pela planta. [...] “Entre os benefícios da calagem, os principais estão relacionados à elevação do pH a uma faixa adequada, normalmente entre 5,5 e 6,5, o que, além de reduzir ou eliminar a toxidez por excesso de alumínio ou manganês no solo, favorece a disponibilidade dos nutrientes e a atividade de micro-organismos no solo”. [...] YONEYA, Fernanda. O Estado de S. Paulo, 6 ago. 2008. Disponível em: <http://www.estadao.com.br/noticias/suplementos,e-hora-de-aplicar-calcario-no-solo,218382,0.htm>. Acesso em: 28 dez. 2015.

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a) Os dois textos tratam de um procedimento básico na agricultura brasileira para que uma plantação tenha bons resultados. Qual é? b) O primeiro texto é de 2014. A que fatores seu autor atribui os maus resultados da safra de soja naquele ano? c) O que informa o pesquisador Cristiano Alberto de Andrade, mencionado no segundo texto, sobre as características dos solos brasileiros? d) Que consequências esse fato tem sobre as plantas? e) Anteriormente já tratamos do principal constituinte do calcário. Qual é ele? f) Por que ele é eficiente para reduzir a acidez do solo? g) Equacione a reação do carbonato de cálcio com íons H1 provenientes do solo. h) No segundo texto, diz-se que “a calagem deve ser feita três meses antes do plantio para que haja tempo suficiente para a reação do corretivo, com o início das chuvas”. Por que o autor destaca a ação das chuvas? 3. O Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro) é o órgão público responsável por fazer as avaliações de conformidade de produtos vendidos no Brasil. Segundo a definição do próprio Inmetro, esse procedimento “objetiva prover adequado grau de confiança em um determinado produto, mediante o atendimento de requisitos definidos em normas ou regulamentos técnicos”. Essa atividade fundamenta-se na Metrologia, ramo do conhecimento que sistematiza todos os aspectos teóricos e práticos relativos a medições. O Inmetro oferece um curso técnico de Metrologia. a) Faça uma pesquisa no site do Inmetro (<http://www.inmetro.gov.br/metcientifica/curso_metrologia/matriz.asp>, acesso em: 20 jan. 2016) e localize um produto que poderia ser estudado na disciplina de Metrologia Mecânica e na de Metrologia Elétrica. b) A avaliação de conformidade efetuada pelo Inmetro usa como referências as normas elaboradas pela ABNT. Leia o texto abaixo para conhecer o modo de funcionamento dessa associação. A ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – é o Fórum Nacional de Normalização. As Normas Brasileiras, cujo conteúdo é de responsabilidade dos Comitês Brasileiros (ABNT/ CB) e dos Organismos de Normalização Setorial (ABNT/ONS), são elaboradas por Comissões de Estudo (CE), formadas por representantes dos setores envolvidos, delas fazendo parte: produtores, consumidores e neutros (universidades, laboratórios e outros). Disponível em: <http://www.canal.ind.br/NBR13430.pdf>. Acesso em: 15 jan. 2016.

Na sua opinião, por que é importante para a sociedade que as normas técnicas sejam elaboradas por representantes de “produtores, consumidores e neutros”?

Capítulo 8 Reações químicas: estudo qualitativo

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9 capítulo

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PULSAR IMAGENS/GERSON GERLOFF

Cálculos químicos: uma iniciação

Aplicação de calcário para adequação do pH do solo em plantação de São Martinho da Serra (RS). Foto de 2015.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • mol e constante de Avogadro; • massa molar; • cálculos envolvendo reações químicas; • reagentes limitantes; • concentração (g/L e mol/L).

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Para situá-lo Vamos refletir sobre duas situações nas quais diferentes profissionais precisam tomar decisões sobre o uso de produtos. Vimos no capítulo anterior que uma das medidas necessárias para uma plantação ser produtiva e gerar alimentos com qualidade é a verificação do nível de acidez do solo. Para isso, ao preparar o terreno para o plantio, o agricultor deve retirar um pouco de terra do local em que vai plantar, misturá-la com água, agitando-a, para em seguida filtrá-la; esse filtrado deve ser submetido ao teste de acidez com indicadores ácido-base. Se obtiver como resultado, por exemplo, um pH mais baixo do que o adequado ao tipo de plantio que deseja fazer e consultar técnicos agrícolas para saber como solucionar o problema, é possível que receba como sugestões: acrescentar ao solo certa quantidade de calcário (carbonato de cálcio) ou adicionar a ele cal hidratada (hidróxido de cálcio). As duas substâncias são adequadas para proceder à calagem do solo, já que ambas consomem íons H1 e fornecem íons cálcio ao solo. É preciso saber então qual a vantagem econômica de cada substância. Como isso poderia ser feito?

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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D.A PRESS/DN/ANA AMARAL

Outra situação muito comum é o vazamento de produtos químicos perigosos, um risco para os seres vivos e para o ambiente. Quando, por alguma razão, ocorre escoamento de cargas de caminhões e de outros meios de transporte, atingindo estradas e cursos de água, os órgãos responsáveis precisam saber que providências tomar para minimizar possíveis danos. Observe a foto ao lado e leia a legenda. Como seria posTombamento de caminhão causa derramamento de soda cáustica em rodovia no município de sível saber a quantidade Monte Alegre (RN), provocando a contaminação da Lagoa dos Cavalos. Foto de 2011. de ácido necessária para neutralizar a água da lagoa? Será que, se o ácido em questão for o sulfúrico ou o acético, haverá diferença na massa de ácido a ser usada? Você já parou para pensar como os químicos escolhem os reagentes mais adequados para resolver as questões propostas nessas duas situações? Como eles escolhem a substância a ser usada e calculam a quantidade necessária? Reflita um pouco sobre isso e, em seguida, resolva as questões. 1. Proponha equações para ambos os processos de calagem do solo descritos no texto.

Não escreva neste livro.

2. Considere que ambos os produtos que poderiam ser usados no tratamento do solo tenham o mesmo valor por quilograma. Você saberia dizer qual dos dois produtos seria economicamente mais vantajoso? Justifique. 3. De que forma alguém poderia calcular a quantidade de ácido sulfúrico que deveria ser usada para neutralizar certa quantidade de soda cáustica que vazou de um caminhão-tanque? Reflita e tente elaborar um caminho para resolver a questão, apontando eventuais dados necessários para chegar à resposta. Qual lei ponderal pode fundamentar esse cálculo? 4. Pense agora no seguinte: duas pessoas carregam balões contendo massas iguais de dois gases: um é o oxigênio (O2); o outro é o ozônio (O3). Em qual deles deve haver maior número de moléculas? É possível que você tenha concluído que, sem ter ideia da massa de cada molécula ou da massa de uma molécula em relação à massa de outra, é difícil responder a muitas das questões apresentadas. O conteúdo deste capítulo permitirá a você relacionar tudo o que aprendeu até aqui sobre processos químicos com as quantidades de substâncias necessárias para resolver os mais diversos desafios: desde alguns relativamente simples até os que envolvem as consequências de acidentes graves, muitas vezes causados por descuido. Aliás, as bases quantitativas do estudo da Química têm aqui seus fundamentos. Por tratar-se de algo tão importante, daqui em diante, durante todo o curso de Química, você fará cálculos baseados no conteúdo tratado neste capítulo. Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Mol: unidade fundamental para a Química

©SHUTTERSTOCK/VIKTOR1

©SHUTTERSTOCK/VALENTYN VOLKOV

©SHUTTERSTOCK/HELLEN SERGEYEVA

Os cálculos químicos apresentam algumas particularidades. Uma delas é o uso de uma unidade de medida característica, o mol. Como você já estudou, uma unidade de medida é uma quantidade fixada, usada como referência para comparar grandezas da mesma espécie. Existem diferentes unidades de medida, como o metro, o quilograma, o segundo, unidades do Sistema Internacional de Unidades. Mol é a unidade de medida básica do SI, bastante utilizada em cálculos químicos. Imagine que você tenha de contar o número de “grãos” existentes em uma porção de feijão, em uma de arroz e em uma de sal, como nas fotos abaixo. Qual porção seria mais fácil de contar?

Quantas unidades há na porção de feijão, na de arroz e na de sal? Seria possível contar os grãozinhos do sal?

100 g 5 000 g

1 000 grãos de arroz x

x 5 50 000 grãos ou 5 ? 104 grãos

Até agora, falamos em contar grãos, que, por menores que sejam, são perfeitamente visíveis. Agora pense: e se tivéssemos de "contar" o número de moléculas, átomos, íons ou elétrons presentes em determinada amostra de um material? Seria necessário adotar uma unidade de medida compatível com a dimensão dessas partículas. Imagine que fosse possível contar o número de moléculas e de átomos de cada elemento contido em uma amostra de etanol, cujas moléculas podem ser representadas pela fórmula molecul ar C 2 H 6 O. Considere a amostra de etanol representada ao lado. 190

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

Representação de 22 moléculas de etanol (C2H6O). EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Certamente, seria mais fácil contar os grãos de feijão, pois, quanto maior for a dimensão das unidades, mais simples será a contagem. De acordo com o tipo de material, certas unidades de medida são mais usadas. Assim, compramos arroz e feijão por quilograma (kg), areia por metro cúbico (m3), flores e frutas por dúzia. Se formos contar quantos grãos de arroz há em um saco de 5 kg, teremos de fazê-lo por cálculo aproximado, estimado a partir da contagem de uma amostra menor, por exemplo, 100 g. Assim, se em 100 g de arroz houver 1 000 grãos, em 5 kg (5 000 g) teremos:

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Como nessa amostra estão representadas 22 moléculas de etanol e cada uma delas contém 2 átomos de C, 6 átomos de H e 1 átomo de O, podemos calcular: 22 moléculas de etanol

44 átomos de C 132 átomos de H 22 átomos de O

DIVULGAÇÃO PNLD

198 átomos Apesar de conter um número de átomos que pode nos parecer grande (quase 200), a massa dessa amostra é muito pequena: 0,00000000000000000000169 g, ou 1,69 ? 10221 g. Trata-se, portanto, da representação de uma amostra bem menor do que uma gota de álcool, invisível mesmo que submetida a instrumentos ópticos. Agora, imagine o número de moléculas e de átomos em uma amostra de 800 g de etanol (aproximadamente o equivalente ao conteúdo de um frasco de 1 L dessa substância). É por isso que um profissional que tenha de fazer cálculos envolvendo processos químicos – seja ele farmacêutico, engenheiro, médico, técnico agrícola, entre outros – baseia seu raciocínio em conjuntos contendo um número extremamente grande de unidades do mundo submicroscópico (átomos, moléculas, aglomerados iônicos, entre outras), em vez de raciocinar em termos dessas unidades. De forma análoga, é o mesmo recurso que se adota ao comprar feijão por quilograma e não por grãos, ou ao contar a idade das pessoas em anos e não em segundos. Isso explica a adoção de uma unidade especial, o mol, que torna mais práticos os cálculos de número de átomos ou moléculas em amostras cujas massas podem ser medidas com instrumentos comuns, como uma balança. Mol é a unidade padronizada pela ciência para fazer referência à quantidade de matéria. Mas quantas unidades existem em 1 mol? Em 1 mol há 602 000 000 000 000 000 000 000 de unidades ou 6,02 ? 1023 unidades. Veja os exemplos: ▸▸ 1 mol de moléculas de água equivale a 6,02 ? 1023 moléculas de H O. 2 ▸▸ 1 mol de átomos de oxigênio equivale a 6,02 ? 1023 átomos de O. ▸▸ 1 mol de elétrons equivale a 6,02 ? 1023 elétrons. O número 6,02 ? 1023 é chamado de constante de Avogadro e pode ser representado pela sigla NA. Para facilitar os cálculos, usaremos o valor aproximado da constante de Avogadro: 6,0 ? 1023. Dá para aproximar esse número de “nosso mundo”? Suponha que uma pessoa viva 70 anos e tenha a capacidade de contar tudo o que está à sua volta, sem nenhum intervalo. Imagine que ela consiga a proeza de contar moléculas, uma por segundo. Quantas ela contaria até morrer? Para responder a essa pergunta, vamos calcular a quantos segundos equivalem 70 anos: 1 h 5 3 600 s 1 dia 5 24 ? 3 600 s 1 ano 5 365 ? 24 ? 3 600 s 1 ano 5 365 dias 70 anos 5 70 ? 365 ? 24 ? 3 600 s 5 2 207 520 000 s Setenta anos equivalem a 2 207 520 000 segundos; portanto, após esse período, a pessoa teria contado 2 207 520 000 moléculas. Então, quantas pessoas com a mesma capacidade seriam necessárias para completar a contagem de 1 mol de moléculas? Vamos fazer uma estimativa: 6,0 ? 1023

4 2,20752 ? 109 . 3 ? 1014

Ou seja: seriam necessárias quase 300 000 000 000 000 (300 trilhões) de pessoas. Trata-se, portanto, de uma tarefa impossível, ainda que essa contagem fosse viável, pois, no início de 2016, a Terra tinha cerca de 7,5 bilhões de habitantes. Se a população mundial conseguisse contar uma molécula por segundo, ao final de 70 anos teriam sido contadas aproximadamente 1,6 ? 1019 moléculas, o que representa cerca de 0,003% de 1 mol. Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Reflita sobre estes outros exemplos: 1 mol de moléculas de oxigênio

6,0 ? 1023 moléculas de O2 32

Como 1 molécula de O2 tem 2 átomos de O

2 ? 6,0 ? 1023 átomos de O

1 mol de moléculas de dióxido de carbono

6,0 ? 1023 moléculas de CO2

2 mol de átomos de O

Como 1 molécula de CO2 tem 1 átomo de C e 2 átomos de O

6,0 ? 1023 átomos de C

2 ? 6,0 ? 1023 átomos de O

1 mol de átomos de C

2 mol de átomos de O

Podemos estender nosso raciocínio para uma substância genérica, de fórmula molecular A xBy: x átomos de A y átomos de B

x mol de átomos A y mol de átomos B

1 mol de moléculas de A xBy

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

1 molécula de A xBy

Um mol de várias substâncias. Essas amostras têm massas e volumes diferentes, no entanto, todas contêm 6 ? 1023 unidades constituintes da substância: átomos (mercúrio e ferro), moléculas (etanol e água), conjuntos iônicos (permanganato de potássio) e conjuntos iônicos hidratados (sulfato de cobre(II) pentaidratado, CuSO4 ? 5 H2O).

Observações: Em 1962, a IUPAC estabeleceu o mol como a unidade de quantidade de matéria (n), o que foi ratificado pela 14a Conferência Geral de Pesos e Medidas, em 1971. Eventualmente, em vez de quantidade de matéria (em mol), você ainda poderá encontrar a antiga expressão “número de mols”. Quando nos referimos a certa distância em metros, podemos dizer, por exemplo, 5 metros ou 5 m. Nesse caso, o símbolo m não é acrescido do s, indicativo de plural. No caso do mol, o símbolo dessa unidade coincide com o seu nome, por isso, podemos encontrar, por exemplo, 2 mols (unidade indicada por extenso) ou 2 mol (unidade indicada por seu símbolo). Podemos trabalhar com frações de mol (0,5 mol, 0,25 mol, etc.), mas não com fração de molécula. Observe o exemplo: equivale a 0,25 ? 6,0 ? 1023 moléculas ou 1,5 ? 1023 moléculas de C4H10 0,25 mol de C4H10 contém

(0,25 ? 4) mol de átomos de C 5 1 mol de C (0,25 ? 10) mol de átomos de H 5 2,5 mol de H

Isso significa que não faz sentido pensar em 0,25 molécula de C4H10; já em 0,25 mol de C4H10, há grande número de moléculas (1,5 ? 1023 moléculas de C4H10). 192

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Atividades 1. Alexandre disse a Fábio: “Depois da aula de Química de hoje cheguei à conclusão de que, em uma colher de sopa, podemos colocar cerca de 0,8 mol de água”. Fábio respondeu: “Você não entendeu o conceito de mol! Como é possível haver uma fração de mol?”. Explique a confusão de Fábio.

Não escreva neste livro.

2. Um professor de Química, ao corrigir a resposta de um aluno, apontou como erro a frase: “Em 9 g de água há meia molécula de H2O”. Apesar de não saber ainda qual é a massa de uma molécula de água, você pode apontar o erro da afirmação? Explique. 3. Com relação à questão anterior, o aluno confundiu um termo químico com outro. Em sua opinião, qual foi a confusão? 4. Leia o texto abaixo e responda às questões a seguir. Adote NA 5 6,0 ? 1023 mol21. O gás metano

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Os hidrocarbonetos, substâncias constituídas apenas por carbono e hidrogênio, têm largo emprego como combustíveis. O metano (CH4) é o mais simples desse grupo de compostos – met- é o prefixo usado na química orgânica para indicar 1 átomo de carbono. Ele é encontrado, por exemplo, com outras substâncias, no gás natural, combustível que tem sido usado em usinas termelétricas brasileiras. a) Quantas moléculas de metano há em 0,5 mol de CH4? b) Que quantidade de matéria (em mol) há numa amostra de 1,2 ? 1023 moléculas de metano (CH4)? c) Qual é o número de átomos de C e de H em 0,5 mol de CH4? d) Qual é a quantidade de matéria (em mol), expressa em átomos de cada elemento, presente em 0,5 mol de metano? 5. Leia o texto abaixo e responda às questões a seguir. Digestão de ruminantes e produção de metano A digestão dos ruminantes é uma das fontes de gás metano, o que merece nossa atenção, já que o Brasil possui o segundo maior rebanho bovino do mundo, inferior apenas ao da Índia. Em 2014, o número de cabeças de gado atingiu 212,3 milhões de cabeças. Segundo a Embrapa, a emissão do gás pelos animais pode cair pela metade quando eles são criados em sistemas com elevada disponibilidade e valor nutritivo de forragem. Fonte: REBANHO bovino brasileiro cresce e chega a 212,3 milhões de cabeças de gado. Disponível em: <http://www.brasil.gov.br/economia-e-emprego/2015/10/ rebanho-bovino-brasileiro-cresce-e-chega-a-212-3-milhoes-de-cabecas-de-gado>. Acesso em: 5 fev. 2015.

Estima-se que cada cabeça de certo tipo de gado produza por dia 1 500 mol de metano. a) Quantas moléculas de metano esse animal produz por dia? b) Quantos átomos de hidrogênio há nesse gás eliminado pelo sistema digestório do animal? Traduza esse valor em quantidade de matéria de átomos de hidrogênio. 6. As expressões “1 mol do elemento oxigênio” e “1 mol do gás oxigênio” têm o mesmo significado? Justifique. 7. O sulfato de ferro(III), Fe2(SO4)3, é muito usado para tratar resíduos industriais, antes de lançá-los no esgoto. Quantos cátions, ânions e íons há em 0,5 mol de sulfato de ferro(III)?

Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Massa atômica e massa molar de um elemento Vimos no capítulo 5 que Dalton introduziu o conceito de massa atômica (na época, peso atômico) tomando como padrão o hidrogênio, elemento ao qual atribuiu massa atômica 1. Mesmo com as alterações posteriores do padrão de massa atômica, o elemento hidrogênio continuou tendo valores de massa atômica praticamente iguais a 1. Na verdade, mesmo o valor 1,01 que aparece em algumas Tabelas Periódicas é aproximado, já que apenas para os cientistas é importante usar os vários algarismos significativos conhecidos após o zero. Mas qual é a relação entre a massa atômica e a massa molar de um elemento? A massa molar (M) de um elemenMassa atômica e massa molar de alguns elementos to corresponde à massa de 1 mol de átomos desse elemento. NumeriElemento Massa atômica (u) Massa molar (g/mol) camente, esse valor é igual à massa Hidrogênio: H 1 1 atômica. Entretanto, a massa molar é expressa em gramas/mol e a massa Carbono: C 12 12 atômica é expressa em unidades de Oxigênio: O 16 16 massa atômica, u.

Massa molar e seu uso em cálculos químicos DIVULGAÇÃO PNLD

Para saber a massa de 1 mol de uma substância, temos que nos basear nos valores de massa atômica (na Tabela Periódica) dos elementos químicos que a constituem e em sua fórmula molecular. Por exemplo, a massa molar da substância hidrogênio (H2) é igual a 2 ? 1 g/mol, ou seja, 2 g/mol; a massa molar ozônio (O3) é igual a 3 ? 16 g/mol, ou seja, 48 g/mol. Vamos calcular a massa molar de outras substâncias: C2H6O (etanol) 1 mol de moléculas

2 mol de átomos de C → (2 ? 12) g 5 24 g/mol 6 mol de átomos de H → (6 ? 1) g 5 6 g/mol 1 mol de átomos de O → (1 ? 16) g 5 16 g/mol

MC H O 5 (24 1 6 1 16) g/mol 5 46 g/mol 2 6

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Copie a tabela seguinte em seu caderno e complete-a. Preste atenção às informações dadas: I

III

Quantidade de matéria da substância na amostra (mol)

Número de moléculas da substância na amostra

Número de átomos de cada elemento na amostra

Quantidade de matéria de cada elemento na amostra (mol)

Massa total da amostra (g)

1 mol de SO3

//////////////////////////////

S: ////////////

O: ////////////

S: ////////////

O: ////////////

//////////////////////

0,5 mol de SO3

//////////////////////////////

S: ////////////

O: ////////////

S: ////////////

O: ////////////

//////////////////////

1 mol de H3PO4

//////////////////////////////

H: /////

P: /////

O: /////

H: /////

P: /////

O: /////

//////////////////////

0, 25 mol de H3PO4

//////////////////////////////

H: /////

P: /////

O: /////

H: /////

P: /////

O: /////

//////////////////////

Usando qualquer uma das informações com que preencheu a linha A, você poderá montar proporções para preencher vazios da linha B na tabela que copiou em seu caderno. Isso porque, na linha A, todos os dados se referem a 1 mol de SO3 e, na linha B, referem-se a outra amostra da mesma substância SO3. A mesma relação acontece entre as linhas C e D.

194

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ NOVA

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b) Qual a quantidade de matéria (em mol) de monóxido de carbono (CO) lançada ao ambiente para cada cigarro F queimado?

DIVULGAÇÃO PNLD

3. Os itens de a a f referem-se ao oxigênio, elemento que, como você sabe, está presente no ar, na forma de gás oxigênio. Esse gás, além de participar da respiração, é o comburente essencial para as combustões (queimas) que acontecem em nosso cotidiano. Em outra forma alotrópica, o oxigênio constitui o gás ozônio, O3, um dos poluentes atmosféricos dos grandes centros urbanos. Dada a massa molar do O: 16 g/mol:

16,1

15,7

15,3

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

a) Quantas moléculas de monóxido de carbono (CO) são absorvidas por uma pessoa ao fumar um cigarro F? Massa molar do monóxido de carbono: 28 g/mol.

Marcas de cigarro

2. Observe o gráfico ao lado. Depois, tente resolver as questões abaixo.

11,6

F 0

5 10 15 20 Média de monóxido de carbono por cigarro (em mg)

Fonte: PANKOW, James F. (Org.). Nicotine Availability in Tobacco Smoke Enhanced by Ammonia. American Society News Service, jul. 1997.

Observações: Os níveis referem-se apenas ao que é a) Qual é a massa de 1 mol de átomos de O? E de 0,5 mol de absorvido pelo fumante. Quantidades até 3,7 vezes átomos de O? maiores são lançadas no ambiente a cada queima de cigarro. Um cigarro lança 43 mg de monóxido de b) Qual é a massa de 3,0 ? 1023 átomos de O? carbono no ar. c) Qual é a massa de 1 mol de gás oxigênio? E a massa de 1 mol de ozônio, O3? d) Quantas moléculas de ozônio (O3) existem em uma amostra de 4,8 g de ozônio? e) Quantos átomos existem em 4,8 g de gás oxigênio? f) Compare o número de átomos de O em 4,8 g de ozônio e em 4,8 g de oxigênio. Explique o que você constata nessa comparação.

O mol e os cálculos por meio de reações Agora, você vai se valer de tudo o que foi visto ao estudar as leis de Lavoisier e de Proust, as equações químicas e o significado dos coeficientes de acerto, aplicando esses conceitos à determinação das quantidades das substâncias envolvidas numa transformação.

Não escreva neste livro.

Atividade Leia o trecho de notícia a seguir.

a) Que quantidade de ácido sulfúrico, H2SO4, em mol, teria vazado nas águas do rio? A solução de ácido é muito concentrada. Para facilitar, considere que toda a massa em questão é de H2SO4.

Um cargueiro transportando 2 400 toneladas de ácido sulfúrico virou-se [...] no rio Reno, ao passar pela Alemanha. Dois membros da tripulação estão dados como desaparecidos. [...]

b) Equacione a reação de neutralização do ácido sulfúrico com hidróxido de cálcio.

PÚBLICO, 13 jan. 2011. Ciência. Disponível em: <http://publico. pt/ciencia/noticia/cargueiro-com-2400-toneladas-de-acidosulfurico-virouse-no-rio-reno-1475034>. Acesso em: 30 nov. 2015.

Suponha que não foi possível conter o vazamento da carga do navio e que todo o volume de ácido tenha sido derramado no rio. Para neutralizar os efeitos decorrentes do aumento da acidez da água do rio, pode ser utilizada cal hidratada – hidróxido de cálcio, Ca(OH)2. Consulte as massas atômicas dos elementos na Tabela Periódica da página 106 e responda:

c) Interprete a equação química que você formulou com relação à proporção de moléculas (e/ ou conjuntos iônicos) e à proporção de mol. d) Expresse a proporção em mol da questão anterior em proporção em massa. e) Que quantidade de matéria (mol) de Ca(OH)2 foi consumida nessa neutralização? Determine a massa de hidróxido de cálcio gasta nesse processo.

Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Ao raciocinar para resolver as questões da página anterior, você deve ter se dado conta de que a interpretação de uma equação química devidamente balanceada e a utilização dos conceitos de mol e de massa molar são fundamentais para determinar as massas de reagentes e produtos de uma reação química. Vejamos um exemplo relativo a outro acidente. Caminhão carregado com ácido fluorídrico tomba em Garça Um caminhão carregado com 21 toneladas de ácido fluorídrico, um produto químico altamente tóxico, tombou [...] Caminhão carregado com ácido fluorídrico tomba em Garça. Globo.com, 28 set. 2015. Disponível em: <http://g1.globo.com/sp/bauru-marilia/noticia/2015/09/ caminhao-carregado-com-acido-fluoridrico-tomba-em-garca.html>. Acesso em: 20 nov. 2015.

Se, para neutralizar os efeitos do ácido fluorídrico (HF), for usada cal, isto é, óxido de cálcio (CaO), pergunta-se: qual a massa de CaO necessária? Qual a massa de fluoreto de cálcio formado? Para facilitar, vamos considerar que só haja HF no interior do caminhão. Como a informação dada (21 t de ácido) e as respostas pedidas referem-se a medidas de massa, vamos começar calculando as massas molares de reagentes e produtos da equação.

DIVULGAÇÃO PNLD

CaO(s)

2 HF(aq)

CaF2(s)

óxido de cálcio

ácido fluorídrico

fluoreto de cálcio

água

MCaO 5 (40 1 16) g/mol

MHF 5 2 ? (1 1 19) g/mol

MCaF 5 40 1 (19 ? 2) g/mol

MH O 5 (1 ? 2) 1 16 g/mol

MCaO 5 56 g/mol

MHF 5 40 g/mol

MCaF 5 78 g/mol

MH O 5 18 g/mol

H2O(ℓ)

Vamos também converter a unidade t em g: 21 t 5 21 000 kg 5 21 000 000 g 5 2,1 ? 107 g Mas lembre-se: do balanceamento da equação podemos deduzir a proporção dos reagentes e produtos em moléculas e conjuntos iônicos. Essa proporção também indica proporção em mol das substâncias: Observando a resolução da questão que foi usada acima, podemos notar que todos os cálculos são coerentes com as leis de Lavoisier e de Proust.

CaO(s)

2 HF(aq)

1 mol de CaO

reage com

2 mol de HF

3 56 g/mol

originando

CaF2(s)

H2O(ℓ)

1 mol de CaF2

1 mol de H2O

3 20 g/mol

3 78 g/mol

56 g

40 g

78 g

2,1 ? 107 g

56 g x

40 g

2,1 ? 10

x 5 2,94 ? 10 g 7

2,1 ? 10

3 18 g/mol

18 g

78 g y

y 5 4,09 ? 10 g 7

Os cálculos envolvendo as quantidades das substâncias participantes de uma reação são chamados de cálculos estequiométricos. 196

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões Química e trabalho – O transporte de produtos perigosos Você leu na página anterior um fragmento de notícia a respeito do tombamento de um caminhão que carregava um produto químico perigoso. São considerados produtos perigosos quaisquer materiais que possam representar riscos à saúde das pessoas, à segurança pública ou ao ambiente; muitas substâncias químicas se enquadram nessa categoria. Leia no texto abaixo o modo como os profissionais com formação em química contribuem para o transporte seguro de produtos químicos e para a redução de danos em caso de acidentes.

MENDA, M. Transporte de produtos perigosos. Conselho Regional de Química – IV Região. Disponível em: <http://www.crq4.org.br/quimicaviva_produtos_perigosos>. Acesso em: 4 jan. 2016.

No Brasil, existe um conjunto de leis e normas que regulamenta o transporte de produtos perigosos por meio terrestre (rodovias e ferrovias), aéreo ou aquaviário. Entre as exigências dessa legislação estão um veículo adequado e em boas condições, documentos da carga, sua correta identificação no meio de transporte e até a qualificação dos profissionais envolvidos em certos cursos. Os condutores, por exemplo, precisam fazer o curso de Movimentação de Produtos Perigosos. Já aos operadores de terminais de cargas é recomendado o curso de Transporte Aéreo de Artigos Perigosos. Respeitar todas as exigências legais ajuda a prevenir inúmeros acidentes.

©ABNT

DIVULGAÇÃO PNLD

[...] Na área de transporte, por conhecer as propriedades e características dos produtos químicos, o profissional da química atua na orientação quanto à estocagem e quanto ao transporte propriamente dito, além de atuar na descontaminação dos tanques de carga e no tratamento de resíduos. Os profissionais da química também atuam em campo, no trabalho de atendimento a emergências ocorridas durante o transporte de produtos perigosos. Eles são responsáveis pela identificação, neutralização e remoção de produtos derramados em consequência de acidentes, definindo quais as ações a serem tomadas para evitar danos à saúde da população e ao meio ambiente. Em alguns casos, eles podem determinar a construção de diques, para evitar que poluentes atinjam cursos d’água e a canalização de água potável, evitando assim acidentes ambientais que poderiam adquirir grandes proporções.

Placas indicativas de transporte de produtos perigosos, segundo as normas estabelecidas pela lei.

1. Por que é importante que todos os profissionais envolvidos no transporte de produtos perigosos conheçam minimamente as características de diferentes substâncias químicas? 2. Em sua opinião, qual é a importância da correta identificação dos produtos perigosos presentes no veículo? 3. Faça uma pesquisa na internet sobre a porcentagem de acidentes envolvendo caminhões com cargas perigosas em seu estado. Com base nessa pesquisa, responda: quais podem ser as causas prováveis desses acidentes?

Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Atividades Sempre que for necessário, consulte os valores de massas atômicas na Tabela Periódica na página 106.

Não escreva neste livro.

1. Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), em 2010 o Brasil produziu 1,5 milhão de toneladas de amônia (NH3), matéria-prima importante para a obtenção de fertilizantes agrícolas. Suponha que toda essa amônia fosse transformada em nitrato de amônio (NH4NO3) por meio da reação com ácido nítrico (HNO3). Quantos quilogramas desse sal é possível obter? Equacione essa reação. 2. Observe a tabela a seguir, que contém algumas informações retiradas do relatório do Ministério do Meio Ambiente, relativas à emissão de monóxido de carbono (CO) por tipos de veículos no Brasil. Emissões de CO por tipo de veículo no Brasil (2011) Tipo de veículo

Combustível

Emissão de CO (103 t ao ano)

gasolina

331,9

etanol

automóveis flex motocicletas

gasolina

ônibus urbanos

diesel

104,5 gasolina

57,2

etanol

117,2

DIVULGAÇÃO PNLD

Total

425,1 37,5 1 073,4

Fonte: BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. 1o Inventário nacional de emissões atmosféricas por veículos automotores rodoviários: relatório final, 2011, p. 99-100. Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_publicacao/163_publicacao27072011055200.pdf>. Acesso em: 5 nov. 2015. Notas: Até o final de 2015, não havia relatório posterior ao de 2011. Os valores foram arredondados para facilitar a leitura. O etanol a que a tabela se refere é o etanol hidratado, e a gasolina, a que contém cerca de 22% (em volume) de etanol.

Com base nos dados da tabela, faça as atividades seguintes. a) Calcule a quantidade estimada, em mol, de CO emitido por automóveis em 2011. b) Considere a quantidade de CO calculada na questão anterior. Suponha que esse gás reaja com o O2 do ar, originando CO2 por ação de um catalisador. Equacione tal reação. c) Qual é a importância dessa reação para a qualidade do ar? d) Qual é a quantidade de O2, em mol, necessária para que tal transformação ocorra? 3. De cada 5 moléculas do ar, aproximadamente 1 é de oxigênio. Baseando-se nessa informação e em sua resposta ao item b da questão anterior, calcule a quantidade (em mol) de moléculas do ar envolvida na transformação do CO em CO2. 4. Suponha que, nas condições ambientes, em um dia de calor, o volume molar (volume ocupado por 1 mol de qualquer gás) ocupe aproximadamente 27 L. Com base em sua resposta à questão anterior, calcule que volume de ar seria utilizado na transformação de CO em CO2. 5. O documento que contém os dados reproduzidos na tabela da questão 2 faz a seguinte referência aos meios de transporte de cargas utilizados no Brasil: [a] frota de veículos pesados reflete assimetrias profundas de uma logística baseada prioritariamente no transporte por caminhões, relegando a planos de menor expressão modais meios como o ferroviário e o aquaviário (incluindo o de cabotagem), que deveriam ter grande importância na distribuição de mercadorias e bens em um país com as dimensões do Brasil. BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. 1o Inventário Nacional de Emissões Atmosféricas por Veículos Automotores Rodoviários: relatório final, 2011, p. 99-100. Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/163/_publicacao/163_publicacao27072011055200.pdf>. Acesso em: 5 nov. 2015.

Segundo o texto, qual o meio de transporte de cargas mais utilizado no Brasil? Ele também predomina na região do país na qual você mora? 198

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Reagentes em solução Como vimos, muitas reações ocorrem em meio aquoso. Por isso, vamos começar a analisar cálculos que envolvem reagentes dissolvidos em água (solução). Para isso, é importante entender o conceito de concentração de uma solução.

Concentração de uma solução A atividade a seguir é bastante simples, mas vai ajudá-lo a entender o conceito de concentração.

Química: prática e reflexão É possível que você tenha ouvido falar que determinado suco estava muito “aguado” ou que uma bebida estava muito doce. Em ambas as situações está implícito o conceito de concentração de uma solução. Como você faria para diferenciar um suco aguado de um suco concentrado, sem utilizar o paladar? Material necessário

DIVULGAÇÃO PNLD

• 2 pacotes de suco em pó colorido do mesmo sabor (uva ou morango) para o preparo de 1 L de suco • 3 copos-medida, usados em culinária, contendo marcas de volume de 100 mL até 500 mL • Água • Sal de cozinha • 1 colher de sopa • 1 batata pequena Procedimento

1a parte • Coloquem cuidadosamente todo o conteúdo de um dos pacotes de suco em pó em um dos copos-medida e acrescentem água até a marca de 200 mL. Mexam com a colher para homogeneizar a mistura (mistura A). • Coloquem todo o conteúdo do outro pacote de suco em pó em outro copo-medida e acrescentem 500 mL de água. Agitem com a colher até homogeneizar a mistura (mistura B). • Comparem as duas misturas. 2a parte • No último copo-medida, dissolvam 1 colher rasa de sal de cozinha em 300 mL de água. Em seguida, introduzam a batata nesse copo. • Após cerca de 30 segundos, retirem cuidadosamente a batata da água com a colher. • Acrescentem mais duas colheres rasas de sal na mistura e agitem com a colher. • Introduzam novamente a batata nesse copo. • Observem o que ocorre e anotem no caderno. Descarte dos resíduos: Os resíduos líquidos podem ser descartados diretamente no ralo de uma pia. A batata pode ser armazenada e utilizada em outras atividades experimentais. Analisem suas observações

1. Qual mistura (A ou B) é a mais concentrada? Justifiquem a resposta. 2. Considerando as misturas A e B, quantos gramas de suco em pó estão dissolvidos por mL de solução? 3. O que vocês observaram na 2a parte do experimento? Como explicariam esse resultado? 4. Houve diferença na concentração das soluções aquosas de sal? Se houve, indique quantas vezes, aproximadamente, a concentração de uma é maior que a da outra. Note como em seu dia a dia você já entrou em contato com o conceito de concentração. Você conseguiria explicar com suas palavras o que é concentração de uma solução? Mais adiante vamos estudar as unidades que podem ser usadas para expressar a concentração de um soluto em uma solução. Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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Agora vamos analisar um exemplo semelhante ao do experimento que você realizou. Se considerarmos uma jarra contendo um suco feito com 120 g de pó para o preparo (soluto) e 1 L de água (solvente) e colocarmos 200 mL desse suco em um copo, teremos a mesma concentração tanto na jarra como no copo, embora o copo contenha menor quantidade de suco, isto é, menor quantidade de soluto e de solvente. Em outras palavras, em um copo com 200 mL, teremos menos soluto, porém a relação massa de soluto por litro de solução é a mesma. 1 L de água (solvente) x 5 24 g 120 g de soluto 0,2 L ou 200 mL de água x No volume total de 1 L ou no volume de um copo (200 mL), a concentração é a mesma, 120 g/L. Veja: 120 g 24 g 1 L de solução 120 g de soluto 5 5 120 g/L 0,2 L de solução 24 g de soluto 1L 0,2 L

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

Quer dizer, a concentração de soluto independe do volume da solução. Podemos perceber isso visualmente, pois a intensidade da cor no copo e na jarra é a mesma. Considere que 120 g do pó para fazer suco são dissolvidos em água suficiente para se obter 1 L de solução. Supondo que esse pó seja constituído por apenas um soluto, podemos dizer que a concentração dessa solução é de 120 g /L. No copo, a concentração é exatamente a mesma que a da jarra.

Em décadas anteriores era comum expressar a concentração de uma solução por meio da molaridade ou concentração molar. Essas expressões, assim como a unidade de medida utilizada, molar (M), não são mais recomendadas pela IUPAC. Foram substituídas por concentração em quantidade de matéria, cuja unidade de medida é mol/L. No entanto, você ainda poderá encontrar em livros, sites e em exames de vestibulares as expressões antigas, bem como a unidade molar.

Suponha que se prepare uma solução de ácido sulfúrico concentrado, H2SO4(conc.), em que 196 g do ácido sejam usados para obter 2 L de solução. Agora, analise a proporção: 196 g de H2SO4 x 5 98 g de H2SO4 em 1 L de solução 2 L de solução x 1 L de solução Podemos dizer que a concentração dessa solução é 98 g/L. Como exprimir essa concentração em mol/L? 98 g de H2SO4 x 5 2 mol de H2SO4 1 mol de H2SO4 x 196 g de H2SO4 2 L de solução 2 mol de H2SO4 z 5 1 mol de H2SO4 1 L de solução z Assim: Em que: C: concentração em g/L C 5 98 g de H2SO4/L de solução c: concentração em mol/L c 5 1 mol de H2SO4/L de solução Cuidado! Não tente fazer este experimento sem a supervisão de seu professor.

200

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Concentração em quantidade de matéria por litro (mol/L)

A diluição do ácido sulfúrico concentrado, H2SO4(conc.), requer cuidados. Nunca se deve verter a água no ácido; ao contrário, o ácido deve escorrer vagarosamente pelas paredes de um recipiente que já contenha água.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Reagente limitante Para que você entenda o conceito de reagente limitante, vamos primeiro refletir sobre uma situação de seu cotidiano fazendo uma analogia, isto é, uma comparação, com os ingredientes de um sanduíche.

Atividades

Não escreva neste livro.

Suponha os seguintes produtos disponíveis em uma lanchonete: • 8 pães do tipo baguete

• 1 pé de alface (. 20 folhas)

• 5 tomates (. 20 fatias)

• 1 kg de queijo

Imagine que os funcionários dessa lanchonete, ao montar sanduíches, devem seguir rigorosamente a proporção fixada pela direção do estabelecimento, de modo que em cada baguete haja: • 2 folhas de alface • 4 fatias de tomate

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©SHUTTERSTOCK/PAULISTA

• 100 g de queijo 1. Quantos sanduíches iguais poderão ser feitos com os ingredientes disponíveis? 2. Que ingredientes ficarão sobrando?

3. Apesar de 8 baguetes estarem disponíveis, não será possível montar 8 sanduíches. Por quê? 4. Para utilizar todos os ingredientes disponíveis, o que deve ser providenciado? Especifique a quantidade. 5. Nessa situação, poderíamos dizer que o tomate é um ingrediente limitante. Por analogia, explique o que, para uma reação química, deve ser um reagente limitante. Atenção! Nesta atividade recorremos a uma analogia. Ela é bem distante do que ocorre em uma transformação química.

Assim como na preparação de sanduíches a falta de um ou mais ingredientes pode nos impedir de montar todos os sanduíches de acordo com uma receita-padrão, também a falta de um reagente pode impedir que os demais participantes sejam totalmente consumidos em uma transformação química. Como você sabe, as reações químicas envolvem proporções muito bem definidas. Com isso, se “faltar” um reagente, o outro não poderá ser totalmente consumido. A substância “em falta” é chamada de reagente limitante. Considere a reação de precipitação do iodeto de chumbo(II), PbI2:

2 KI(aq) iodeto de potássio

1 Pb(NO3)2(aq) nitrato de chumbo

PbI2(s) iodeto de chumbo(II)

2 KNO3(aq) nitrato de potássio Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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MATRIZ NOVA

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Imagine que volumes diferentes de uma solução aquosa de nitrato de chumbo, Pb(NO3)2, de concentração igual a 1,0 mol de Pb(NO3)2 por litro de solução, sejam adicionados a tubos de ensaio idênticos contendo 5 mL de solução aquosa de iodeto de potássio, KI, com concentração de 1,0 mol de KI por litro de solução e que se meça a altura do precipitado amarelo, PbI2(s), obtido após a decantação.

Representação esquemática das alturas do precipitado PbI2 formado pela adição de diferentes volumes de uma solução aquosa de Pb(NO3)2 (1 mol/L) a 5 mL de solução aquosa de KI (1 mol/L). Os valores das alturas do precipitado, obtidos experimentalmente, podem variar, por exemplo, com a temperatura. Na ilustração não foi representado o líquido sobrenadante.

Altura do precipitado (mm)

Altura do PbI2 precipitado em função do volume de Pb(NO3)2(aq) adicionado

0,5

1,0

III

VII

VIII

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia.

10 5 0

Fonte: HILL, G. C.; HOLMAN, J. S. Chemistry in context. 4th ed. Londres: Walton-on-Thames: Nelson, 1995. p. 11.

Volume adicionado de solução de Pb(NO3)2 (mL)

DIVULGAÇÃO PNLD

Repare que, após o acréscimo de 2,5 mL da solução aquosa de nitrato de chumbo, a altura do precipitado não se altera mais. Como podemos interpretar tal resultado? Vamos analisar o que acontece em cada tubo de ensaio: 2 KI(aq)

Pb(NO3)2(aq)

PbI2(s)

2 KNO3(aq)

Excesso

5,0 ? 1023 mol

reage com

0,5 ? 1023 mol

formando

0,5 ? 1023 mol

1,0 ? 1023 mol

4,0 ? 1023 mol de KI

5,0 ? 1023 mol

reage com

1,0 ? 1023 mol

formando

1,0 ? 1023 mol

2,0 ? 1023 mol

3,0 ? 1023 mol de KI

III

5,0 ? 1023 mol

reage com

1,5 ? 1023 mol

formando

1,5 ? 1023 mol

3,0 ? 1023 mol

2,0 ? 1023 mol de KI

5,0 ? 1023 mol

reage com

2,0 ? 1023 mol

formando

2,0 ? 1023 mol

4,0 ? 1023 mol

1,0 ? 1023 mol de KI

5,0 ? 1023 mol

reage com

2,5 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

5,0 ? 1023 mol

Não há excesso.

5,0 ? 1023 mol

reage com

3,0 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

5,0 ? 1023 mol

0,5 ? 1023 mol de Pb(NO3)2

VII

5,0 ? 1023 mol

reage com

3,5 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

5,0 ? 1023 mol

1,0 ? 1023 mol de Pb(NO3)2

VIII

5,0 ? 1023 mol

reage com

4,0 ? 1023 mol

formando

2,5 ? 1023 mol

5,0 ? 1023 mol

1,5 ? 1023 mol de Pb(NO3)2

Dessa forma, podemos concluir que: ▸▸ nos tubos de I a IV o Pb(NO ) é o reagente limitante, havendo excesso de KI; 3 2

▸▸ no tubo V há Pb(NO ) suficiente para consumir todo o KI, sem excesso ou limitação 3 2

de nenhum dos reagentes; ▸▸ nos tubos de VI a VIII há mais Pb(NO ) do que KI, havendo, portanto, excesso de Pb(NO ) . 3 2 3 2 202

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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04/05/16 17:38

Viagem no tempo Massa atômica: do hidrogênio ao carbono-12

– quase igual à do elemento mais leve, o hidrogênio –, adotou-se uma fração do 12C como a unidade de massa 1 atômica : do carbono-12. Assim, por que não manter como referência o elemento mais leve, o H? Por dois 12 motivos principais: após a verificação da existência de isótopos, ficou clara a necessidade de adotar como referência um isótopo particular de um elemento; além disso, em relação aos demais elementos utilizados para medidas de massas atômicas (hidrogênio e oxigênio), o carbono é mais fácil de ser armazenado, pois as substâncias simples que ele constitui são sólidas nas condições ambientais padronizadas. Para que tudo isso possa ser mais facilmente compreendido, imagine que fosse adotado como padrão de medida a massa de 1 gomo de laranja e representássemos essa unidade por ul (unidade de gomo de laranja). Poderíamos exprimir a massa de outras frutas em relação a ela, por exemplo. Cores fantasia, sem escala.

Massa de 1 banana: 4 ul

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

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Dalton adotou o hidrogênio como padrão de unidade de massa e obteve valores de massas atômicas bastante imprecisos. Posteriormente, Berzelius, que contava com poucos equipamentos de laboratório, elaborou uma tabela de massas atômicas dos elementos adotando como padrão o oxigênio, ao qual atribuiu massa atômica 100. Ao longo do tempo, outros pesquisadores determinaram massas atômicas mais confiáveis. Nesse processo, por várias razões, entre as quais a descoberta da existência de isótopos de um mesmo elemento, houve variações no padrão adotado como unidade de massa atômica. Na segunda metade do século XX, em 1961, o carbono-12 foi adotado como padrão e sua massa atômica foi fixada em 12. A partir daí, outras tabelas de massas atômicas dos elementos foram elaboradas. Foi mais de um século depois do surgimento da teoria atômica de Dalton que se descobriram os isótopos (átomos de um mesmo elemento químico com mesmo número de prótons, mas diferente número de nêutrons). Como a massa do nêutron é significativa para o átomo, as massas dos isótopos de um mesmo elemento são diferentes. O elemento carbono possui isótopos, sendo o carbono-12 o mais estável e a forma predominante. Por isso, ele foi escolhido para a determinação das massas atômicas relativas dos outros átomos. No entanto, como desde Dalton a unidade de referência era próxima à do que sabemos hoje ser a massa do próton e do nêutron

Massa de 1 maçã: 12 ul

Representação esquemática de uma unidade hipotética (unidade gomo de laranja, cujo símbolo é ul) para exprimir a massa de outras frutas. Note que a massa de uma banana equivale à massa de 4 ul (balança à esquerda) e que a massa de uma maçã equivale à massa de 12 ul (balança à direita).

Porém, como há muitos tipos de laranja, não bastaria adotar como padrão de medida o gomo de qualquer laranja, pois a massa dos gomos varia conforme o tipo de laranja – daí a necessidade de haver uma padronização na medida utilizada. O mesmo aconteceu com o átomo de carbono usado como padrão. Lembre-se de que o 126C, assim como qualquer átomo de C, tem número atômico igual a seis (Z 5 6), contudo possui número de massa igual a 12 (A 5 nn0 1 np1 5 12). Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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A unidade usada como padrão de comparação foi chamada de unidade de massa 1 da massa do 12C. atômica, com símbolo u e valor correspondente a 12 Dessa forma, quando dizemos que o sódio, 23Na, tem massa atômica igual a 23, afir1 da massa do 12C, ou que esse elemento 12 tem massa pouco menor que o dobro do átomo de 12C. mamos que seus átomos têm massa 23 vezes

1 u corresponde aproximadamente à massa de um próton (ou de um nêutron).

Mas qual é a massa de 1 átomo de 126C ? É 12 u. Massa atômica de um elemento químico que possui isótopos Vamos imaginar agora uma cesta contendo vários tipos de laranjas com massas variadas. Podemos calcular a massa média de um gomo de laranja; no entanto, é certo que essa massa provavelmente não corresponderá à massa de um gomo em particular. É claro que átomos e frutas são completamente diferentes; essa é apenas uma analogia do mundo macroscópico para facilitar a compreensão do mundo microscópico.

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Com a evolução dos instrumentos de medida, acabou ficando claro que a massa atômica de um elemento poderia ser estimada a partir dos valores da massa atômica relativa de seus isótopos estáveis e respectivas abundâncias relativas. Dessa forma, a massa atômica dos elementos que apresentam mais de um isótopo passou a ser expressa como um valor médio ponderado. Veja um exemplo: Podemos considerar que existem dois isótopos do carbono, o 12C (6 p1 1 6 n0) e o 13 C (6 p1 1 7 n0), já que a porcentagem do 14C é insignificante em relação à dos outros dois. O mais abundante é o 12C, presente em 98,89%, enquanto o 13C aparece com 1,11%. Podemos deduzir que, de cada 10 000 átomos de C disponíveis na natureza, 9 889 são do 12C e 111 são do 13C. Ou seja, a massa de 10 000 átomos de C, expressa em u, corresponde a: 9 889 ? 12 1 111 ? 13 5 120 111. 120 111 = 12,0111. Portanto, a massa média de um átomo de C é: 10 000 Os valores de massa atômica dos elementos que você encontra nas tabelas periódicas correspondem à média ponderada das massas atômicas das diversas formas isotópicas de cada elemento. Podemos definir então a massa atômica de um elemento como a massa média de 1 do átomo de 12C. seus isótopos expressa em relação à massa de 12 A definição pela União Internacional de Química Aplicada (IUPAC) do 12C como padrão de massas atômicas levou o Sistema Internacional de Unidades (SI) a adotar o mol como unidade de quantidade de matéria. Portanto, definimos mol como a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 quilogramas de 12C.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Uma solução contém 10,6 g de carbonato de sódio (Na2CO3). A ela se acrescentam 22,2 g de cloreto de cálcio (CaCℓ 2) em solução.

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a) Equacione a reação química indicada. b) Calcule a massa da substância em excesso. c) Qual é a massa de carbonato de cálcio precipitada na reação?

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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2. Segundo a Lei n. 12.760, de 20 de dezembro de 2012, é crime “Conduzir veículo automotor com capacidade psicomotora alterada em razão da influência de álcool [...]”; “Qualquer concentração Não escreva neste livro. de álcool por litro de sangue [...] sujeita o condutor às penalidades [da lei]”. Veja na tabela abaixo como o álcool afeta o motorista. Efeitos do álcool (etanol) sobre um indivíduo de 70 kg Quantidade de álcool no sangue (g/L)

Efeitos

0,2 a 0,3

As funções mentais começam a ficar comprometidas. A percepção da distância e da velocidade fica prejudicada.

0,3 a 0,5

O grau de vigilância diminui, assim como o campo visual. O controle cerebral relaxa, dando a sensação de calma e satisfação.

0,51 a 0,8

Reflexos retardados, dificuldades de adaptação da visão a diferenças de luminosidade, superestimação das possibilidades e minimização de riscos, tendência à agressividade.

0,81 a 1,5

Dificuldades de controlar automóveis, incapacidade de concentração e falhas de coordenação neuromuscular.

1,51 a 2,0

Embriaguez, torpor alcoólico, visão dupla.

2,1 a 5,0

Embriaguez profunda.

. 5,0

Coma alcoólico.

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Fonte: UFRRJ. Alcoolismo. Disponível em: <http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/etanol2.htm>. Acesso em: 20 nov. 2015.

a) Sendo a fórmula molecular do etanol (álcool comum) C2H5OH, qual é sua massa molar? b) Até a publicação dessa lei de 2012, o limite máximo de álcool permitido no sangue do motorista era de 0,6 g/L. Explique com suas palavras o significado desse valor. c) Expresse a concentração 0,6 g de etanol/L em mol de etanol/L. d) Que efeitos o condutor do veículo poderia sofrer se esse limite fosse atingido? e) Você conhece alguém que tenha provocado ou sofrido algum acidente por dirigir alcoolizado? f) Discuta com seus colegas e o(a) professor(a) a relação consumo de álcool × direção responsável. Que medidas podem ser tomadas para reduzir cada vez mais o número de acidentes causados por essa associação? 3. Leia o fragmento de notícia abaixo. Caminhão carregado com toneladas de amônia tomba em Pindorama Um caminhão com cerca de nove mil quilos de nitrato de amônia em gel tombou na Rodovia Washington Luiz, próximo a Pindorama (SP) [...] Por conta do risco de explosão, a área teve que ser isolada. “Em contato com outros produtos, a amônia pode gerar uma explosão ou incêndio.” Disponível em: <http://g1.globo.com/sao-paulo/sao-jose-do-rio-preto-aracatuba/noticia/2013/11/ caminhao-carregado-com-toneladas-de-amonia-capota-em-pindorama.html>. Acesso em: 14 nov. 2015.

a) O fragmento extraído de um site de notícias apresenta erros quanto à nomenclatura química e à terminologia de unidades de medida. Quais são? Explique. b) Os nitratos, de modo geral, são bastante usados como fonte indireta de oxigênio e, por isso, facilitam processos explosivos quando em contato com combustíveis – é o que acontece no caso da pólvora. No caso particular do NH4NO3, dependendo da temperatura e de outras condições, ele se decompõe, originando diferentes produtos, muitas vezes de modo explosivo. O aquecimento cuidadoso até cerca de 200 °C origina óxido nitroso (N2O) e água. Com base nessas informações, reflita sobre o que informa o texto. O que você considera importante ressaltar a respeito? c) Equacione a reação de decomposição mencionada acima. d) Com base na informação contida na notícia, calcule a massa de óxido nitroso, N2O, obtida por decomposição de todo o nitrato apreendido. Suponha que a informação se refira apenas ao produto, sem a massa do gel que deve ser acrescido ao nitrato para evitar maiores riscos durante o transporte. Lembre-se: nitrato de amônio é um sal, um sólido em pó.

Capítulo 9 Cálculos químicos: uma iniciação

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10 capítulo

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PULSAR IMAGENS/EDSON SATO

Reações de oxirredução

Engrenagem de moenda antiga em que é possível notar inúmeros pontos de ferrugem. Município de Bonito (MS), 2013.

Ferropriva: diz-se do tipo de anemia causado por deficiência de ferro.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • oxidação e redução; • número de oxidação; • reações de oxirredução; • agente redutor e agente oxidante; • reatividade dos metais; • determinação dos coeficientes de acerto em equações de oxirredução. 206

Para situá-lo O ferro pode ser encontrado em diversas formas. Em uma barra de ferro, por exemplo, ele está presente na forma metálica; em medicamentos para combater a anemia (do tipo ferropriva), é encontrado como íon bivalente (Fe21); na ferrugem – como óxido de ferro(III) hidratado –, encontra-se na forma de íon trivalente (Fe31). Em cada uma dessas formas, ele tem propriedades características e, em alguns casos, é importante evitar que uma forma se transforme em outra. As barras empregadas como suporte de grandes construções, por exemplo, devem ser tratadas para evitar que o ferro metálico se transforme em ferrugem, como a que aparece na moenda da foto acima. Com o cobre acontece algo semelhante: usado para recobrir esculturas, em objetos de decoração, panelas, tachos, ele sofre transformação química quando exposto ao ambiente, o que pode trazer consequências danosas. As tradicionais panelas e tachos de cobre, por exemplo, embora façam parte da cultura popular brasileira – especialmente em Minas Gerais –, representam risco à saúde. O trecho a seguir vai ajudá-lo a entender o conflito entre alguns hábitos culturais e a prevenção de problemas de saúde.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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EVANS, Luciane. Estado de Minas. Belo Horizonte, 17 ago. 2010. Disponível em: <http://www.em.com.br/app/noticia/gerais/2010/08/17/ interna_gerais,174423/minas-proibe-uso-de-panelas-de-cobre.shtml>. Acesso em: 1º mar. 2016.

PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

Minas proíbe uso de panelas de cobre [...] O verde vivo do figo em calda, a liga cremosa do doce de leite, a goiabada na consistência perfeita e a rapa de tudo isso no fundo de um tacho de cobre correm o risco de se tornar meras lembranças em Minas Gerais, para desespero dos amantes dos famosos quitutes mineiros. A Vigilância Sanitária Estadual, com base em resolução de 2007 da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), proibiu o uso de utensílios de cobre na produção alimentícia, sob argumento de que a absorção excessiva do metal provoca desordens neurológicas e psiquiátricas, danos ao fígado, rins, nervos e ossos, além da perda de glóbulos vermelhos. [...] Preparo de doce de abóbora e figo em tachos de cobre.

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1. Que informações o texto fornece sobre os danos ao organismo provocados pelo cobre? 2. A mesma notícia de jornal traz também o depoimento de uma doceira que é contrária à proibição das panelas e tachos de cobre: [...] “O que as autoridades têm que fazer é ensinar a usar direito o tacho, a limpá-lo bem para não deixar dar o azinhavre (substância esverdeada, resultado da oxidação do metal), que é perigoso e venenoso.” EVANS, Luciane. Estado de Minas. Belo Horizonte, 17 ago. 2010 Disponível em: <http://www.em.com.br/app/noticia/gerais/2010/08/17/interna_gerais,174423/minas-proibeuso-de-panelas-de-cobre.shtml>. Acesso em: 1º mar. 2016.

a) O que, segundo a entrevistada, é perigoso e deve ser removido dos tachos de cobre? A que é atribuída a formação desse produto? b) Considerando que, especialmente em Minas Gerais, muitas pessoas vivem da venda de doces feitos artesanalmente em tachos de cobre, o que você acha da proposta da doceira para resolver o problema? Dê um argumento para defender essa ideia e um argumento contrário a ela.

Palha de aço enferrujada. ©SHUTTERSTOCK/BUDIMIR JEVTIC

3. Depois de alguns dias exposta ao ar e à umidade, a palha de aço muda de aspecto. Que diferenças podem ser observadas na palha de aço antes e depois de enferrujar? Descreva-as. 4. Nesse processo, o ferro que está na palha de aço (Fe) transforma-se em íons de Fe(II) e Fe(III). O que ocorreu com os elétrons do ferro que possa explicar essa transformação?

Neste capítulo, vamos estudar processos químicos semelhantes aos que ocorrem quando o ferro enferruja ou quando objetos de cobre se alteram, na cozinha ou em outros ambientes. Tais processos têm muita relevância, tanto do ponto de vista de nossa saúde quanto econômico e ambiental. Capítulo 10 Reações de oxirredução

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Vamos aproveitar uma série de conhecimentos que você já tem e o que observa em seu cotidiano para identificar processos químicos que envolvem oxidação ou redução. A palavra oxidação era empregada originalmente para designar reações em que uma substância interage com o oxigênio (O2) e até hoje é usada para indicar o processo que leva um metal a perder o brilho e outras características metálicas. O significado químico do termo, porém, se ampliou, como veremos mais adiante.

©ISTOCKPHOTO.COM/MAC99

Conceitos importantes: oxidação e redução

A ferrugem, evidente na estrutura metálica, é consequência da formação de íons Fe31. Não escreva neste livro.

Atividades 1. Todo metal perde o brilho quando exposto ao ar? Dê um exemplo que justifique sua resposta. 2. Diversos objetos de uso doméstico e hospitalar são feitos de aço. Que palavra utilizamos para indicar o aço que mantém permanentemente a cor e o brilho, apesar do uso? Qual é o significado dessa palavra?

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Um exemplo de reação de oxidação e redução

2 Mg(s) 1 O2(g) magnésio

GLOW IMAGES/PHOTOLIBRARY

Entre 1887 e 1949, aproximadamente, o flash das máquinas fotográficas era obtido por meio da oxidação do magnésio, devido à intensa luz gerada no processo. Essa transformação é representada pela equação química:

2 MgO(s)

oxigênio

óxido de magnésio

Para que o magnésio metálico, cuja carga elétrica é zero, se transforme em íon Mg21, presente no óxido de magnésio, é necessário que interaja com o O2, de modo que perca 2 elétrons por átomo. Para isso, as moléculas de O2 terão de receber elétrons. Vamos analisar esses dois processos separadamente:

Mg21 1 2 e2

O2 1 4 e2

O22 1 O22

Nessa reação, cada átomo de magnésio perde 2 elétrons, formando o íon Mg21. Já a molécula de oxigênio, cuja carga elétrica é nula, ganha 4 elétrons (2 elétrons para cada átomo de oxigênio) e origina dois íons O22. Podemos representar esse processo utilizando a fórmula de Lewis:

A queima de magnésio metálico, metal cinzento e brilhante, é uma reação perigosa que libera grande quantidade de energia na forma de luz.

Mg21 1 2 e2

O O 1 4 e2

E a reação global do processo pode ser representada por:

Mg 1 O O 1 Mg

2 Mg2 1 2 O

Cuidado! Esta reação libera muita energia; não tente reproduzi-la!

Note que, para que cada molécula de O2 receba 4 elétrons, é necessário que 2 átomos de magnésio cedam cada um 2 elétrons. Chamamos de reações de oxirredução as transformações em que há transferência de elétrons, como a que vimos acima. O termo oxirredução deriva de dois processos que ocorrem na transformação: a oxidação (que envolve a perda de elétrons) e a redução (que envolve o ganho de elétrons). Assim, na transformação que vimos acima, o Mg se oxida (cede elétrons) e o O2 se reduz (ganha elétrons). 208

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Número de oxidação O termo oxidação, que, como vimos, originalmente designava processos com participação do oxigênio do ar, acabou sendo aplicado também a outros processos que envolvem a transferência de elétrons, como o que veremos a seguir. É um exemplo de oxidação infelizmente bastante comum em grandes centros urbanos. Muitas estruturas de ferro estão expostas à acidez da chuva. A chamada chuva ácida é rica em íons H1(aq). Que ação esses íons têm sobre o ferro metálico? Analise a equação abaixo:

2 Fe(s)

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ferro metálico

6 H1(aq) íons hidrogênio

2 Fe31(aq) 1 3 H2(g) íons ferro(III)

hidrogênio

A equação indica que o metal exposto à chuva ácida reage com os íons H1, resultando, no final do processo, na formação de íons Fe31. Ora, nesse caso, para que o ferro metálico – um sólido praticamente insolúvel em água – se transforme em íons ferro(III) aquoso, Fe31(aq), é necessário que ele perca elétrons. Mas para onde vão esses elétrons? Eles são transferidos para os íons H1(aq), presentes na água da chuva. Nesse processo não há participação do oxigênio, ao contrário do que ocorre na formação da ferrugem. Apesar disso, o ferro metálico perde elétrons e se transforma em Fe21(aq) e, posteriormente, em Fe31. Por extensão do conceito de oxidação, inicialmente usado apenas na perda de elétrons diante do oxigênio, dizemos que o ferro, Fe(s), oxidou-se a Fe31(aq) e, em consequência, o hidrogênio, na forma de íons H1(aq), reduziu-se a H2(g). Tanto nessa oxidação do ferro quanto na do magnésio – que você viu anteriormente –, houve o surgimento de íons (respectivamente, Fe31 e Mg21). A carga desses íons, 13 e 12, é chamada de número de oxidação (Nox). Note que, nessas reações, também aparecem substâncias simples, espécies sem carga elétrica. No caso das substâncias metálicas (como Mg e Fe), cujas unidades constituintes são átomos (portanto, de carga elétrica 0), o número de oxidação é zero. Nas substâncias simples moleculares (como O2, H2), os átomos que constituem as moléculas são do mesmo elemento e têm, portanto, idêntica eletronegatividade (não há formação de cargas elétricas, íons), o que explica atribuir-se a eles o Nox = 0. O mesmo raciocínio pode ser aplicado para as substâncias simples constituídas de metais, como Fe(s), Mg(s), Aℓ(s), Ni(s), Cu(s), que apresentam Nox = 0. Com o passar do tempo, não só a noção de oxidação se ampliou: também o conceito de número de oxidação ganhou novos contornos e, no caso de processos que envolvem apenas substâncias moleculares, afastou-se da ideia de carga elétrica.

Chuva ácida Devido à presença do dióxido de carbono na atmosfera, proveniente de diversas fontes – como a respiração de seres vivos, por exemplo –, a chuva é ligeiramente ácida, mesmo em locais onde o ar é isento de componentes lançados por ação humana. No entanto, a presença de poluentes atmosféricos, como o dióxido de enxofre (SO2), que pode ser emitido por veículos, indústrias ou por vulcões, torna a chuva ainda mais ácida, a chamada "chuva ácida".

Vamos agora analisar a equação da combustão do metano (CH4), gás combustível que pode ser obtido do lixo orgânico:

CH4(g) 1 2 O2(g)

CO2(g) 1 2 H2O(g)

metano

dióxido de carbono

oxigênio

água

Embora não haja íons participando dessa reação, toda reação de combustão é uma reação de oxirredução. Para as substâncias compostas moleculares, ou seja, constituídas por átomos de elementos químicos diferentes unidos por ligação covalente, o número de oxidação é teórico e calculado como a carga que o átomo iria adquirir se todas as ligações covalentes fossem “quebradas” e o(s) par(es) de elétrons compartilhado(s) ficasse(m) com o átomo mais eletronegativo. Retome a tabela de eletronegatividade da página 133 e veja a seguir como podemos encontrar o Nox dos elementos do CH4, do H2O e do CO2. Capítulo 10 Reações de oxirredução

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▸▸ Metano (CH ) 4

H C H

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

Eletronegatividade C.H

NoxH 5 11 NoxC 5 24

Vamos refletir como se todas as ligações covalentes entre os átomos de carbono e hidrogênio fossem “quebradas” e os pares de elétrons das ligações ficassem com o átomo mais eletronegativo – no caso do metano, o carbono –, seu Nox seria 24 , enquanto o do hidrogênio seria 11. Isso porque o átomo de carbono receberia 1 elétron de cada ligação C 2 H, e cada hidrogênio cederia 1. ▸▸ Água (H O) 2

H O H

Eletronegatividade O.H

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

NoxH 5 11 NoxO 5 22

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Analogamente à explicação anterior, podemos dizer que, sendo o O mais eletronegativo que o H, é como se ele atraísse os elétrons da ligação entre ambos; é como se cada átomo de H cedesse seu elétron ao O. Assim, na molécula de água, o Nox do H é 11 e o do O é 22. ▸▸ Dióxido de carbono (CO ) 2

O C O

Eletronegatividade O.C

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

NoxC 5 14 NoxO 5 22

Seguindo o mesmo raciocínio, como o O é mais eletronegativo do que o C, é como se ele ficasse com os elétrons da ligação. Assim, na molécula de dióxido de carbono, o Nox do C é 14 e o do O é 22. Retomando a combustão do metano (CH4), podemos representar, na forma de equação, os Nox de cada átomo: Nox: –4 +1

+4 –2

+1 –2

dióxido de carbono

água

CH4(g) 1 2 O2(g) metano

oxigênio

CO2(g) 1 2 H2O(g)

Note que o átomo de carbono do metano se oxidou (de 24 a 14) e os átomos de oxigênio da molécula de O2 se reduziram (de zero para 22). A seguir, veja mais alguns exemplos de Nox de alguns átomos em outras substâncias. Cloreto de hidrogênio (HCℓ)

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H Cℓ

Eletronegatividade Cℓ . H

Fórmula eletrônica

Balanço dos elétrons

NoxH 5 11 NoxCℓ 5 21

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Ácido clórico (HCℓO3)

O H O Cℓ O

Eletronegatividade O . Cℓ . H

O H O Cℓ O

NoxH 5 11 NoxCℓ 5 15 NoxO 5 22

Fórmula eletrônica Ácido sulfúrico (H2SO4)

O O O O S H H H O S O H O O

Eletronegatividade O. S.H NoxH 5 11 NoxS 5 16 NoxO 5 22

Fórmula eletrônica

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Número de oxidação médio Em alguns casos, em uma reação química, átomos de um mesmo elemento químico podem ter diferentes Nox. A equação a seguir representa uma reação muito comum, que ocorre quando uma bebida alcoólica é deixada exposta ao ambiente. Essa transformação é um exemplo de fermentação acética, processo pelo qual o etanol (C2H6O) é transformado em ácido acético (CH3COOH), constituinte do vinagre, e que é conhecido há milhares de anos.

H — C — C — O — H 1 O2 H

H—C—C

1 H2O O—H

H oxigênio

etanol

ácido acético

água

Para encontrar o Nox de cada átomo de carbono no etanol e no ácido acético, seguimos a mesma linha de raciocínio usada nos exemplos anteriores. Cada traço da fórmula representa o compartilhamento de um par de elétrons (ligação covalente). Se essas ligações fossem “rompidas”, o par de elétrons iria para o átomo mais eletronegativo. O átomo de carbono do etanol representado em vermelho, por exemplo, está ligado a três átomos de hidrogênio que são menos eletronegativos e, portanto, seu Nox seria igual a 23. O par de elétrons da ligação C 2 C não altera o valor do Nox do átomo de carbono, pois os dois são do mesmo elemento químico. Já o átomo de carbono do etanol representado em azul está ligado a um átomo mais eletronegativo (oxigênio) e dois átomos menos eletronegativos (hidrogênio); logo seu Nox será 21. Observe nas fórmulas do etanol e do ácido acético a seguir os números de oxidação de cada átomo. +1

H H | –3 | –1 –2 +1 +1 H—C—C—O—H | | H H +1

etanol

H | –3 +3 +1 H—C—C | H

–2

O –2

O—H

ácido acético

Analisando as estruturas acima, podemos notar que um dos átomos de carbono – indicado pela cor vermelha – não apresentou alteração no Nox na transformação química, enquanto o outro átomo de carbono – destacado em azul – teve alteração do Nox de 21 para 13. Capítulo 10 Reações de oxirredução

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O Nox médio do carbono para cada substância corresponde à média aritmética dos Nox de todos os átomos de carbono. Assim, para os compostos envolvidos na reação, o Nox médio do carbono seria: (23) 1 (21)

▸

no etanol:

▸

no ácido acético:

5 22

(23) 1 (13) 2

50 Não escreva neste livro.

Atividades 1. O título da notícia abaixo e o texto que o segue mencionam um exemplo de oxidação. Leia-os.

Obras de reparo vão custar pelo menos R$ 500 mil para prefeitura baiana. Acidez de urina é responsável pela corrosão das ferragens dos pilares

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ARAÚJO, Glauco. Disponível em: <http://g1.globo.com/Noticias/ Brasil/0,,MUL1084815-5598,00.html>. Acesso em: 10 dez. 2015.

AGÊNCIA ESTADO/WELTON ARAÚJO

Xixi põe em risco estruturas de viaduto e 5 passarelas em Salvador

Corrosão do cimento e oxidação da estrutura metálica de pilar do viaduto Luiz Cabral, em Salvador (BA), causadas pela acidez da urina. Foto de 2008.

a) Escreva a equação química balanceada que representa o efeito da acidez da urina na corrosão de um dos constituintes do cimento, o carbonato de cálcio. Considere que a fórmula do ácido é HX. b) A notícia relata um caso de degradação do patrimônio público decorrente de uma reação de oxirredução. Explique o processo. c) O problema relatado trouxe custos à prefeitura de Salvador. De que forma problemas como esse poderiam ser evitados nas cidades brasileiras? No município em que você mora há algum tipo de problema semelhante? 2. Dê o Nox dos elementos nos compostos a seguir. Se necessário, consulte a tabela de eletronegatividade no capítulo 6, p. 133. a) gás hidrogênio (H2), o combustível limpo; b) sulfeto de hidrogênio (H2S), o gás que tem um característico cheiro de ovo podre; c) amônia (NH3), gás usado em refrigeração; d) sulfato de sódio (Na2SO4), usado no processamento da polpa de madeira para fabricação de papel; e) ácido nítrico (HNO3), usado na produção de fertilizantes; f) ácido fórmico, usado como fixador de corantes em tecidos.

H H—O

3. Considerando o Nox de todos os átomos do sulfato de sódio, que você calculou no item d da questão anterior, qual é a soma dos Nox?

212

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ NOVA

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Algumas generalizações sobre o cálculo do Nox Nem sempre é indispensável analisar a fórmula estrutural de um composto para determinar o Nox médio dos átomos que o formam. Basta empregar alguns conhecimentos que você pode deduzir do que estudou até aqui: ▸▸ Em uma substância simples, metálica ou não metálica, o Nox dos átomos é sempre zero. Nox

hidrogênio oxigênio

ozônio

ferro

zinco

▸▸ Nos compostos moleculares, o H se liga a átomos

de elementos mais eletronegativos, e, nesse caso, seu Nox é 11: Nox: +1 –1

Nox: +1 –2

HCℓ

H2O

DIVULGAÇÃO PNLD

ácido clorídrico

água

Porém, quando o H se liga a metais, formando hidretos metálicos, seu Nox será 21. Isso porque essas substâncias são iônicas – cátion do metal e ânion hidreto – e, portanto, o Nox do hidrogênio é igual à carga do íon: Nox: +2 –1

H2O água

Soma: (11) ? 2 1 (22) 5 0 Nox: +4 –2

CO2

dióxido de carbono

Soma: 14 1 2 ? (22) 5 0 ▸▸ Há elementos que podem apresentar diferentes

Nox, conforme as ligações que estabelecem. Para saber qual é o Nox que um átomo assume em determinada substância, deve-se levar em conta que a soma dos Nox de todos os átomos que a compõem é zero. Assim, conhecendo-se o Nox dos demais componentes da substância, determina-se o Nox desse átomo. Veja: Nox: +1 x –2

HNO3

ácido nítrico

Soma: 11 1 x 1 3 ? (22) 5 0

Cℓ — O — Cℓ

Nox: +1

–2

Na2O

óxido de sódio

óxido de cloro

▸▸ Nos peróxidos, compostos em que ocorre a ligação

O — O (que serão estudados no próximo capítulo), o Nox do O é 21. Isso porque uma das ligações do O é com outro O, o que não altera o Nox total do oxigênio, já que se trata de ligação com um elemento com idêntica eletronegatividade: –1

H — O —O — H peróxido de hidrogênio (água oxigenada)

Nox: +1

HNO3

–1

Na2O2

peróxido de sódio

+x –2

Na2SO4

hidreto de potássio

eletronegativo. Isso explica o fato de que, em compostos que contenham esse elemento, os átomos de oxigênio completam seu octeto com dois elétrons, seja recebendo elétrons em uma ligação iônica, seja compartilhando elétrons com átomos de elemento(s) mais eletropositivo(s). Desse modo, seu Nox é quase sempre 22: –2

+1 +5 –2

x 5 15 Nox: +1

▸▸ Com exceção do flúor, o oxigênio é o elemento mais

–1

Nox: +1 –2

hidreto de cálcio

Nox: +1

uma substância é sempre zero:

Nox: +1 –1

CaH2

Nox: +1

▸▸ A soma algébrica dos Nox de todos os átomos de

sulfato de sódio

Soma: 2 ? (11) 1 x 1 4 ? (22) 5 0 +1 +6 –2

x 5 16

Na2SO4

▸▸ Nos íons simples, isto é, cátions ou ânions constituí-

dos por um só elemento, o Nox do elemento coincide com a carga do íon. Nox: +2 –2

Nox: +1

sulfeto de cálcio

sulfato de sódio

Na2SO4

CaS

Exemplos de Nox em alguns íons simples (íons monoatômicos) Íons formados

Nox

Metais alcalinos (grupo 1)

Li1, Na1, K1, Rb1, Cs1

Metais alcalinoterrosos (grupo 2)

Be21,Mg21,Ca21,Sr21, Ba21, Ra21

Halogênios (grupo 17) nos haletos

F2, Cℓ2, Br 2, I2

Enxofre (grupo 16) nos sulfetos

S22

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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09/05/16 09:37

▸

Nos íons compostos, isto é, cátions ou ânions formados por mais de um elemento, a carga do íon coincide com a soma dos Nox dos elementos que o constituem. Assim: Nox: x –2

SO422

Soma: x 1 4 ? (22) 5 22 (carga do SO422) x=16

íon sulfato

+6 –2

SO422

Lembre-se: a carga 22, indicada no grupo sulfato, pertence ao conjunto iônico sulfato (um átomo de enxofre e quatro de oxigênio), e não, como podem pensar alguns, apenas ao O. ▸

Em compostos orgânicos, nos quais há vários átomos de carbono interligados, é frequente chegarmos a valores de Nox médios fracionários, uma vez que o C pode apresentar diferentes valores de número de oxidação. Para determinar esse valor médio, basta levar em conta a fórmula molecular do composto e o fato de a soma dos Nox de todos os elementos em qualquer substância ser zero. Assim: Nox: x +1

–2

O || +2 –2 +1 +1 –3 –2 +1 –3 +1 H3C — CH2 — C — CH2 — CH3

C5H10O

pentan-3-ona (dietilcetona)

DIVULGAÇÃO PNLD

Soma: 5 ? (x) 1 10 ? (11) 1 (22) 5 0 8 x52 5 Nox médio do C: (23) 1 (22) 1 (12) 1 (22) 1 (23) 5 2 8 5 5

Atividade

Não escreva neste livro.

Nas reações equacionadas abaixo, o carbono aumenta seu número de oxidação. Na equação (1), está representada a oxidação do etanol (álcool presente nas bebidas alcoólicas) a etanal – substância que causa a ressaca que tantas pessoas sentem depois de beber. Na equação (2), está representada a oxidação do etanol a ácido acético, o que ocorre na obtenção do vinagre. (1)

1 H — C — C — O — H 1 O2 2 H H etanol

(2)

oxigênio

etanol

H etanal

água

H—C—C H

oxigênio

1 H2O

H—C—C

H — C — C — O — H 1 O2

1 H2O O—H

ácido acético

água

a) Para cada processo, indique a variação de Nox no átomo que sofreu oxidação. b) Para cada processo, identifique o elemento que reduziu seu Nox, especificando o valor inicial e final dos Nox que sofreram alteração.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ NOVA

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Reações de oxirredução: agente oxidante e agente redutor

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

Nas páginas anteriores, você viu alguns exemplos de reações de oxirredução. Para ampliar esse conceito, vamos utilizar como exemplo a reação entre uma placa de zinco metálico e uma solução aquosa de sulfato de cobre, representada nas fotos abaixo e pela equação que a segue:

Zn(s) 1 zinco (barra)

CuSO4(aq)

Cu(s)

sulfato de cobre (solução)

cobre (sólido em pó)

ZnSO4(aq) sulfato de zinco (solução)

Vamos analisar separadamente o processo de oxidação que envolve o zinco, Zn0, e o de redução que envolve o íon cobre(II), Cu21. Repare que o íon sulfato, SO422, não participa da transferência eletrônica, permanecendo inalterado ao final da reação. PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

O zinco da lâmina, Zn0(s), reage com o CuSO4(aq) fazendo a superfície da lâmina ficar escurecida pelo cobre, Cu0(s), que se deposita sobre ela (foto no centro). A foto à direita mostra duas placas: a obtida após a deposição de cobre em pó sobre a lâmina de zinco e, ao lado dela, uma placa de cobre polida, cuja cor é bastante característica. Repare que as partículas de cobre (em pó) que recobrem o zinco têm aspecto bem diferente do de uma placa polida de cobre metálico.

Zn21

Cu21

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas não têm cor), sem escala (as partículas representadas não podem ser observadas diretamente, nem com instrumentos).

Zn0

Representação esquemática do processo que ocorre em nível atômico: o Zn0 se oxida (a barra do metal é corroída) a Zn21, e o Cu21 se reduz (na superfície do Zn) a Cu0.

Cu0

Nesse processo, os elétrons são transferidos do zinco metálico para os íons cobre(II): (I) Zn0(s) oxidação

Zn21(aq) 1 2 e2 (oxidação)

(II) Cu21(aq) 1 2 e2

redução

Cu0(s) (redução)

Como os elétrons cedidos pelos átomos de um metal (Zn0) são recebidos pelos íons do outro metal (Cu21), o número de elétrons perdidos na oxidação e o número de elétrons recebidos na redução têm de ser iguais: (I)

Zn0(s)

Zn21(aq) 1 2 e2 (semiequação de oxidação)

(II)

Cu21(aq) 1 2 e2

Cu0(s)

Equação iônica: Zn0(s) 1 Cu21(aq)

(semiequação de redução)

Zn21(aq) 1 Cu(s) (equação global) Capítulo 10 Reações de oxirredução

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MATRIZ

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Uma equação pode ser identificada como de oxirredução pela variação dos Nox de alguns átomos que fazem parte das substâncias envolvidas. No caso, o zinco se oxidou, ou seja, cedeu elétrons – o que corresponde ao aumento do Nox –, e o íon Cu21 se reduziu, ou seja, recebeu elétrons – o que corresponde à diminuição do Nox. Nessa reação, sem a presença de espécie que se oxide, no caso o Zn0, não haveria a redução do Cu21. Por isso, o zinco é chamado de agente redutor. Por outro lado, sem a presença de espécie que se reduza, no caso os íons Cu21, o zinco não teria como se oxidar. Por isso, o Cu21 é chamado de agente oxidante. Podemos então definir: ▸ Agente oxidante é a espécie reagente responsável pela oxidação de outra espécie. O agente oxidante reduz-se; para isso, ganha elétrons (promovendo a oxidação de outra espécie). ▸ Agente redutor é a espécie reagente responsável pela redução de outra espécie. O agente redutor oxida-se; para isso, perde elétrons (promovendo a redução de outra espécie).

Não escreva neste livro.

Atividades Leia as informações a seguir para responder às questões.

DIVULGAÇÃO PNLD

O monitoramento da qualidade da água de lagos e represas usados no abastecimento das cidades é indispensável para manter as boas condições de saúde das pessoas que a utilizam. Para fazer a avaliação da qualidade da água, os técnicos controlam a concentração de oxigênio (O2) nela dissolvido.

A concentração de oxigênio relaciona a quantidade de oxigênio, em massa ou mol, com o volume da solução aquosa em que ele se encontra.

1. A matéria orgânica despejada em lagos e represas, como restos de animais e plantas e o esgoto, com o tempo, é oxidada pelo oxigênio (O2) dissolvido na água. Lembre-se de que a matéria orgânica é formada por compostos que contêm átomos de carbono. Esses átomos podem apresentar grande variação nos seus números de oxidação. O que ocorre com o oxigênio que oxida a matéria orgânica, quanto: a) ao número de oxidação? b) à variação de elétrons? PULSAR IMAGENS/LUCIANA WHITAKER

2. Se em um rio, um lago, um açude ou uma represa forem lançados esgotos, a concentração de O2 dissolvido na água irá se alterar consideravelmente. a) A concentração de O2 vai aumentar ou diminuir? Por quê? b) O O2 tem papel de oxidante ou de redutor? c) Qual é a relação entre a água poluída por esgotos e a concentração de oxigênio nela dissolvido? Na foto, tirada em maio de 2015 em Curitiba (PR), o esgoto a céu aberto evidencia a gravidade do problema de saneamento básico no Brasil.

3. É comum que o ar, próximo a lugares poluídos por esgoto, apresente concentrações de substâncias como o metano (CH4), a amônia (NH3), o sulfeto de hidrogênio (H2S) e outros sulfetos, produtos da decomposição de matéria orgânica, que podem representar risco à saúde dos seres vivos. Considerando as substâncias citadas acima, determine o número de oxidação do C, do N e do S.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Conexões

DIVULGAÇÃO PNLD

LATINSTOCK/SCIENCE SOURCE/GIPHOTOSTOCK O O2 do ar é um agente oxidante que participa de processos tão diversos quanto a formação da ferrugem, a combustão da gasolina, a putrefação dos alimentos, a respiração de nossas células. Ou seja: as reações de oxirredução participam direta ou indiretamente de inúmeros processos de grande importância em nossa vida. Como vimos, o termo oxidar é comumente empregado quando nos referimos a processos em que um metal reage com componentes do ar. É o caso do escurecimento de objetos de prata, por exemplo. Outro processo de oxidação frequente é o que ocorre, por ação do ar Em contato prolongado com o ar, e da água, na formação de ferrugem, hidróxido de ferro(III) hidratado, objetos de prata escurecem. em que o Nox do ferro passa de zero a 13. Impedir que essa transformação aconteça tem sido uma preocupação humana, já que inúmeros objetos se tornam inutilizáveis por causa dessa oxidação. Apesar de parcialmente substituído por compostos sintéticos, como os plásticos, em canalizações e parachoques, por exemplo, o ferro continua sendo largamente utilizado. Associado a outros metais e ao carbono, constitui plástico os diversos tipos de aço, dos quais são feitos desde talheres até peças de navios e imensas estruturas de sustentação de prédios e pontes. metal Para dificultar a formação da ferrugem, foram desenvolvidos, nas siderúrgicas, métodos de obtenção de aços especiais, que contêm cromo, níquel, molibdênio e cobre. Essas ligas, além de apresentarem maior As canalizações de ferro, com o tempo, resistência à corrosão, têm outras propriedades mais vantajosas que se deterioram devido a processos de oxirredução. Por isso, vêm sendo as do ferro, como maior resistência à tração, dureza e flexibilidade. substituídas pelas de plástico, material Existem reações de oxirredução cujos produtos são prejudiciais aos sintético bem menos reativo. seres vivos. É o caso do ozônio (O3), que, apesar de, nas camadas superiores da atmosfera, ser favorável à vida, absorvendo parte da radiação ultravioleta Oxidante emitida pelo Sol, pode ser nocivo nas camadas inferiores, representando um dos fotoquímico: problemas mais sérios de poluição de grandes centros urbanos, como a cidade de São substância formada a partir de reações Paulo (SP). O O3 e outros oxidantes fotoquímicos formam-se de outros poluentes. entre compostos Na câmara de combustão de motores de veículos automotivos, determinadas produzidos por quantidades de ar e combustível – a gasolina, por exemplo – são injetadas no cilindro, veículos e que polui o ambiente; para onde ocorre a explosão. Por causa da energia liberada na combustão, os gases N2 e que esse poluente O2, constituintes do ar, reagem, segundo as equações: secundário se forme,

2 NO 1

2 NO2

é fundamental a ação da luz, o que explica o uso do adjetivo fotoquímico (o radical grego foto quer dizer “luz”).

O NO2, por sua vez, reage com o O2 formando moléculas de O3:

1 NO2

ROBSON MEREU/ARQUIVO DA EDITORA

Algumas reações de oxirredução presentes no cotidiano

ozônio

As manchetes a seguir evidenciam esse problema: Paulista respirou “excesso de ozônio” por 43 dias em 2014 EXAME.com, 25 maio 2015. Disponível em:<http://exame.abril.com.br/brasil/noticias/por-ar-bom-sp-precisa-cortar-3-3-milhoesde-viagens-por-dia>. Acesso em: 5 jan. 2016.

Ozônio se tornou o principal contaminante do ar na China EXAME.com, 16 set. 2015. Disponível em: <http://exame.abril.com.br/mundo/noticias/ozonio-se-tornou-o-principal-contaminantedo-ar-na-china>. Acesso em: 5 jan. 2016.

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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MATRIZ NOVA

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• As combustões são reações de oxirredução que nos permitem obter energia para múltiplas finalidades. Por exemplo, a combustão do etanol é utilizada para movimentar automóveis a álcool, para acender a chama de uma espiriteira, para iniciar a combustão do carvão usado no churrasco; a combustão do gás butano, componente do GLP contido nos botijões de gás liquefeito de petróleo, permite que muitos brasileiros cozinhem e tenham água quente no banho. –2

–2

C2H6O

etanol

DIVULGAÇÃO PNLD

gás butano (componente do gás de botijão)

2 CO2

agente oxidante

–2,5

C4H10

+4–2

3 O2

reações de oxirredução

–2

3 H2O

reação exotérmica

–2

+4 –2

13 O 2 2

4 CO2

agente oxidante

Cores fantasia, sem escala.

5 H2O

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Há também, entretanto, reações orgânicas de grande valia para nossa vida que são exemplos de oxidação. É o caso das fermentações e combustões utilizadas, por exemplo, na produção do álcool a partir da cana-de-açúcar e de oxidações que ocorrem em nosso organismo, permitindo-nos obter energia para viver. Vamos examinar alguns casos.

A energia liberada nas combustões pode ser transformada em energia mecânica, como a que faz o carro se movimentar.

reação exotérmica

Observe que, nas reações de combustão, os combustíveis têm papel de redutor e o O2, de oxidante. • Os processos de fermentação empregados na obtenção de álcool e bebidas alcoólicas envolvem reações de oxirredução. No Brasil, esse tipo de processo de fermentação se inicia pela obtenção do melaço a partir da cana-de-açúcar. A sacarose presente no melaço, por ação de uma enzima, vai originar outros açúcares: glicose e frutose. A oxidação dessas substâncias, também propiciada por ação enzimática, é que origina o etanol (álcool comum): 0

C12H22O11

1 H2O

sacarose 0

glicose ou frutose

PULSAR IMAGENS/ROGÉRIO REIS

C6H22O6

218

1 H2O

enzima (invertase)

enzima (zimase)

C6H12O6

glicose

frutose

–2

2 C2H6O etanol

2 CO2

Sacarose: substância extraída da cana-de-açúcar e da beterraba, usada como adoçante. Enzima: cada uma das proteínas produzidas por seres vivos e capazes de desencadear reações químicas relacionadas com a vida, sem sofrer alterações em sua composição química.

gás carbônico

Aparelhos de fermentação em fábrica em Canela (RS). Foto de 2013. A fermentação da glicose, obtida da cana-de-açúcar, origina etanol e gás carbônico: trata-se de uma reação de oxirredução.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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• Inúmeras reações de oxidação ocorrem em células de organismos vivos, muitas delas essenciais à manutenção da vida. Para exemplificar, podemos representar a equação correspondente à respiração celular, um processo complexo; vale destacar que essa “equação” representa uma simplificação, pois corresponde à soma de vários processos: 0

–2

C6H12O6 1 glicose (redutor)

6 O2

+4 –2

–2

6 CO2 1 6 H2O 1 energia

oxigênio (oxidante)

É graças a essa reação exotérmica que nosso organismo pode obter a energia necessária para realizar as funções vitais. • Há oxirreduções indesejáveis para nossa espécie, como as que provocam a putrefação dos alimentos. Tais processos podem ser minimizados de diversas formas. Uma delas, bastante comum, é o emprego de antioxidantes em alimentos industrializados, o que pode facilmente ser constatado pela análise de suas embalagens. No rótulo estão indicadas, na forma de siglas, as substâncias empregadas para retardar o processo de oxidação da matéria orgânica.

DIVULGAÇÃO PNLD

• Por fim, as pilhas e baterias, tão importantes em nosso cotidiano, são exemplos de fontes de energia elétrica obtida graças a reações de oxirredução. 1. Considere uma das etapas da produção de etanol: a hidrólise enzimática da sacarose (C12H22O11), originando dois compostos de mesma fórmula molecular, C6H12O6, a frutose e a glicose. Trata-se de uma oxirredução? Explique. 2. Respiramos uma das formas alotrópicas do elemento oxigênio, o gás oxigênio (O2). A outra forma alotrópica desse elemento é o gás ozônio, que pode ser usado como bactericida e que, ao mesmo tempo, representa um problema ambiental dos grandes centros urbanos. Considere os termos oxidar, reduzir, oxidação, redução, agente oxidante e agente redutor. Usando alguns desses termos, redija frases sobre: a) a formação do ozônio nos grandes centros urbanos; b) o papel do oxigênio em nosso metabolismo; c) o papel do ozônio quando age como poluente. 3. Neste boxe Conexões, você leu este título de notícia: “Ozônio se tornou o principal contaminante do ar na China”. Leia abaixo um fragmento dessa notícia: Sete das 10 cidades mais poluídas da China no oitavo mês do ano estão na província de Hebei, que rodeia Pequim. [...] No mês de agosto, Pequim, que é habitualmente uma das cidades mais poluídas do país, desfrutou de incomuns céus azuis e ar mais puro, graças em parte às medidas tomadas para o Mundial de Atletismo (22-30 de agosto) e o desfile militar na Praça da Paz Celestial (3 de setembro). Essas medidas incluíram restringir em 50% o número de veículos em circulação e o fechamento de fábricas poluentes [...] EXAME.com, 16 set. 2015. Disponível em: <http://exame.abril.com.br/mundo/noticias/ ozonio-se-tornou-o-principal-contaminante-do-ar-na-china>. Acesso em: 5 jan. 2016.

a) Nas suas aulas de Geografia, você já deve ter visto propostas para diminuir a poluição causada por veículos sem apelar para medidas emergenciais como a proibição de que eles circulem. Cite duas propostas de que você se lembre. b) Alguma dessas propostas está sendo colocada em prática na cidade ou região onde você mora?

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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Um tipo particular de oxirredução: substâncias simples com eletrólitos em solução Vamos ver agora reações nas quais uma substância simples reage com uma composta, que pode ser ácido, base ou sal, originando duas novas substâncias, uma simples e outra composta. Vamos analisar duas possibilidades: reação em que a substância simples é um não metal e reação em que a substância simples é um metal.

A substância simples é um não metal Observe as imagens de um experimento.

DIVULGAÇÃO PNLD

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

O elemento cloro tem maior tendência de formar o íon cloreto (Cℓ2) do que o iodo de constituir um ânion iodeto (I2). Por isso, na presença de Cℓ 2, o ânion iodeto transforma-se em I2, uma substância molecular. Resumindo:

À medida que o Cℓ2(aq), presente na água de cloro, reage com o KI(aq), surge uma coloração amarelada.

Cℓ 2(aq)

2 KI(aq)

cloro

2 KCℓ(aq)

iodeto de potássio

I2(aq) iodo

Antes

Depois

Cℓ 2

íon cloreto (Cℓ2)

(substância simples) íon iodeto (I2)

(KCℓ: substância composta) I2

(KI: substância composta)

(substância simples)

Cℓ I

cloreto de potássio

Cℓ 2(aq)

2 KI(aq)

2 KCℓ(aq)

Cℓ 2(aq)

1 2 K1(aq) 1 2 I2(aq)

I2(aq)

2 K1(aq) 1 2 Cℓ2(aq) 1

I2(aq)

redução

Cℓ 2(aq)

2 I2(aq)

Nox = 0

2 Cℓ2(aq) oxidação

Nox = 21

I2(aq) Nox = 0

Nessa interação, o cloro reduz-se (recebe elétrons), enquanto o iodo se oxida (perde elétrons). Vamos representar ambos os processos separadamente, por meio de equações parciais (semiequação), utilizando a fórmula de Lewis:

Cℓ

1 2 e2 2 I

Equação iônica:

Cℓ 2(aq)

redução

2 Cℓ 2

oxidação

2 e2 1 I

2 Cℓ2(aq)

1 I2(aq)

2 I2(aq)

(agente oxidante) (agente redutor) 220

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ

19/05/16 17:10

Simplificadamente, podemos generalizar, dizendo o seguinte: para que um não metal A de uma substância simples reaja com um não metal B do ânion de um composto, é necessário que A tenha mais tendência a ser ânion do que B, isto é, A deve ser mais eletronegativo do que B. Observe abaixo a ordem de reatividade de alguns não metais: Não metais F

Cℓ

Reatividade crescente das substâncias simples desses elementos

Tendência de formar ânions Não escreva neste livro.

Atividades Para resolver as questões de 1 a 5, baseie-se no texto abaixo.

Quando adicionamos solução aquosa de cloro, Cℓ2(aq) (água de cloro), ou borbulhamos gás cloro em uma solução aquosa de brometo de potássio, KBr(aq), observamos que ela passa de incolor a amarelada. Ao adicionarmos ao sistema obtido clorofórmio líquido, formam-se duas fases, sendo a aquosa a superior. Por agitação, a cor amarelada desaparece da fase aquosa ao mesmo tempo que a camada inferior se torna amarelo-alaranjada. A

Atenção! O clorofórmio é uma substância volátil e tóxica. Só deve ser manuseado com equipamentos de segurança adequados (luvas, máscara, óculos de proteção e avental de mangas compridas). FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

DIVULGAÇÃO PNLD

Água e clorofórmio são líquidos incolores e praticamente imiscíveis, sendo o clorofórmio o mais denso. O brometo de potássio é um sal branco muito solúvel em água.

Sequência de fotos que mostra a adição de duas soluções aquosas incolores (A) de brometo de hidrogênio, KBr(aq), e de cloro, Cℓ2(aq), que resulta em uma mistura de cor amarelada (B). Após a adição de clorofórmio a esse sistema e agitação, observa-se que a fase inferior formada muda de coloração para um amarelo-alaranjado (C).

1. Equacione a reação global de cloro com brometo de potássio em solução aquosa. 2. Suponha que, em vez de brometo de potássio (KBr), usássemos brometo de sódio (NaBr). Haveria diferença visual? Por quê? 3. Equacione na forma iônica a reação correspondente às questões 1 e 2, indicando a espécie que se oxidou e a que se reduziu. 4. Que substância é responsável pela cor amarelada da fase aquosa? 5. Procure explicar o papel do clorofórmio. Trata-se de reação química?

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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04/05/16 17:40

A substância simples é um metal Para analisar esse tipo de reação de oxirredução, comece a refletir com base em suas próprias observações experimentais.

Química: prática e reflexão Conhecer a reatividade dos metais, ou seja, a tendência de eles se alterarem por meio de uma reação química de oxidação, é importante no exercício de diversas profissões, como as ligadas à engenharia civil, naval ou aeronaútica. Esse conhecimento também pode ser útil no dia a dia, já que metais e ligas metálicas estão presentes no cotidiano, em portões e janelas, panelas, talheres, moedas, chaves. Saber qual é a reatividade dos metais pode ajudar na tomada de algumas decisões. Por exemplo, uma pessoa que precisa comprar canos compara dois canos aparentemente idênticos, sendo, porém, um de ferro e o outro de cobre: em qual deles haverá tendência maior de ocorrer oxidação?

Cuidado! Nunca coloque os materiais do laboratório na boca ou em contato com outra parte do corpo; não os aspire. Material tóxico: não jogue os resíduos na pia ou na lixeira.

Material necessário

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

• 2 estantes com 6 tubos de ensaio de 15 mm 3 150 mm em cada uma • Caneta marcadora de vidro • 4 pedaços de fio de cobre (podem ser retirados de fios elétricos)

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• 4 pregos de ferro • 4 pedaços de alumínio (ou de papel-alumínio) • 4 pedaços de magnésio (podem ser encontrados em lojas de material de solda ou em oficinas de conserto de rodas) • 16 pedaços de barbante • 5 béqueres ou copos de vidro contendo soluções aquosas de: sulfato de cobre(II), CuSO4 (pode ser adquirido em lojas de produtos para aquário);

Alguns dos materiais utilizados no experimento.

sulfato de alumínio, Aℓ 2(SO4)3 (pode ser adquirido em lojas de produtos para decantação de água de piscina); cloreto de magnésio, MgCℓ 2 (pode ser adquirido em farmácias e casas de suplementos alimentares); sulfato de ferro(II), FeSO4 (pode ser adquirido em farmácias); ácido clorídrico, HCℓ (pode ser adquirido em lojas de produtos para aquário). Procedimento

2. Amarrem a ponta de cada um dos sólidos (cobre, magnésio, alumínio e ferro) com um pedaço de barbante, de modo que o sólido fique no fundo do tubo de ensaio e seja possível retirá-lo com facilidade (veja a figura ao lado). 3. Copiem no caderno a tabela abaixo.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

1. Enumerem os tubos de ensaio de 1 a 12.

Soluções aquosas Fe Prego de ferro Fio de cobre Pedaço de magnésio Alumínio ou papel-alumínio

Cu21

Mg 21

Aℓ 31

//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

//////////////

//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

//////////////

//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

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//////////////////

/////////////////////////

//////////////////

//////////////

4. Coloquem 2 mL – cerca de 40 gotas – de solução aquosa de sulfato de cobre(II) no tubo de ensaio 1. Em seguida, introduzam nesse tubo o prego de ferro. 222

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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5. Observem o que ocorre e anotem o resultado na tabela. 6. Repitam os procedimentos anteriores para todos os metais e soluções da tabela. Descarte dos resíduos: Os metais que não reagiram podem ser lavados e armazenados para outras atividades experimentais; os que reagiram podem ser lavados e lixados com palha de aço ou lixa comum e também guardados; os resíduos líquidos podem ser guardados em frascos com identificação ou diluídos para descarte na pia. Analisem suas observações

1. Qual dos metais analisados é o mais reativo? E qual é o menos reativo? Como vocês chegaram a essa conclusão? 2. Voltem ao início desta atividade experimental e, com base nos resultados obtidos no experimento, respondam à questão proposta (sobre a tendência à oxidação dos dois canos, um de cobre e outro de ferro). A hipótese que vocês haviam levantado estava certa?

Agora que você comparou a reatividade do ferro com a do cobre, vamos analisar outro exemplo. Se mergulharmos uma lâmina de zinco metálico, Zn0(s), em uma solução aquosa de nitrato de prata, AgNO3(aq), observaremos que o Zn0 vai sendo corroído e aparece um pó escuro no fundo do recipiente. O que ocorre? O Zn0 se oxida por ter maior tendência de perder elétrons que o Ag0. Nessa interação o zinco metálico, Zn0(s), oxida-se a Zn21(aq), enquanto o Ag1(aq) se reduz a prata metálica, Ag0(s).

Zn0(s) 1

2 AgNO3(aq)

Zn(NO3)2(aq) AgNO3(aq) Ag em pó estado inicial

Zn(NO3)2(aq)

Zn0(s) 1 2 Ag1(aq) 1 2 NO32(aq) Zn0(s)

Zn0

1 2 Ag0(s)

Zn21(aq) 1 2 NO32(aq) 1 2 Ag0(s) oxidação

2 Ag1(aq) 1 2 e2 redução Zn0(s) 1 2 Ag1(aq)

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

3. De acordo com o Ministério da Saúde, a água distribuída à população para consumo deve ser mantida na faixa de pH de 6,0 a 9,5. Considerando uma água levemente ácida, ou seja, com pH > 6,0 e pH , 7,0, o que seria esperado se ela percorresse encanamentos de ferro?

Zn21(aq) 1 2 e2 2 Ag0(s) Zn21(aq) 1 2 Ag0(s)

estado final

A placa de zinco metálico é corroída em contato com a solução de nitrato de prata, ou seja, o Zn0 é oxidado a Zn21, enquanto os íons Ag+ da solução se reduzem a Ag0, depositando-se próximo à placa. Cores fantasia, sem escala.

O zinco metálico, Zn0, se oxida por ter tendência de perder elétrons maior que a da prata, Ag0(s). Simplificadamente, podemos dizer que: para que um metal X se oxide em contato com uma solução que contém íons de outro metal Y (Yy1), é necessário que o elemento X tenha mais tendência a constituir um cátion do que o elemento Y. Ou seja, o elemento X da substância simples deve ser mais eletropositivo ou ter maior tendência a perder elétrons que o elemento Y do cátion do composto. A fila de reatividade dos metais é resultado de trabalho experimental e poderá ajudá-lo a equacionar reações de oxirredução de metal com uma solução eletrolítica. Metais Cs Rb K Na Li Ba Sr Ca Mg Aℓ Mn Zn Fe Co Ni Sn Pb H Bi Cu Hg Ag Pt Au Reatividade crescente das substâncias

Tendência de formar cátions

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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Observações:

Apesar de não ser metal, o hidrogênio é colocado na fila de reatividade dos metais, o que possibilita prever se um metal se oxida na presença de um ácido (que contém H1) liberando gás hidrogênio – H2(g). ▸ Os metais que estão depois do H nessa fila são chamados de metais nobres. Por sua baixa reatividade, muitos deles (como ouro, platina, prata e cobre) são usados em objetos de adorno. ▸ Os metais mais reativos são os alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs) e os alcalinoterrosos (Ca, Sr, Ba, Ra). Quase todos reagem com água, produzindo hidróxido do metal e gás hidrogênio. Por exemplo:

▸

oxidação 0

Na(s) 1 HOH(aq)

1 2

A reação do sódio com a água é bastante perigosa e só pode ser realizada por quem tem clareza dos riscos, e em condições especiais de segurança. Não tente reproduzi-la!

NaOH(aq) 1 H2(g)

redução

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

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As fotos abaixo mostram o que ocorre quando se coloca sódio metálico em contato com água.

A reação de sódio com água é violenta, liberando grande quantidade de energia. Por isso, é comum que o fragmento desse metal se movimente rapidamente na superfície da água e se observe o surgimento de uma chama (foto da direita); o calor liberado provoca a queima do gás hidrogênio produzido na reação.

O aspecto do ferro metálico (Fe0) é bem diferente do dos compostos de ferro(III), Fe31. Observe na foto ao lado, embaixo, o ferro metálico pulverizado, à esquerda, e um sal de ferro(III), à direita. O mesmo vale para as espécies mostradas na parte superior da foto: cobre metálico (Cu0) na forma de fios usados em eletricidade e íons Cu21, constituindo CuSO4 ? 5 H2O, um sólido azul. ▸ Não se esqueça de que, ao representar a equação dessas reações de oxirredução (de um metal com um eletrólito em solução), assim como a de qualquer outro tipo de reação, é indispensável respeitar a fórmula das substâncias envolvidas. Somente depois é que se pode realizar o balanceamento da equação. Assim, por exemplo: ▸

Reagentes: alumínio e ácido sulfúrico Aℓ(s)

H2SO4(aq)

CuSO4 ? 5H2O

Fe0

FeCℓ 3 ? 6H2O

Produtos: sulfato de alumínio e hidrogênio Aℓ 2(SO4)3(aq)

Equação não balanceada:

Equação balanceada:

Aℓ(s) 1 H2SO4(aq)

2 Aℓ(s) 1 3 H2SO4(aq)

Aℓ 2(SO4)3(aq) 1 H2(g)

Cu0

H2(g)

Aℓ 2(SO4)3(aq) 1 3 H2(g)

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Considere as espécies Pb0, Pb21, Ca0, Ca21, H2, H1 e responda: a) Diante de uma espécie oxidante, qual das espécies acima tem maior tendência de se oxidar? b) Qual delas é a melhor oxidante? 2. Formule a equação iônica correspondente ao processo em que o alumínio metálico reage com o níquel de uma solução de sal de níquel(II). 224

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Balanceamento de uma reação de oxirredução As reações de oxirredução mais simples, como as que acabamos de analisar, podem ser balanceadas pelo método das tentativas. Para as mais complexas, podemos usar um método que envolve a análise do número de elétrons trocados entre o agente oxidante e o agente redutor: o método de oxirredução. A base desse processo de balanceamento consiste em determinar a proporção entre o número de unidades (átomos, íons, moléculas) que se oxidam e o número de unidades que se reduzem, igualando o número de elétrons cedidos pelas espécies que se oxidam com o número de elétrons recebidos pelas espécies que se reduzem. Ao balancear uma equação, procure sempre responder às perguntas a seguir, relativas à reação que essa equação representa: I. Átomos de que elemento perdem elétrons? II. Quantos elétrons são perdidos por átomo desse elemento? III. Átomos de que elemento ganham elétrons? IV. Quantos elétrons são ganhos por átomo desse elemento? V. Qual é o elemento que se oxida com a reação? VI. Qual é o elemento que se reduz com a reação? VII. Qual é a variação de Nox do elemento que se oxida, por molécula (ou íon)? VIII. Qual é a variação de Nox do elemento que se reduz, por molécula (ou íon)? As respostas às questões II, IV, VII e VIII permitem igualar as variações de Nox relativas ao redutor e ao oxidante, o que significa igualar o número de elétrons transferidos de uma espécie a outra. Vamos ver um exemplo de equação de oxirredução a ser balanceada:

Kl(aq) 1 KMnO4(aq) 1 H2O(ℓ)

I2(aq) 1 MnO2(aq) 1 KOH(aq)

oxidação +1 +7 –2

+1 –1

+1 –2

KI(aq) 1 KMnO4(aq) 1 H2O(ℓ)

+4 –2

+1 –2 +1

I2(aq) 1 MnO2(aq) 1 KOH(aq)

redução ▸▸ Verificam-se as variações de número de oxidação (DNox).

Variação de Nox do Mn por conjunto KMnO4: DNoxMn

(KMnO 4)

5 (17) 2 (14)

DNoxMn

(KMnO 4)

Ou seja, nesse processo, cada átomo de Mn do conjunto KMnO4 ganha 3 elétrons. Variação de Nox do I por conjunto KI: DNoxI 5 0 2 (21) DNoxI 5 1 (KI)

(KI)

Ou seja, nesse processo, cada átomo de I da molécula do I2 perde 1 elétron. Observe que DNox é sempre positivo, pois é obtido pela diferença entre o Nox maior e o Nox menor do elemento envolvido na transferência de elétrons. ▸▸ Para que o número de elétrons cedidos por uma espécie seja igual ao número de elé-

trons que a outra espécie ganha, igualam-se as variações de Nox (dos processos de oxidação e redução). Para que as variações de Nox se igualem, temos que manter a proporção de: 3 KI para 1 KMnO4, pois 1 ? 3 5 3 ? 1 Capítulo 10 Reações de oxirredução

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A partir da determinação dos coeficientes de KI e de KMnO4, os dos demais participantes da reação são balanceados pelo método das tentativas, conforme a indicação abaixo:

3 KI(aq) 1 1 KMnO4(aq) 1 H2O(ℓ)

I2(aq) 1 MnO2(aq) 1 KOH(aq) 1 Mn

1 Mn 4O 1K

3I 3K

3 I (aq) 1 1 MnO2(aq) 1 4 KOH(aq) 2 2

3 Kl(aq) 1 1 KMnO4(aq) 1 2 H2O(ℓ) 1K

4K 3

Se quisermos utilizar coeficientes inteiros, podemos multiplicar todos os coeficientes por 2:

6 KI(aq) 1 2 KMnO4(aq) 1 4 H2O(ℓ)

3 I2(aq) 1 2 MnO2(aq) 1 8 KOH(aq)

Analise este outro exemplo de balanceamento mais complexo:

K2Cr2O7(aq) 1 H2SO4(aq) 1 FeSO4(aq) Fe2(SO4)3(aq) 1 Cr2(SO4)3(aq) 1 K 2SO4(aq) 1 H2O(ℓ)

DIVULGAÇÃO PNLD

▸▸ Determinam-se todos os Nox, verificando que elementos sofrem mudança:

Atenção! Em etapas intermediárias do balanceamento, é útil que você escreva todos os coeficientes de acerto já estabelecidos, inclusive os que são iguais a 1. Isso porque o coeficiente igual a 1 geralmente é omitido no balanceamento de uma equação, e há o risco de você alterar o valor 1 (em branco) do coeficiente já determinado, como se ele ainda não estivesse balanceado.

redução +1 +6 –2

+1 +6 –2

+2 +6 –2

K2Cr2O7 1 H2SO4 1 FeSO4

oxidação

+3 +6 –2

+1 +6 –2

+1 –2

Fe2(SO4)3 1 Cr2(SO4)3 1 K 2SO4 1 1 H2O

▸▸ Como pode acontecer de o índice de um elemento no reagente ser diferente do que

ele tem no produto (por exemplo, o ferro no reagente tem índice 2 e, no produto, 3), para evitar obter coeficientes de acerto fracionários logo no início do balanceamento, podem-se calcular as variações de Nox total (DNox) por espécie. Variação de Nox do Cr por conjunto K 2Cr2O7: DNoxCr 5 16 2 (13) 5 3. Como há 2 Cr por conjunto, temos: DNoxCr

(K 2Cr 2O 7)

53?256

Variação de Nox do Fe por conjunto FeSO4: DNoxFe DNoxFe

(FeSO 4)

5 13 2 (12) 5 1. Nesse caso, o índice do Fe é 1. Portanto:

51?151

(FeSO 4)

▸▸ Igualam-se as variações de Nox:

DNoxoxidação 5 DNoxredução Ou, de modo prático: DNoxCr

(K 2Cr2O7)

DNoxFe

(FeSO 4)

5 6 K 2 Cr2 O7

1?656

DNoxCr

5 1 FeSO4

6?156

DNoxFe

1 K2Cr2O7 1 H2SO4 1 6 FeSO4 226

(K 2Cr 2O 7)

(FeSO 4)

5 6

1 K2Cr2O

5 1

6 FeSO4

Fe2(SO4)3 1 Cr2(SO4)3 1 K 2SO4 1 H2O

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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▸▸ Completa-se o balanceamento por tentativa. No caso, já estão determinados os ele-

mentos K, Cr e Fe:

1 K2Cr2O7 1 7 H2SO4 1 6 FeSO4

3 Fe2(SO4)3 1 1 Cr2(SO4)3 1 1 K2SO4 1 H2O

2 Cr

2 Cr 6 Fe

6 Fe 2K 9 SO 42–

6 SO 42–

3 SO 42–

1 SO 42–

13 SO 42–

K2Cr2O7(aq) 1 7 H2SO4(aq) 1 6 FeSO4(aq) 3 Fe2(SO4)3(aq) 1 Cr2(SO4)3(aq) 1 K 2SO4(aq) 1 7 H2O(ℓ)

Atividades

Não escreva neste livro.

Consulte a Tabela Periódica sempre que necessário.

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1. Considere a reação representada pela equação abaixo: 5 Fe21(aq) 1 MnO24 (aq) 1 8 H1(aq)

5 Fe31(aq) 1 Mn21(aq) 1 4 H2O(ℓ)

a) Qual é o íon oxidante e qual é o redutor? b) O que acontece com a espécie oxidante do ponto de vista dos elétrons? c) Para cada íon que se oxida, quantos elétrons são cedidos/recebidos? E para cada íon reduzido? 2. Balanceie as equações a seguir usando o que aprendeu neste capítulo. a) FeCℓ 3 1 SnCℓ 2

SnCℓ 4 1 FeCℓ 2

b) HBr 1 H2SO4

SO2 1 Br2 1 H2O

c) H2S 1 HNO3

H2SO4 1 NO2 1 H2O

d) As 1 HNO3

HAsO3 1 NO 1 H2O

e) Na2S2O3 1 I2

NaI 1 Na2S4O6

3. Balanceie as equações a seguir. Leve em conta que os coeficientes de acerto do H2O2 e do O2 são iguais, visto que só o oxigênio do H2O2 se oxida a O2. a) KMnO4 1 H2SO4 1 H2O2

K2SO4 1 MnSO4 1 H2O 1 O2

b) K2Cr2O7 1 H2SO4 1 H2O2

K2SO4 1 Cr2(SO4)3 1 H2O 1 O2

c) KI 1 H2SO4 1 H2O2

K2SO4 1 H2O 1 I2

4. Com relação aos itens da questão anterior, responda: a) Que substância presente nas três reações age ora como oxidante, ora como redutora? Qual o papel dela em cada reação? b) Que mudanças ocorrem com o Nox do elemento quando a substância age como oxidante? c) Que mudanças ocorrem com o Nox do elemento quando a substância age como redutora? 5. Analise as substâncias KMnO4 e K2Cr2O7 nas equações das reações dos exercícios 1 e 2. Elas são agentes oxidantes ou redutores?

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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Conexões

O dicromato de potássio (K2Cr2O7) é um sal de coloração laranja em meio ácido. Ao ser atingido pelo ar exalado na respiração de quem ingeriu bebida alcoólica, ele origina uma substância verde devido aos íons Cr31(aq). A intensidade da variação de cor pode ser usada para determinar a concentração de álcool no sangue. Daí o uso desse sal nos bafômetros.

FOTOARENA/FERNANDO VIVALDINI

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FOTOARENA/FERNANDO VIVALDINI

A principal causa de acidentes de trânsito no Brasil é a falha humana, cometida por motoristas. Mas por que os motoristas cometem erros, muitas vezes com consequências trágicas? Grande parte das vezes, isso acontece por estarem dirigindo sob influência de álcool, o que altera seus reflexos. Para verificar se alguém ingeriu etanol (C 2H6O) – presente em bebidas alcoólicas –, podemos recorrer a um bafômetro. Os primeiros bafômetros tinham seu funcionamento baseado em uma reação de oxirredução: a mudança de cor do dicromato de potássio (K 2Cr2O7). A partir de meados de 2008, por ocasião da entrada em vigor da chamada Lei Seca, ampliou-se o uso de bafômetros pelos policiais de trânsito. A consequência mais imediata dessa fiscalização foi a redução do número de vítimas de acidentes automotivos.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY

Os bafômetros e as reações de oxirredução

Bafômetro descartável (à esquerda) e indicação do significado das cores que podem surgir após o teste do teor alcoólico no ar exalado pelo motorista (acima). Não considerar as pontas azul e amarela; é na parte central da figura que está o resultado do teste.

1. Qual é o Nox do cromo no dicromato de potássio? 2. Ao mudar de laranja para verde, o cromo se transforma do ponto de vista eletrônico e de Nox? Explique. 3. Suponha que os reagentes usados no bafômetro sejam K2Cr2O7 e H2SO4, além do etanol. Considere que na reação, além dos sulfatos de potássio e de cromo(III), formam-se água e ácido acético (H3C — COOH). Equacione a reação e balanceie a equação. 4. Nesse processo de oxirredução, o etanol é um agente oxidante ou redutor?

Equações de oxirredução na forma iônica O método que acabamos de estudar pode ser usado também para balancear equações na forma iônica. Vamos a um exemplo:

MnO24 (aq) 1 H1(aq) 1 H2O2(aq)

Mn21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 O2(g)

Repare que os índices do Mn na substância reagente e no produto são iguais. O mesmo vale para o O, considerando o H2O2 (reagente) e o O2 (produto). Por isso, podemos raciocinar assim: DNoxMn 5 5 ? 1 5 5 DNoxO 5 1 ? 2 5 2

coeficiente do MnO24 e Mn21 coeficiente do H2O e O2 índice do O no H2O2

2 MnO24 (aq) 1 H1(aq) 1 5 H2O2(aq) 228

2 Mn21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 5 O2(g)

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ NOVA

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Repare que, além do balanceamento de átomos de cada elemento químico, as cargas elétricas têm de estar acertadas. Isso permite que seja atribuído coeficiente ao H1:

2 MnO24 (aq) 1 6 H1(aq) 1 5 H2O2(aq) carga: 22

carga: 16

carga: 0

Total: 22 1 6 1 0 5 14

2 Mn21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 5 O2(g) carga: 14

carga: 0

Total: 4 1 0 1 0 5 14

Acertam-se, na sequência, o número de átomos de hidrogênio na água e, por último, o número de átomos de oxigênio no O2:

2 MnO24 (aq) 1 6 H1(aq) 1 5 H2O2(aq)

2 Mn21(aq) 1 8 H2O(ℓ) 1 5 O2(g)

Atenção!

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Em uma reação: • o número de átomos de cada elemento se conserva; • a massa se conserva (lei de Lavoisier); • o número de elétrons cedidos pela espécie oxidada é igual ao de elétrons recebidos pela espécie reduzida; • a carga elétrica se conserva, pois os elétrons que são cedidos por uma espécie são recebidos por outra, de modo que, com a reação, o total de elétrons se mantém.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Colheres de prata ficam escurecidas quando expostas ao ar por algum tempo. Isso acontece porque na superfície da prata se formam compostos como Ag2S e Ag2O. Uma das formas de devolver o brilho ao metal é recobri-lo com papel alumínio e mergulhá-lo em uma solução contendo íons. O alumínio reduz os íons Ag1, devolvendo à colher o brilho do metal. Com base nessas informações, responda: a) Qual metal é mais eletropositivo: a prata ou o alumínio? b) Entre as espécies Ag, Ag1, Aℓ, Aℓ31, qual tem maior tendência a reduzir-se? c) Equacione a reação entre Ag1 e Aℓ, na forma iônica. Não se esqueça de equilibrar as cargas elétricas. d) Qual é o agente redutor na reação equacionada no item c? 2. Para entender a importância do tratamento dos resíduos industriais e gerados por outros processos de produção, leia os dois textos a seguir. Texto 1 – O selênio, em pequeníssimas concentrações, é nutriente para a maioria dos animais, e sua total ausência no organismo é responsável por doenças. Acima dessas concentrações baixíssimas, ele é tóxico para 2— animais e seres humanos. Formas solúveis de selênio, como as que contêm íons selenato, SeO4 (aq), podem atingir valores elevados em águas de regiões de mineração ou próximas a usinas termelétricas a carvão, por exemplo. Uma das formas de removê-lo da água é por meio de sua redução a selênio elementar (Se), usando-se para isso um bissulfito (HSO—3 ) em meio ácido, H1(aq), que se transforma em ditionato (S2O622). a) Indique os números de oxidação dos elementos envolvidos nessa oxirredução. b) Nesse processo, o íon bissulfito funciona como agente oxidante ou redutor? c) Equacione esse processo, sabendo que, além do Se, formam-se nesse processo ditionato, S2O622, e água. d) De que forma o selênio elementar pode ser removido da mistura? Texto 2 – O processo de transformar a pele de animais no couro que é usado em sapatos, bolsas, móveis, etc. pode gerar resíduos tóxicos que são descartados com a água empregada ao longo das operações realizadas nos curtumes. Essa água com resíduos químicos, ao ser lançada no solo ou despejada em rios e mananciais, causa danos ao ambiente e à saúde humana.

Curtume: estabelecimento onde se curte (prepara) o couro.

Capítulo 10 Reações de oxirredução

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Um dos produtos presentes em concentração elevada na água proveniente dos curtumes é o cromo. Substâncias que contêm cromo são tóxicas, mas podem chegar a ser altamente tóxicas, caso esse elemento apresente número de oxidação 16. E por que os íons cromato (CrO2— ) são nocivos à saúde? Porque a disposição espacial dos átomos que cons4 tituem esses íons é semelhante à dos átomos dos íons sulfato (SO2— 4 ), que podem atravessar as membranas celulares livremente, sem causar nenhum problema ao organismo. Em razão dessa semelhança, os íons cromato penetram nas células e afetam seu DNA, ocasionando alterações genéticas. No processo de tratamento de resíduos industriais com cromo de Nox 16, há basicamente duas etapas químicas: 1 a ) redução dos íons de cromo com Nox 16 a Cr31; 2a) precipitação do Cr(OH)3, feita por reação com bases. Suponha que a redução do CrO2— ou CrO2— tenha sido feita por meio de íons bissulfito HSO—2 , em meio áci4 7 do (H1). Nessas reações, além da formação de íons Cr31, obtêm-se íons sulfato (SO24 — ) e água. e) O íon bissulfito funciona como agente oxidante ou redutor nesses processos? f) Compare o papel do bissulfito nos dois processos (na remoção da água do selênio solúvel – texto 1 – e do cromo de Nox 16). g) Equacione a reação, supondo que os íons presentes nos efluentes sejam os íons Cr2O27 — .

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h) Equacione a reação, supondo que os íons presentes nos efluentes sejam os íons CrO24 —. i) Equacione, na forma iônica, a reação indicada acima, usada para remover os íons Cr31(aq) da solução por precipitação com íons OH2(aq). 3. A hidrazina (N2H4) é uma substância usada como propelente, eficiente para posicionar em órbita satélites e sondas espaciais. Não se trata de combustível; sua capacidade de impulsionar foguetes não é consequência de processo de combustão – como é comum nesse tipo de mecanismo –, mas de um conjunto de reações que se inicia com a decomposição da hidrazina. Além de essas reações liberarem muito calor – são bastante exotérmicas –, produzem um volume de gases quentes que é relativamente grande, se comparado ao pequeno volume de hidrazina líquida usado. A decomposição de N2H4 é acelerada por ação de um catalisador e, em frações de segundo, a mistura chega a atingir 800 °C. As equações químicas que representam esse conjunto de reações são: 3 N2H4(ℓ) 4 NH3(g) 1 N2(g) N2H4(ℓ) N2(g) 1 2 H2(g) 4 NH3(g) 1 N2H4(ℓ) 3 N2(g) 1 8 H2(g) Se somarmos essas equações, poderemos considerar que: 5 N2H4(ℓ) 5 N2(g) 1 10 H2(g) No Brasil, os motores de foguete para satélites usando propelente líquido utilizam, além da hidrazina, o tetróxido de dinitrogênio, N2O4. a) Como você pode notar, o nitrogênio aparece na constituição de diversas substâncias que participam de processos de lançamento de foguetes que empregam propelentes líquidos. Relacione as fórmulas dessas substâncias, indicando o Nox do N. b) Quais das reações cujas equações são fornecidas servem de exemplo de reação de oxirredução? c) Baseado em informações do texto e em seus conhecimentos, explique a afirmação de que a capacidade de impulsionar um foguete não é consequência de processo de combustão, como é comum nesse tipo de mecanismo. 4. Leia a seguir alguns fragmentos de A Tabela Periódica, do escritor e químico italiano Primo Levi (1919-1987). Note que a narrativa revela os conhecimentos do autor sobre metais e seu comportamento diante de ácidos e da água. [...] Encontrei no porão um garrafão de benzeno técnico com 95 por cento de pureza: melhor do que nada, mas os manuais recomendavam retificá-lo e em seguida submetê-lo a uma última destilação em presença do sódio, para livrá-lo dos últimos vestígios de umidade. [...]

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Retificar: corrigir o que está incorreto ou inadequado; em Química, o termo tem o sentido de “purificar, destilar para retirar impurezas de uma substância líquida”.

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“Nada pior que nascer pobre”, estava eu a remoer, enquanto mantinha na chama de um bico de gás um lingote de estanho dos Estreitos. Pouco a pouco o estanho fundia, e as gotas caíam, chiando, na água de uma vasilha: no fundo desta se formava um enredo metálico fascinante, de formas sempre novas. [...] Era preciso granular o estanho a fim de que ficasse mais fácil tratá-lo depois com ácido clorídrico. [...] Voar agora: querias ser livre, és livre; querias ser químico, és químico. Vamos, remexe entre venenos, batons e esterco de galinha; faz granular o estanho, verte-lhe ácido clorídrico, concentra, transvasa e cristaliza, se não queres morrer de forme, uma fome que conheces. Compra estanho e vende cloreto de estanho. [...]. [...] [...] Não é que o ácido clorídrico seja propriamente tóxico: é um daqueles inimigos declarados que te atacam gritando desde longe e dos quais, portanto, é fácil defender-se. Tem um cheiro tão penetrante que quem pode não demora a pôr-se ao abrigo; e não podes confundi-lo com nenhum outro, porque, depois de tê-lo respirado uma vez, escapam-te do nariz dois curtos penachos de fumaça branca [...] e experimentas em teus dentes um sabor acre, como quando chupas um limão. A despeito de nossa capela tão zelosa, as emanações do ácido invadiram todos os aposentos: os papéis de parede mudavam de cor, as maçanetas e puxadores de metal tornavam-se opacos e ásperos ao tato, e de vez em quando nos sobressaltava um baque sinistro: um prego havia acabado de corroer-se, e um quadro, num canto qualquer da casa, tinha vindo ao chão. Emílio punha um prego novo e voltava a colocar o quadro em seu lugar. [...] LEVI, Primo. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 1994. p. 62, 183 e 185.

a) Que mudanças ocorrem com o estanho ao ser aquecido na chama de um bico de gás e, depois, ao cair na água? b) Segundo o texto, a personagem comprava uma substância e vendia outra. Quais eram elas? São substâncias simples ou compostas? c) Qual é a reação química citada no texto? Equacione-a. d) Que significado você atribui aos termos concentra e cristaliza, no segundo parágrafo desta página? e) Qual é a função de concentrar e cristalizar, no contexto da narrativa? f) O texto aponta algumas propriedades do gás que emana de uma solução de ácido clorídrico concentrado. Qual é o gás? Resuma as propriedades mencionadas. g) Explique quimicamente a razão de alguns objetos se tornarem opacos e ásperos e de quadros caírem no laboratório onde o autor trabalhava. h) Qual é a razão de o ácido clorídrico ser comparado a um inimigo declarado? i) Nesse texto, fala-se de um líquido a ser purificado. Qual é?

LEVI, Primo. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 2001. Nesse livro, o autor narra sua infância, o surgimento de seu interesse pela Química, seus amores, a prisão em Auschwitz, durante a Segunda Guerra Mundial, e o regresso aos laboratórios do campo de concentração após a guerra.

j) Para purificar esse líquido, de acordo com o texto, devem-se usar um processo físico e outro químico. Quais são eles? k) Explique por que o sódio é um secante eficiente e equacione a reação da qual ele participa, no processo de secagem de um líquido com o qual não reage. l) Para a retirada de umidade, poderia ser utilizado ferro, em vez de sódio? Por quê?

Secante: que retira água do meio onde se encontra.

m) Primo Levi, o autor de A Tabela Periódica, teve a vida marcada não só pela Química, como também pelo período em que foi prisioneiro em um campo de concentração, durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945). Faça uma pesquisa e produza um perfil biográfico curto desse escritor, apresentando os principais fatos de sua vida, em ordem cronológica, e suas principais obras. Capítulo 10 Reações de oxirredução

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11 capítulo

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LATINSTOCK/CORBIS/SCIENTIFICA

pirolusita

FABIO COLOMBINI/ ACERVO DO FOTÓGRAFO

bauxita

©SHUTTERSTOCK/ALEKS-P

hematita

Óxidos

Exemplos de minérios que contêm óxidos metálicos encontrados no Brasil.

Para situá-lo

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • o conceito de óxidos; • o caráter ácido, alcalino ou neutro de óxidos importantes em nosso cotidiano; • os óxidos relevantes em processos industriais e na poluição do ar; • alguns óxidos relevantes no cotidiano. 232

Seria impossível imaginar nossa vida e nosso cotidiano sem a participação de óxidos. Mesmo antes de ter iniciado de modo mais detalhado o estudo desse tipo de substância, você provavelmente já teve contato com informações a respeito. Dióxido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de enxofre, óxido de cálcio (presente na cal), óxido de ferro(III) (presente na hematita) são alguns exemplos de substâncias sobre as quais você talvez tenha alguma referência. Quase todos os metais e ligas metálicas são obtidos a partir de minérios. Após diversos processos que envolvem a separação dos materiais constituintes e transformações químicas, são obtidos os metais correspondentes. Muitos minérios contêm quantidades significativas de óxidos metálicos. É o caso, por exemplo, da bauxita – minério rico em óxido de alumínio (Aℓ 2O3) –, da pirolusita – minério rico em óxido de manganês(IV) (MnO2) – e da hematita – minério rico em óxido de ferro(III) (Fe2O3). O minério de ferro é a principal riqueza mineral brasileira. A importância do ferro e dos vários tipos de aço – ligas em que o ferro é o elemento predominante – explica sua relevância e inclusão entre os recursos econômicos gerados em nossa balança comercial pela exportação do minério de ferro. Talvez você se pergunte: não seria melhor exportarmos aço, e não a matéria-prima essencial para obtê-lo? A verdade é que o Brasil vende a outros países o minério e importa uma parte do aço que é utilizado aqui, uma vez que a produção nacional não atende totalmente a demanda do país. Se as matérias-primas fossem processadas aqui, o Brasil poderia agregar maior valor aos produtos, tornando-os comercialmente mais lucrativos.

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PULSAR IMAGENS/JOÃO PRUDENTE

1. Detalhe o que sabe dos óxidos mencionados no texto, incluindo a informação sobre o caráter iônico ou molecular desses compostos; procure escrever as fórmulas de alguns deles. Se necessário, consulte a classificação periódica.

FOTOARENA/TIPS/ZUMA PRESS

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Local de extração de minério de ferro em Itabira (MG). Foto de 2014.

2. Na tabela a seguir, você pode observar os valores, em dólares estadunidenses (US$), e a massa, em milhares de toneladas, de minério de ferro exportado (não necessariamente apenas de hematita), de 2011 a 2013. Que aspectos chamam sua atenção? Exportação brasileira de minério de ferro (2011-2013) 106 toneladas

106 US$

2011

274,8

31,8

2012

275,4

23,8

2013

282,2

DNPM: DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Sumário Mineral 2014. Brasília, 2014. Disponível em: <http://www.dnpm.gov.br/ dnpm/sumarios/ferro-sumario-mineral-2014>. Acesso em: 27 jan. 2016.

Produção de aço em siderúrgica no Brasil. Foto de 2013.

3. Com base no que estudou no capítulo anterior, você pode deduzir que o processo de obtenção do ferro, a partir do óxido de ferro(III), envolve reações de oxirredução. Nas siderúrgicas, o ferro iônico do óxido se transforma em metálico. O que tem de ocorrer em termos de elétrons para que isso aconteça? Esclareça usando a semiequação. Neste capítulo, vamos estudar a importância de diversos óxidos em processos industriais, como a produção de metais a partir de óxidos metálicos presentes em minério e alguns óxidos envolvidos com o agravamento da poluição atmosférica.

Capítulo 11 Óxidos

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Introdução aos óxidos

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EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

O que são óxidos? Você já conhece exemplos de substâncias cujos nomes têm, como parte integrante, o termo óxido e é possível deduzir que esses compostos são binários – formados por dois elementos –, sendo um deles o oxigênio. Mas é preciso levar em consideração que esse conceito é válido apenas para compostos binários em que o oxigênio é o elemento mais eletronegativo. Por essa razão, cabe lembrar que a substância que tem o oxigênio ligado ao flúor, o único elemento mais eletronegativo do que ele, não é considerada um óxido, e sim um fluoreto: OF2, o fluoreto de oxigênio. Diferentemente de grupos de compostos já estudados – como os ácidos e as bases –, os óxidos não têm um conjunto de propriedades que os caracterizam como grupo de substâncias. Assim, por exemplo, o óxido de bário (BaO) é um óxido iônico; já o dióxido de carbono (CO2) é um óxido molecular. De modo geral, quanto mais próximo do oxigênio na Tabela Periódica está o elemento ligado a ele, maior é o caráter molecular; quanto mais afastado, maior é o caráter iônico. Observe o esboço da Tabela Periódica, onde a posição do O está destacada:

CARÁTER IÔNICO CARÁTER MOLECULAR

Óxidos iônicos são sólidos que têm alta temperatura de fusão. O óxido de magnésio (MgO), por exemplo, funde a cerca de 2 800 °C; o óxido de alumínio (Aℓ 2O3), perto de 2 050 °C. No estado líquido, conduzem bem a corrente elétrica. Nas condições ambientes, os óxidos moleculares podem ser: ▸▸ gasosos: dióxido de carbono (CO ), monóxido 2 de carbono (CO), monóxido de nitrogênio (NO), entre outros. ▸▸ líquidos: água (H O), peróxido de hidrogênio 2 (H2O2), trióxido de enxofre (SO3), entre outros. ▸▸ sólidos: pentóxido de difósforo (P O ), dióxido 2 5 de silício (sílica) (SiO2), entre outros. 234

©SHUTTERSTOCK/SERGIO KOTRIKADZE

Os gases nobres foram excluídos do esquema porque apenas o xenônio (Xe), em condições especiais, forma óxido – o trióxido de xenônio (XeO3). O flúor foi excluído porque o fluoreto de oxigênio (OF2) não é um óxido.

A areia é formada por dióxido de silício (SiO2), um óxido molecular que é sólido.

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Nomenclatura dos óxidos Em termos gerais, os nomes dos óxidos de metais são formados do seguinte modo: Na2O: óxido de sódio

ZnO: óxido de zinco

Vale destacar que muitos nomes antigos ainda são usados para designar óxidos. É o caso do emprego das terminações -oso (quando o número de oxidação do elemento ligado ao oxigênio é o mais baixo) e -ico (quando é o mais alto). Essa nomenclatura não representa dificuldade quando o elemento forma apenas dois óxidos. Por exemplo:

CaO: óxido de cálcio

Essa forma simples de nomenclatura pode ser usada sempre que o elemento ligado ao oxigênio apresentar apenas um Nox, como no caso dos exemplos acima. Se o metal apresentar mais de um Nox, este pode ser indicado por algarismo romano entre parênteses: +2

FeO: óxido de ferro(II) +3 Fe2O3: óxido de ferro(III)

PbO: óxido de chumbo(II) +4 PbO2: óxido de chumbo(IV)

FeO – óxido ferroso +3

Já no caso de óxidos de não metais, a nomenclatura mais comum segue a seguinte estrutura: prefixo 1 óxido de

Fe2O3 – óxido férrico +1

Cu2O – óxido cuproso

prefixo 1 nome do elemento

CuO– óxido cúprico

N2O5: pentóxido de dinitrogênio CO2: dióxido de (mono)carbono

SO2 – óxido sulfuroso

SO3 – óxido sulfúrico

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Localize na Tabela Periódica da página 106 os grupos em que se encontram os elementos que compõem estes quatro óxidos: óxido de ferro(III), Fe2O3; óxido de alumínio, Aℓ2O3; óxido de manganês(IV), MnO2, e óxido de cálcio, CaO. 2. Suponha que não houvesse informações sobre o estado físico nas condições ambientes desses quatro óxidos. Com base em sua resposta à questão 1 e no que você já sabe sobre ligações químicas, explique como seria possível deduzir qual é o estado físico desses óxidos nas condições ambientes. 3. A coloração marrom-acinzentada no ar da cidade de São Paulo, visível na foto ao lado, é causada pelo dióxido de nitrogênio (NO2). Outros poluentes do ar, como dióxido de enxofre (SO2), monóxido de carbono (CO) e monóxido de nitrogênio (NO), também são óxidos gasosos, porém são incolores. Localize os grupos dos elementos constituintes desses óxidos na Tabela Periódica. Trata-se de óxidos iônicos ou moleculares? 4. Considere o óxido de bário, o hidróxido de potássio, o dióxido de enxofre, o cloreto de hidrogênio e o carbonato de sódio. Quais conduzem corrente elétrica no estado líquido? 5. Nas condições ambientes, qual o estado físico do BaO e do CO2? 6. Escreva as fórmulas dos óxidos: a) tetróxido de dinitrogênio, usado como propelente de foguetes;

FOLHAPRESS/RENATO LUIZ FERREIR

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Os prefixos – mono, di ou bi, tri, tetr(a), pent(a), hex(a), hept(a), etc. – referem-se ao número de átomos de um elemento na molécula. Esse último tipo de nomenclatura também é adotado para óxidos de metais. Por exemplo: PbO2, dióxido de chumbo; MnO2, dióxido de manganês.

A faixa marrom-acinzentada que recobre o horizonte de São Paulo e de outras metrópoles em certos períodos do ano é consequência da alta concentração de poluentes na atmosfera. Foto de 2015.

b) pentóxido de difósforo, agente desidratante (que retira água de outras substâncias); c) trióxido de enxofre, uma das substâncias responsáveis pela chuva ácida. 7. Dê os nomes dos seguintes óxidos: a) N2O, gás que pode se formar por decomposição de fertilizantes nitrogenados; b) SeO2, usado como corante de vidro; c) SiO2, óxido presente na areia. Capítulo 11 Óxidos

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Classificação dos óxidos Um dos critérios de classificação dos óxidos é baseado em seu comportamento químico. Óxidos básicos, ácidos e neutros são alguns dos tipos de óxidos que vamos estudar, de acordo com esse critério.

Óxidos básicos A cal é constituída principalmente de óxido de cálcio (CaO); trata-se de um óxido básico. Observe as equações que representam alguns comportamentos desse óxido:

CaO(s)

H2O(ℓ)

Ca(OH)2(aq)

água

hidróxido de cálcio

2 HCℓ(aq)

CaCℓ 2(aq)

ácido clorídrico

cloreto de cálcio

óxido de cálcio

CaO(s)

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SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

óxido de cálcio

H2O(ℓ) água

A reação de CaO – cal virgem ou viva – com água, empregada nas construções, produz Ca(OH)2 – cal extinta, hidratada ou apagada. Nessa reação há liberação de calor. A cal tem uso também na agricultura, para a redução da acidez do solo.

A cal é obtida por aquecimento do calcário (CaCO3) em uma reação conhecida por calcinação:

CaCO3(s) carbonato de cálcio

CaO(s)

óxido de cálcio (cal virgem)

CO2(g)

Lembre-se:

dióxido de carbono

Δ = aquecimento.

Comercialmente, o CaO é chamado de cal virgem ou cal viva; o Ca(OH)2, de cal hidratada, cal extinta ou cal apagada, e o CaCO3, de calcário, também conhecido por calcita (principal componente do mármore). Classificamos como básicos os óxidos que reagem com ácidos formando sal e água. Alguns deles reagem também com água formando bases, como o CaO. A reação dos óxidos básicos com água só ocorre quando eles são derivados de bases fortes, ou seja, as que se dissolvem bem em água (correspondentes aos óxidos do grupo 1: Li2O, Na 2O, K 2O, Rb2O) e as parcialmente solúveis em água (caso do CaO, SrO, BaO). Os demais óxidos, como CuO, Ag 2O, MnO, praticamente não se dissolvem em água e não reagem com ela, embora reajam com ácidos:

Ag2O(s) 1 H2SO4(aq)

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óxido de prata

ácido sulfúrico

CuO(s)

1 2 HCℓ(aq)

óxido de cobre(II)

ácido clorídrico

Ag2SO4(aq) 1 H2O(ℓ) sulfato de prata

água

Ag2O(s) 1 H2O(ℓ) óxido de prata

água

CuCℓ 2 (aq) 1 H2O(ℓ)

CuO(s) 1 H2O(ℓ)

cloreto de cobre(II)

óxido de cobre(II)

água

não ocorre

água

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Óxidos ácidos São exemplos de óxidos ácidos: CO2, SO3, N2O5, Mn2O7 . Todos são moleculares, sendo os três primeiros formados por não metais; o último também é molecular, apesar de metálico. Note que o número de oxidação do Mn é bem elevado: 17, e isso acontece com outros óxidos ácidos metálicos, como é o caso do CrO3, no qual o Nox do Cr é 16. Vale destacar que, para todo óxido ácido, há um ânion correspondente (e, portanto, um ácido) em que o elemento ligado ao O tem o mesmo Nox, e isso é uma boa referência para raciocinar sobre o comportamento químico de cada um deles. Observe os exemplos no quadro: Ânion e ácido correspondente de alguns óxidos ácidos

Nox do outro elemento

Óxido ácido

Ânion correspondente

trióxido de enxofre

SO422

H2SO4

íon sulfato

ácido sulfúrico

N2O5

pentóxido de dinitrogênio

NO32

HNO3

íon nitrato

ácido nítrico

A coincidência entre o Nox do elemento que constitui o óxido ácido e o que constitui o ácido pode ajudá-lo a entender a relação entre ambos. Óxidos ácidos são os que, ao reagirem com água, originam ácidos e, ao reagirem com bases, formam sal e água. +6

SO3(g)

H2O(ℓ)

1 2 NaOH(aq)

H2SO4(aq) +6

Na2SO4(aq) 1 H2O(ℓ)

Nessas reações não há transferência de elétrons, ou seja, o número de oxidação do elemento ligado ao oxigênio é igual no ácido e no sal formado, especificamente em seu ânion. O experimento apresentado nas imagens a seguir é usado para provar experimentalmente a presença de CO2 (que é um gás inodoro e incolor). Costuma-se recolhê-lo em água de cal ou água de barita, respectivamente soluções aquosas de Ca(OH)2 e Ba(OH)2. Quando esses hidróxidos reagem com CO2, formam-se carbonatos pouco solúveis: CaCO3 ou BaCO3.

CO2(g)

1 Ca(OH)2(aq)

dióxido de carbono

hidróxido de cálcio

FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

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SO3

Ácido correspondente

CaCO3(s) carbonato de cálcio (pouco solúvel)

1 H2O(ℓ) água

A água de cal (solução incolor à esquerda) turva-se quando a assopramos, pois nela há uma base que reage com o CO2(g) de nossa expiração, formando CaCO3, um sólido branco praticamente insolúvel em água (imagem à direita). A solução de Ba(OH)2 é menos indicada para fazer o experimento porque tem o inconveniente de ser bastante tóxica devido à presença de íons Ba21, criando um problema para descartá-la.

Caráter ácido e básico de um óxido O caráter básico de um óxido é tanto maior quanto maior for seu caráter iônico. Já o caráter ácido de um óxido é tanto maior quanto maior for seu caráter molecular, conforme a variação indicada na tabela da página 234. Os óxidos ácidos podem ser formados por não metais ou metais de alto valor de Nox, como MnO3 e o Mn2O7 . Capítulo 11 Óxidos

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Além da participação em processos naturais (veja o tópico seguinte), o CO2 tem muitas outras utilidades, o que explica o fato de esse composto ser uma das 20 substâncias mais importantes produzidas pelas indústrias químicas. Sob pressão, por exemplo, é utilizado em refrigerantes e bebidas gaseificadas. O gelo-seco é constituído de dióxido de carbono sólido, usado para manter eficientemente refrigerados

sorvetes e outros alimentos e para obter café solúvel instantâneo. O dióxido de carbono também é usado no combate a incêndios e na produção industrial de diversos materiais úteis em nosso cotidiano, como é o caso da ureia, importante componente de suplemento alimentar animal, fertilizante e matéria-prima para a produção de certos tipos de plástico.

O papel do dióxido de carbono no ambiente e para os seres vivos O aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera tem sido associado ao agravamento do efeito estufa pela maioria dos estudiosos das questões climáticas. No entanto, a vida não seria possível se ele não estivesse presente na atmosfera. O CO2 produzido pela respiração dos seres vivos participa do processo de fotossíntese juntamente com o vapor de água, sendo transformado pelos vegetais verdes em carboidratos, como a glicose e o amido, por ação da energia solar: Fotossíntese: 6 CO2(g) 1 6 H2O(ℓ)

luz

C6H12O6(aq) 1 6 O2(g) glicose

Por meio da respiração é que todos os seres vivos obtêm a energia: 6 CO2(g) 1 6 H2O(ℓ)

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O carbono incorporado pelas células vegetais permite que seja produzida uma grande variedade de outras substâncias orgânicas (compostos que possuem uma estrutura constituída por átomos de carbono ligados entre si) que servem de alimento aos organismos vivos, como lipídios, proteínas e vitaminas. Ao morrerem, as plantas e os animais têm os compostos de carbono que os constituem decompostos pela ação de microrganismos. Nesse processo há transformação dos compostos orgânicos em CO2, que volta à atmosfera. Há um equilíbrio dinâmico entre CO2 atmosférico e os carbonatos presentes nos oceanos, nos lagos e nas rochas calcárias, que contêm MgCO3 e CaCO3. A presença de CO2 e de outros gases na atmosfera (como metano, CH4, produzido, por exemplo, no processo de digestão de animais ruminantes e na decomposição de resíduos orgânicos) faz com que nela haja absorção de energia térmica. Isso contribui para que a atmosfera funcione como um ˝cobertor˝, impedindo a reflexão 2. Parte da radiação de parte da energia solar que atinge a solar volta ao espaço. superfície terrestre – que seria muito mais fria sem essa camada protetora. Esse efeito é conhecido como efeito 1. Parte da radiação solar estufa, em analogia com o que ocorre que chega à Terra fica retida por ação da atmosfera em estufas de vidro. A vida na Terra, tal (efeito estufa). como a conhecemos, seria inviável se não houvesse o efeito estufa.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Respiração: C6H12O6(aq) 1 6 O2(g)

Cores fantasia, sem escala.

Representação simplificada do efeito estufa. Fonte: Laboratório de Ecologia da Paisagem e Conservação – Universidade de São Paulo. Disponível em: <http://eco.ib.usp.br/lepac/conservacao/ensino/ es_efeitoestufa.htm>. Acesso em: 23 jan. 2016.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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DIVULGAÇÃO PNLD

OPÇÃO BRASIL IMAGENS/EMÍDIO BASTOS

Apesar de ser imprescindível em processos naturais, quando em excesso o CO2 é um dos responsáveis por desequilíbrios ambientais. Em nossa civilização, a crescente demanda por energia – obtida principalmente por processos de combustão de petróleo, carvão e gás natural – vem provocando o aumento da concentração de CO2 na atmosfera, que é associado à intensificação do efeito estufa. No Brasil, as queimadas (e não a produção de energia) representam a maior causa do aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera. Isso porque a maior No Brasil, a principal causa de aumento da concentração de CO2 na parte de nossa energia é produzida em hiatmosfera são as queimadas. Na foto, queimada no município de drelétricas, nas quais a passagem da água Ipojuca (PE), em 2011. pelas turbinas gera energia mecânica, que é transformada em energia elétrica, diferentemente do que ocorre em países em que grande parte da energia é proveniente de termelétricas baseadas na queima de combustíveis fósseis – petróleo e carvão.

Atividades Se necessário, consulte a Tabela Periódica na página 106.

Não escreva neste livro.

1. A combustão do potássio é uma reação perigosa que libera muito calor, formando óxido de potássio (K2O). Quando se coloca o óxido de potássio em água contendo solução de fenolftaleína, observa-se o aparecimento de uma coloração rósea. Qual é o produto da reação que muda a cor da fenolftaleína? Equacione as reações mencionadas. 2. A combustão do magnésio metálico é uma reação associada a uma luz branca e intensa. Nela se forma um óxido que, quando colocado em água, forma uma substância que é um constituinte do leite de magnésia. a) Equacione a combustão do magnésio. b) Se o óxido formado for colocado em água com fenolftaleína, haverá uma mudança visível. Qual será? Equacione o processo que ocorre quando se coloca o óxido de magnésio em água.

Questão comentada 3. UFPB-PPS (2013) Em viagens espaciais, o dióxido de carbono produzido pela respiração dos tripulantes precisa ser eliminado. Uma forma possível de eliminar o CO2 é a partir da reação com o hidróxido de lítio, conforme equação a seguir:

2 LiOH(s) 1 CO2(g)

Li2CO3(s) 1 H2O(ℓ)

Nesse contexto, para a eliminação de 880 g de CO2 produzidos diariamente por um astronauta, a quantidade necessária de hidróxido de lítio é: (massas atômicas: Li: 7; C: 12; O: 16) a) 240 g

b) 440 g

c) 480 g

d) 880 g

e) 960 g

Sendo a massa molar do CO2 44 g/mol, 880 g de CO2 correspondem a 20 mol desse óxido. Mas, segundo a equação, para cada mol de CO2, são consumidos 2 mol de LiOH. Então, para eliminar 20 mol de CO2, são necessários 40 mol de LiOH. Como a massa molar do LiOH é 24 g/mol, 40 mol dessa base correspondem a 40 ? 24 g 5 960 g.

Capítulo 11 Óxidos

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4. Equacione os processos possíveis, indicando o ácido ou a base correspondente ao óxido: a) BaO 1 H3PO4; b) CO2 1 KOH. 5. Para que se possa ter uma ideia do papel do CO2 como aquecedor da atmosfera, basta analisar a temperatura na superfície do planeta Vênus. Ela é sensivelmente maior do que a da superfície terrestre, atingindo até 482 °C; e maior também que a do planeta Mercúrio, o mais próximo ao Sol. Por quê? Analise os dados da tabela a seguir e tente responder. Comparação de características de alguns planetas do Sistema Solar Planeta

Distância média até o Sol (em milhões de km)

Mercúrio

Praticamente inexistente. Não há CO2.

Varia de 2173 a 427.

Vênus

108

Muito densa em relação à da Terra. Contém aproximadamente 97%, em volume, de CO2.

462 (média)

Terra

150

Rica em N2 e O2. Contém 0,03%, em volume, de CO2.

Varia de 288 a 58.

Atmosfera natural

Temperatura (°C)

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Fontes: NASA Solar System Exploration. Disponível em: <http://solarsystem.nasa.gov/planets/>; O SISTEMA Solar. Centro de Divulgação da Astronomia da USP. Disponível em: <http://www.cdcc.usp.br/cda/aprendendo-basico/sistema-solar/>. Acessos em: 28 dez. 2015.

6. Explique o texto: Se a atmosfera da Terra não contivesse dióxido de carbono, a vida não seria possível. Se a concentração desse gás fosse muito mais alta, a vida também não seria possível. 7. Em alguns grandes centros urbanos há estações que monitoram o teor de monóxido de carbono (CO), de dióxido de enxofre (SO2) e de outros poluentes presentes no ar; porém, não se faz o mesmo com relação ao CO2. Por quê? 8. Quais os principais motivos da grande preocupação mundial com a concentração de dióxido de carbono na atmosfera? 9. Leia o texto e responda à questão a seguir: [...] queria contar a história de um átomo de carbono. Nosso personagem, pois, jaz há centenas de milhões de anos ligado a três átomos de oxigênio e a um de cálcio, sob a forma de rocha calcária: já possui uma longuíssima história cósmica atrás de si, mas vamos ignorá-la. Para ele o tempo não existe, [...] De fato, o carbono é um elemento singular: é o único que sabe ligar-se a si mesmo em longas cadeias estáveis sem grande dispêndio de energia, e para a vida na Terra (a única que até agora conhecemos) se necessita justamente de longas cadeias. Por isso, o carbono é o elemento-chave da substância viva: mas sua promoção, seu ingresso no mundo vivo não é cômodo, e ele deve seguir um caminho obrigatório, intrincado, clareado (e não ainda definitivamente) apenas nestes últimos anos. Se a conversão orgânica do carbono não se desenrolasse cotidianamente a nosso redor, na escala de bilhões de toneladas por semana, onde quer que aflore o verde de uma folha, caber-lhe-ia de pleno direito o nome de milagre. [...] LEVI, P. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 1994. p. 226-227.

O autor menciona a “conversão orgânica do carbono”. O que isso significa? Qual é o papel da luz solar nessa conversão?

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Química: prática e reflexão Uma das maneiras de combater um princípio de incêndio é usar um extintor de incêndio a dióxido de carbono ou gás carbônico. Vamos ver como produzir esse gás e usá-lo para apagar uma chama?

Atenção! Tenha cuidado ao realizar este experimento!

Material

• 1 garrafa PET com tampa • 1 mangueira plástica de, aproximadamente, 20 cm de comprimento • tesoura ou faca com ponta • cerca de 50 g de bicarbonato de sódio, NaHCO3 (adquirido em supermercados) AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

• 1 vela • 1 caixa de fósforos • 1 pires • cerca de 100 mL de vinagre

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• 1 colher (café)

Cores fantasia, sem escala.

• 1 funil (usado para coar café) • balança (caso não seja possível, estimar a massa de bicarbonato de sódio pela embalagem) Procedimento

1. Com a tesoura ou a faca, façam um orifício na lateral superior (próximo à boca) de uma garrafa PET. O orifício deve ter diâmetro compatível com a mangueira para que ela seja encaixada nessa abertura. 2. Coloquem aproximadamente 3 colheres (café) de bicarbonato de sódio sólido na garrafa. 3. Acendam uma vela e fixem-na no pires. 4. Usando o funil, adicionem aproximadamente 100 mL de vinagre na garrafa, tampando-a imediatamente. 5. Coloquem a extremidade livre da mangueira perto da chama da vela. 6. Observem e anotem o que ocorre. Descarte do resíduo: O resíduo líquido do experimento pode ser descartado diretamente no ralo da pia. Analisem suas observações

1. Equacionem a reação entre o ácido acético, H3C — COOH (para facilitar, representem esse ácido por HAc), e o bicarbonato de sódio. 2. Qual é o produto dessa reação que combate a chama? 3. Para haver fogo, são necessários um combustível (material que se queima), um comburente (no caso do ar, o oxigênio) e calor. O conjunto desses três componentes é conhecido como triângulo do fogo. Qual desses componentes perde sua ação quando a chama é atingida pelo produto da reação que você executou? Por quê? 4. Pesquise: a) Quais são as maiores causas de incêndios e queimaduras acidentais na região em que você reside ou no país? b) Que cuidados se devem tomar para que esses acidentes sejam evitados?

Capítulo 11 Óxidos

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Conexões Química e ambiente – A chuva ácida

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LATINSTOCK/PHOTO RESEARCHERS, INC./MONICA SCHROEDER

As frequentes notícias a respeito das chuvas ácidas, um dos problemas ambientais de nossa época, nos dão ideia da importância dessa questão. A chuva ácida é responsável por danos à vegetação e à vida aquática, o que tem levado muitos países a fazer controles periódicos do teor de acidez de suas águas e a implementar medidas para impedir que a situação se agrave. A água da chuva costuma ser levemente ácida, já que o CO2, um óxido ácido, é um dos componentes do ar (mesmo do ar não poluído). No entanto, a expressão “chuva ácida” já era usada no século XIX, quando, com a crescente industrialização de algumas cidades, passou-se a lançar no ar gases que acentuavam a acidez natural da chuva. O lançamento de grandes quantidades de SO2 no ar afeta seriamente o meio ambiente. A chuva ácida, formada especialmente em consequência da presença do dióxido de enxofre no ar, corrói monumentos de mármore e estruturas metálicas, além de danificar o solo, prejudicando a fauna e a flora de ecossistemas terrestres e aquáticos.

A foto mostra o efeito da chuva ácida em detalhes da fachada de um edifício do século XIX. Não escreva neste livro.

Entretanto, a produção de SO2 e de outros gases responsáveis pela intensificação do caráter ácido da chuva – como os óxidos de nitrogênio, NOX, e o cloreto de hidrogênio, HCℓ(g) – não é consequência apenas da intervenção humana. Há emissões naturais desses gases que contribuem para esse efeito, como as que ocorrem na erupção de vulcões. 1. Explique por que as chuvas ácidas destroem tanto estátuas de mármore (material rico em CaCO3) como estátuas metálicas. 2. Como seria possível contornar o problema das chuvas ácidas? Faça sugestões que possam ser adotadas a curto prazo. 3. Por meio de alguns processos químicos, o SO2, na presença de vapor de água, se converte em ácido sulfúrico. Ao analisarmos o que ocorre com o Nox do enxofre nesse processo, percebemos a falta de outro componente do ar capaz de justificar essa reação. Explique essa afirmação.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Óxidos neutros Monóxido de carbono (CO), monóxido de nitrogênio ou óxido nítrico (NO) e monóxido de dinitrogênio ou óxido nitroso (N2O) são exemplos de óxidos neutros. Observe que eles são compostos moleculares, constituídos por não metais. Os não metais envolvidos apresentam, em geral, baixo Nox. Esses óxidos que não reagem com água, ácidos ou bases antigamente eram chamados de indiferentes. Será que esse nome tem alguma lógica? Vejamos. O monóxido de carbono (CO) é substância bastante frequente em seu curso de Ensino Médio, entre outras razões por ser um gás muito tóxico, que interrompe o processo respiratório, pois se liga mais fortemente à hemoglobina do sangue do que o oxigênio. A capacidade de interagir com outras substâncias também é válida para os outros óxidos mencionados. O monóxido de nitrogênio (NO), por exemplo, é importante na memória de longo prazo, no aprendizado, na pressão sanguínea e na ereção masculina. A descoberta do mecanismo de ação desse gás foi o responsável pela fabricação de drogas usadas no tratamento da disfunção erétil. Além disso, é usado na defesa do organismo contra a ação de vírus. Como você pode perceber, os óxidos neutros não são indiferentes.

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Leia o boxe abaixo, que trata de um dos usos do monóxido de dinitrogênio.

A hemoglobina e o óxido nítrico Além da função de transportar o O2 e o CO2 dos pulmões às células dos vários tecidos e de trazê-los de volta aos pulmões, a hemoglobina tem ação mais ampla, identificada apenas há pouco mais de duas décadas: atua na distribuição de óxido nítrico (NO) no organismo, o gás responsável pela expansão e pela contração dos vasos sanguíneos.

Conexões Química e Medicina – O gás hilariante: monóxido de dinitrogênio (N2O) Você é capaz de imaginar como seria nossa vida sem a descoberta da anestesia? Se um procedimento dentário mais doloroso ou uma simples sutura já representam certo sofrimento, imagine ser submetido a uma cirurgia de grande porte sem a ação de um anestésico. A busca humana pelo alívio da dor é muito antiga, porém as experiências que levaram à anestesia tal como a conhecemos hoje se iniciaram em meados do século XIX, época em que foram feitas muitas descobertas importantes. Leia um trecho extraído de matéria: Hospitais usam “gás do riso” para aliviar dores do parto Popularmente conhecido como “gás do riso”, o óxido nitroso está ganhando espaço em hospitais dos Estados Unidos para aliviar as dores do parto. [...]

O monóxido de dinitrogênio ou óxido nitroso (N2O) é a mais antiga das substâncias anestésicas. Ficou conhecido como “gás hilariante” porque, em pequenas doses, tem leve efeito hipnótico e provoca sensação de euforia e riso. Esse gás foi usado pela primeira vez como anestésico pelo dentista Horace Wells (1815-1848) em 1844; ele comprovou esse efeito em si mesmo, quando teve um dente extraído sob efeito do óxido nitroso. A descoberta dessa possibilidade de uso se deu por acaso, quando Wells assistia a uma apresentação circense em que uma pessoa que inalara esse gás, mesmo ferida em cena, não esboçou nenhum sinal de dor. O gás havia sido descoberto em 1772 pelo inglês Joseph Priestley (1733-1804).

GETTY IMAGES/EYEEM

HOSPITAIS usam “gás do riso” para aliviar dores no parto. Bonde. Portal de Notícias do Paraná, 28 jul. 2014. Disponível em: <http://www.bonde.com.br/?id_bonde=1-27--227-20140728>. Acesso em: 29 dez. 2015.

Monóxido de dinitrogênio – o óxido nitroso – sendo utilizado como anestésico em um procedimento médico.

Capítulo 11 Óxidos

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Peróxidos: um outro tipo de óxido Fique atento aos seguintes exemplos de peróxidos:

peróxido de hidrogênio

H—O—O—H

Ba21 O

peróxido de potássio

peróxido de bário

[K ]2(O — O)

Ba21(O — O)22

Peróxidos são óxidos nos quais ocorre a ligação O — O. Em consequência dessa ligação, ao contrário da maioria dos compostos oxigenados, o Nox do oxigênio é 21. Excluído o peróxido de hidrogênio (H2O2), que é molecular, os demais peróxidos são iônicos e têm caráter básico, semelhante aos óxidos básicos. Por isso reagem com ácidos conforme a equação abaixo:

K2O2(s) peróxido de potássio

1 H2SO4(aq)

K2SO4(aq) 1

H2O2(aq)

sulfato de potássio

peróxido de hidrogênio

ácido sulfúrico

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O peróxido de hidrogênio (H2O2), um dos peróxidos mais usados em nosso dia a dia, é um composto molecular, líquido nas condições ambientes. Em solução aquosa, é comercializado sob o nome de água oxigenada. Luz, bases ou catalisadores aceleram a decomposição desse peróxido:

H2O2(g)

H2O(ℓ)

peróxido de hidrogênio

água

1 O (g) 2 2

oxigênio

Observações: • Os catalisadores são substâncias que aceleram uma reação sem alterar os produtos obtidos por meio dela. Os catalisadores de processos bioquímicos são chamados de enzimas. Entre os catalisadores da decomposição do peróxido de hidrogênio, destacam-se o dióxido de manganês, MnO2(s), e a catalase – enzima, isto é, um catalisador biológico, presente no sangue e nas batatas.

• No comércio, o peróxido de hidrogênio em solução aquosa – água oxigenada – é vendido com indicações do tipo: 10 volumes, 20 volumes. A indicação “x volumes” significa que, na pressão atmosférica ao nível do mar e a 0 °C, por decomposição de um volume dessa solução de água oxigenada, forma-se um volume x vezes maior de oxigênio gasoso. Ou seja: 1 mL de solução 10 volumes, por decomposição, produz 10 mL de O2(g) a 0 °C ao nível do mar; no caso de 20 volumes, o volume obtido será 20 vezes maior.

244

SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

• A presença da catalase no sangue explica o grande uso que as soluções de água oxigenada tiveram na limpeza de ferimentos. Quando o sangue entra em contato com o peróxido de hidrogênio, o O2 produzido mata as bactérias anaeróbias, isto é, as que não vivem em meio oxigenado. Atualmente, recomenda-se lavar bem o ferimento com muita água e sabão.

A catalase do sangue acelera a decomposição da água oxigenada gotejada sobre a carne; isso explica a grande quantidade de bolhas de gás oxigênio formadas em curto espaço de tempo.

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ NOVA

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Atividades 1. Leia o texto abaixo e responda às questões.

Não escreva neste livro.

Silicose Entre alguns profissionais, como os que atuam em extração e beneficiamento de rochas, mineração, perfuração de poços, indústrias de cerâmica, de materiais de construção e muitas outras, é comum encontrar pessoas com problemas de saúde causados pela inalação de partículas de poeira, muitas vezes constituídas por óxidos, principalmente sílica – dióxido de silício (SiO2). Sem as medidas de prevenção adequadas, esses trabalhadores podem ser vítimas de pneumoconioses, que, no caso da poeira contendo cristais de sílica, é chamada de silicose. A exposição à poeira tem efeito cumulativo no organismo; por isso, se o trabalhador for submetido a essa condição por muito tempo, pode ter sua capacidade respiratória limitada. A silicose começa com o englobamento das partículas de sílica por células de defesa do organismo, que são danificadas, provocando uma inflamação no local. Essa lesão pode causar a produção de óxido nítrico (NO) nessa região do corpo.

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O processo fibrótico característico da silicose é resultado de uma interação complexa entre diferentes tipos de células. Depois de migrar para a área inflamada, células chamadas de fibroblastos secretam certos tipos de colágeno e outras proteínas que causam a redução da elasticidade dos pulmões e a perda de sua capacidade respiratória. Em consequência, há comprometimento cardíaco. Atualmente, essa doença profissional, isto é, decorrente do trabalho, é irreversível e afeta principalmente os mineradores que trabalham em túneis e galerias. No Brasil, as vítimas de silicose têm direito a benefícios previdenciários. É importante salientar que, embora nas últimas décadas as legislações relativas à segurança no trabalho tenham sido ampliadas, a saúde de muitas pessoas que trabalham em atividades de mineração está comprometida. Veja no quadro a seguir como é possível prevenir a silicose e o que prevê a lei no Brasil. Como prevenir a silicose É perfeitamente possível trabalhar sem ter que respirar sílica. Para isso as empresas devem: • Substituir os materiais que têm sílica por outros (por exemplo, jateamento de areia pode ser substituído pelo jateamento com outros produtos ou água pura); • Umidificar (molhar) a perfuração das rochas, torneamento, lixamento e outras operações a seco, impedindo que a poeira fique no ar; • Lavar ou limpar com aspirador: não limpar piso, máquinas e bancadas com vassouras ou ar comprimido; • Instalar exaustores para capturar a poeira no ponto em que ela se forma e impedir que o pó se espalhe pelo ar;

O que diz a lei A Lei nº 1.670, de 1999, proíbe o jateamento com areia em qualquer material em todo o país. A Portaria nº 43, de 11 de março de 2008, do Ministério do Trabalho e Emprego, proíbe máquinas que cortam ou fazem acabamento de pedra a seco. Todas devem ter água acoplada. A Portaria nº 777, de 28 de abril de 2004, do Ministério da Saúde, exige que o médico notifique os casos de silicose e de câncer decorrentes do trabalho no SUS. O trabalhador tem direito de ter o registro da Comunicação de Acidente de Trabalho (CAT) reconhecida como doença profissional (B91) no INSS.

• Separar com paredes e vedações os locais que produzem poeira dos demais setores; • Isolar a máquina ou aquela parte onde se produz poeira do resto do local de trabalho. Fonte: MINISTÉRIO da Saúde. Disponível em: <http://bvsms.saude.gov.br/bvs/folder/operacao_abaixo_poeira_silica.pdf>. Acesso em: 17 nov. 2015.

Capítulo 11 Óxidos

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09/05/16 10:04

a) Observe o gráfico a seguir. EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Porcentagem de trabalhadores expostos à sílica em diversos setores econômicos 80 Expostos (%)

70 60 50 40 30 20 10 0

Extração mineral

Mineral não metálico

1985

1996

Construção civil

Indústria metalúrgica

2007

Borracha, fumo e couro

Agricultura

Setor de serviços

Setor econômico

Segundo o gráfico, entre 1985 e 2007, houve mudanças significativas na porcentagem de trabalhadores expostos à sílica no Brasil? Explique. b) Explique a relação entre a mineração e a silicose. c) Por que é importante que os médicos notifiquem ao SUS os casos de silicose? d) Em sua opinião, empresas que não protegem a saúde de seus trabalhadores devem ser punidas? Como os profissionais, vítimas desse problema, devem ser “compensados”?

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Total Brasil

Fonte: MINISTÉRIO da Saúde. Disponível em: <http://bvsms.saude. gov.br/bvs/publicacoes/ mapa_exposicao_silica_ brasil.pdf>. Acesso em: 17 nov. 2015.

2. Após uma explosão na cozinha de um shopping, o engenheiro da empresa responsável pela distribuição do gás canalizado na cidade deu algumas instruções à população para evitar outros acidentes do mesmo tipo. Algumas delas foram: “Deve-se ficar atento à cor da chama dos fogões e aquecedores e verificar se não há acúmulo de fuligem nos queimadores e nas chaminés. A maioria dos acidentes acontece pelo excesso de monóxido de carbono, que não pode ser notado porque não tem cheiro. O enxofre misturado ao gás faz do nariz o melhor instrumento de segurança”. Leia agora algumas informações sobre o gás natural, o principal componente do combustível distribuído por essa empresa: O gás natural é uma mistura gasosa, incolor e sem cheiro. O componente predominante dessa mistura gasosa é o metano (CH4). Para evitar que um vazamento passe despercebido, adicionam-se a ele compostos que têm cheiro intenso (as mercaptanas), constituídos de C, H, S. Quando esse gás entra em combustão na presença de quantidade relativamente grande de O2, formam-se exclusivamente dióxido de carbono (CO2) e água (H2O), e a chama é azul. Se o oxigênio não estiver presente em quantidade suficiente, poderão formar-se simultaneamente dois outros produtos no lugar do CO2: monóxido de carbono (CO) e fuligem (carbono finamente dividido), e a chama fica amarelada. Agora faça o que se pede: a) Equacione as três reações mencionadas. b) Compare as quantidades de oxigênio necessárias nos três processos equacionados. c) Qual é a cor da chama que produz fuligem? d) Por que a chama azul é um indicador de segurança ao usuário? e) Por que o engenheiro recomendou que se deve observar a cor da chama e se há acúmulo de fuligem? f) Dado que o enxofre é um sólido pouco volátil, nas recomendações do representante da empresa há uma imprecisão química. Explique-a.

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Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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MATRIZ

14/05/16 14:16

g) Considerando que o gás natural é bem menos denso do que o ar, se você estiver em um ambiente em que houve um vazamento relativamente grande desse gás, seria melhor procurar a saída se arrastando pelo chão ou andando normalmente?

©MAURICIO DE SOUSA PRODUÇÕES LTDA.

h) Na tira abaixo, que produto de combustão fica evidente quando se observa o personagem Bidu?

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3. Leia o texto abaixo e responda às questões a seguir. O laboratório e seu sabor de aventura “[...] Nosso objetivo era ver com nossos olhos, provocar com nossas mãos pelo menos um dos fenômenos que se encontravam descritos com tanta desenvoltura em nosso livro de química. Podia-se, por exemplo, preparar o óxido de nitrogênio, que [...] era ainda descrito com o termo pouco apropriado e pouco sério de gás hilariante. Faria mesmo rir? O óxido de nitrogênio se prepara aquecendo cuidadosamente o nitrato de amônio. Este último, no laboratório, não havia: havia, porém, amoníaco e ácido nítrico. Misturamo-los, incapazes de fazer cálculos prévios, até conseguir uma reação neutra ao tornassol, de sorte que a mistura se aqueceu fortemente e emitiu abundante fumaça branca; logo decidimos fervê-la para eliminar a água. O laboratório foi tomado rapidamente por uma névoa irrespirável, que não tinha nada de hilariante; interrompemos a tentativa, por fortuna nossa, porque não sabíamos o que pode acontecer se se aquece este sal explosivo sem o devido cuidado. [...]” LEVI, P. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 1994. p. 31 e 32.

a) Qual era o objetivo do uso do monóxido de dinitrogênio pelos personagens? b) No texto, como foi obtido o nitrato de amônio? Equacione a reação. c) A frase “Misturamo-los, incapazes de fazer cálculos prévios” é indicativa de que faltava aos personagens um tipo particular de conhecimento. Explique. d) Por que eles queriam aquecer o sal? 4. Escreva a equação de decomposição do nitrato de amônio gerando o gás hilariante, N2O, um dos óxidos de nitrogênio.

Resgatando o que foi visto Nesta unidade você estudou vários grupos de substâncias (ácidos, bases, sais e óxidos). Também aprendeu sobre vários tipos de reações químicas e pôde analisar os aspectos quantitativos que envolvem as reações químicas. Retome as questões que constam da abertura da unidade, bem como as que fazem parte do Para situá-lo de cada capítulo. Você é capaz de respondê-las agora com mais facilidade do que ao início do estudo? Capítulo 11 Óxidos

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05/05/16 14:22

Testando seus conhecimentos 1. Enem (2015) Para proteger estruturas de aço da corrosão, a indústria utiliza uma técnica chamada galvanização. Um metal bastante utilizado nesse processo é o zinco, que pode ser obtido a partir de um minério denominado esfalerita (ZnS), de pureza 75%. Considere que a conversão do minério em zinco metálico tem rendimento de 80% nesta sequência de equações químicas: 2 ZnO 1 2 SO2

2 ZnS 1 3 O2 ZnO 1 CO

Zn 1 CO2

Considere as massas molares: ZnS (97 g/mol); O2 (32 g/mol); ZnO (81 g/mol); SO2 (64 g/mol); CO (28 g/mol); CO2 (44 g/mol); e Zn (65 g/mol). Que valor mais próximo de massa de zinco metálico, em quilogramas, será produzido a partir de 100 kg de esfalerita?

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a) 25

3. Enem (2013) A varfarina é um fármaco que diminui a agregação plaquetária, e por isso é usada como anticoagulante, desde que esteja presente no plasma, com uma concentração superior a 1,0 mg/L. Entretanto, concentrações plasmáticas superiores a 4,0 mg/L podem desencadear hemorragias. As moléculas desse fármaco ficam retidas no espaço intravascular e dissolvidas exclusivamente no plasma, que representa aproximadamente 60% do sangue em volume. Em um medicamento, a varfarina é administrada por via intravenosa na forma de solução aquosa, com concentração de 3,0 mg/mL. Um indivíduo adulto, com volume sanguíneo total de 5,0 L, será submetido a um tratamento com solução injetável desse medicamento. Qual é o máximo volume da solução do medicamento que pode ser administrado a esse indivíduo, pela via intravenosa, de maneira que não ocorram hemorragias causadas pelo anticoagulante?

b) 33

a) 1,0 mL.

c) 40

b) 1,7 mL.

d) 50

c) 2,7 mL.

e) 54

d) 4,0 mL.

2. Enem (2014) A aplicação excessiva de fertilizantes nitrogenados na agricultura pode acarretar alterações no solo e na água pelo acúmulo de compostos nitrogenados, principalmente a forma mais oxidada, favorecendo a proliferação de algas e plantas aquáticas e alterando o ciclo do nitrogênio, representado no esquema. A espécie nitrogenada mais oxidada tem sua quantidade controlada por ação de microrganismos que promovem a reação de redução. N2

e) 6,7 mL. 4. Enem (2013) A formação frequente de grandes volumes de pirita (FeS2) em uma variedade de depósitos minerais favorece a formação de soluções ácidas ferruginosas, conhecidas como “drenagem ácida de minas”. Esse fenômeno tem sido bastante pesquisado pelos cientistas e representa uma grande preocupação entre os impactos da mineração no ambiente. Em contato com oxigênio, a 25 oC, a pirita sofre reação, de acordo com a equação química: 4 FeS2(s) 1 15 O2(g) 1 2 H2O(ℓ)

2 Fe2(SO4)3(aq) 1 2 H2SO4(aq)

FIGUEIREDO, B. R. Minérios e ambiente. Campinas: Unicamp, 2000.

NH3

NO23

Para corrigir os problemas ambientais causados por essa drenagem, a substância mais recomendada a ser adicionada ao meio é o:

NH14

III

NO22

O processo citado está representado na etapa: a) I. b) II. c) III. d) IV. e) V. 248

Não escreva neste livro.

a) sulfeto de sódio. b) cloreto de amônio. c) dióxido de enxofre. d) dióxido de carbono. e) carbonato de cálcio. 5. Enem (2013) O brasileiro consome em média 500 miligramas de cálcio por dia, quando a quantidade recomendada é o dobro. Uma alimentação balanceada é a melhor decisão para evitar problemas no futuro,

Unidade 3 Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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como a osteoporose, uma doença que atinge os ossos. Ela se caracteriza pela diminuição substancial de massa óssea, tornando os ossos frágeis e mais suscetíveis a fraturas.

encontrados em sua composição química, na proporção de 56 mg/kg de milho. Admita que uma espiga de milho tenha 125 grãos rigorosamente iguais entre si e pese 62,5 g. Quantos átomos de ferro uma galinha que come um grão de milho, depois de digerido, acrescenta ao seu organismo aproximadamente? Massa atômica do Fe 5 56 u

Disponível em: <www.anvisa.gov.br>. Acesso em: 1o ago. 2012 (adaptado).

Considerando-se o valor de 6 ? 1023 mol–1 para a constante de Avogadro e a massa molar do cálcio igual a 40 g/mol, qual a quantidade mínima diária de átomos de cálcio a ser ingerida para que uma pessoa supra suas necessidades?

c) 3,0 ? 1023.

a) 7,5 ? 10 .

d) 1,5 ? 1017.

b) 1,5 ? 10 .

e) 2,0 ? 105.

a) 3,0 ? 1017. b) 2,8 ? 108.

c) 7,5 ? 10 . 23

d) 1,5 ? 1025.

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e) 4,8 ? 1025. 6. Uespi (2012) O estanho é um metal caro que é conhecido desde a Antiguidade. Não é muito resistente ao impacto, mas é resistente à corrosão. Seu principal uso acontece na deposição eletrolítica, porém é utilizado também na produção de ligas metálicas, tais como o bronze (com cobre) e o peltre (com antimônio e cobre). O estanho ocorre principalmente como o mineral cassiterita, SnO2, e é obtido pela reação com carbono a 1 200 °C: Sn(ℓ) 1 CO2(g) SnO2(s) 1 C(s) Analisando esta reação, podemos afirmar que: a) o SnO2 é o agente redutor. b) o carbono é o agente oxidante. c) o Sn21 sofre oxidação. d) não há variação no número de oxidação do carbono. e) 1 mol de SnO2 recebe 4 mol de elétrons. 7. UFTM-MG (2010) O cheiro de ovo podre que se sente, não só no apodrecimento desse alimento, mas também ao redor de cursos de água poluídos, deve-se à produção do gás sulfeto de hidrogênio, resultante da atividade de microrganismos. Por outro lado, esse gás, extremamente tóxico, tem aplicações em análise química e, para tanto, é gerado em laboratório por meio da reação de um sulfeto metálico com ácido. a) Escreva a fórmula eletrônica do sulfeto de hidrogênio, indicando os pares de elétrons compartilhados.

9. IFSP (2010) A abundância de deutério (2H) na natureza é de apenas 0,013%. Isso significa que, a cada 100 000 átomos de hidrogênio, apenas 13 são de deutério. Sendo assim, quando alguém ingere 252 g de água (aproximadamente 1 copo), o número aproximado de átomos de deutério que entra em seu organismo é: Massa molar da água 5 18 g/mol Constante de Avogadro 5 6,0 ? 1023 mol21 a) 1 ? 1019. b) 2 ? 1021. c) 4 ? 1021. d) 2 ? 1023. e) 4 ? 1023. 10. Enem (2009) O processo de industrialização tem gerado sérios problemas de ordem ambiental, econômica e social, entre os quais se pode citar a chuva ácida. Os ácidos usualmente presentes em maiores proporções na água da chuva são o H2CO3, formado pela reação do CO2 atmosférico com a água, o HNO3, o HNO2, o H2SO4 e o H2SO3. Esses quatro últimos são formados principalmente a partir da reação da água com os óxidos de nitrogênio e de enxofre gerados pela queima de combustíveis fósseis. A formação de chuva mais ou menos ácida depende não só da concentração do ácido formado, como também do tipo de ácido. Essa pode ser uma informação útil na elaboração de estratégias para minimizar esse problema ambiental. Se consideradas concentrações idênticas, quais dos ácidos citados no texto conferem maior acidez às águas das chuvas? a) HNO3 e HNO2.

b) Escreva a equação química que representa a reação entre sulfeto de potássio e ácido clorídrico.

b) H2SO4 e H2SO3.

8. UPE (2009) A composição química do grão de milho não é constante, podendo variar de acordo com o solo onde foi cultivado. O ferro é um dos minerais

d) H2SO4 e HNO3.

c) H2SO3 e HNO2. e) H2CO3 e H2SO3. Capítulo 11 Óxidos

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KINO.COM.BR/ROBERTO LOFFEL

4 unidade

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Estado gasoso

Nesta unidade, vamos estudar o estado gasoso, levando em conta quatro séculos de conhecimentos acumulados sobre leis físicas que explicam o comportamento de uma amostra gasosa e que permitiram desenvolver tecnologias que fazem parte de nossa vida. Também veremos as implicações desses e de outros estudos relativos a reações envolvendo substâncias gasosas que foram determinantes para compreender e elaborar teorias que estruturaram a Química como ciência. ▸ Por que se usa hélio em vez de ar em balões como os de monitoramento meteorológico e de segurança? ▸ O que ocorre com o gás quando é comprimido a temperatura constante? O que acontece com as moléculas que o constituem?

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Locomotiva movida por máquina a vapor, em São João del-Rei (MG). A máquina a vapor, uma das mais importantes invenções humanas, responsável pela mecanização progressiva de uma série de tarefas ao longo do século XVIII, foi criada em 1777 pelo inglês James Watt (1736-1819).

Nesta unidade Capítulo 12. Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ

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12 capítulo

Gases: importância e propriedades gerais

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GETTY IMAGES/CHRISTOPHER FURLONG

Ponte sustentada por balões de gás hélio. Instalação do artista francês Olivier Grossetête, que fez parte da mostra Tatton Park Biennal, em Londres (Inglaterra), em 2012.

Este capítulo irá ajudá-lo a compreender: • a importância dos gases no cotidiano e nos conhecimentos sobre a estrutura da matéria; • o princípio de Avogadro; • as transformações gasosas; • a equação de estado de um gás; • as misturas gasosas e o conceito de pressão parcial; • os cálculos estequiométricos envolvendo gases; • os gases usados em balões; • as trocas gasosas nos pulmões.

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Para situá-lo Brincadeiras que envolvem objetos que podem flutuar, movendo-se no ar, fascinam crianças e adultos. Balões infantis que, quando soltos, podem ganhar altura e pipas que, para subir aos céus, requerem de seus construtores habilidades artesanais e conhecimentos rudimentares de aerodinâmica são parte das boas lembranças da infância e também do lazer de muitos adultos. Enfim, fazer um objeto flutuar, como se fosse um pássaro, é algo que exerce fascínio sobre a maioria das pessoas. Isso explica por que a construção de balões que pudessem ganhar os céus foi o objetivo de tantos dos que se aventuraram nesse exercício desde o século XVIII. Já em 1783, os irmãos franceses Joseph-Michel (1740-1810) e Jacques-Étienne Montgolfier (1745-1799) aqueceram o ar que enchia um balão, conseguindo que ele subisse a uma altura de aproximadamente 500 metros e flutuasse, percorrendo uma distância de mais de 2 quilômetros. Esse mecanismo foi usado até algumas décadas atrás para fazer balões de papel voarem: eles subiam porque o ar de seu

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1. Pense em algum exemplo de seu cotidiano que lhe permita concluir que o ar aquecido tende a subir. Por que, na sua opinião, isso acontece? 2. Como você explicaria a diferença mencionada no texto entre a eficiência do balão que utilizava ar e a do que utilizava hidrogênio? Lembre-se de que o ar é uma mistura de gases – de modo aproximado, pode-se dizer que cerca de 80% de suas moléculas são de nitrogênio e 20% de oxigênio. 3. Durante o século XX, o gás hélio substituiu o hidrogênio em muitos balões, apesar de ser um gás menos eficiente para fazer o balão ascender. Como você explicaria essa substituição?

OBSERVATÓRIO VAZ TOLENTINO - BH/MG/PROF. RICARDO JOSÉ VAZ TOLENTINO CHARPENTIER ET FASQUELLE/REPRODUÇÃO

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interior era aquecido por meio de uma tocha (embebida em álcool, por exemplo) – essa prática foi proibida por questões de segurança, uma vez que podia causar incêndios, algumas vezes de grandes proporções. Depois de outras experiências, observando que o gás hidrogênio era bem menos denso do que o ar, Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) usou-o para encher um balão; no primeiro voo, apenas algumas semanas após o dos irmãos Montgolfier, acompanhado por seu irmão, ele alcançou cerca de 1 500 metros de altura. Nas décadas seguintes, os balões passaram a ser muito usados com propósitos científicos. O brasileiro Alberto Santos Dumont (1873-1932) construiu catorze dirigíveis entre 1894 e 1907; foi o primeiro balonista a conseguir voar Em 1973, quatro anos após o ser humano chegar à Lua, o nome de Santos voltando ao mesmo ponto de onde partira, Dumont foi conferido a uma das crateras de nosso satélite natural. em Paris, em 1898. Os dirigíveis, contudo, foram utilizados durante a Primeira Guerra Mundial (1914-1918), vitimando muitas pessoas, o que, acredita-se, desencadeou em Santos Dumont a grave depressão que o levaria ao suicídio, em 1932. Em 1919, aconteceu o primeiro voo transatlântico de um dirigível, entre a Escócia e os Estados Unidos. No final da década de 1920, o dirigível alemão Zeppelin realizou a primeira volta ao mundo, que durou 21 dias, levando 54 passageiros. Durante a década de 1930, houve voos regulares de zepelins entre cidades brasileiras. Em 1937, porém, o dirigível Hindenburg pegou fogo quando se preparava para pousar, em New Jersey (Estados Unidos). O trauma causado por esse acidente fez com que os dirigíveis ficassem esquecidos por longo tempo. Nos últimos anos, balões dirigíveis, que agora utilizam gás hélio, passaram a frequentar os céus de algumas regiões do Brasil. Além de se prestarem a passeios emocionantes, Capa do livro Os meus representam um excelente recurso publicitário, já que são verdadeiros outdoors que nabalões (Dans l’air), escrito vegam entre as nuvens.

por Alberto Santos Dumont em 1904. A foto na capa mostra o balão N-6, com o qual Santos Dumont ganhou um prêmio, em 1901, por ter percorrido um trajeto longo para a época, que durou cerca de 30 minutos. Fez parte desse trajeto a volta em torno da torre Eiffel, em Paris (França).

Essas são apenas algumas das questões que serão tratadas neste capítulo, dedicado ao estudo dos gases. As pesquisas sobre o estado gasoso desenvolvidas por inúmeros cientistas ao longo do tempo permitiram avanços no conhecimento sobre a estrutura da matéria, além de terem sido fundamentais no surgimento de muitas aplicações tecnológicas: aviões, satélites e naves espaciais, entre outras. Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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PAOLO SCIRPA ACCHIVE/ACERVO DO ARTISTA

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Podemos imaginar os problemas que devem ter surgido ao longo do tempo por causa da dificuldade em determinar a presença de um gás tóxico e combustível no ar, como o monóxido de carbono (CO), já que ele é incolor. Além disso, como vimos nos capítulos iniciais, o estudo de processos envolvendo a combustão realizados nos séculos XVII e XVIII também requeria que se pesquisasse o comportamento dos gases mais profundamente. Nessa época, com o surgimento de instrumentos como o termômetro e o barômetro (aparelho que mede a pressão atmosférica), foram efetuados estudos envolvendo a relação entre pressão, volume e temperatura dos gases. Ainda no século XVII, o cientista Robert Boyle (1627-1691) utilizou balões em suas pesquisas, motivado pelo estudo de fenômenos meteorológicos. A ascensão dos balões é consequência da baixa densidade da amostra gasosa usada para inflá-los. Os conhecimentos acumulados sobre os gases foram essenciais, por exemplo, para compreender aspectos básicos relativos à estrutura da matéria. Foi com o estudo das descargas elétricas em gases bastante rarefeitos que ocorreram importantes avanços nos modelos atômicos. É o caso dos experimentos realizados por Thomson, a partir dos quais ele propôs a existência de cargas elétricas no átomo. Conforme vimos no capítulo 4, desde a aceitação de seu modelo, os elétrons passaram a ser reconhecidos como partículas subatômicas e, portanto, constituintes de toda a matéria. As consequências tecnológicas dos trabalhos de vários cientistas que estudaram essas descargas estão presentes em nosso cotidiano – em anúncios luminosos ou em lâmpadas fluorescentes, por exemplo. Gases a baixa pressão se ionizam ao receberem descargas elétricas. Os tubos dos antigos televisores e os aparelhos de raios X também resultam da aplicação tecnológica dessas pesquisas do final do século XIX e início do XX. Outro exemplo da importância do estudo dos gases é a invenção da máquina a vapor, fundamental para a Revolução Industrial, no século XIX. O funcionamento dessa máquina é baseado na transformação da energia térmica armazenada no vapor de água em energia mecânica.

©SHUTTERSTOCK/GREGORY JAMES VAN RAALTE

Por que estudamos os gases?

Em anúncios luminosos (foto superior) e mesmo em esculturas, gases a baixa pressão são submetidos a descarga elétrica. Na foto inferior, ao lado, Convergência-divergência (1982), obra do italiano Paolo Scirpa que também usa luz neon, além de aço e espelhos. 254

Unidade 4 Estado gasoso

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MATRIZ NOVA

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Comparando o estado gasoso com os demais estados Observe, na tabela abaixo, as diferentes características macroscópicas da matéria em cada um dos estados físicos. Características macroscópicas dos principais estados físicos da matéria Sólido

Líquido

Gasoso

Forma

Constante

Varia com a forma do recipiente

Volume

Constante

Varia com o volume do recipiente

Influência da pressão

Não provoca variações significativas de volume

“Praticamente” incompressível

Volume bastante variável; pode ser comprimido (diminui quando é pressionado) ou expandido (aumenta quando se reduz a pressão exercida sobre ele)

Influência da temperatura

Alterações de temperatura Alterações de temperatura provocam alterações de volu- provocam “ligeiras” alterações de volume, maiores do que no caso me relativamente pequenas do sólido

Alterações relativamente pequenas de temperatura provocam mudanças de volume bem maiores que no estado líquido

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

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Ilustração produzida

Com base nessas características, podemos distinguir um sólido de um líquido ou para este conteúdo. Cores fantasia (átomos e moléculas de um gás, por exemplo, conforme a primeira imagem abaixo, à direita. não têm cor), sem escala (as Apesar de ser impossível enxergar as unidades constituintes das substâncias, partículas representadas não podem observadas diretamente, nem podemos elaborar um primeiro modelo capaz de explicar por que os gases podem ser com instrumentos). ser comprimidos ou expandidos com facilidade. O estado gasoso corresponde àquele em que as partículas estão mais afastadas e têm maior liberdade de movimento, havendo, por isso, possibilidade de grande variação de volume, ao contrário do que acontece com sólidos e líquidos. No estado gasoso praticamente não há interação entre as moléculas, em oposição ao que ocorre no estado sólido. A mesma quantidade de matéria no estado gasoso, mantida à mesma pressão e à mesma temperatura, ocupa volume diferente do que sólido líquido gás ocupava no estado líquido. Note a variação de volume entre os três principais estados da matéria. Considere uma amostra com 1 mL de água Ilustração produzida para este conteúdo. líquida que é aquecida até a temperatura de Cores fantasia, sem escala. 100 °C (ao nível do mar). Enquanto ela permanecer no estado líquido, seu volume será êmbolo mantido, mas, ao passar para o estado gasoso, livre seu volume será maior. Massas iguais de uma mesma substância 1 g de H2O no estado em estados físicos distintos têm volumes digasoso ferentes, até mesmo se estiverem na mesma temperatura. A figura ao lado dá uma ideia 1 g de H2O no estado aproximada dessas diferenças de volume. líquido

t1 = 20 ºC V1 = 1 mL

O termo gás (do grego chaos) remete à ideia de desorganização, de caos, de maior liberdade das partículas quando se encontram nesse estado físico.

t1 = 20 ºC V1 = 1 226,6 mL

O volume de 1 g de água no estado gasoso (1 226,6 mL) é bem maior do que o volume da mesma amostra no estado líquido (1 mL), à mesma temperatura. No frasco à direita, a pressão foi reduzida, o que propiciou a mudança de estado. Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Não escreva neste livro.

Atividade Leia o texto e responda às questões. Uma barra de ferro com 15 cm de comprimento se encaixa com perfeição em uma cavidade de igual formato de uma peça. Um usuário dessa peça esqueceu a barra exposta ao sol intenso por algumas horas; ao tentar inserir o objeto metálico novamente no local destinado a ele, não conseguiu fazê-lo; examinou bem a barra e não entendeu o que havia acontecido, já que ela aparentemente não tinha se alterado. Essa pessoa observou também que um vendedor que carregava vários balões de gás, para vender em frente a uma escola infantil, sob sol intenso, perdeu alguns deles, que estouraram.

a) A que você atribui o fato de a pessoa não ter entendido o que aconteceu com a barra que não se encaixava mais na cavidade? Você supõe que essa pessoa, por outro lado, pode ter entendido o que aconteceu com os balões que estouraram? Compare essas situações. b) Com base no que se pode observar, explique as diferenças na interação das unidades constituintes da barra e do gás no balão a respeito: • do grau de liberdade de movimento que elas possuem; • da organização dessas unidades.

Liquefação de um gás

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 203.

gás

líquido

É isso o que ocorre com o combustível do botijão, tanto do gás de cozinha, chamado de gás liquefeito de petróleo (GLP), como do gás usado como combustível de automóveis, o chamado gás natural veicular (GNV). Outra maneira de liquefazer um gás é diminuir sua temperatura, pois, com isso, há uma redução da velocidade média das moléculas que o constituem, o que possibilita que elas se aproximem e que a substância se liquefaça. Esse método é usado, por exemplo, para separar os componentes do ar: em uma primeira etapa o ar é liquefeito para depois, por meio da destilação fracionada, ter seus componentes separados. Mas será que sempre é possível liquefazer um gás por compressão ou por redução de temperatura? 256

Representação esquemática da compressão de um gás até sua liquefação.

liquefação

compressão

Cores fantasia, sem escala.

©ISTOCKPHOTO.COM/RALPHCOULTER

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Combustíveis gasosos extraídos do petróleo são bastante utilizados em nosso cotidiano. Imagine a dificuldade de usá-los caso fossem transportados no estado gasoso. Por exemplo, quantos botijões seriam necessários para termos 13 kg de gás de cozinha? Que recurso é adotado para resolver esse problema? Em certa temperatura, se aumentarmos a pressão de um gás, provocaremos a aproximação das partículas que o constituem. O aumento de pressão pode ser tal que o gás se liquefaz (ou se condensa). Observe:

O GNV pode ser transportado em cilindros, como o da foto acima, porque está liquefeito; com isso, pode-se transportar uma quantidade bem maior do que se ele estivesse no estado gasoso.

Unidade 4 Estado gasoso

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Vapor e gás Você ouve falar, por exemplo, em vapor de água e em gás hidrogênio. No entanto, nos dois casos trata-se de substâncias que estão no estado gasoso. Qual é a diferença entre gás e vapor? Se precisarmos passar uma substância que está no estado gasoso para o estado líquido, podemos, simultaneamente, diminuir sua temperatura e aumentar a pressão. Dependendo da substância e da pressão em que se encontra, a liquefação do gás pode ser feita por simples resfriamento. Para isso, a amostra gasosa não pode estar a pressões muito baixas. Outra possibilidade é a compressão da amostra gasosa e, para que isso seja viável, é indispensável que a temperatura da amostra não seja muito alta. Quando a liquefação pode ser feita por compressão, sem que se baixe sua temperatura, dizemos que a substância está na forma de vapor.

gás A

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Temperatura

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A temperatura acima da qual é impossível liquefazer uma amostra gasosa por aumento de pressão é chamada de temperatura crítica. Dizemos que uma substância é gás quando está acima dessa temperatura. Por exemplo: a temperatura crítica da amônia é de 132,4 °C. Então, rigorosamente, apenas acima de 132,4 °C teremos o gás amônia; abaixo desse valor, tem-se vapor de amônia.

gás A (acima da temperatura crítica); é impossível liquefazê-lo por compressão sem alterar a temperatura TEMPERATURA

CRÍTICA

gás amônia vapor de amônia

tc = 132,4 ºC

vapor A (abaixo da temperatura crítica); é possível liquefazê-lo por simples compressão vapor A Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Variáveis de estado de um gás Para termos uma ideia da quantidade de gás no interior de um recipiente de volume conhecido, não podemos omitir a temperatura e a pressão às quais o gás está submetido, já que seu volume (V) depende da temperatura (T) e da pressão (P). V , T e P são as variáveis de estado de um gás. O metro cúbico (m3) é a unidade de volume do Sistema Internacional de Unidades (SI), mas outras unidades também são muito usadas: 1 L 5 1 dm3 5 103 mL; 1 mL 5 1 cm3; 1 m3 5 103 L No caso da temperatura, adota-se a escala termodinâmica expressa em kelvin (K). A relação aproximada entre a temperatura termodinâmica (K) e a temperatura em graus Celsius (°C) é dada por: T(K) 5 t(°C) 1 273 Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Pressão de um gás

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|P&| P= S ou P=

|mg& | S

Blaise Pascal (1623-1662), filósofo e pesquisador francês, deixou inúmeras contribuições nos campos da Matemática e da Física, algumas delas elaboradas quando ainda era bastante jovem. Sua importância no campo da Hidrostática (veja boxe Conexões, na página seguinte) explica por que ele foi homenageado com o nome da unidade de pressão do SI. LATINSTOCK/AKG-IMAGES

Imagine que uma pessoa pise por acidente, com o salto do sapato, no pé de outra em duas circunstâncias diferentes: em uma, o salto do sapato está em perfeitas condições; em outra, a ponta fina de um prego está exposta no salto. Em que caso o pisão causará mais dor? A dor será maior no segundo caso, já que o peso da pessoa será exercido sobre uma área menor, a pequena superfície da ponta do prego. Ou seja, a redução da área sobre a qual exercemos determinada força (nesse caso, o peso da pessoa) aumenta a pressão que exercemos sobre ela. É por essa razão que, para injetar um medicamento em nosso organismo, exerce-se uma força sobre a pele, usando a ponta de uma agulha – uma superfície bem menor do que a da seringa de injeção que contém o medicamento. A pressão é uma grandeza escalar (não vetorial, isto é, não está associada a uma direção e a um sentido) que relaciona a força com a área sobre a qual é exercida. No exemplo anterior, a pressão poderia ser calculada dividindo o peso da pessoa (massa, m, 3 aceleração da gravidade, g) pela área da ponta do prego. P: pressão P&: força peso S: área em que a força peso é exercida | |: módulo m: massa g: aceleração da gravidade

A unidade do Sistema Internacional (SI) de pressão é o Pascal (Pa), uma relação entre o newton (N), unidade de força, e o metro quadrado (m2), unidade de área. 1

Pascal retratado por Philippe de Champaigne, obra de 1656-1657.

N 5 1 Pa m2

Os fluidos e o conceito de pressão O conceito de pressão tem grande importância quando nos referimos a um fluido, isto é, a um líquido ou a um gás. Por exemplo, quando uma pessoa mergulha até o fundo de uma piscina, toda a coluna de água que a recobre exercerá uma pressão sobre ela, de tal modo que, quanto mais no fundo ela estiver, maior será essa pressão. Agora, imagine que a pessoa mergulhe até a mesma profundidade, mas em um local cuja densidade do líquido em que se encontra seja maior do que a da água. Por exemplo, no mar Morto, devido ao elevado teor de sal na água, a densidade do líquido atinge valores superiores a 1,3 g/cm3, maior que a da água da piscina. A pressão sobre esse banhista será maior do que no caso da piscina porque o peso exercido pela “água” do mar Morto sobre a pessoa também será maior que o da água da piscina. Para compreender melhor tudo isso, vamos estudar alguns conceitos próprios da Hidrostática, a parte da Física dedicada ao estudo de um líquido em repouso, isto é, em equilíbrio estático, em local de gravidade constante. 258

Unidade 4 Estado gasoso

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Conexões

Sistema de vasos comunicantes. As letras A, B, C e D indicam pontos do líquido submetidos à mesma pressão. Paradoxo: aparente falta de lógica; contradição; raciocínio aparentemente bem fundamentado e coerente, mas que esconde contradições.

P: pressão em um certo ponto do líquido Patm: pressão atmosférica d: densidade g: aceleração da gravidade h: profundidade do ponto de pressão P

Ou seja: “A diferença entre as pressões de dois pontos de um fluido em equilíbrio é dada pelo produto resultante da densidade do fluido multiplicado pela aceleração da gravidade local e pela diferença entre as profundidades desses dois pontos” (veja o esquema ao lado). É importante frisar que a pressão em qualquer ponto da horizontal de um líquido, em equilíbrio estático, é a mesma, independentemente da forma do recipiente que o contém; isso está de acordo com o que se observa com um líquido contido em vasos comunicantes, conforme ilustrado anteriormente: PA = PB = PC = PD. Pode-se concluir, então, que a pressão exercida por uma camada de líquido depende da profundidade, da densidade do líquido e da gravidade local. Outro princípio fundamental no estudo da hidrostática é o de Pascal. Pense no seguinte: quando uma pessoa empurra o êmbolo de uma seringa na qual há um líquido, exerce uma pressão sobre a superfície desse fluido. Essa pressão é transmitida a todos os pontos do líquido e às paredes da parte da seringa que o contém. Essa é a essência do princípio de Pascal. Esse princípio estabelece que a alteração de pressão produzida em um fluido em equilíbrio estático (repouso) transmitese integralmente a todos os pontos do líquido e às paredes do recipiente que o contém. Uma conhecida aplicação desse princípio é o uso em prensas hidráulicas para elevar veículos.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

P 5 Patm 1 dgh

béquer

hA hB

A Δh B

PA – PB = Δp = dgΔh d: densidade do líquido g: aceleração da gravidade Δh: diferença de profundidade

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

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No estudo dos gases, vamos utilizar as bases da Hidrostática, que foram estabelecidas nos séculos XVI e XVII, época em que muitas dúvidas que intrigavam os filósofos e estudiosos da Física foram esclarecidas. Uma dessas bases é o Princípio de Stevin, estabelecido por Simon Stevin (1548-1620). Com base nesse princípio foi possível compreender o “paradoxo hidrostático”, que pode ser percebido observando-se a ilustração ao lado. Em um sistema de vasos comunicantes (ou seja, vasos interligados por um canal ou tubo), o líquido contido permanece no mesmo nível, desde que os vasos estejam abertos à atmosfera, independentemente da forma de cada um deles. Ou seja, pontos de uma mesma horizontal de um líquido em repouso estão todos à mesma pressão. Essa explicação baseia-se no Princípio de Stevin, segundo o qual a pressão em um ponto de um líquido em repouso, com sua superfície livre em contato com a atmosfera, é dada por:

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Química e Física: Stevin e Pascal

F&1 B A

F&2

A variação de pressão ocasionada pela força exercida sobre o pistão de secção menor (à esquerda) em A é a mesma em todos os pontos do líquido no interior do equipamento e, portanto, no ponto B. Essa pressão transmitida ao pistão de maior secção, indicado à direita, ocasiona uma força de baixo para cima (F2) bem maior que F1. F2 realiza o trabalho de levantar o veículo.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Torricelli e a medida da pressão atmosférica

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1 atmosfera (atm) = 760 mmHg = 76 cmHg Apesar da frequência com que são usadas essas unidades de pressão, o Sistema Internacional recomenda utilizar a unidade pascal: pascal (Pa) ou 1 Pa 5

newton metro quadrado

Cores fantasia, sem escala.

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Inspirados em Aristóteles, durante a Idade Média os cientistas acreditavam que “a natureza tem horror ao vácuo” (vácuo significa “vazio, sem matéria”). Galileu Galilei (1564-1642), um dos mais importantes estudiosos das ciências de todos os tempos, interessou-se pela questão do vácuo depois que um Hg(ℓ) jardineiro lhe disse que sua bomba era incapaz de elevar a água acima de 10 metros. Um discípulo de Galileu, Evangelista Torricelli (1608-1647), resolveu investigar o limite de altura a que uma bomba podia elevar a água e concluiu que a água subia não para eliminar o vácuo, mas porque era empurrada pela pressão do ar. Para testar sua hipótese, Torricelli usou, em vez de água, o mercúrio, líquido aproximadamente 13 vezes mais denso do que a água. vácuo Nas figuras ao lado está esquematizado o experimento realizado por Torricelli em 1643. O experimento nos sugere duas questões cujas ar desnível respostas são aparentemente contraditórias. Ao emborcarmos o tubo que contém mercúrio na cuba, o líquido desce. Por quê? O peso do mercúrio é o responsável por esse movimento. Mas como explicar o fato de que nem todo o líquido sai do tubo quando é emborcado na cuba? Segundo Torricelli, há algo que consegue equilibrar a pressão exercida pelo peso do mercúrio. É a pressão que a atmosfera exerce sobre o mercúrio que está na cuba. A pressão atmosférica não é a mesma em Brasília, no Rio de Janeiro e em Belo Horizonte, por exemplo, pois ela varia com a latitude e, especialmente, com a altitude. A pressão atmosférica ou barométrica, ao nível do mar, vale 1 atmosfera.

Hg(ℓ)

Representação esquemática do experimento de Torricelli. O tubo de vidro é preenchido com mercúrio e tapado com o polegar (1). Em seguida, é emborcado, ainda tapado com o polegar, em uma cuba de vidro que também contém mercúrio (2). Após retirar o polegar, o mercúrio escoa até certa altura do tubo, mantendo um desnível de 76 cm em relação à superfície externa, ao nível do mar, a 0 oC, e em um local em que a aceleração da gravidade seja de 9,8m/s2.

1N ⇒ 1 atm 5 101 325 Pa m2

Atenção! Os vapores de mercúrio são tóxicos. O mercúrio é facilmente absorvido pelo organismo, no qual tem efeito cumulativo. Não tente reproduzir esse experimento!

260

Unidade 4 Estado gasoso

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Medida da pressão de um gás qualquer A medida da pressão de um gás qualquer é feita em equipamentos chamados manômetros. Observe as ilustrações a seguir, que representam dois manômetros de mercúrio, um aberto para a atmosfera e outro fechado. Patm

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

vácuo

gás

Hg(ℓ)

gás

DIVULGAÇÃO PNLD

gás

Pgás = x mmHg

Pgás = Patm + y mmHg

manômetro fechado

manômetro aberto

Atenção! Não interprete o aumento sugerido na imagem como se fosse a possibilidade de “enxergar” uma molécula.

Cores fantasia, sem escala.

No manômetro fechado, a pressão do gás equivale à altura da coluna de mercúrio; já no manômetro aberto, acresce-se, à da coluna de mercúrio, a pressão atmosférica no cálculo da pressão do gás. Fonte: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & chemical reactivity. 3rd ed. Orlando: Saunders College Publishing, 1996. p. 549.

As inúmeras partículas do gás dentro do balão chocam-se com as paredes do recipiente que o contém, bem como com a superfície do mercúrio. Em ambas as figuras, os pontos A e B, C e D estão à mesma pressão, pois os líquidos estão parados. A pressão exercida pelo gás em A é igual à que o mercúrio exerce em B. Já no caso do gás representado à direita, a pressão nos pontos C e D corresponde ao desnível y da coluna de mercúrio acrescido da pressão atmosférica.

O equipamento utilizado para medir a pressão atmosférica é denominado barômetro, enquanto o utilizado para medir a pressão de um gás qualquer é o manômetro. Os manômetros são utilizados em vários tipos de indústria: na alimentícia (de produção de bebidas, por exemplo), na petroquímica, na química, na de papel e celulose, entre outras. Engenheiros, desenhistas industriais, técnicos em manutenção, projetistas e bombeiros precisam entender o funcionamento dos manômetros porque pode fazer parte do trabalho deles a projeção e a manutenção desses equipamentos.

LATINSTOCK/ALAMY STOCK PHOTO/FINE ARTS

Manômetros

Manômetro em laboratório de materiais radioativos.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ NOVA

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Lei volumétrica de Gay-Lussac Como já vimos, o final do século XVIII e o início do século XIX foram importantes para o estabelecimento das bases que estruturaram a Química como ciência. São desse período as leis relativas às massas dos participantes de uma reação (ponderais) e a teoria atômica de Dalton, pesquisador que elaborou a primeira tabela de massas atômicas relativas dos elementos. Nessa mesma época, Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) fez experimentos com os volumes dos gases envolvidos numa reação sob as mesmas condições de pressão e temperatura. Com base nesse trabalho, foi possível avaliar as massas atômicas, como veremos adiante. Vamos analisar os dados de um desses experimentos. Veja a síntese do gás amônia: Relação entre os volumes de hidrogênio, nitrogênio e amônia nas mesmas condições de temperatura e pressão gás nitrogênio

gás amônia

(1)

gás hidrogênio 3L

(2)

0,3 L

0,1 L

0,2 L

(3)

900 mL

300 mL

600 mL

DIVULGAÇÃO PNLD

Note que há uma proporção entre os volumes dos gases reagentes e o volume do produto gasoso, medidos à mesma pressão e temperatura: 3 V : 1 V : 2 V (P, T constantes) Com base nas constatações experimentais, Gay-Lussac concluiu: “Nas mesmas condições de temperatura e pressão, os volumes dos gases participantes de uma reação química mantêm relações que podem ser expressas por números inteiros e pequenos”. Numa reação entre gases pode ou não haver conservação de volume. Na síntese do amoníaco, por exemplo, para cada 4 volumes de reagentes (3 volumes de gás nitrogênio (N2) e 1 volume de gás hidrogênio (H2), obtêm-se 2 volumes de produto (gás amônia, NH3). Nesse caso, a reação ocorre com contração de volume.

Princípio de Avogadro A teoria atômica de Dalton não permitia que fossem explicados os resultados experimentais obtidos por Gay-Lussac. Em 1811, Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, conhecido por Amedeo Avogadro (1776-1856), enunciou uma hipótese que conseguia justificar tais resultados, valendo-se da ideia de que as unidades constituintes dos gases eram moléculas e que estas poderiam ser formadas por mais de um átomo. Vamos equacionar a síntese da amônia, lembrando que no início do século XIX ainda não se conhecia a composição das substâncias e, consequentemente, suas fórmulas. Ou seja, naquela época seria impossível equacionar uma reação química da forma como fazemos hoje. A proporção entre os volumes gasosos tem relação com a equação. Estudando a hipótese então proposta por Avogadro, você poderá entender o porquê dessa relação.

1 N2(g)

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3 H2(g)

2 NH3(g)

nitrogênio

hidrogênio

amônia

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MATRIZ NOVA

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DIVULGAÇÃO PNLD

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Lembre-se: em uma reação química, o volume total dos gases pode não se conservar, mas a massa sempre se conserva (lei de Lavoisier). No exemplo proposto, o volume dos reagentes (1 V + 3 V) é o dobro do volume dos produtos (2 V); no entanto, o número total de átomos de nitrogênio e de hidrogênio se conserva após a reação e, portanto, a massa também. O princípio de Avogadro (1811) explica os experimentos de Gay-Lussac: “Volumes iguais de quaisquer gases, submetidos a iguais condições de temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas”. As ilustrações ao lado têm apenas o objetivo de mostrar que três amostras de diferentes gases submetidos à mesma pressão e temperatura e ocupando o mesmo volume Gás: N2 Gás: NH3 possuem o mesmo número de moléculas. É Pressão: P Pressão: P Temperatura: T Temperatura: T importante destacar, no entanto, que qualVolume: x Volume: x quer amostra, por menor que seja, contém um número muito maior de moléculas do que as cinco representadas para cada gás. Além disso, as moléculas de um gás movimentam-se constantemente e estão muitíssimo afastadas umas das outras. Para representar essas distâncias entre as moléculas mantendo a escala usada para indicar os diâmetros das moléculas, teríamos que usar dimensões bem maiores do que as das páginas deste livro. Para que isso fique mais claro, vamos fazer uma analogia: imagine dois automóveis, um em Brasília e outro no Rio de Janeiro. O de Brasília é um carro de luxo, bem maior que o carro pequeno que está no Rio de Janeiro. A diferença de comprimento entre os dois automóveis (cerca de 1,5 m) é desprezível se comparada à distância entre as duas cidades (mais de 1 000 km), que é aproximadamente 700 mil vezes maior. Analogamente, as diferenças entre as dimensões das moléculas dos dois gases são insignificantes quando comparadas à distância entre as moléculas.

Gás: H2 Pressão: P Temperatura: T Volume: x Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Consequências do princípio de Avogadro Considerando que gases que ocupam o mesmo volume, à mesma pressão e temperatura, encerram o mesmo número de moléculas e pensando em termos de proporcionalidade, podemos concluir que: ▸▸ A proporção entre os números de moléculas que há em dois recipientes contendo gases à mesma pressão e temperatura é igual à proporção existente entre os volumes dos gases. Considere o exemplo: A

9,0 ? 1023 moléculas de CH4 (1 atm, 0 °C)

3,0 ? 1023 moléculas de H2 (1 atm, 0 °C)

Como nB = 3 n A, temos: 33

Se VA 5 10 L Ou seja

3,0 ? 1023 9,0 ? 10

VB 5 30 L 10 L

30 L

VA VB Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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▸▸ A proporção entre as quantidades

de matéria é igual à proporção entre os volumes de gases medidos à mesma pressão e temperatura. Isso é decorrência do item anterior, uma vez que 1 mol corresponde a 6,0 ? 1023 unidades. Considere o exemplo:

Se: VC 5 1,5 L Ou seja:

0,5 3

0,5 mol de H2 P, T

VD 5 9,0 L

1,5 L

9,0 L

3 mol de CH4 P, T

VC VD

▸▸ Em uma reação envolvendo gases, os coeficientes de acerto da equação que a repre-

senta indicam a proporção entre os volumes das substâncias participantes da reação, em idênticas condições de temperatura e pressão. Isso decorre do próprio significado dos coeficientes de acerto e do princípio de Avogadro:

3 H2(g)

DIVULGAÇÃO PNLD

hidrogênio

1 N2(g)

2 NH3(g)

nitrogênio

amônia PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

3x moléculas Volume: 3 V (P, T)

x moléculas Volume: V (P, T)

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

2x moléculas Volume: 2 V (P, T)

O exemplo evidencia que a proporção em moléculas expressa pelos coeficientes de acerto – 3 moléculas de H2 para 1 molécula de N2 para 2 moléculas de NH3 – vale também para a proporção em volumes dos gases em idênticas condições de pressão e temperatura.

Viagem no tempo Avogadro: um reconhecimento póstumo Durante a primeira metade do século XIX, nenhum dos cientistas envolvidos com a determinação das massas atômicas dos elementos conseguiu chegar a bons resultados. Nem mesmo o químico sueco Berzelius – que, ao contrário de Dalton, havia aceitado os trabalhos de Gay-Lussac – foi capaz de fazer a fundamental distinção entre átomo e molécula. Avogadro distinguia as “moléculas integrais” – que nos dias de hoje chamamos de moléculas – das “moléculas elementares” – atualmente denominadas átomos. Aliás, o termo molécula, por ele introduzido, vem do latim e significa “pequenas massas”. 264

Unidade 4 Estado gasoso

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A hipótese proposta por Avogadro encontrou muitas resistências no meio científico. Foi o caso de seu contemporâneo, Berzelius, para quem só poderia haver ligação entre elementos de cargas contrárias. Assim, Berzelius não podia aceitar a possibilidade de existir ligação entre unidades do mesmo elemento, o que, como sabemos, acontece – é o caso das moléculas de hidrogênio (H2) e oxigênio (O2), por exemplo. Apesar de a hipótese de Avogadro (1811) explicar a lei volumétrica de Gay-Lussac (1808), ela levou aproximadamente cinquenta anos para ser aceita, o que representou um longo período de confusão, tanto sobre a constituição das substâncias como sobre a determinação das massas atômicas. Por sua consistência na explicação dos processos químicos estudados ao longo de muito tempo, a hipótese passou a ser designada como princípio de Avogadro.

Volume molar de um gás Vimos que, de acordo com o princípio de Avogadro, quantidades iguais de gases, independentemente de sua natureza, ocupam o mesmo volume quando estão em condições idênticas de temperatura e pressão. O volume ocupado por 1 mol de um gás qualquer é chamado de volume molar (VM ). Por isso, temos: (P, T constantes) VMH 5 VMCH 5 VMC H 5 VMN 5 VMO 5 ...

DIVULGAÇÃO PNLD

2 6

Volume molar nas CNTP e nas CPTP Há muito tempo foram adotados como referência os valores de temperatura e pressão correspondentes a: T 5 0 °C ou 273 K e P 5 1 atm, 760 mmHg ou 101 325 Pa. Essas condições foram chamadas de condições normais de temperatura e pressão (CNTP ou TPN). Assim: T 5 0 °C ou 273 K P 5 101 325 Pa

VM 5 22,4 L/mol

A adoção do pascal como unidade de pressão pelo Sistema Internacional de Unidades levou a considerar-se 100 000 Pa ou 1 bar como pressão padrão. As condições padrão de temperatura e pressão (CPTP) são: T 5 0 °C ou 273 K P 5 100 000 Pa

VM 5 22,7 L/mol

O Sistema Internacional de Unidades admite que a pressão atmosférica seja aproximada para 100 000 Pa. Fazendo-se essa aproximação, chega-se a um volume molar de 22,7 L/mol. Vale ressaltar que, para evitar confusões, as condições adotadas para o valor do volume molar costumam ser mencionadas quando necessárias à resolução de questões.

Não escreva neste livro.

Atividades Sempre que necessário, consulte a Tabela Periódica na página 106 para obter valores de massas atômicas. São dadas as massas atômicas: H 5 1; C 5 12; O 5 16. 1. O monóxido de carbono, gás extremamente tóxico, quando é queimado, dá origem a um gás que é produto natural de nossa respiração, o dióxido de carbono. Quanto a essa reação do CO(g) com o O2(g), presente no ar, pergunta-se:

a) Nela há conservação de número de átomos? b) E de moléculas? c) E de volume? Considere os três gases à mesma pressão e temperatura. d) Qual o volume de O2 necessário para queimar 10 L de CO à mesma temperatura e pressão? Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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2. Considere a síntese do gás N2O5 a partir de N2(g) e O2(g). Equacione a reação. Qual o volume de O2 gasto para reagir com 20 L de N2, estando todos os gases na mesma pressão e temperatura? 3. Dois recipientes têm volumes idênticos. Um contém 3 g de gás hidrogênio e outro contém gás ozônio. As duas substâncias estão à mesma pressão e temperatura. a) O que se pode concluir sobre a quantidade de matéria em cada um dos recipientes? b) É possível tirar conclusão semelhante à da questão anterior para a quantidade de moléculas? E de átomos? Explique.

c) Qual a massa de ozônio no segundo recipiente? 4. O volume molar do gás acetileno (C2H2) vale 18 L em uma pressão P e uma temperatura T. a) Qual é o número de moléculas de acetileno (C2H2) em 36 L do gás na mesma pressão e temperatura? b) Qual é a massa de metano (CH4) gasoso contida em 18 L desse gás à pressão P e temperatura T ? c) Quantos átomos há em uma amostra de 3,6 L de CO2 à pressão P e temperatura T ?

Leis dos gases

DIVULGAÇÃO PNLD

Nos séculos XVII e XVIII, diversos cientistas dedicaram-se ao estudo do comportamento do estado gasoso, realizando vários experimentos que os levaram à formulação de leis relacionando pressão, temperatura, volume e quantidade de matéria de um gás. Os experimentos a seguir o ajudarão a compreender algumas dessas relações.

Química: prática e reflexão O que acontece com o volume de um gás quando ele é pressionado sem que a temperatura mude? Material necessário

• 1 pequeno balão de aniversário

• 1 pedaço de barbante

• 1 tesoura

• 1 seringa de 20 mL (ou maior), sem agulha

Procedimento FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

1. Assoprem uma pequena quantidade de ar no balão, amarrem-no com um barbante e cortem a parte do balão que “sobra” fora da parte amarrada, conforme mostram as fotos ao lado. 2. Coloquem o balão no interior da seringa e insiram o êmbolo. 3. Tapem o orifício com o dedo e, simultaneamente, puxem o êmbolo, observando o que acontece com o volume do balãozinho. 4. Mantendo o orifício tapado com o dedo, empurrem o êmbolo e observem o que acontece com o volume do balão. Analisem suas observações

1. Quando a pressão sobre o balãozinho é reduzida, o que acontece com o volume do gás contido nele? E em caso contrário, o que acontece? 2. Apesar de terem feito apenas um experimento, vocês conseguiriam deduzir o que acontece quando se aumenta ou diminui a pressão sobre um gás, mantida a temperatura constante? 266

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Química: prática e reflexão O que acontece com o volume de um gás quando ele é aquecido ou resfriado, a pressão constante? Material necessário

• 1 garrafa de refrigerante PET de 1 L ou 1,5 L com tampa

• 1 fonte de calor (fogão, bico de Bunsen ou lamparina, etc.)

• 1 panela com capacidade para 2 L de água

• 1 balde plástico com capacidade de aproximadamente 10 L

• 1 funil

• cerca de 8 L de água gelada

Cuidado! Use óculos de segurança e avental de mangas compridas. Use luvas refratárias.

Procedimento

1. Aqueça, aproximadamente, 1,5 L de água até que ela se aproxime da ebulição. 2. Usando o funil, despeje a água na garrafa. Em seguida, jogue a água fora e, imediatamente, feche bem a garrafa. Observe por alguns minutos. 3. Coloque água gelada no balde até que fique quase cheio e mergulhe a garrafa tampada nessa água. Observe o que ocorre. Não escreva neste livro.

1. Descrevam o que observaram em ambos os casos. 2. O que teria acontecido com as moléculas do gás quando ele foi resfriado?

Lei de Boyle

estado 1

estado 2

As observações que você fez no experimento com a seringa e o balão de aniversário podem ser representadas no transformação exemplo ao lado. Em uma transformação isotérmica (à temperatura constante), a pressão e o volume de uma amostra gasosa são inversamente proporcionais. Se a pressão do gás no estado 2 novatemperatura: T mente dobrar, o volume cairá pela metade V1 = 5 L 2 ? 105 Pa ? 5 L = 4 ? 105 Pa ? 2,5 L (estado 3): P1 = 2 ? 105 Pa P1 ? V1 = 10 ? 105 L Pa P 3 5 8 ? 105 Pa V3 5 1,25 L Diante de experimentos desse tipo, Robert Boyle concluiu que, à temperatura constante, P e V são inversamente proporcionais. Essa lei, resultado dos trabalhos experimentais de Boyle (1660), é válida para uma amostra gasosa, cuja massa é constante e, portanto, a quantidade de matéria é constante (n); lembre-se: a T (temperatura termodinâmica) também é constante! Assim: n1 5 n 2 V 1 5 V2

P 1 ? V2 5 P 2 ? V2

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Analisem suas observações

temperatura: T V2 = 2,5 L P2 = 4 ? 105 Pa P2 ? V2 = 10 ? 105 L Pa

A temperatura constante, o aumento da pressão implica diminuição do volume do gás. Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

transformação isotérmica

O produto P ? V é uma constante que depende da quantidade de gás na amostra (expressa em mol de moléculas) e da temperatura fixada.

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MATRIZ NOVA

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Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Lei de Charles e Gay-Lussac

n1 5 n 2 V1 5 V2

P2 T2

transformação isovolumétrica

estado 2

transformação

volume: V

2 ? 105 Pa 1 ? 105 Pa = 273 K 136,5 K

t1 = 0 ºC T1 = 273 K P1 = 2 ? 105 Pa P1 2 ? 10 Pa = T1 273 K 5

é uma constante que depende T da quantidade de matéria gasosa na amostra (n, em mol) e do volume fixado.

DIVULGAÇÃO PNLD

A relação

estado 1

P e T são diretamente proporcionais

Ao realizar o experimento com a garrafa PET, na página anterior, é possível notar que a variação de temperatura de um gás implica alteração de seu volume, se a pressão constante for mantida. Mas, fique atento: exprimir essa relação em proporcionalidade só é possível usando a temperatura termodinâmica, conforme a lei de Charles (1787), válida quando n e P são constantes: V1 T1

V2 T2

volume: V t2 = –136,5 ºC T2 = 136,5 K P2 = 1 ? 105 Pa P2 105 Pa = T2 136,5 K

A volume constante, a diminuição da temperatura (K) do sistema implica diminuição da pressão. Na imagem, os triângulos vermelhos representam a fonte de aquecimento.

Lei de Charles

n1 5 n 2 P 1 5 P2

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Numa transformação isovolumétrica (a volume constante), também chamada de isocórica, a pressão e a temperatura termodinâmica de um gás são diretamente proporcionais. Veja o exemplo ao lado. Se, em relação ao estado 2, a temperatura (K) cair pela metade, a pressão do gás também cairá pela metade. T3 5 68,25 K P 3 5 0,5 ? 105 Pa P e T são diretamente proporcionais. Essa lei foi formulada a partir dos trabalhos experimentais de Charles (1787) e Gay-Lussac (1802). Assim:

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

estado 1

A pressão constante, a diminuição da temperatura do sistema implica diminuição do volume de gás. Na imagem, os triângulos vermelhos representam a fonte de aquecimento. estado 2

transformação isobárica

A relação

é uma constante que T depende da quantidade de gás da amostra (n, em mol) e da pressão fixada. Numa transformação isobárica (a pressão constante), o volume e a temperatura termodinâmica de um gás são diretamente proporcionais. Observe o exemplo ao lado.

transformação

pressão: P V1 = 10 L t1 = 127 ºC T1 = 400 K V1 10 L = T1 400 K

268

10 L 5L = 400 K 200 K V e T são diretamente proporcionais

pressão: P V2 = 5 L t2 = –73 ºC T2 = 200 K V2 5L = T2 200 K

Unidade 4 Estado gasoso

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Não escreva neste livro.

Atividades 1. Utilizando papel quadriculado ou um computador, construa os gráficos especificados abaixo. As curvas que você vai obter devem representar o comportamento de uma amostra de um gás perfeito qualquer. Volume 3 temperatura termodinâmica (K) (transformação isobárica) Pressão 3 temperatura termodinâmica (K) (transformação isovolumétrica) Pressão 3 volume (transformação isotérmica) Para traçar essas curvas, escolha os valores de volume, temperatura e pressão que quiser, tomando cuidado para que estejam de acordo com as leis estudadas. Procure explicar por que os pontos zero dessas curvas não têm sentido físico. 2. Com base no quadro abaixo, referente a uma amostra gasosa a temperatura constante, determine os valores de x, y e z: Volume (L)

Pressão (atm)

DIVULGAÇÃO PNLD

Questão comentada 3. (Unicamp-SP) Uma garrafa de 1,5 litro, indeformável e seca, foi fechada com uma tampa plástica. A pressão ambiente era de 1,0 atmosfera e a temperatura de 27 °C. Em seguida, essa garrafa foi colocada ao sol e, após certo tempo, a temperatura em seu interior subiu para 57 °C e a tampa foi arremessada pelo efeito da pressão interna. a) Qual era a pressão no interior da garrafa no instante imediatamente anterior à expulsão da tampa plástica? b) Qual é a pressão no interior da garrafa após a saída da tampa? Justifique. O volume inicial da amostra gasosa era de 1,5 L (garrafa), a pressão era de 1 atm e a temperatura, 27 °C, ou seja, 300 K. Após o aquecimento, a temperatura passou a ser 57 °C, ou seja, 330 K. Nesse processo, o volume da amostra se manteve (1,5 L), uma vez que a garrafa é indeformável. Podemos resumir: P1 = 1,0 atm

P2 = ?

V1 = 1,5 L

V2 = 1,5L

T1 = 300 K

T2 = 330 K 1,0 atm ? 1,5 L 300 K

P2 ? 1,5 L 330 K

P2 = 1,1 atm

a) Nesse instante imediatamente anterior à expulsão da tampa, a pressão do gás é de 1,1 atm. b) Depois de aberta a garrafa, a pressão no interior dela passa a ser igual à do ambiente, isto é, 1,0 atm. 4. A que temperatura (°C) deve ser aquecido um frasco aberto para que um terço do gás nele contido a 27 °C seja expulso? 5. Explique como a lei de Charles (transformação isobárica) justifica: a) o fato de um balão de gás murchar, quando fica por muito tempo em um ambiente a baixa temperatura; b) a recomendação existente em embalagens de aerossol para conservá-las em local com temperatura abaixo de 40 °C e para não jogá-las em incineradores.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ NOVA

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Lei dos gases ideais Até aqui, analisamos as leis decorrentes de experimentos em que eram mantidas a amostra gasosa (massa fixa) e uma das variáveis de estado de um gás. Mas, de acordo com o conteúdo apresentado, uma amostra gasosa de um gás qualquer difere de outra quanto à quantidade de matéria (n). Entretanto, como podemos relacionar a quantidade de matéria com as variáveis de estado de um gás? Para facilitar nosso estudo, vamos partir de uma equação mais geral, resultante dos trabalhos experimentais de Robert Boyle (1660), Jacques Alexandre César Charles (1787) e Gay-Lussac (1802), que permitiram estabelecer relações entre as variáveis de estado de um gás, generalizadas pelo francês Benoît Paul Émile Clapeyron (1799-1864) na seguinte equação: P?V5n?R?T P: pressão do gás V: volume do gás T: temperatura termodinâmica do gás (K) R: constante universal dos gases n: quantidade de matéria (mol) Unidades das variáveis de estado

DIVULGAÇÃO PNLD

Unidades Volume

m3, L, mL, cm3, etc.

Pressão

Pa, atm, mmHg, etc. °C (grau Celsius) e K (kelvin)

Temperatura

T (K) = t (°C) + 273 A temperatura termodinâmica é essencial no estudo dos gases. Não escreva neste livro.

Atividades 1. R é uma constante universal, por isso tem sempre o mesmo valor, independentemente do gás considerado. O valor numérico de R, porém, varia com as unidades adotadas. Assim: (P em atm) R 5 0,082 atm L mol–1 K–1 –1 –1 (P em mmHg) R 5 62,3 mmHg L mol K Calcule o valor da constante nas unidades atualmente adotadas pela IUPAC (P em Pa, T em K e V em dm3). Lembre-se de que, nas condições padronizadas (CPTP), temos: P 5 105 Pa e T 5 273 K, portanto, o volume molar VM 5 22,7 L. 2. Considere um gás à temperatura de 27 °C e pressão de 1 atm. a) Qual é o valor do volume molar? b) Qual é o volume de 0,25 mol de CO? Sempre que necessário, consulte a tabela de massas atômicas e considere a constante dos gases R 5 0,082 atm ? L ? K–1 ? mol–1. 3. Uma residência é abastecida basicamente por gás butano (C4H10). Se o volume consumido por essa residência for de 50 m3, à temperatura de 27 °C e sob pressão de 1 atmosfera, calcule a massa de butano que é consumida nessa casa. 4. Um extintor de incêndio contém 4,4 kg de dióxido de carbono. Se todo esse dióxido for liberado na atmosfera a 27 °C e 1 atm, qual será o volume desse composto no estado gasoso?

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Equação de estado e transformações gasosas

P 1 ? V1

P 2 ? V2

1 ? 105 V

0,5 ? 105 ? 2 V

n1 ? T1 n 2 ? T2 n1 ? T n2 ? T Ou seja: n1 5 n 2 Lembrando que há 56 g de CO no recipiente menor, então: 28 g 1 mol de CO 56 g n1 n1 = 2 mol Como n1 = n 2, em ambos os recipientes há 2 mol de gás. 16 g 1 mol de CH4 m 2 mol de CH4 m = 32 g Portanto, no segundo balão haverá 32 g de CH4.

DIVULGAÇÃO PNLD

ILUSTRAÇÕES: AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Vamos nos valer de um exemplo numérico para que você entenda essa relação. Dois recipientes contendo gases estão à mesma temperatura. O primeiro contém 56 g de CO (gás 1) a 1 ? 105 Pa. O segundo, cujo volume é o dobro do primeiro, contém CH4 (gás 2) a 0,5 ? 105 Pa. Qual é a massa de metano no último? Como R é constante, podemos escrever:

CH4 P2 = 0,5 ? 105 Pa V2 = 2 V T2 = T

CO P1 = 1 ? 105 Pa V1 = V T1 = T

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Lei dos gases (combinada) Recorrendo à equação de estado, vamos considerar um gás X que sofre uma transformação, como indicado a seguir: Estado inicial

Estado final

gás X

P 1, V1, T1

P 2, V2, T2

P 1 ? V1 5 n1 ? R ? T1

P2 ? V2 ? n 2 ? R ? T2

P 1 ? V1 5 n 1 ? R

P 2 ? V2 ? n 2 ? R

Nessa transformação, a amostra gasosa se mantém n1 = n 2, ou: P 1 ? V1 T1 A relação gasosa.

P?V T

P 2 ? V2 T2

é uma constante que depende da quantidade de matéria da amostra Não escreva neste livro.

Atividades torneira

Para resolver as questões a seguir, baseie-se no esquema ao lado. Nele estão representados dois balões de igual volume, unidos por um tubo cujo volume é desprezível se comparado ao dos dois balões e no qual há uma torneira.

Cores fantasia, sem escala. 1. Inicialmente, os dois balões estão em ambientes de mesma temperatura e, no balão A, há um gás a pressão de 1 atm. O balão B está vazio. Quando se abre a torneira, qual é a pressão do gás em A? E em B? 2. Em outra situação, nos balões há um gás a 27 °C, à pressão de 1 atm. Quando se abre a torneira, o conjunto é levado a um ambiente a 127 °C. Qual é a pressão no interior do sistema?

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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As leis dos gases são importantes porque permitem fazer previsões quantitativas sobre o comportamento de um gás. Mas, a partir dessas leis, como podemos fazer deduções a respeito do que ocorre com as unidades constituintes do gás? O fato de os gases terem comportamentos semelhantes nas diferentes transformações gasosas sugeriu que deviam existir semelhanças no comportamento de suas moléculas. Assim, da mesma forma que as leis ponderais das reações conduziram Dalton à criação da teoria atômica, as leis dos gases foram explicadas por meio da teoria cinética dos gases, um modelo desenvolvido durante o século XIX por vários cientistas, entre os quais os físicos Ludwig Boltzmann (1844-1906) e James Clerk Maxwell (1831-1879). Vamos resumir os pressupostos dessa teoria: ▸▸ Um gás é constituído de moléculas (ou átomos), separadas umas das outras por distâncias significativamente maiores do que suas próprias dimensões. Por isso pode-se considerar que os volumes das moléculas em relação ao volume da amostra gasosa sejam desprezíveis. ▸▸ As moléculas de um gás estão em constante movimento em todas as direções e podem chocar-se umas com as outras. Essas colisões são elásticas, isto é, não provocam alteração no total de energia cinética das moléculas que colidem (não há transformação da energia cinética em outras formas de energia). Apesar disso, a energia pode ser transferida de uma molécula a outra, de modo que o total de energia do sistema permaneça constante. ▸▸ As unidades constituintes de um gás não exercem atração nem repulsão significativas entre si. ▸▸ A energia cinética média das moléculas de um gás é proporcional à temperatura termodinâmica (K) da amostra. Cores fantasia, sem escala.

PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Como explicar o comportamento dos gases?

Representação do movimento das moléculas de um gás como esferas. Fonte: RUSSELL, J. B. Química geral. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v. 1. p. 198.

Falamos em energia cinética média, pois as moléculas têm velocidades diferentes (tanto em módulo como em direção e sentido), que são alteradas a cada colisão. Como você sabe, toda teoria ou modelo é formulada para explicar uma série de conclusões experimentais. A teoria cinética dos gases, desenvolvida na segunda metade do século XIX, foi capaz de explicar as leis de Boyle, Charles, Dalton e Gay-Lussac, além de ser coerente com os estudos sobre calor e temperatura desenvolvidos por James Prescott Joule (1818-1889) e William Thomson (Baron Kelvin, 1824-1907). A abordagem desta coleção está voltada somente para os pressupostos essenciais dessa teoria, sem os aprofundamentos quantitativos que envolvem cálculos complexos. Ainda assim, é possível compreender que ela é capaz de explicar as leis anteriormente abordadas. 272

Unidade 4 Estado gasoso

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Explicando a transformação isotérmica (lei de Boyle) Quando reduzimos o volume de um gás, sem alterar a temperatura, a energia cinética média das moléculas não muda, porém as moléculas ficam mais próximas umas das outras. Como a densidade é a relação entre massa e volume, em um volume menor, teremos a mesma massa (o mesmo número de moléculas), o que explica o aumento da densidade do gás. Esse aumento da concentração de moléculas do gás tem como consequência um maior número de choques das moléculas contra as paredes do recipiente. Mais choques por unidade de tempo significam aumento da pressão exercida pelo gás contra a superfície do recipiente que o contém.

Explicando a transformação isovolumétrica Quando a temperatura de um gás sobe, de acordo com a teoria cinética dos gases, há aumento da energia cinética média de suas moléculas. Porém, a energia cinética de um corpo depende da massa (que, no caso das moléculas de uma substância, não muda) e da velocidade. Veja a expressão matemática da energia cinética: 1 m ? v2 2 Assim, o aumento da temperatura do gás faz aumentar a velocidade (v) de suas moléculas. Consequentemente, haverá maior número de colisões dessas unidades contra as paredes do recipiente, ou seja, haverá aumento de pressão. Observe as ilustrações: ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

DIVULGAÇÃO PNLD

Ec 5

Quando elevamos a temperatura de um gás sem alterar seu volume, a energia cinética das moléculas do gás aumenta, aumentando o número de colisões contra a parede do recipiente, o que explica a elevação de pressão.

V1 T1 > T2 P 1 > P2 T1

Explicando a transformação isobárica

Quando aumentamos a temperatura de um gás sem aumentar a pressão, deve haver o mesmo número médio de colisões das moléculas de gás por unidade de área das paredes do recipiente, o que explica o aumento do volume de gás.

Ilustrações produzidas para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

êmbolo livre AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Se aquecermos um gás, de acordo com a teoria cinética dos gases, a velocidade de suas moléculas aumentará. Mas, se não houver aumento do volume desse gás, elas manterão a mesma distância média entre si e, consequentemente, haverá aumento da pressão. Para que a pressão se mantenha constante, deve haver o mesmo número médio de colisões por unidade de área, o que só será possível se o volume do gás aumentar. No exemplo representado na figura ao êmbolo livre lado, como o êmbolo está livre, a pressão do gás durante o aquecimento fica constantemente igual à pressão atmosférica do local.

P 1 = P2 T2 > T1 V1, T1

V1 < V2

V2, T2

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Se resfriarmos um gás, para que a pressão se mantenha constante, ocorrerá redução de seu volume. Quando a distância média entre as moléculas diminui, o gás deixa de seguir perfeitamente a proporcionalidade V 3 T (não é mais gás perfeito, e sim real). Devido ao surgimento de interações intermoleculares, poderá ocorrer a sua liquefação.

Explicando o princípio de Avogadro

DIVULGAÇÃO PNLD

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Segundo Avogadro, se o volume de dois gases, em condições iguais de T e P, é o mesmo, é porque eles têm igual número de moléculas. Como isso se explica pela teoria cinética dos gases? Se a temperatura é a mesma, a energia cinética média das moléculas dos gases também é a mesma, independentemente de sua natureza. E, se os gases têm o mesmo volume, é porque contêm o mesmo número de moléculas. Assim, o número médio de colisões das moléculas desses gases por unidade de área das paredes dos recipientes que os contêm é idêntico e, consequentemente, a pressão de ambos os gases é idêntica. Para que dois gases apresentem o mesmo volume, em condições iguais de pressão e temperatura, eles devem ter o mesmo número de moléculas.

P, V, T, n1

Se P, V, T, são iguais, então: n1 5 n2.

P, V, T, n2

Atividades

Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

Não escreva neste livro.

1. Partindo dos pressupostos da teoria cinética dos gases, explique: a) por que os gases são compressíveis; b) por que, numa transformação isotérmica, pressão e volume são inversamente proporcionais (lei de Boyle); c) o princípio de Avogadro. 2. Segundo a teoria cinética dos gases, o que há em comum entre gases que estão a uma mesma temperatura? É possível dizer que a velocidade média de suas moléculas é a mesma? Por quê? 3. O aumento da quantidade de matéria de um gás em um balão provoca o aumento da pressão, desde que a temperatura se mantenha constante. Como você explicaria esse fato à luz da teoria cinética dos gases?

Questão comentada 4. Em uma ampola de vidro são acondicionados 30 g de um gás. Nessas condições, a pressão dentro da ampola é de 4 atm. Porém, a ampola quebra em um local cuja pressão barométrica é 1 atm. Suponha que a temperatura se mantenha constante e responda: a) O que acontecerá com o gás? b) Que alteração ocorrerá na massa do gás? Qual a diferença em massa? c) Que mudança haverá na quantidade de matéria (em mol) dentro da ampola?

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Enquanto a ampola estiver fechada, a pressão do gás será 4 de atm. No entanto, quando ela for aberta, a pressão do gás passará a ser de 1 atm. Vale ressaltar que não seria possível usar a equação de estado dos gases porque a amostra gasosa não se conserva. Inicialmente teríamos 30 g ou 30/M mol. Ao final, a massa será menor, equivalente a x/M mol. Note que M é o mesmo em ambas as situações porque o gás é o mesmo. O volume da ampola e a temperatura do gás também não variam. Podemos recorrer à expressão PV = nRT, igualando R nas duas situações: P1 5 4 atm V1 5 V 30 n1 5 M P1V1

n1T1

P2 5 1 atm V2 5 V x n2 5 M 5

4 atm ? V 30 g

DIVULGAÇÃO PNLD

M 4?

?T x M

P2V2 n2T2 1 atm ? V

xg M

5 1?

30 M

4x 5 30 x 5 7,5 g a) Parte do gás escapa, pois sua pressão ficará menor. b) Saem da ampola: 30 g 2 7,5 g 5 22,5 g. c) A quantidade de matéria passará a ser 1 da inicial. 4

Densidade absoluta Você já conhece o conceito de densidade ou massa específica de uma substância. Esse conceito é válido para uma substância em qualquer estado físico. Por que, então, estudaremos em particular a densidade dos gases? Vamos refletir, começando por responder às questões a seguir.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Um balão de festa (bexiga) cheio de gás está numa geladeira e o gás que ele contém tem densidade d. O que ocorre com a densidade do gás se o balão for levado para um local a 30 °C? Explique. 2. Quando um pistão comprime um gás à temperatura constante, o que ocorre com a densidade desse gás? Você deve ter concluído que particularizamos a densidade de um gás porque ela varia bastante com a temperatura e com a pressão, o que não ocorre com substâncias em outros estados físicos. Densidade absoluta de um gás é a relação entre a massa de uma amostra desse gás e o volume por ela ocupado em certa pressão e temperatura. d(P, T) 5

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Como se calcula a densidade de um gás qualquer? Sem conhecer a massa e o volume ocupado por uma amostra de um gás, é possível calcular sua densidade em dadas pressão e temperatura? ▸▸ Suponha que se queira calcular a densidade de um gás como o hidrogênio (H ) a 1 ? 105 Pa 2 e 0 °C. Como o volume de 1 mol (VM) vale 22,7 L, a 105 Pa e 0 °C, e a massa molar do H2 é 2 g/mol, pode-se determinar a dH nessas condições: 2

2g g g (105 Pa, 0 °C) dH 5 5 0,088 (105 Pa, 0 °C) ⇒ dH ≃ 0,09 2 22,7 L 2 L L Ou a 1 atmosfera, isto é, 101 325 Pa e 0 °C, VM 5 22,4 L, o que genericamente significa: d x 5 (101 325 Pa, 0 °C)

Mx g 22,4 L

▸▸ Para uma condição qualquer, de temperatura (T) e pressão (P), podemos usar a equação

de estado para calcular a densidade de um gás: P?V5n?R?T

em que n 5

DIVULGAÇÃO PNLD

M m m P?V5 ?R?T ⇒ P?M5 ?R?T ⇒ P?M5d?R?T M V P?M d5 R?T Repare que a densidade é diretamente proporcional à massa molar de um gás. Isso explica o fato de o hidrogênio (H2), que possui a menor massa molar, ter sido o primeiro gás a ser usado em dirigíveis. Por ser combustível, entretanto, vários acidentes ocorreram, fazendo com que fosse substituído por hélio (MHe 5 4 g/mol), um gás nobre, não reativo.

Como a densidade de um gás varia com a pressão e com a temperatura? O que acontece com o volume de uma amostra gasosa quando se aumenta sua pressão a temperatura constante? Nessas condições, seu volume diminui. Mas, se a densidade relaciona a massa de uma amostra com seu volume, na medida em que o volume diminui, a densidade aumenta. Ou seja, a densidade de um gás, a temperatura constante, é diretamente proporcional à sua pressão. O que acontece, então, com a densidade de um gás, à pressão constante, quando se aumenta sua temperatura? A temperatura termodinâmica (K) é diretamente proporcional ao volume de uma amostra gasosa, à pressão constante. Se a massa da amostra é constante e o volume aumenta, a relação massa/volume se torna menor. Ou seja, a densidade de um gás, à pressão constante, é inversamente proporcional à temperatura termodinâmica (K). Essas conclusões podem ser deduzidas com base na expressão: d 5

P?M . R?T

Como R e M são constantes para um mesmo gás, podemos escrever: P1 P2 P?M P 5 5 ? K ou d5 R?T T d1 ? T1 d 2 ? T2 d P A temperatura constante (transformação isotérmica): T1 5 T2 ⇒ 1 5 1 . d2 P2 A pressão constante (transformação isobárica): P 1 5 P 2 ⇒ d1 ? T1 5 d 2 ? T2. 276

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Densidade relativa dos gases A densidade relativa é a razão entre as densidades de dois gases, em idênticas condições de pressão e temperatura. d Seja d A,B a densidade de um gás A em relação à de um gás B: d AB 5 A . dB P ? MA P ? MB dA MA e dB 5 . Então: Mas d A 5 5 . R?T R?T dB MB A relação entre as densidades de dois gases é igual à relação entre as suas massas molares. Por exemplo: o gás SO2 (M 5 64) tem densidade igual ao dobro da densidade do gás O2 (M 5 32), nas mesmas condições de temperatura e pressão. A densidade relativa é um número puro, isto é, sem unidades.

Não escreva neste livro.

Atividades 1. Os dirigíveis usados no início do século XX utilizavam gás hidrogênio. Como o hidrogênio é combustível, ele foi substituído por gás hélio. Qual é a razão especial de terem sido esses e não outros gases os escolhidos para serem usados em balões e dirigíveis? 3. Quantas vezes o monóxido de carbono é mais denso que o hidrogênio, nas mesmas condições de temperatura e pressão? 4. Calcule a massa de 1,8 ? 1024 moléculas de um gás X cuja densidade em relação ao H2 é 32. 5. O gás hélio, em determinada temperatura e pressão, tem densidade de 0,16 g/L. Outro gás, nas mesmas condições, tem densidade 1,28 g/L. Qual é a massa molar desse gás? 6. Como se explica a ascensão dos balões usados antigamente em festas juninas? Após algum tempo, eles caíam, o que fez com que fossem proibidos. Por quê?

Misturas gasosas

Cores fantasia, sem escala.

Pressão parcial de um gás Imagine que os gases nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) – balões 1 e 2, respectivamente – sejam misturados nas condições indicadas na figura ao lado. Repare que a pressão total dos gases na mistura é a soma das pressões que os gases exercem quando estão sozinhos num balão de mesmo volume e mesma temperatura. Dalton constatou experimentalmente esse fato.

V = 10 L 0,10 mol de N2 27 °C

V = 10 L 0,050 mol de O2 27 °C

mistura V = 10 L 0,10 mol de N2 0,050 de O2 27 °C

P1 = 187 mmHg

P2 = 93 mmHg

P3 = 280 mmHg

Hg(ℓ)

P 1 + P2 = P3

A partir de suas observações, em 1801, ele formulou a lei de Dalton. Pressão parcial (p) de um gás, numa mistura gasosa, é a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho todo o volume da mistura, na mesma temperatura.

Ilustração produzida com base em: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & chemical reactivity. 3th ed. Orlando: Saunders College Publishing, 1996. p. 568.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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2. Qual é a densidade do H2 à pressão de 0,5 atm e à temperatura de 27 °C?

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Vamos pensar em outra situação. Imagine que três gases constituintes de uma mistura são separados e transferidos para balões com volume V igual ao da mistura e com temperatura T idêntica a ela. V, T 3 mol de hidrogênio, H2 6 mol de metano, CH4 9 mol de hélio, He P 5 3,0 ? 105 Pa V, T

V, T

3 mol de H2

9 mol de He

PH 5 0,5 ? 105 Pa

PHe 5 1,5 ? 105 Pa

V, T 6 mol de CH4 PCH 5 1,0 ? 105 Pa 4

DIVULGAÇÃO PNLD

P 5 0,5 ? 105 Pa 1 1,0 ? 105 Pa 1 1,5 ? 105 Pa 5 3,0 ? 105 Pa

Note que a pressão parcial do He é três vezes a do H2, e a do CH4 é duas vezes a do H2. Tal fato decorre de o He ter o triplo da quantidade de matéria do H2, e o metano, o dobro, consequência direta do princípio de Avogadro. Podemos deduzir que a pressão exercida pela mistura gasosa P se deve à contribuição proporcional de cada um dos gases componentes, o que pode ser assim representado: 0,5 ? 105 Pa

1,0 ? 105 Pa

1,5 ? 105 Pa

PCH

PHe

Pt 5 3,0 ? 105 Pa

nCH

nHe

n 5 18 mol

3 mol 0,5 ? 105 Pa

6 mol 5

3 mol

1,0 ? 105 Pa 6 mol

9 mol 5

1,5 ? 105 Pa 9 mol

Desse modo, quando existe apenas H2 no recipiente, a pressão é 0,5 ? 105 Pa, o que corresponde à sua participação na pressão total da mistura. Ou seja, a pressão parcial do H2 (pH ) vale 0,5 ? 105 Pa. 2 Em todo o raciocínio desenvolvido no exemplo, são válidas as duas expressões fundamentais para os cálculos que envolvem pressões parciais mencionadas a seguir, (1) e (2). Elas estão destacadas para chamar sua atenção: (1) P 5 pA 1 p B 1 p C 1 ... (expressão da lei de Dalton) Em que pA , p B e p C indicam a pressão parcial de cada gás em uma mistura; são genericamente representados por p. Lei de Dalton: “Numa mistura gasosa, a pressão total (P) é a soma das pressões parciais (p) de seus componentes”. 278

Unidade 4 Estado gasoso

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(2)

pA P

XA 5

Em que:

nA n

Portanto, (2) pA = PX A .

P – pressão total da mistura (Pa)

Como vimos, pressões (parcial e total) e quantidade de matéria são diretamente proporcionais.

n A – quantidade de matéria do gás A (mol) n – quantidade total de matéria (mol)

Veja, na representação esquemática a seguir, um exemplo numérico de uma mistura de três gases quaisquer que procura esclarecer as relações que acabamos de analisar:

A expressão (2) indica que, para uma mistura gasosa, tanto as pressões parciais como a pressão total são proporcionais às quantidades de matéria. A fração em quantidade de matéria do gás A, X A , é a relação entre n A e n: PW 5 200 mmHg

P Y 5 300 mmHg

PZ 5 100 mmHg P 5 600 mmHg

DIVULGAÇÃO PNLD

n 5 3 mol 1 mol W

1,5 mol Y

PW nW

nY 1,0 mol 1,5 mol

200 mmHg

1,5 mol

300 mmHg

0,5 mol

0,5 mol Z

300 mmHg

3,0 mol

100 mmHg

1,0 mol

PW P

PW 600 mmHg 200 mmHg

Observação: Todas as leis apresentadas são válidas para os gases ditos perfeitos ou ideais, ou seja, elas têm aplicação limitada a gases nos quais as moléculas estão bem distantes umas das outras, de forma que a atração entre elas seja desprezível. Se o gás é submetido a pressões elevadas e a temperaturas baixas, suas moléculas têm suas distâncias médias reduzidas, isto é, ficam mais próximas, e, nesse caso, seu comportamento se afasta do previsto pelas leis dos gases perfeitos. Dizemos então que se trata de um gás real, e essas leis têm que ser corrigidas, o que foge aos objetivos do Ensino Médio. Quando a proximidade das moléculas fica muito grande (pressões altas e temperaturas baixas), pode ocorrer a liquefação dos gases. Ilustração produzida para gás ideal ou perfeito

gás real e1 .. e2, em que e é a distância entre as partículas

A dimensão das moléculas é desprezível quando comparada com a distância média (e1) entre elas.

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

este conteúdo. Cores fantasia, sem escala.

A dimensão das moléculas não é desprezível quando comparada com a distância média (e2) entre elas.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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Não escreva neste livro.

Atividades Questão comentada 1. (Fuvest-SP) Na respiração humana o ar inspirado e o ar expirado têm composições diferentes. A tabela abaixo apresenta as pressões parciais, em mmHg, dos gases da respiração em determinado local. Gás

Ar inspirado

Ar expirado

Oxigênio

157,9

115

Dióxido de carbono

0,2

Nitrogênio

590,2

560,1

Argônio

6,6

Vapor de água

4,7

46,6

Qual o valor de x em mmHg? a) 12,4

b) 31,7

c) 48,2

d) 56,5

e) 71,3

A pressão do ar nos pulmões tem que se manter, ou seja, a pressão do ar inspirado tem que ser igual à do ar expirado. Todas as pressões parciais dos gases inspirados foram fornecidas e, portanto, ao somá-las, teremos o valor da pressão total do ar nos pulmões.

DIVULGAÇÃO PNLD

P 5 (157,9 1 0,2 1 590,2 1 7 1 4, 7) mmHg 5 760 mmHg Fazendo um raciocínio análogo para a mistura gasosa expirada, podemos deduzir o valor de x: P 5 760 mmHg 5 (115 1 x 1 560,1 1 6,6 1 46,6) mmHg x 5 31,7 mmHg Alternativa b.

a) 3 atm.

b) 4 atm. c) 6 atm. d) 9 atm.

H2 3 atm

vácuo

e) 12 atm.

He 9 atm

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

2. (UFRGS-RS) Se o sistema representado abaixo for mantido a uma temperatura constante e se os três balões possuírem o mesmo volume, após se abrirem as válvulas A e B, a pressão total nos três balões será:

Conexões Química e Biologia – Trocas gasosas na respiração Como você sabe, em nosso organismo, o oxigênio (O2) do ar tem o papel fundamental de oxidante capaz de, em termos simplificados, transformar compostos orgânicos presentes nos nutrientes em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Por meio desse processo é que o organismo obtém energia para múltiplas finalidades. A respiração é o processo por meio do qual inspiramos o O2, substância que o sangue carrega dos

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pulmões aos tecidos das diversas partes do organismo. Por meio do sangue, também o CO2 resultante do metabolismo celular é levado aos pulmões, sendo então expirado. Os gases CO2 e O2 dissolvem-se no fluido sanguíneo. Vale frisar que a solubilidade de um gás em um líquido é proporcional à pressão que o gás exerce no líquido. Além disso, os gases fluem de uma pressão mais alta para outra mais baixa.

Unidade 4 Estado gasoso

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DIVULGAÇÃO PNLD

Então vejamos, de forma geral, como a respiração funciona. Em um indivíduo sadio, o sangue venoso chega aos pulmões carregando gás CO2 dissolvido em uma concentração que equivale a uma pressão parcial aproximada de 45 mmHg. O sangue venoso carrega também gás O2 não utilizado pelo organismo, que exerce uma pressão de 40 mmHg a 45 mmHg. O sangue venoso contendo esses gases dissolvidos chega aos pulmões por meio dos capilares dos alvéolos pulmonares. Já o ar que chega aos pulmões pela respiração contém O2 a pressão parcial maior que 100 mmHg, portanto superior à pressão parcial do O2 presente no sangue venoso que atingiu os pulmões. Consequentemente, o O2 passa dos alvéolos pulmonares para o sangue venoso que flui nos capilares, elevando a pressão parcial do O2 no sangue para 100 mmHg; ou seja, há transformação do sangue venoso (que carrega quantidades próximas de CO2 e O2) em arterial (que, em relação ao sangue venoso, carrega mais O2 e menos CO2). Há transferência de CO2 do sangue para os alvéolos pulmonares também por diferença de pressão, o que permite que o CO2 deixe o sangue e atinja os pulmões, sendo então expirado. O sangue arterial, que se enriqueceu de O2 nos alvéolos, flui dos pulmões em direção às células de todas as partes do organismo, onde a pressão parcial do O2 é de, no máximo, 30 mmHg, e a do CO2 é da ordem de 50 mmHg (lembre-se de que o O2 é utilizado pelas células para obter energia). Como no sangue arterial a pressão parcial do O2 é

da ordem de 100 mmHg, portanto superior à do O2 das células, há transferência do O2 do sangue arterial para as células. Não escreva neste livro. 1. No sangue que circula em nosso organismo, em que partes a pressão parcial do CO2 é a máxima? 2. Como esse valor máximo de pressão do CO2 contribui para o funcionamento de nosso organismo? 3. A pressão parcial do O2 é mais alta no sangue arterial ou no venoso? 4. Qual é a pressão parcial do O2 que inalamos, supondo que a pressão atmosférica local seja 760 mmHg (nível do mar)? (Admita que o ar contém aproximadamente 20% de O2.) 5. Imagine que você vai viajar para um local em que a pressão atmosférica é inferior a 700 mmHg. Nesse caso, a transformação do sangue venoso em arterial será mais fácil ou mais difícil que ao nível do mar? Por quê? 6. O monóxido de carbono (CO) é um gás extremamente tóxico, capaz de dificultar o transporte de O2 pelo sangue, visto que se liga com maior intensidade à hemoglobina que o O2. Quando uma pessoa corre risco de vida por conta da exposição a altas concentrações de CO, um recurso possível é colocá-la em uma câmara hiperbárica, na qual a pressão do O2 é da ordem de 2 atm. Por que esse recurso pode salvar o indivíduo?

sangue arterial

tido s en

o sanguíneo do flux

alvéolo fluxo sanguíneo

pO > 100 mmHg 2

pCO = 40 mmHg

pO = 100 mmHg

CO2

pCO = 40 mmHg 2

pO = 40 mmHg a 45 mmHg 2 pCO = 45 mmHg 2

pO = 30 mmHg 2

pCO = 50 mmHg

ILUSTRAÇÕES: PAULA RADI/ARQUIVO DA EDITORA

Cores fantasia, sem escala.

capilar sanguíneo

O2 pO = 40 mmHg a 45 mmHg

CO2

pO = 100 mmHg 2 pCO = 40 mmHg

células do corpo

pCO = 45 mmHg 2

sangue venoso

sentid neo o do fluxo sanguí

capilar pulmonar

Representação esquemática das trocas gasosas nos alvéolos pulmonares, a hematose pulmonar.

Representação esquemática das trocas gasosas nos tecidos do organismo.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ

281

14/05/16 12:43

Cálculos em reações químicas das quais participam gases

P 5 1 atm; V 5 24,6 L; R 5 0,082 T 5 27 °C 5 300 K

Tudo o que foi visto neste capítulo pode ser aplicado em cálculos envolvendo reações químicas, das quais participam um ou mais componentes no estado gasoso. Vamos utilizar uma questão proposta em um exame de seleção a uma universidade para exemplificar o que foi dito.

Questão comentada (PUC-RS) Os hidretos de metais alcalinoterrosos reagem com água para produzir hidrogênio gasoso, além do hidróxido correspondente. Considerando que a constante universal dos gases é 0,082 atm ? L/mol ? K–1, a massa de hidreto de cálcio (CaH2) necessária para produzir gás suficiente para inflar um balão com 24,6 litros a 27 oC e pressão de 1 atm é, aproximadamente:

DIVULGAÇÃO PNLD

a) 21 g

b) 42 g

c) 50 g

d) 63 g

e) 80 g

PV RT

atm ? L mol ? K

;

1 atm ? 24,6 L 0,082 atm ? L ? (mol ? K)–1 ? 300 K

n 5 1 mol Agora, vamos aplicar os conhecimentos que você já tem dos cálculos envolvendo reações químicas. Para isso, vamos equacionar a reação: CaH2(s) + 2 H2O(ℓ)

Ca(OH)2(aq) + 2 H2(g)

1 mol

2 mol

1 mol

x 5 0,5 mol de hidreto de cálcio Mas a massa molar do CaH2: (40 1 2)g/mol. Então, se 1 mol CaH2

42 g, 0,5 mol corresponde a 21 g.

Resposta: alternativa a.

Inicialmente, vamos calcular a quantidade de matéria de gás hidrogênio que deverá ser produzida. Para isso, vamos utilizar a equação geral dos gases perfeitos: PV 5 nRT.

Observação: Em questões de vestibular, quando apenas há menção à CN, CNTP, TPN, supõe-se T = 0 °C e P = 1 atm. Nessas condições, o volume molar é 22,4 L.

Atividades 1. Em um balão, há uma mistura de CH4 e He à pressão de 1 atm. Se a pressão de He é 4 vezes a do CH4, calcule: a) as pressões parciais dos dois gases na mistura;

Não escreva neste livro.

b) a relação entre as massas de CH4 e He.

Questão comentada 2. (UFSM-RS) Combustão do ácido láctico é representada pela seguinte equação: 3 CO2(g) + 3 H2O(g) C3H6O3(s) + 3 O2(g) ácido láctico

Para realizar a combustão completa de 9 g de ácido láctico em um cilindro de 1 L de volume, sabendo-se que deve ser usado um excesso de 11% de oxigênio e considerando-se a constante universal dos gases igual a 0,082 atm ? L ? mol–1 K–1, a pressão necessária de O2(g) a 27 °C será, aproximadamente, de: a) 2,73 atm

b) 5,46 atm

c) 8,20 atm

d) 54,60 atm

e) 82,00 atm

Vamos começar calculando, com base na equação química, a quantidade de matéria (n) de gás oxigênio necessária para proceder à combustão do ácido láctico. Sendo a massa molar do ácido láctico: MC H O 5 (3 ? 12 1 6 ? 1 1 3 ? 16) g/mol 5 90 g/mol 3 6 3

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Unidade 4 Estado gasoso

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MATRIZ NOVA

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5. Leia estes fragmentos de notícias e responda às questões a seguir.

9 g correspondem a 0,1 mol de ácido C3H6O3(s) + 3 O2(g) 1 mol_______ 3 mol

3 CO2(g) + 3 H2O(g)

Explosão de botijão de gás hélio fere dois

90 g_______ 96 g 9 g_______ x x 5 9,6 g Massa correspondente a 11%, em massa, de oxigênio: 9,6 g _______ 100% y _______ 11% y 5 1,1 g

Uma das vítimas foi encaminhada em estado grave com risco de morte para o Hospital Universitário [...] No local funciona uma fábrica de gás hélio, utilizado em balões para festas. Um dos botijões de gás explodiu, atingindo as duas vítimas. [...] VIEIRA, Neide. CGN – Cascavel, 19 abr. 2016. Disponível em: <http://cgn.uol.com.br/noticia/105420/explosao-de-botijaode-gas-helio-fere-dois>. Acesso em: 5 jan. 2016

DIVULGAÇÃO PNLD

P?1L5

10,7 g 32,0 g mol–1

LATINSTOCK/ALAMY STOCK PHOTO/MARK BOULTON

Massa total de oxigênio: 9,6 g 1 1,1 g 5 10,7 g m ) RT PV 5 ( M 0,082 atm ? L ? K–1 mol–1 ? 300 K

P 5 8,20 atm Alternativa c.

3. O ozonizador é um aparelho utilizado para, por meio de descargas elétricas, transformar o oxigênio do ar em gás ozônio. Esse processo é usado em várias circunstâncias, como esterilização de água e de ambientes contaminados, desinfecção da pele após limpeza de pele, evitando infecções por bactérias anaeróbias em locais feridos no procedimento, etc. Se 4,8 kg de gás oxigênio forem transformados em ozônio por esse processo, calcule a massa do gás ozônio formado e o volume de O3 a temperatura e pressão normais. 4. O hidrogenocarbonato de sódio, o bicarbonato de sódio, tem diversos usos; entre eles, é constituinte do fermento químico, empregado no preparo de pães e bolos. Quando uma massa preparada com esse ingrediente é aquecida no forno, o composto se decompõe, liberando dióxido de carbono e água, ambos no estado gasoso. Considerando que um forno seja mantido à temperatura de 227 °C e tenha volume de 44,8 L, calcule a pressão parcial de ambos os gases, supondo que esses gases sejam produzidos apenas nesse processo. Massa molar do hidrogenocarbonato de sódio = = 84 g/mol.

Especialistas reforçam riscos no uso de gás ilegal em balões infantis [...] Parte dos balões de festas infantis ou os metalizados, vendidos nas ruas de Brasília, são preenchidos com uma substância perigosa: [A]. Isso transforma inocentes bexigas em verdadeiras bombas. Em busca de mais lucro na venda dos produtos, ambulantes ou até empresas de festas usam receitas da internet para encher as bexigas. A mistura química ensinada por populares é perigosa e pode provocar casos como o de Marcos P. S. R., 26 anos, que teve a casa destruída. O faturista usou um cilindro para armazenar soda cáustica, pó de alumínio e água. O objeto não suportou a pressão do gás formado e devastou o apartamento [...] ALCÂNTARA, Manoela. Correio Braziliense, 12 maio 2014. Disponível em: <http://www.correiobraziliense.com.br/ app/noticia/cidades/2014/05/12/interna_cidadesdf,427069/ especialistas-reforcam-riscos-no-uso-de-gas-ilegal-embaloes-infantis.shtml>. Acesso em: 5 jan. 2016.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ NOVA

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PE: explosão de gás hélio deixa mutilados e feridos em parque Os visitantes e funcionários do Parque de Dois Irmãos, localizado no bairro de mesmo nome em Recife, Pernambuco, testemunharam uma tragédia [...]. Um vazamento no cilindro de gás, supostamente hélio, causou uma explosão em frente ao zoológico deixando quatro pessoas feridas. Entre as vítimas estão os dois vendedores de balões que utilizavam o gás e acabaram perdendo as duas pernas no acidente. [...] a manipulação do gás hélio não é permitida dentro do parque, porém barracas instaladas em frente ao zoológico fazem uso desse material para encher balões de festa para comercialização. [...] Mais PB, 19 abr. 2012. Disponível em: <http://www.maispb.com. br/53232/explosao-de-cilindro-de-gas-em-frente-a-parque-deixamutilados.html>. Acesso em: 5 jan. 2016.

DIVULGAÇÃO PNLD

a) Analise os títulos das três notícias: em qual(is) dele(s) se percebem inadequações em relação aos conhecimentos básicos de Química? b) Na segunda notícia, o nome da “substância perigosa” a que o texto se refere foi substituído pela letra A. Qual é esse nome? c) O texto a seguir refere-se ao acidente ocorrido no Parque de Dois Irmãos, em Recife, e traz o depoimento de um engenheiro: Cilindros para encher balões devem ser alaranjados e passar por testes [...] De acordo com o engenheiro, o gás correto para encher balão é o hélio. “É um gás inerte, ou seja, não apresenta nenhuma reação, não é tóxico, não tem cor e não tem nenhum cheiro”, comentou. No local da explosão, foram encontradas limalha de alumínio e soda cáustica, o que pode indicar um dos motivos do acidente [...]. G1 – PE, 15 out. 2012. Disponível em: <http://g1.globo.com/ pernambuco/noticia/2012/10/cilindros-para-encher-baloes-devemser-alaranjados-e-passar-por-testes.html>. Acesso em: 26 jan. 2016.

• A descrição do hélio está correta? • Em outro trecho desse texto, o engenheiro fala a respeito do que foi encontrado no local da explosão: “[...] isso é um indício de que ocorreu uma mistura de produtos que gerava o gás hidrogênio, que também é mais leve que o ar, mas é extremamente inflamável”. Nessa fala, há algumas imprecisões do ponto de vista científico. Reescreva o trecho, eliminando tais imprecisões. d) Na segunda notícia, é feita menção às substâncias que foram usadas para obter o gás empregado para encher as bolas. Para entender o processo, baseie-se no seguinte: O alumínio e o zinco são metais que reagem com bases fortes em solução aquosa. Ao reagir com hidróxido de sódio em água, o alumínio origina aluminato de sódio, NaAℓO2, de acordo com a equação, não balanceada: NaOH + Aℓ + H2O NaAℓO2 + H2 Balanceie a equação, indicando a oxidação, a redução e o agente redutor. e) Como você explicaria o fato de o cilindro citado na segunda notícia ter explodido? f) Em sua opinião, os fabricantes de “gás hélio” e os vendedores ambulantes mencionados nas notícias sabiam que sua forma de trabalhar era tão arriscada? De que forma você poderia usar essas notícias para conscientizar as pessoas sobre a importância dos conhecimentos químicos adquiridos na escola? 6. Em um aterro sanitário, ocorrem processos de decomposição anaeróbia da matéria orgânica, que levam à produção de uma mistura gasosa, o biogás, em que predomina o metano. Suponha um volume de 300 m3 de biogás, no qual há cerca de 60% em volume de metano (CH4). a) Se a pressão no interior do aterro for de 2 atm, calcule a pressão parcial do metano. b) Se a temperatura no interior do aterro é de 27 °C, qual deve ser a massa de metano produzida no aterro? São dados: R = 0,082 atm ? L mol—1 K—1; massa molar do CH4: 16 g/mol.

Resgatando o que foi visto Nesta unidade, você teve a oportunidade de estudar vários conceitos envolvendo o estado gasoso, o que deve ajudar a compreender tanto aquilo que você observa no cotidiano como conceitos estudados anteriormente. Volte ao início do capítulo e responda novamente às questões feitas na seção Para situá-lo. Você acha que agora tem mais clareza sobre o assunto, percebe se as respostas que havia dado precisam ser revistas ou complementadas? Entre os conceitos e leis que estudou na unidade, anote os que considerou mais relevantes para sua aprendizagem sobre o assunto, explicando o que entende por cada um deles. 284

Unidade 4 Estado gasoso

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09/05/16 10:24

Testando seus conhecimentos

Não escreva neste livro.

1. Fuvest-SP (2011) Um laboratório químico descartou um frasco de éter, sem perceber que, em seu interior, havia ainda um resíduo de 7,4 g de éter, parte no estado líquido, parte no estado gasoso. Esse frasco, de 0,8 L de volume, fechado hermeticamente, foi deixado sob o sol e, após um certo tempo, atingiu a temperatura de equilíbrio T = 37 oC, valor acima da temperatura de ebulição do éter. Se todo o éter no estado líquido tivesse evaporado, a pressão dentro do frasco seria:

DIVULGAÇÃO PNLD

Note e adote No interior do frasco descartado havia apenas éter. Massa molar do éter = 74 g K = oC 1 273 R (constante universal dos gases) = 0,08 atmL / (mol K)

a) 0,37 atm.

c) 2,5 atm.

b) 1,0 atm.

d) 3,1 atm.

e) 5,9 atm.

2. PUC-PR (2016) A atmosfera é uma camada de gases que envolve a Terra; sua composição em volume é basicamente feita de gás nitrogênio (78%), gás oxigênio (21%) e 1% de outros gases, e a pressão atmosférica ao nível do mar é de aproximadamente 100 000 Pa. A altitude altera a composição do ar, diminui a concentração de oxigênio, tornando-o menos denso, com mais espaços vazios entre as moléculas; consequentemente, a pressão atmosférica diminui. Essa alteração na quantidade de oxigênio dificulta a respiração, caracterizando o estado clínico conhecido como hipóxia, que causa náuseas, dor de cabeça, fadiga muscular e mental, entre outros sintomas. Em La Paz, na Bolívia, capital mais alta do mundo, situada 3 600 metros acima do nível do mar, a pressão atmosférica é cerca de 60 000 Pa e o teor de oxigênio no ar atmosférico é cerca de 40% menor que ao nível do mar. Os 700 000 habitantes dessa região estão acostumados ao ar rarefeito da Cordilheira dos Andes e comumente mascam folhas de coca para atenuar os efeitos da altitude. Em La Paz, a pressão parcial do gás oxigênio, em volume, é aproximadamente de: a) 10 200 Pa.

c) 16 000 Pa.

b) 12 600 Pa.

d) 20 000 Pa.

(08) A porcentagem, em volume, do oxigênio é 20%. (16) A pressão parcial do hidrogênio é 45 kPa. Dê como resposta a soma dos números associados às afirmações corretas. 4. Unicamp-SP (2013) Pressão parcial é a pressão que um gás pertencente a uma mistura teria se o mesmo gás ocupasse sozinho todo o volume disponível. Na temperatura ambiente, quando a umidade relativa do ar é de 100%, a pressão parcial de vapor de água vale 3,0 ? 103 Pa. Nessa situação, qual seria a porcentagem de moléculas de água no ar? a) 100%.

b) 97%.

c) 33%.

d) 3%.

Dados: a pressão atmosférica vale 1,0 ? 10 Pa. Considere que o ar se comporta como um gás ideal. 5

5. Fuvest-SP (2014) A tabela abaixo apresenta informações sobre cinco gases contidos em recipientes separados e selados. Recipiente Gás Temperatura Pressão (K) (atm)

Volume (L)

273

22,4

273

22,4

273

22,4

273

22,4

273

22,4

Qual recipiente contém a mesma quantidade de átomos que um recipiente selado de 22,4 L, contendo H2, mantido a 2 atm e 273 K? a) 1.

b) 2.

c) 3.

d) 4.

e) 5.

6. Enem (2012) No Japão, um movimento nacional para a promoção da luta contra o aquecimento global leva o slogan: 1 pessoa, 1 dia, 1 kg de CO2 a menos! A ideia é cada pessoa reduzir em 1 kg a quantidade de CO2 emitida todo dia, por meio de pequenos gestos ecológicos, como diminuir a queima de gás de cozinha. Um hamburguer ecológico? É pra já!

e) 24 000 Pa.

3. UEM-PR (2013) Considere uma mistura gasosa formada por 8 g de H2 e 32 g de O2 que exerce uma pressão total igual a 50 kPa em um recipiente de 40 litros e assinale o que for correto.

Disponível em: <http://lqes.iqm.unicamp.br>. Acesso em: 24 fev. 2012. (adaptado).

Considerando um processo de combustão completa de um gás de cozinha composto exclusivamente por butano (C4H10), a mínima quantidade desse gás que um japonês deve deixar de queimar para atender à meta diária, apenas com esse gesto, é de: Dados: CO2 (44 g/mol); C4H10 (58 g/mol)

(01) A fração, em mols, de hidrogênio é 0,8.

Dica dos autores: A combustão completa é aquela em que se formam apenas CO2 e H2O.

(02) A pressão parcial do oxigênio é 10 kPa.

a) 0,25 kg.

c) 1,0 kg.

(04) O volume parcial do hidrogênio é 32 litros.

b) 0,33 kg.

d) 1,3 kg.

e) 3,0 kg.

Capítulo 12 Gases: importância e propriedades gerais

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MATRIZ NOVA

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Tabelas para consulta Principais ânions Halogênios F

Carbono

Fluoreto

Outros

Cianeto

Hidreto

Cloreto

CNO

Cianato

Br2

Brometo

H3C — COO2

Acetato

O222

Iodeto

CO232

Carbonato

OH2

Hidróxido

Hipoclorito

C 2O

Oxalato

CrO

Cromato

Cℓ

CℓO

22 4

Óxido

2 2

Peróxido 22 4

CℓO22

Clorito

Cr2O272

Dicromato

CℓO

Clorato

MnO

Permangato

CℓO42

Perclorato

MnO242

Manganato

BrO32

Bromato

AℓO22

Aluminato

Iodato

ZnO

Zincato

SiO442

(Orto)silicato

AsO

Arseniato

BO332

Borato

22 2

32 4

Nitrogênio 22

Nitrito

NO32

Nitrato

DIVULGAÇÃO PNLD

Fósforo

Enxofre

H2PO

Hipofosfito

HPO232

Fosfito

SO232

Sulfito

(Orto)fosfato

Sulfato

S2O222

Tiossulfato

2 2

32 4

Sulfeto

22 4

Principais cátions Monovalentes

Trivalentes

Tetravalentes

Hidroxônio

Be21

Berílio

Hg 21

Mercúrio(II)

Aℓ 31

Alumínio

Sn41

Estanho(IV)

Amônio

Magnésio

Ferro(II)

Bismuto(III)

Chumbo(IV)

Li1

Lítio

Ca21

Cálcio

Co21

Cobalto(II)

Cr31

Cromo(III)

Mn41

Manganês(I)

Ouro(III)

Platina(IV)

1 4

Sódio

Estrôncio

Níquel(II)

Potássio

Ba21

Bário

Sn21

Estanho(II)

Fe31

Ferro(III)

Rb1

Rubídio

Ra21

Rádio

Pb21

Chumbo(II)

Co31

Cobalto(III)

Césio

Zinco

Manganês(II)

Níquel(III)

Ag1

Prata

Cd21

Cádmio

Pt 21

Cu1

Cobre(I)

Cu21

Cobre(II)

Mercúrio(I)

21 2

Au1

286

Bivalentes

H1 ou H3O1

Platina(II)

Ouro(I)

Tabelas para consulta

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MATRIZ NOVA

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Respostas Respostas da seção Testando seus conhecimentos Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química 1. c

5. e

2. d

6. a

3. a

7. c

4. c

Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria 1. c

6. d

2. 02 e 08

7. a

3. e

8. c

4. e

9. a

DIVULGAÇÃO PNLD

5. c

Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos 1. c 2. e

7. a) H

b) K2S(aq) + 2 HCℓ(aq)

3. d 4. e

8. a

5. b

9. b

6. e

10. d

2 KCℓ(aq) + H2S(g)

Unidade 4 – Estado gasoso 1. d

4. d

2. b

5. c

3. 01 + 02 + 04 + 08 = 15

6. b

Respostas

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MATRIZ NOVA

287

5/3/16 09:43

Referências bibliográficas

DIVULGAÇÃO PNLD

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Revista Química Nova na Escola (QNEsc) <http://qnesc.sbq.org.br/>

Siglas das universidades Cefet-MG – Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Enem – Exame Nacional do Ensino Médio FGV-SP – Fundação Getúlio Vargas IFCE – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará IFSP – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo PUC-PR – Pontifícia Universidade Católica do Paraná 288

UEM-PR – Universidade Estadual de Maringá UEPG-PR – Universidade Estadual de Ponta Grossa Uespi – Universidade Estadual do Piauí UFPB – Universidade Federal da Paraíba UFTM-MG – Universidade Federal do Triângulo Mineiro Unicamp-SP – Universidade Estadual de Campinas UPE/SSA – Universidade de Pernambuco/Sistema Seriado de Avaliação

Referências bibliográficas

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MATRIZ NOVA

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CADERNO DE APOIO PEDAGÓGICO CAP

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Vivá Química

Volume 1

Ensino Médio

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Sumário Apresentação.................................................................................................................................292 A área de Ciências da Natureza...........................................................................................292 O ensino de Química..................................................................................................................293 O papel do professor: entre limites, expectativas e as grandes mudanças em curso...................................................................................................................299 O professor e a organização escolar.............................................................................299 O professor e a sociedade em meio a um processo de mudança ................ 300 Alguns caminhos na busca de soluções..................................................................... 300 Algumas questões pedagógicas importantes............................................................ 301 Protagonismo juvenil............................................................................................................302 Contextualização e interdisciplinaridade...................................................................302 Contextualização..................................................................................................................303 Interdisciplinaridade............................................................................................................303

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História da Ciência..................................................................................................................305 O uso das Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs)........................ 306 A experimentação.................................................................................................................. 306 Material para os experimentos e segurança.............................................................307 A avaliação................................................................................................................................. 308 Conceitos estruturadores da disciplina: organização e recursos usados para que se integrem à estrutura cognitiva dos alunos.......................................... 309 Flexibilidade no planejamento das sequências didáticas...................................... 310

Estrutura da coleção e descrição das seções dos capítulos............................... 310 Quadros de conteúdos dos volumes..............................................................................312 Volume 1........................................................................................................................................312 Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química............................................................312 Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria..........................................................312 Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos............................................................................................................................313 Unidade 4 – Estado gasoso.................................................................................................313

Volume 2.......................................................................................................................................313 Unidade 1 – Soluções.............................................................................................................313 Unidade 2 – Reação química e calor................................................................................314 Unidade 3 – Princípios da reatividade.............................................................................314 Unidade 4 – Reação química e eletricidade..................................................................314

Volume 3.......................................................................................................................................315 Unidade 1 – Radioatividade e reações nucleares........................................................315

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Unidade 2 – Fundamentos da Química Orgânica ......................................................315 Unidade 3 – Reações orgânicas ........................................................................................315 Unidade 4 – Química e alimentos ....................................................................................315

Sugestões de leitura para os professores .....................................................................315 Textos teóricos para o professor ........................................................................................318 Orientações específicas para o trabalho com o volume 1..................................323 Introdução ..................................................................................................................................323 Alfabetização científica no ensino de Química ......................................................323 Seleção de conteúdos .......................................................................................................... 324 A iniciação química e a questão da memorização ................................................ 324 A estrutura da matéria e os modelos ...........................................................................325 Esclarecimentos sobre a sequência adotada na unidade 3 .............................325

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Os cálculos em Química......................................................................................................326 Sugestões e comentários, capítulo a capítulo, e respostas das questões.............................................................................................................................. 327 Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química ........................................................ 327 Capítulo 1 – Química: que ciência é essa? ...............................................................328 Capítulo 2 – Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton .............333 Capítulo 3 – Substâncias e misturas.........................................................................336 Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria......................................................342 Capítulo 4 – Estrutura atômica: conceitos fundamentais ...............................342 Capítulo 5 – Classificação periódica dos elementos químicos .......................345 Capítulo 6 – Ligações químicas: uma primeira abordagem.............................348 Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos ......................................................................................................................350 Capítulo 7 – Ácidos, bases e sais ................................................................................350 Capítulo 8 – Reações químicas: estudo qualitativo ............................................354 Capítulo 9 – Cálculos químicos: uma iniciação ..................................................... 357 Capítulo 10 – Reações de oxirredução .....................................................................362 Capítulo 11 – Óxidos ........................................................................................................365 Unidade 4 – Estado gasoso ..............................................................................................367 Capítulo 12 – Gases: importância e propriedades gerais ..................................367

Temas de cidadania ............................................................................................................... 372 Tema de cidadania 1 – Água: uma questão atual....................................................... 373 Tema de cidadania 2 – Energia e questões ambientais: uma visão abrangente ...378

Referências bibliográficas.....................................................................................................383

Caderno de Apoio Pedagógico

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Apresentação Esta coleção foi elaborada por autores que conjugaram suas experiências como professores de Ensino Médio, autores de materiais didáticos e pesquisadores da área de formação de professores e de ensino de Química. Esperamos que o livro do aluno e as sugestões de atividades que constam deste Caderno de Apoio Pedagógico o auxiliem, professor, em sua prática pedagógica, contribuindo tanto para que seus alunos adquiram conhecimentos básicos de Química quanto para o desenvolvimento de vários aspectos de sua formação intelectual, da construção de uma escala de valores e de sua participação como cidadão. Temos a certeza, porém, de que o papel mais importante nesse processo é o seu. Conhecedores que somos de alguns dos inúmeros desafios com os quais o professor se depara em seu trabalho, sabemos também o quanto é gratificante para um educador perceber que está contribuindo para o desenvolvimento de seus alunos, ao mesmo tempo que se desenvolve como profissional e como pessoa. Desejamos que se realize nesse trabalho tão importante para o nosso país.

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Os autores

A área de Ciências da Natureza As modernas Ciências da Natureza constituíram-se em torno dos séculos XVI e XVII, quando uma série de estudos e descobertas reformularam radicalmente as bases do conhecimento aceito até então, que derivava da Antiguidade e se prolongara, remodelado, durante a Idade Média. Como grandes nomes dessa renovação do conhecimento aparecem principalmente Galileu Galilei, Francis Bacon, René Descartes e Isaac Newton, cada um responsável por contribuições bastante diferentes ao novo corpus téorico que se constituía. Em termos gerais, costuma-se afirmar que as modernas Ciências da Natureza distinguiram-se do conhecimento anterior por fazer da observação, da experimentação e da matematização as bases da pesquisa. Há aí o perigo da generalização excessiva, uma vez que a observação e a experimentação já podiam ser detectadas na Idade Média. Como exemplo da observação, podemos citar a dissecação de cadáveres humanos nas aulas de anatomia, procedimento que era frontalmente inovador em relação à medicina galênica, baseada, como se sabe, na anatomia animal. E os alquimistas poderiam ser citados como praticantes da experimentação, embora talvez seja mais apropriado dizer que eles realizavam experiências práticas, as quais, porém, não se enquadram na definição de experimentação enquanto método (Debus, 1978). Grosso modo, o método experimental significa “experimentação controlada”, o que inclui repetição das experiências o maior número de vezes possível e a mensuração rigorosa

dos resultados visando, por fim, chegar a uma generalização. No entanto, mais uma vez convém evitar o excesso de generalização, pois não se pode afirmar que o método experimental seja exatamente idêntico na física e na biologia, por exemplo (Canguilhem, 2012). Apesar dessa base inicial comum, nem todas as atuais Ciências da Natureza estudadas na escola se consolidaram na mesma época. A física alcançou grande desenvolvimento já a partir dos séculos XV e XVI, com os trabalhos de Copérnico, Kepler e Galileu, exponenciado por Newton, que, no século XVII unificou a mecânica celeste e a mecânica terrestre (Holton, 1978). Posteriormente, a chamada física moderna reuniria a tradição matemática e a tradição experimental (baconiana) num só corpus teórico (Kuhn, s.d.). Quanto à constituição da química como ciência moderna, pode-se dizer que ela começou a se desenvolver no final do século XVIII e início do século XIX, após os trabalhos de Lavoisier e Dalton. Foi nesse período que a química se valeu de experimentos com registros de observações, medidas, realização de novos experimentos com base em novas dúvidas e elaboração de leis e teorias. Já as práticas químicas eram utilizadas há vários séculos por alquimistas de diferentes culturas sem a preocupação de elaborar teorias que as fundamentassem. A biologia constituiu-se mais tardiamente, já na metade do século XIX, quando, ao conjugar o evolucionismo e os estudos sobre a célula, adquiriu feições que a distinguiam

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sobremaneira da História Natural, que dominara os estudos sobre os seres vivos nos séculos XVII e XVIII (Farber, 1982). Já as Ciências Humanas foram institucionalizadas em fins do século XIX e princípios do século XX. Para o senso comum, estas teriam algumas “desvantagens” em relação às Ciências da Natureza, a saber, a falta de unidades de medida e as dificuldades de experimentação, porém a questão merece um olhar mais nuançado:

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As principais desvantagens das ciências humanas são a ausência, em muitos campos, de unidades de medida (exceto na economia e na demografia), e as dificuldades de experimentação (salvo em psicologia e em sociolinguística), mas esses obstáculos estão presentes em muitas ciências da natureza (por exemplo, a geologia e, às vezes, a biologia, no que se refere a unidades de medida; e a astronomia, no que toca à experimentação), e isso não deteve de modo algum seu progresso. (Jean Piaget, in Apostel, 1972) Segundo as Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (DCNEM), a organização do currículo está baseada em áreas do conhecimento: Linguagens, Códigos e suas Tecnologias; Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias; Ciências Humanas e suas Tecnologias. A organização do currículo por área não desconsidera o papel e a importância de cada disciplina (ou componente curricular), mas considera essencial o diálogo entre elas e as relações interdisciplinares. Com relação à interdisciplinaridade, a resolução CNE/ CEB nº 3/98 orienta as escolas:

II – o ensino deve ir além da descrição e procurar constituir nos alunos a capacidade de analisar, explicar, prever e intervir, objetivos que são mais facilmente alcançáveis se as disciplinas, integradas em áreas de conhecimento, puderem contribuir, cada uma com sua especificidade, para o estudo comum de problemas concretos, ou para o desenvolvimento de projetos de investigação e/ou de ação. RESOLUÇÃO CEB n. 3, de 26 de junho de 1998. Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/cne/arquivos/pdf/ rceb03_98.pdf>. Acesso em: 6 jun. 2016.

Tendo em vista esses objetivos, a coleção buscou fornecer, ao longo dos capítulos, atividades com as quais o educador poderá ajudar os alunos a desenvolver essas e outras capacidades. Além disso, apresentamos neste Caderno de Apoio Pedagógico diversas atividades que podem ser exploradas em diálogo com outras disciplinas e duas propostas de projetos de caráter interdisciplinar, os Temas de cidadania. Mas por que os alunos devem estudar Ciências da Natureza? A ciência e a tecnologia são indispensáveis para o desenvolvimento da sociedade. Elas estão presentes em todos os setores produtivos, desde a extração de materiais da natureza até os produtos finais. São também determinantes na área da saúde, dos transportes, da educação e da cultura. Diversos objetos, como os celulares e uma infinidade de utensílios de plástico, estão cada vez mais inseridos em nosso dia a dia e têm influenciado nosso modo de vida. Debater essa questão e a forma como a produção, o consumo e o descarte de materiais têm provocado impactos ambientais e sociais já justifica o seu estudo no Ensino Médio.

O ensino de Química O ensino de Química durante boa parte do século XX foi baseado em livros escritos por médicos e outros profissionais de alguma forma ligados a essa ciência; isso é compreensível, tendo em vista que até a década de 1930 o país não contava com cursos de graduação destinados à formação de químicos e de professores de Química. Por essa e por outras razões relacionadas ao contexto da época e ao currículo explícito ou oculto da educação, esses materiais privilegiavam um acúmulo de informações que não mantinham significativa relação com as teorias que as embasavam e/ou com as atividades experimentais ligadas a tais conteúdos. Foi durante a década de 1960 que surgiram publicações que diversificaram as características desses materiais e que, de alguma maneira, influenciaram o ensino. Vale destacar que nesse período a educação brasileira passou por alterações legais, tais como a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional de 1961, que abriu a possibilidade de as instituições escolares assumirem a escolha de algumas disciplinas optativas e de dirigir o 3º ano do atual Ensino Médio à preparação para o ingresso às universidades; na década

seguinte, o governo ditatorial promulgou a Lei 5692/72, impondo caráter técnico ao antigo colegial. Neste período, muitos alunos concluíram essa etapa de ensino, praticamente sem ter estudado Química. Por outro lado, foi nesse período que os exames de Química para o ingresso aos cursos de graduação mais concorridos passaram a exigir uma série de conteúdos com certa complexidade que, até então, não constavam dos programas de ensino da disciplina, desconhecidos até pela maioria dos professores graduados em Química, tais como: Modelo orbital, Números quânticos, Orbitais híbridos, Energia livre de Gibbs. Isso explica o aparecimento de materiais didáticos destinados ao Ensino Médio, elaborados por professores de cursos preparatórios aos vestibulares, nos quais o rol de conteúdos explorados e o nível de aprofundamento se expandiram. Foi nesse período também que chegaram ao Brasil as traduções e as influências de projetos bastante diferentes do contexto do ensino de Química vigente: os estadunidenses Chemical Bond Approach — CBA e Chemstudy e o inglês da Caderno de Apoio Pedagógico

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Nuffield Foundation, que priorizavam capacitar os alunos a usar recursos empregados nas ciências e a desenvolver aspectos próprios da metodologia de investigação cientifica (observar, experimentar, analisar dados, propor explicações, etc.). Nenhum deles propunha o ensino de conteúdos do tipo dos exemplificados anteriormente como exigência de exames vestibulares. No âmbito nacional, especialmente a partir do final da década de 1970, surgiram propostas curriculares alternativas, algumas elaboradas por Secretarias de Educação Estaduais; na mesma época surgiram materiais didáticos direcionados por essas propostas. Nas décadas seguintes, em muitas universidades foram implantados grupos de pesquisa e cursos de pós-graduação em ensino de Química, responsáveis pela formação de mestres e doutores nessa área. Esses grupos têm produzido materiais didáticos na forma de livros, sites, sugestões de experimentos, vídeos com experimentos e explicações. Em 1994, a Sociedade Brasileira de Química (SBQ), por meio da Divisão de Ensino da Sociedade Brasileira de Química (DE/SBQ), criada em 1988, passou a publicar a Revista Química Nova na Escola (QNEsc), produzida por professores de

Ensino Básico e pesquisadores da área de educação química, que tem prestado uma grande contribuição para a renovação do ensino de Química. São desse período também a Lei de Diretrizes e Bases da Educação (1996) e a publicação dos PCN (Parâmetros Curriculares Nacionais), que valorizaram aspectos até então distantes das preocupações explícitas da maioria dos educadores: valores e atitudes, competências e habilidades, e ênfase na contextualização sociocultural. O foco nas competências e habilidades, bem como na contextualização sociocultural, manteve-se nos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM), de 1999, e nas Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCN+), de 2002. Esses documentos trazem ainda uma recomendação mais forte no sentido da integração e da articulação dos conhecimentos das diversas disciplinas escolares, a ser implementada através da contextualização e da interdisciplinaridade. Os PCN+ explicitam uma matriz de competências e habilidades – reproduzida a seguir – estruturada em torno de três eixos cognitivos, aplicáveis a todas as áreas: representação e comunicação; investigação e compreensão; contextualização sociocultural.

Representação e comunicação Na área

Em Química

Símbolos, códigos e nomenclatura de ciência e tecnologia • Reconhecer e utilizar adequadamente, na forma oral e escrita, símbolos, códigos e nomenclatura da linguagem científica.

• Reconhecer e compreender símbolos, códigos e nomenclatura própria da Química e da tecnologia química; por exemplo, interpretar símbolos e termos químicos em rótulos de produtos alimentícios, águas minerais, produtos de limpeza e bulas de medicamentos; ou mencionados em notícias e artigos jornalísticos. • Identificar e relacionar unidades de medida usadas para diferentes grandezas, como massa, energia, tempo, volume, densidade, concentração de soluções.

Articulação dos símbolos e códigos de ciência e tecnologia • Ler, articular e interpretar símbolos e códigos em diferentes linguagens e representações: sentenças, equações, esquemas, diagramas, tabelas, gráficos e representações geométricas.

• Ler e interpretar informações e dados apresentados com diferentes linguagens ou formas de representação, como símbolos, fórmulas e equações químicas, tabelas, gráficos, esquemas, equações. • Selecionar e fazer uso apropriado de diferentes linguagens e formas de representação, como esquemas, diagramas, tabelas, gráfico, traduzindo umas nas outras. Por exemplo, traduzir em gráficos informações de tabelas ou textos sobre índices de poluição atmosférica em diferentes períodos ou locais.

Análise e interpretação de textos e outras comunicações de ciência e tecnologia • Consultar, analisar e interpretar textos e comunicações de ciência e tecnologia veiculados em diferentes meios.

• Analisar e interpretar diferentes tipos de textos e comunicações referentes ao conhecimento científico e tecnológico químico; por exemplo, interpretar informações de caráter químico em notícias e artigos de jornais, revistas e televisão, sobre agrotóxicos, concentração de poluentes, chuvas ácidas, camada de ozônio, aditivos em alimentos, flúor na água, corantes e reciclagens. • Consultar e pesquisar diferentes fontes de informação, como enciclopédias, textos didáticos, manuais, teses, internet, entrevistas a técnicos e especialistas.

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Elaboração de comunicações • Elaborar comunicações orais ou escritas para relatar, analisar e sistematizar eventos, fenômenos, experimentos, questões, entrevistas, visitas, correspondências.

• Descrever fenômenos, substâncias, materiais, propriedades e eventos químicos, em linguagem científica, relacionando-os a descrições na linguagem corrente; por exemplo, articulando o significado de ideias como queima com o conceito científico de combustão, dando o significado adequado para expressões como “produto natural”, “sabonete neutro”, ou “alface orgânica”. • Elaborar e sistematizar comunicações descritivas e analíticas pertinentes a eventos químicos, utilizando linguagem científica, por exemplo, relatar visita a uma indústria química, informando sobre seus processos; elaborar relatório de experimento, descrevendo materiais, procedimentos e conclusões; elaborar questões para entrevista a técnico de algum campo da química, apresentar seminários e fazer sínteses.

Discussão e argumentação de temas de interesse de ciência e tecnologia

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• Analisar, argumentar e posicionar-se criticamente em relação a temas de ciência e tecnologia.

• Diante de informações ou problema relacionados à Química, argumentar apresentando razões e justificativas; por exemplo, conhecendo o processo e custo da obtenção do alumínio a partir da eletrólise, posicionar-se sobre as vantagens e limitações da sua reciclagem; em uma discussão sobre o lixo, apresentar argumentos contra ou a favor da incineração ou acumulação em aterro.

Investigação e compreensão Na área

Em Química

Estratégias para enfrentamento de situações-problema • Identificar as informações ou variáveis relevantes em uma situação-problema e elaborar possíveis estratégias para equacioná-la ou resolvê-la.

• Dada uma situação-problema, envolvendo diferentes dados de natureza química, identificar as informações relevantes para solucioná-la; por exemplo, avaliar a viabilidade de uma fonte de água para consumo, identificando as grandezas e indicadores de qualidade, como pH, concentrações de substâncias e vetores patogênicos; para substituir lenha por carvão vegetal como fonte de energia térmica, consultar os respectivos valores de calor de combustão para os dois materias. • Reconhecer, propor ou resolver um problema, selecionando procedimentos e estratégias adequados para a sua solução; por exemplo, em pesquisa sobre potabilidade de água, definir critérios de potabilidade, medidas, análises e cálculos necessários.

Interações, relações e funções; invariantes e transformações • Identificar fenômenos naturais ou grandezas em dado domínio do conhecimento científico, estabelecer relações, identificar regularidades, invariantes e transformações.

• Reconhecer e compreender fenômenos envolvendo interações e transformações químicas, identificando regularidades e invariantes, por exemplo, reconhecer a conservação no número de átomos de cada substância, assim como a conservação de energia, nas transformações químicas e nas representações das reações. • Compreender que as interações entre matéria e energia, em um certo tempo, resultam em modificações da forma ou natureza da matéria, considerando os aspectos qualitativos e macroscópicos; por exemplo, o desgaste mecânico que modifica a sua forma, ou por outra interação, que modifica a natureza do material; interações do calcário com o calor resultam em modificações na natureza, obtendo-se um novo material, a cal. • Identificar transformações químicas pela percepção de mudanças na natureza dos materiais ou da energia, associando-as a uma dada escala de tempo; por exemplo, identificar que rochas magmáticas, como granito e basalto, se transformam em sedimentares, como areia e argila, ou metamórficas, como mármore e ardósia, em escalas de tempo geológicas; perceber explosões como combustões completas, onde todos os reagentes se transformam em produtos, durante curto tempo, transformando energia em trabalho.

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Medidas, quantificações, grandezas e escalas • Selecionar e utilizar instrumentos de medição e de cálculo, representar dados e utilizar escalas, fazer estimativas, elaborar hipóteses e interpretar resultados.

• Fazer previsões e estimativas de quantidades ou intervalos esperados para os resultados de medidas; por exemplo, prever relações entre massas, energia ou intervalos de tempo em transformações químicas. • Selecionar e utilizar materiais e equipamentos adequados para fazer medidas, cálculos e realizar experimentos; por exemplo, selecionar material para o preparo de uma solução em função da finalidade; selecionar instrumentos para medidas de massa, temperatura, volume, densidade e concentração. • Compreender e fazer uso apropriado de escalas, ao realizar, medir ou fazer representações. Por exemplo: ler e interpretar escalas em instrumentos como termômetros, balanças e indicadores de pH.

Modelos explicativos e representativos

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• Reconhecer, utilizar, interpretar e propor modelos para situações-problema, fenômenos ou sistemas naturais ou tecnológicos.

• Reconhecer modelos explicativos de diferentes épocas sobre a natureza dos materiais e suas transformações; por exemplo, identificar os principais modelos de constituição da matéria criados ao longo do desenvolvimento científico. • Elaborar e utilizar modelos macroscópicos e microscópicos para interpretar transformações químicas; por exemplo, elaborar modelos para explicar o fato de a água doce com sabão produzir espuma, e a água salgada, não, ou para compreender o poder corrosivo de ácidos fortes. • Reconhecer, nas limitações de um modelo explicativo, a necessidade de alterá-lo; por exemplo, perceber até onde o modelo de Rutherford foi suficiente e por quais razões precisou dar lugar a outra imagem do átomo. • Elaborar e utilizar modelos científicos que modifiquem as explicações do senso comum; por exemplo, a ideia de que óleo e água não se misturam devido a diferenças de densidade e não por questões de interação entre partículas.

Relações entre conhecimentos disciplinares, interdisciplinares e interáreas • Articular, integrar e sistematizar fenômenos e teorias dentro de uma ciência, entre as várias ciências e áreas de conhecimento.

• Construir uma visão sistematizada das diferentes linguagens e campos de estudo da Química, estabelecendo conexões entre seus diferentes temas e conteúdos. • Adquirir uma compreensão do mundo da qual a Química é parte integrante através dos problemas que ela consegue resolver e dos fenômenos que podem ser descritos por seus conceitos e modelos. • Articular o conhecimento químico e o de outras áreas no enfrentamento de situações-problema. Por exemplo, identificar e relacionar aspectos químicos, físicos e biológicos em estudos sobre a produção, destino e tratamento de lixo ou sobre a composição, poluição e tratamento das águas com aspectos sociais, econômicos e ambientais.

Contextualização sociocultural Na área

Em Química

Ciência e tecnologia na história • Compreender o conhecimento científico e o tecnológico como resultados de uma construção humana, inseridos em um processo histórico e social.

• Reconhecer e compreender a ciência e tecnologia químicas como criação humana, portanto inseridas na história e na sociedade em diferentes épocas; por exemplo, identificar a alquimia, na Idade Média, como visão de mundo típica da época. • Perceber o papel desempenhado pela Química no desenvolvimento tecnológico e a complexa relação entre ciência e tecnologia ao longo da história; por exemplo, perceber que a manipulação do ferro e suas ligas, empírica e mítica, tinha a ver, no passado, com o poder do grupo social que a detinha, e que hoje, explicada pela ciência, continua relacionada a aspectos políticos e sociais.

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Ciência e tecnologia na cultura contemporânea • Compreender a ciência e a tecnologia como partes integrantes da cultura humana contemporânea.

• Identificar a presença do conhecimento químico na cultura humana contemporânea, em diferentes âmbitos e setores, como os domésticos, comerciais, artísticos, desde as receitas caseiras para limpeza, propagandas e uso de cosméticos, até em obras literárias, músicas e filmes. • Compreender as formas pelas quais a Química influencia nossa interpretação do mundo atual, condicionando formas de pensar e interagir; por exemplo, discutir a associação irrefletida de “produtos químicos” com algo sempre nocivo ao ambiente ou à saúde. • Promover e interagir com eventos e equipamentos culturais, voltados à difusão da ciência, como museus, exposições científicas, peças de teatro, programas de tevê.

Ciência e tecnologia na atualidade

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• Reconhecer e avaliar o desenvolvimento tecnológico contemporâneo, suas relações com as ciências, seu papel na vida humana, sua presença no mundo cotidiano e seus impactos na vida social.

• Reconhecer o papel do conhecimento químico no desenvolvimento tecnológico atual, em diferentes áreas do setor produtivo, industrial e agrícola; por exemplo, na fabricação de alimentos, corantes, medicamentos e novos materiais. • Reconhecer aspectos relevantes do conhecimento químico e suas tecnologias na interação individual e coletiva do ser humano com o ambiente; por exemplo, o uso de CFC – cloro-flúor-carbono –, de inseticidas e agrotóxicos, de aditivos nos alimentos, os tratamentos de água e de lixo, a emissão de poluentes que aumentam o efeito estufa na atmosfera. • Articular, integrar e sistematizar o conhecimento químico e o de outras áreas no enfrentamento de situações-problema; por exemplo, identificar e relacionar aspectos químicos, físicos e biológicos da produção e do uso de metais, combustíveis e plásticos, além de aspectos sociais, econômicos e ambientais.

Ciência e tecnologia, ética e cidadania • Reconhecer e avaliar o caráter ético do conhecimento científico e tecnológico e utilizar esses conhecimentos no exercício da cidadania.

• Reconhecer as responsabilidades sociais decorrentes da aquisição de conhecimento na defesa da qualidade de vida e dos direitos do consumidor; por exemplo, para notificar órgãos responsáveis diante de ações como destinações impróprias de lixo ou de produtos tóxicos, fraudes em produtos alimentícios ou em suas embalagens. • Compreender e avaliar a ciência e tecnologia química sob o ponto de vista ético para exercer a cidadania com responsabilidade, integridade e respeito; por exemplo, no debate sobre fontes de energia, julgar implicações de ordem econômica, social, ambiental, ao lado de argumentos científicos para tomar decisões a respeito de atitudes e comportamentos individuais e coletivos.

BRASIL. Ministério da Educação. Orientações curriculares complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Ciências da Natureza, Matemática e suas tecnologias. Brasília, 2006. Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/CienciasNatureza.pdf>. Acesso em: 30 maio 2016.

As Orientações Curriculares para o Ensino Médio (2006), o Projeto Ensino Médio Inovador (2009) e ainda a Resolução CNE/CBE 2/2012 dão continuidade aos documentos anteriores. Particularmente na Resolução CNE/CBE 2/2012 está explícito que “O currículo deve contemplar as quatro áreas do conhecimento, com tratamento metodológico que evidencie a contextualização e a interdisciplinaridade ou outras formas de interação e articulação entre diferentes campos de saberes específicos.” (p. 3). Além da contextualização e da interdisciplinaridade, ganhou força nos últimos anos a recomendação de que os livros didáticos de Ciências da Natureza incluam também elementos da História da Ciência e da abordagem Ciência, Tecnologia e Sociedade (CTS). Em relação à matriz de referência de Ciências da Natureza e suas Tecnologias — re-

produzida na página seguinte —, as competências que se referem à Química estão distribuídas em cinco áreas. Na Parte Específica deste CAP, faremos referência à matriz do Enem (Exame Nacional do Ensino Médio) para indicar as competências e habilidades trabalhadas em cada unidade da coleção. Um argumento bastante utilizado no passado por professores de Química para justificar a quantidade de conceitos que se propunham a ensinar aos alunos do Ensino Médio era o de que era necessário atender aos programas dos exames de ingresso às universidades. Hoje, esse argumento tornou-se frágil devido às mudanças das exigências de muitos desses exames e ao fato de que o Enem, desde 2010, tornou-se a principal forma de seleção de alunos para as universidades federais e muitas outras. Caderno de Apoio Pedagógico

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Competência de área 1 – Compreender as Ciências Naturais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. H1 – Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em diferentes contextos. H2 – Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico. H3 – Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas. H4 – Avaliar propostas de intervenção no ambiente, considerando a qualidade da vida humana ou medidas de conservação, recuperação ou utilização sustentável da biodiversidade.

Competência de área 2 – Identificar a presença e aplicar as tecnologias associadas às Ciências Naturais em diferentes contextos. H5 – Dimensionar circuitos ou dispositivos elétricos de uso cotidiano. H6 – Relacionar informações para compreender manuais de instalação ou utilização de aparelhos, ou sistemas tecnológicos de uso comum. H7 – Selecionar testes de controle, parâmetros ou critérios para a comparação de materiais e produtos, tendo em vista a defesa do consumidor, a saúde do trabalhador ou a qualidade de vida.

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Competência de área 3 – Associar intervenções que resultam em degradação ou conservação ambiental a processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicos. H8 – Identificar etapas em processos de obtenção, transformação, utilização ou reciclagem de recursos naturais, energéticos ou matérias-primas, considerando processos biológicos, químicos ou físicos neles envolvidos. H9 – Compreender a importância dos ciclos biogeoquímicos ou do fluxo de energia para a vida, ou da ação de agentes ou fenômenos que podem causar alterações nesses processos. H10 – Analisar perturbações ambientais, identificando fontes, transporte e (ou) destino dos poluentes ou prevendo efeitos em sistemas naturais, produtivos ou sociais. H12 – Avaliar impactos em ambientes naturais decorrentes de atividades sociais ou econômicas, considerando interesses contraditórios.

Competência de área 5 – Entender métodos e procedimentos próprios das Ciências Naturais e aplicá-los em diferentes contextos. H17 – Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. H18 – Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. H19 – Avaliar métodos, processos ou procedimentos das Ciências Naturais que contribuem para diagnosticar ou solucionar problemas de ordem social, econômica ou ambiental.

Competência de área 7 – Apropriar-se de conhecimentos da Química para, em situações-problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas. H24 – Utilizar códigos e nomenclatura da química para caracterizar materiais, substâncias ou transformações químicas. H25 – Caracterizar materiais ou substâncias, identificando etapas, rendimentos ou implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais de sua obtenção ou produção. H26 – Avaliar implicações sociais, ambientais e/ou econômicas na produção ou no consumo de recursos energéticos ou minerais, identificando transformações químicas ou de energia envolvidas nesses processos. H27 – Avaliar propostas de intervenção no meio ambiente aplicando conhecimentos químicos, observando riscos ou benefícios. BRASIL. Ministério da Educação. Matriz de referência para o Enem 2009. Brasília: MEC, 2009. p. 8-10.

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Apesar das inovações trazidas à nossa comunidade educacional, comentadas anteriormente, as alterações nas práticas de ensino que acontecem nas escolas ainda caminham lentamente. Certamente, essas mudanças ocorrem de forma gradual e provavelmente se acentuem conforme a implantação da Base Nacional Comum Curricular, elaborada em 2016. De qualquer forma, constata-se uma tendência de priorizar a quantidade de conteúdos, sem que nos demos conta de algumas perguntas básicas que devem nortear o trabalho de qualquer educador: Meus alunos estão em condições de aprender esse assunto neste momento? Que assunto eu tentei ensinar em outros anos e foi muito difícil para os alunos aprenderem? De que maneira é possível mudar a

sequência ou a abordagem para facilitar a aprendizagem? Será que meus alunos estão se apropriando do que eu ensino ou estão apenas memorizando? E se o meu aluno não for continuar os estudos na universidade, de que forma esse trabalho o ajudará? Com o tempo de que disponho, será que é importante garantir que os alunos conheçam os modelos atômicos orbitais ou qualquer outro assunto específico? Será que se eu ensinar todo esse rol de conteúdos meus alunos estarão mais aptos a ingressar em um curso superior? Que ganhos cognitivos e pessoais meus alunos terão obtido com meu curso? Enfim, a melhor forma de nos aprimorarmos como professores é a reflexão sobre nosso trabalho.

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O papel do professor: entre limites, expectativas e as grandes mudanças em curso Quando fazemos um mapeamento dos conteúdos de discursos político-eleitorais, noticiários, artigos de especialistas em Economia ou Ciências Sociais e de publicações produzidas por instituições voltadas ao desenvolvimento de condições socioeconômicas de nosso país, é possível constatar que as expectativas depositadas sobre a educação de crianças e jovens — e, portanto, sobre o papel do professor e da escola — são cada vez maiores. Não há como negar a enorme dificuldade em enfrentar dois grandes problemas nacionais — a desigualdade socioeconômica e cultural e o reduzido desenvolvimento do país em áreas que requerem conhecimento agregado. Além disso, situações que sempre representam desafios, tais como as alterações na estrutura da família, a inclusão de pessoas com necessidades especiais em escolas regulares, a necessidade de lidar com questões relativas à dependência e ao tráfico de drogas e à violência, também chegam à escola. Junte-se a tudo isso a necessidade de repensar o papel da escola e dos professores diante da velocidade de expansão do conhecimento nas diversas áreas de estudo, o grande avanço no campo das tecnologias de informação e comunicação e o papel do conhecimento e da aprendizagem diante desse contexto. Nesse contexto, vamos agora discutir alguns pontos importantes.

O professor e a organização escolar Estudos internacionais mostram que tanto a comunidade de professores quanto a sociedade de modo geral têm algumas ideias fortemente arraigadas sobre o que se espera de um professor e que estão relacionadas com a própria herança cultural da escola. Entre os vários traços que marcam a

representação do que é ser professor estão o gestual próprio, a capacidade de comunicação para “transmitir” os conhecimentos e ser considerado “aquele que detém o conhecimento”. Com isso, os professores acabam ficando tanto com as glórias pela aprendizagem dos alunos, como também com a responsabilidade pelos fracassos dos estudantes no que se refere a seu aprendizado. Apesar de essa ser uma visão herdada, o conceito de bom professor é polissêmico, passível de interpretações diferentes e mesmo divergentes. Devido à grande responsabilidade do ato de ensinar, os professores querem falhar o menos possível. No entanto, muitas variáveis contribuem para o sucesso do curso ministrado, e conhecer essas variáveis ajuda a obter melhores resultados (Pimenta, 2004). Algumas questões que acabam sendo vistas como escolha individual de um professor responsável por uma turma ou disciplina são traços comuns à maioria das escolas: a disposição enfileirada dos alunos nas salas de aula, a sequência de conteúdos e conceitos de uma disciplina, os tipos de atividade didática, a forma de tratar o conteúdo, priorizando conclusões em detrimento do caminho para se chegar a elas, a falta de espaço para questionamentos e debates, a forma como o livro didático é usado – o mais frequente é que ele sirva de base para o professor preparar sua aula expositiva, adotando exatamente a mesma sequência do texto −, entre outras. Esse modelo, profundamente arraigado na escola e em nossa sociedade, acaba sendo o viés em torno do qual a escola se orienta e se organiza. Porém, dentro das salas de aula, devemos lembrar que a organização escolar envolve ideias, opiniões e tradições advindas de vários componentes. Assim, ao elaborar a sua grade curricular, a escola atribui aulas aos professores, estabelece seus horários, sinaliza início e final das aulas, e assim por diante. Caderno de Apoio Pedagógico

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Os aspectos abordados são apenas alguns entre os muitos que caracterizam a concepção fordista da instituição escolar, herdada da forma de organização do trabalho industrial, incorporada à escola quando se passou de uma relação dual (mestre-aluno) para uma relação professor-classe com o propósito de se “ensinar muitos como se fossem um só”, traduzida na tão conhecida referência ao “aluno médio” (Canário, 2005). Em 2004, com o lançamento das Orientações Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (Brasil, 2004), colocam-se em foco mudanças para a organização curricular, com priorização da diversidade cultural dentro da escola, utilizando-se do currículo como complemento a políticas socioculturais, mudanças no enfoque da avaliação e estímulo à formação continuada de professores e gestores, entre outros aspectos.

O professor e a sociedade em meio a um processo de mudança

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Apesar de tudo, ao perguntarmos a um professor, independentemente de sua concepção pedagógica, qual o objetivo atual da educação escolar e, portanto, qual o seu papel como agente central desse processo, normalmente obtemos respostas muito parecidas; é comum que a resposta esteja em torno de desenvolver a capacidade de o aluno raciocinar, criar, trabalhar em grupo, de ser solidário, de caminhar em busca de sua própria autonomia intelectual, e assim por diante. Por outro lado, apesar das profundas mudanças pelas quais a sociedade e o papel do conhecimento vêm passando, as aulas tendem a ser ministradas como nos velhos tempos, a partir de representações internalizadas por educadores e pela sociedade, como se os objetivos fossem os mesmos do início do século XX. Apesar das dificuldades crescentes de manter a disciplina como nos velhos tempos, muitos professores mantêm a expectativa de que os alunos fixem a atenção naquilo que o professor fala e escreve na lousa e se concentrem nos conteúdos e na execução de tarefas, que, geralmente, não favorecem a reflexão e o questionamento. Quer dizer, há uma contradição quase que inerente ao sistema escolar: é a que transparece na distância entre o papel idealizado que educadores atribuem à escola quando refletem sobre ela e o que comumente lutam para fazer em suas salas de aula — as dificuldades passam também pelos sérios problemas de desrespeito e violência, que permeiam muitas instituições escolares. Ou seja, há um reconhecimento do que seria um encontro pedagógico criativo que propiciasse experiência e desenvolvimento, tanto para a escola quanto para professores e alunos, e isso representa um dilema: há um modelo interiorizado por toda a sociedade e pelos educadores do que é ser professor e do papel da escola convivendo com um mundo em acentuadas alterações que demandam uma grande mudança na instituição escolar. Muitas dessas demandas vêm sendo explicitadas em documentos oficiais, produções acadêmicas e em congressos de educação. Entre as alterações propostas que têm a ver com as demandas que emergem de mudanças contemporâneas da sociedade, estão algumas que serão abordadas adiante, tais como a inclusão de uma visão e de práticas didáticas de

natureza interdisciplinar, do uso das tecnologias de informação e comunicação, da valorização de práticas que incentivem a autonomia intelectual, o protagonismo, a solidariedade e a capacidade de trabalhar de modo colaborativo, entre outras — todas elas fundamentais para o desenvolvimento de nossas crianças e jovens.

Alguns caminhos na busca de soluções Esse panorama evidencia que, se de um lado, escola e professores estão diante de situação desconfortável, de outro, vivemos um período em que desafios estimulantes nos convidam a refletir e a procurar novos caminhos educativos. Um dos aspectos da cultura escolar que dificulta os avanços na educação refere-se ao individualismo, uma das formas de relacionamento predominante no interior da instituição escolar (Fulann; Hargreaves, 2000). Bem conhecida de todos que atuam nas escolas, essa maneira arraigada de funcionamento pode ser entendida pelo isolamento de cada professor, com atuação profissional baseada em “cada um por si”. Outra forma bastante presente de relacionamento é, segundo Hargreaves, a balcanização. Trata-se dos modos de agrupamento dos professores de acordo com identificações particulares; por exemplo, por área, por ano. Esse tipo de organização dificulta a tomada de decisões que atinjam a totalidade do corpo docente. A ausência de cooperação é alimentada pela ideia de que qualquer pedido de ajuda ao seu exercício profissional seja interpretado como indício de incompetência, embora nas salas de professores estabeleça-se uma solidariedade que compensa a solidão pedagógica. Segundo esses autores, é essa forma de atuação profissional fragmentada que dificulta os avanços de aprendizagem de alunos, professores e da escola de maneira geral. Vale lembrar que as ações individualizadas dirigem-se à mesma comunidade de alunos, e sem a reflexão, a pesquisa e a aprendizagem conjunta sobre elas, os avanços tornam-se difíceis. Será que toda essa explanação pretende mostrar que não há saída? Não, espera-se que, refletindo sobre o contexto global e a realidade escolar em que vive e trabalha, o professor possa dimensionar seus possíveis “fracassos” pedagógicos. O importante é que, sem desconsiderar esses aspectos, diante do que os alunos e a sociedade esperam de nós, professores e escolas possam ir se livrando de algumas dessas amarras, caminhando em direção à solução dessas dificuldades. Lembre-se de que estamos diante de um período de profundas mudanças, e as alterações necessárias na cultura escolar são parte de um processo que não é compatível com o imobilismo, mas exige a participação de múltiplos atores, sendo os professores os mais importantes. Nesse processo, algumas ações podem ajudá-lo no sentido de estabelecer relações pedagógicas cooperativas. Embora seja bastante provável que toda a sua escolarização, tanto na escola básica, quanto na universidade, não tenha contribuído para desenvolver sua capacidade de estudar e trabalhar de modo cooperativo, é importante que o desenvolvimento dessa capacidade seja um dos nortes de sua prática diária. Vamos destacar alguns, entre muitos, caminhos possíveis para seu desenvolvimento nessa direção, o que é fundamen-

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tal para que se estabeleça uma rede de cooperação que dê suporte às mudanças necessárias: ▸ Encontrar interlocutores na escola, com os quais possa

refletir sobre suas práticas pedagógicas e neles encontrar apoio para encaminhar possíveis soluções para as dificuldades próprias do exercício docente (coordenadores e professores de outras disciplinas, por exemplo).

▸ Estabelecer parcerias com colegas para introduzir ino-

vações em seu trabalho. Por exemplo, um professor que nunca realizou atividades interdisciplinares poderá pedir a outro(s) especialista(s), em aspectos nos quais não se sente seguro, para orientá-lo quanto a referências (livros, sites, etc.) e formas de auxiliar os alunos ou, melhor ainda, poderá sugerir que participem conjuntamente do trabalho. Vale o mesmo para saídas da escola para estudos do meio, para o uso de recursos de informática e até mesmo para o trabalho com dinâmicas que impliquem a participação ativa dos alunos.

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▸ Usar as ferramentas tecnológicas para estabelecer coope-

ração com profissionais de sua disciplina ou de outras. Quer dizer, se em sua própria escola não houver tempo/espaço para o estabelecimento de cooperações semelhantes às mencionadas anteriormente, via fóruns de discussão, chats, e-mails, redes sociais (grupos de professores) por exemplo, é possível encontrar esses apoios. Isso se torna especialmente importante para professores que se iniciam na profissão e que, muitas vezes, têm bom domínio das ferramentas tecnológicas, mas se sentem inseguros para realizar um trabalho que exija conhecimentos em torno dos quais têm pouca formação; na parceria com outros colegas mais experientes, mas talvez despreparados para lidar com as tecnologias, ambos terão muito a aprender.

▸ Empenhar-se para que recursos tecnológicos se incorporem

ao seu dia a dia na busca de informações relevantes para seu próprio crescimento pessoal e profissional. A ampliação do conhecimento por meio da aprendizagem constante representa uma forma de “apoio interno” na medida em que alarga os próprios horizontes pessoais, permitindo que

o professor vislumbre assuntos e caminhos que tornem suas aulas mais criativas e interessantes, contribuindo para despertar em seus alunos processo semelhante, e que compreenda a existência de pontos de contato da Química com outros componentes curriculares. ▸ Usar a internet para participar de redes de trocas de in-

formação e apoio com escolas e professores que têm conseguido mudar o foco de suas ações profissionais; é possível localizar experiências na rede pública de todo o país, algumas bastante inovadoras (mudando o foco do professor que “ensina” para alunos que atuam individualmente e em grupo, aprendendo sob a coordenação do professor). Por exemplo, no endereço da Escola de redes, disponível em: <http://escoladeredes.net> (acesso em: 27 maio 2016), o educador português, agora radicado no Brasil, José Pacheco (ex-diretor da Escola da Ponte, no norte de Portugal), pôs em funcionamento uma rede de pessoas e informações na qual é possível, inclusive, ter acesso a textos teóricos sobre aprendizagem e publicações de pensadores da Educação, tais como Edgar Morin, Manuel Castells, Pierre Levy, estes dois últimos estudiosos da aprendizagem em rede. Vale ressaltar que tudo o que está disponibilizado na internet deve passar por uma avaliação crítica por parte do professor, antes que qualquer postura seja adotada. Por exemplo, há redes de professores de Química nas quais são disponibilizados inúmeros vídeos de músicas e de aulas de Química (vale o mesmo para outras disciplinas) em que o único objetivo é que o aluno decore fórmulas e elementos da Tabela Periódica, por exemplo. Por isso, é fundamental que o professor avalie cada sugestão, diante dos objetivos a que se propõe em seu curso. Essas são apenas algumas sugestões, mas, nesse percurso, mantendo-se atento, o professor poderá descobrir outras formas de construção de redes de apoio para alavancar as necessárias mudanças em suas concepções de ensino-aprendizagem. Quanto mais elas avançarem por toda a instituição escolar, melhores serão os resultados obtidos, o que será motivo de satisfação a todos os educadores comprometidos em enfrentar os desafios contemporâneos de nossa sociedade.

Algumas questões pedagógicas importantes Vamos abordar alguns aspectos pedagógicos que, nas últimas décadas, têm merecido destaque tanto em documentos oficiais quanto em trabalhos de pesquisa na área de Educação; eles são importantes norteadores no planejamento das atividades didáticas do professor. Vale lembrar também que, na etapa de planejamento do trabalho pedagógico, é importante, levando em conta não só os aspectos expostos adiante, como também o contexto sociocultural dos alunos e os conhecimentos prévios que eles possuem, que o professor faça as adequações necessárias, tendo em vista os objetivos que pretende atingir. Quanto a isso, é bom ressaltar que dados obtidos de avaliações pedagógicas nacionais, como o Sistema de Avaliação da Educação Básica (Saeb) assim como internacionais, caso do Programa Internacional de Avaliação de Alunos (Pisa), do qual o Brasil

tem participado, permitem concluir que, apesar de haver avanços no rendimento médio no nível de escolaridade de nossos alunos, enfrentamos graves problemas de analfabetismo funcional (relacionado a pessoas que, apesar de serem alfabetizadas, são incapazes de compreender pequenos textos, bastante simples) e de falta de conhecimentos básicos de Matemática. É interessante lembrar que questões de interpretação de gráficos significaram grande dificuldade para a maioria dos alunos. A pesquisa realizada em 2015, pelo Instituto Paulo Montenegro em conjunto com a ONG Ação Educativa, cujo objetivo era o de relacionar o Indicador de alfabetismo funcional (Inaf) com o mundo do trabalho, usou como um dos critérios de avaliação dos grupos o nível de escolaridade. Entre os cinco níveis utilizados como critérios (analfabeto, rudimentar, eleCaderno de Apoio Pedagógico

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mentar, intermediário e proficiente), vale destacar que pouco menos da metade dos indivíduos que cursaram o Ensino Médio (parcial ou integralmente) só atingiu a faixa correspondente ao nível elementar, 31% ao nível intermediário e apenas 9% foram considerados proficientes. Quanto aos que concluiram o nível superior, apenas 22% situam-se na condição de proficientes e 32% ainda estão no nível elementar. Mas, por que isso é importante no planejamento de um professor de Química? Porque, certamente, uma meta a ser perseguida é a de contribuir para que os alunos avancem em relação a esses conhecimentos de leitura-escrita e matemática básica, sem o que lhes será impossível o acesso às informações, à possibilidade de avaliá-las, enfim, ao exercício pleno da cidadania. Essas informações não podem nem devem redundar em leituras preconceituosas que justifiquem a “impossibilidade” de aprender, de um grupo ou de um aluno, ou de um fracasso escolar anunciado. É bastante provável que esses resultados que apontam para o fracasso do trabalho escolar decorram de inadequação na comunicação entre professor e alunos e da falta de avaliação do trabalho docente; é provável que as aulas ministradas a esses estudantes, baseadas em “suposições” de que certos conhecimentos já façam parte de seu universo, revelem-se inúteis.

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Protagonismo juvenil Acreditamos que um dos objetivos a serem alcançados pela escola e pelos educadores é estimular os estudantes a participarem de forma ativa na construção dos seus conhecimentos e na sociedade. Para alcançar esse objetivo, o protagonismo juvenil, tanto a escola quanto o educador necessitam criar um ambiente e situações que promovam a autonomia estudantil. Segundo o documento do MEC PGM 3: Mobilização e Participação na Escola Jovem: [...] [...] é essencial que os alunos tenham voz (e vez) na escola, através da concepção e elaboração de projetos curriculares, da organização de atividades que levem à reflexão e busca de soluções de forma coletiva e compartilhada. A escola precisa não somente recuperar o significado do seu currículo para os alunos, mas suas formas de relacionamento, valorizando a criatividade e a ousadia que os jovens possuem. Muitas são as competências construídas quando os alunos se mobilizam e têm espaço para participar do cotidiano da escola: saber ouvir e respeitar a opinião do outro, trabalhar em grupo, interagindo com o diferente, selecionar o que é significativo, aprender a aprender, experimentar, argumentar, criticar, tomar decisões. Uma das maneiras de estimular sua participação é integrar à vivência escolar aspectos de suas culturas. É preciso que os jovens tenham identidade com a escola. Neste sentido, é necessário que ela conheça seus alunos e os novos padrões culturais dos jovens, articulando-os aos seus desenhos curriculares. [...] Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/ mobiliza.pdf>. Acesso em: 2 jun. 2016.

A palavra protagonista vem do grego protagonistes (proto = primeiro, principal; agonistes = jogador, lutador, ator) e tem sido utilizada na educação para indicar a atuação dos estudantes como personagem principal de atividades que possibilitam a reflexão, a prática de cidadania, a solução de problemas contemporâneos que extrapolam os muros da escola e envolvem familiares, comunidade escolar e a sociedade. O próprio documento da Base Nacional Comum Curricular, um dos últimos documentos publicados até o momento pelo MEC e que trata da questão do currículo no Ensino Médio, coloca o protagonismo juvenil como um dos eixos de formação do Ensino Médio. Eixo 2 – Intervenção no mundo natural e social: este eixo diz respeito ao protagonismo dos/das estudantes frente às questões sociais e ambientais contemporâneas. Refere-se à capacidade de dar respostas aos problemas de seu tempo, utilizando-se, para tal, de diferentes recursos e tecnologias, colocando-os a serviço de seus propósitos. Disponível em: <http://basenacionalcomum.mec.gov.br/ documentos/bncc-2versao.revista.pdf>. Acesso em: 2 jun. 2016.

Nesse cenário, é desejável que o educador valorize todas as etapas de atividades que desenvolvem o protagonismo juvenil (criação, pesquisa, organização, envolvimento, etc.) e não somente o produto final.

Contextualização e interdisciplinaridade Embora as ideias básicas que esses termos contemplam já fossem empregadas anteriormente, nos últimos 30 anos é que ganharam espaço no meio educacional brasileiro, especialmente após o processo iniciado com a publicação da Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional, LDB (1996), e as publicações relativas a currículo que a ela se seguiram — os PCN (1999) e as Orientações Curriculares que lhe sucederam (Brasil, 2002 e 2006). Ainda que venham sendo bastante usadas nos meios educacionais, como decorrência natural dessas publicações oficiais, é importante notar que contextualização e interdisciplinaridade são termos polissêmicos, isto é, podem ser interpretados de várias maneiras. A leitura de trabalhos de pesquisadores da área de ensino (Pombo, Guimarães, Levy, 1993; Pombo, 2005; Silva, Furlanetto, 2011; Fazenda, 1993, 1998, 2003; Machado, 2000; Gadotti, 2010) e de ensino de Ciências/Química (Santos, Schnetzler, 1996; Sá, Silva, 2008; Silva, 2007; Weigert, Villani, Freitas, 2005; Wartha, Faljoni-Alário, 2005), bem como dos documentos oficiais mencionados, deixa-nos claro que não há consenso quanto à compreensão que os vários grupos têm desses termos, embora seja possível deduzir que os grupos de autores de cada um desses documentos tenham intenções próprias ao inserir esses termos em seus textos. Diante disso, surge a questão: como os professores podem “traduzir” essas ideias em seus planejamentos e na “prática” de suas aulas em suas escolas? De que forma esta coleção pode contribuir para a realização de atividades que representem contextualização e/ou interdisciplinaridade?

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Contextualização

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A contextualização no ensino vem sendo defendida por diversos educadores e pesquisadores como um meio de possibilitar ao aluno uma educação para a cidadania concomitantemente à aprendizagem significativa de conteúdos, seja ela pensada como um modo de ensinar conceitos das ciências ligados à vivência dos alunos, na forma de recurso pedagógico, seja como princípio norteador do processo de ensino. Silva (2007 p.121), em seu trabalho de pesquisa voltado ao entendimento da palavra contextualização, elencou três perspectivas educacionais para seu significado: (i) a contextualização como exemplificação, entendimento, ou informação do cotidiano – que pode ser caracterizada por compreensão de situações problemáticas, aplicação de conteúdos científicos emoldurados por situação do dia a dia do aluno, com ênfase na informação e não no desenvolvimento de competências, atitudes ou valores; (ii) a contextualização como entendimento crítico de questões científicas e tecnológicas relevantes que afetam a sociedade – essa orientação é característica do movimento CTS (Ciência, Tecnologia e Sociedade), que em geral propõe a abordagem de temas de interesse social que permitam o desenvolvimento de atitudes e valores para que os alunos enfrentem um mundo cada vez mais tecnológico e possam atuar, com responsabilidade, frente a questões problemáticas da ciência e da tecnologia relacionadas à sociedade, e (iii) contextualização como perspectiva da transformação da realidade social – caracterizada pela ênfase no entendimento crítico dos aspectos sociais e culturais ligados à ciência e tecnologia, em outras palavras, a inserção da prática social no ensino com vistas à transformação social. A primeira forma de contextualização é a mais simples e que mais vem sendo empregada nas salas de aula. Já a segunda e a terceira estão ligadas ao desenvolvimento de atitudes e valores de modo a inserir as questões científicas e tecnológicas no campo social. A terceira pressupõe, ainda, um posicionamento político. As Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio defendem a necessidade de se contextualizar os conteúdos de ensino na realidade vivenciada pelos alunos, a fim de atribuir-lhes sentido e, assim, contribuir para a aprendizagem significativa. A contextualização é compreendida como a inserção do conhecimento disciplinar em uma realidade plena de vivências, buscando o enraizamento do conhecimento explícito na dimensão do conhecimento tácito. O processo de ensino-aprendizagem contextualizado é um importante meio de estimular a curiosidade e fortalecer a confiança do aluno. Por outro lado, sua importância está condicionada à possibilidade de levar o aluno a ter consciência sobre seus modelos de explicação e compreensão da realidade, reconhecê-los como equivocados ou limitados a determinados contextos, enfrentar o questionamento, colocá-los em xeque num processo de desconstrução de conceitos e reconstrução/apropriação de outros. Contextualizar é dar sentido ao que se ensina, é inserir os alunos num universo amplo, é encadear ideias. O sentido de contextualizar os conteúdos ministrados na sala de aula é

permitir que os alunos encontrem aplicabilidade, utilidade para aquilo que aprenderam. O professor, ao trazer para a sala de aula experiências pessoais, sociais e culturais, faz com que o aluno saia da condição de espectador passivo e estabeleça relações de reciprocidade entre ele e o objeto de conhecimento, configurando uma aprendizagem significativa (QUEIROZ, 2003). A contextualização estabelece o atrelamento do ensino com a vida do aluno. Se levarmos em conta as ideias dos alunos e oferecermos as condições para que se criem saídas para os problemas apresentados, estaremos propiciando a participação deles no processo educacional para a construção da cidadania, sendo abundante a quantidade de contextos que podem ser empregados para auxiliá-los a dar significado ao conhecimento. Portanto, um dos eixos norteadores para o professor de Química deve ser a contextualização, abordando os conteúdos químicos a partir de temas cotidianos, dando significado a esses conteúdos e facilitando o estabelecimento de ligações com outras áreas de conhecimento. O ensino do conhecimento de Química deve ser impregnado de realidade, em uma concepção que destaque o papel social da Química por meio de contextualização social, política, filosófica, histórica e econômica, ou seja, deve apresentar informações que preparem os cidadãos a tratar responsavelmente as questões sociais (SANTOS; SCHNETZLER, 2000). Várias seções da coleção contemplam essa visão, embora, dependendo do trabalho pedagógico realizado, o nível de conexões, de “tessituras”, possa ser maior ou menor. É o caso das seções Conexões e Atividades presentes no livro do aluno e Temas de cidadania propostos no CAP.

Interdisciplinaridade Podemos pensar que a interdisciplinaridade nasce de um desejo de conhecer algum assunto de modo global, em oposição à especialização própria das disciplinas que estudam com profundidade aspectos desse conhecimento. No entanto, estamos trilhando o caminho do processo de construção de saberes interdisciplinares, no qual, em estágios mais simples, apenas justapomos conhecimentos disciplinares. Por exemplo, imagine que os alunos aprenderão sobre pilhas, tanto nas aulas de Física quanto nas de Química, no entanto, não se procurará estabelecer qualquer relação entre uma e outra disciplina que permita aos alunos e professores ampliar sua visão sobre sua própria disciplina e/ou sobre a relação dela com a outra (no caso, os termos mais usados para designar esse tipo de trabalho são multi ou pluridisciplinar). Imagine agora um trabalho em que os mesmos professores planejem uma série de atividades conjuntas, definam etapas, metodologia de pesquisa, etc. Durante o trabalho, os alunos trazem questões novas que, eventualmente, podem demandar pesquisa. Esses “imprevistos” trazem algo novo, e é possível que alunos e professores aprendam a divisar nessa oportunidade novas visões sobre o assunto e novas perspectivas de abordagem. Nesse caso, pode-se dizer que houve avanços no caminho da interdisciplinaridade (inter — que está entre as disciplinas). Interdisciplinaridade é a prática didática em que o conteúdo específico de cada disciplina não é propriedade reservada, exclusiva dela, pois esse mesmo conteúdo pode receber as Caderno de Apoio Pedagógico

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contribuições de outras disciplinas. O conceito de interdisciplinaridade está embutido no conceito de transversalidade, que se apresenta como um tratamento didático em que um tema penetra, atravessa e permeia a concepção de diferentes áreas, seus objetivos, conteúdos e orientações didáticas. Por essas razões, talvez seja mais apropriado dizer que uma atividade tem o caráter interdisciplinar, que uma pessoa tem uma postura interdisciplinar, e assim por diante. A interdisciplinaridade busca superar a fragmentação das disciplinas, sem desconsiderar a importância de cada uma delas. Os PCN destacam a importância da interdisciplinaridade para a construção de um conhecimento global, rompendo com a barreira das disciplinas, tornando-se uma ação efetiva no processo de ensino-aprendizagem. A Química é, por sua própria natureza, uma ciência multidisciplinar nos temas que aborda e nas atividades-problema que possui. Assim, torna-se necessário que o professor dessa disciplina planeje e desenvolva aulas com proposta interdisciplinar, que consiste numa tentativa de estimular o diálogo com outras formas de conhecimento, dando mais sentido ao estudo de Química, contrapondo ao isolamento histórico que as disciplinas apresentam. Quando ocorre a interdisciplinaridade, o aluno é despertado para a relação que existe com as várias disciplinas que ele estuda ou estudou e a conexão que existe entre o conhecimento do senso comum e o conhecimento científico, sendo o professor o principal sujeito dessa ação interdisciplinar. Tendo por base esses aspectos, podemos dizer que os livros desta coleção contêm várias atividades de caráter interdisciplinar, pois são justamente os projetos interdisciplinares que mais se prestam a revelar novos conhecimentos — como se vê pelas atividades sugeridas nas Orientações para o professor, em que os temas de cidadania são voltados para isso. No entanto, vale ressaltar que, ao realizar tais atividades, pode ser que nenhum conhecimento interdisciplinar seja produzido pelos alunos. Como, então, produzir conhecimentos interdisciplinares? Diante disso, é preciso dizer que a ação interdisciplinar implica uma série de necessidades e posturas, conforme Fazenda (2010), pesquisadora brasileira, pioneira no campo da interdisciplinaridade. As necessidades do presente e do futuro requerem mais do que especialização em um único campo do saber, pois demandam versatilidade, harmonizando formação especializada com saberes que requerem sólida cultura geral e grande capacidade de aprender (autoaprendizagem). Segundo a mesma concepção, a interdisciplinaridade consiste em metodologia de ensino, o que implica a postura de um educador que não fica fechado em seu campo de conhecimento, reconhecendo nos demais a possibilidade de aprender e interagir, o que inclui uma postura de humildade, reconhecendo-se um eterno estudante que pouco sabe, diante do imenso universo de conhecimentos que cresce diariamente de modo exponencial. Na interação com outros colegas professores, a integração pode se dar de modo recíproco, o que inclui objetivos, conceitos, conteúdos — temas de projeto com olhares disciplinares distintos —, metodologia, dados e formas de organização e sistematização de procedimentos.

Em um projeto interdisciplinar, é fundamental que haja a efetiva troca entre os especialistas, para que as disciplinas se integrem em um mesmo projeto, o que requer uma relação de reciprocidade, de interação entre os professores envolvidos. De acordo com Fazenda (1993), [...] a interdisciplinaridade depende então, basicamente, de uma mudança de atitude perante o problema do conhecimento, da substituição de uma concepção fragmentária pela unitária do ser humano. Uma prática interdisciplinar tem como ponto de partida e de chegada a ação e é por meio do diálogo que se estabelece entre as disciplinas e entre os sujeitos das ações que a interdisciplinaridade “devolve a identidade às disciplinas, fortalecendo-as” e evidenciando uma mudança de postura na prática pedagógica. Tal atitude embasa-se no reconhecimento da “provisoriedade do conhecimento”, no questionamento constante das próprias posições assumidas e dos procedimentos adotados, no respeito à individualidade e na abertura à investigação em busca da ampliação do conhecimento. Não se trata de propor a eliminação de disciplinas, mas sim da criação de movimentos que propiciem o estabelecimento de relações entre as mesmas, tendo como ponto de convergência a ação que se desenvolve num trabalho cooperativo e reflexivo. [...] O vício principal do currículo por disciplinas é reduzir o ensino à exposição oral dos conteúdos factuais e ao material informativo do livro didático, sem considerar o processo de investigação, os modos de pensar a que as disciplinas recorrem, a funcionalidade desses conteúdos para a análise de problemas e situações concretas e para a vida prática cotidiana. É daí que se postula uma atitude interdisciplinar que mobiliza o professor a transitar do geral ao particular e deste ao geral, do conhecimento integrado ao especializado e deste ao integrado, do território da disciplina às suas fronteiras e vice-versa. A atitude interdisciplinar requer uma mudança conceitual no pensamento e na prática docente, pois os alunos não conseguirão pensar interdisciplinarmente se o professor lhes oferecer um saber fragmentado e descontextualizado. Uma mudança de atitudes dos professores diante da rigidez da organização disciplinar implica compreender a prática da interdisciplinaridade em três sentidos: como atitude, como forma de organização administrativa e pedagógica, como prática curricular (Libâneo, 2007). Atitude interdisciplinar significa eliminar as barreiras entre as disciplinas e entre as pessoas, de modo que os professores envolvam-se em projetos comuns. Organização escolar interdisciplinar é um modo de efetivar a atitude interdisciplinar que se expressa na elaboração coletiva do projeto pedagógico e nas práticas de organização da escola. Como prática curricular, há muitas formas de viabilização: reunir disciplinas cujos conteúdos permitem tratamento pedagógico-didático interdisciplinar (por exemplo, em projetos específicos ligados a problemas sociais, às grandes questões atuais, a temas unificadores, etc.); formular, após levantamento de características da realidade local e da identificação de problemas mais significativos para o grupo

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de alunos, temas geradores que possibilitem a compreensão mais globalizante dessa realidade por meio da contribuição de várias disciplinas; desenvolver práticas de ensino não convencionais que ajudem os alunos a aprender a pensar, a ter maior flexibilidade de raciocínio; orientar o estudo de um assunto para abordá-lo em todos os seus aspectos, ligações, relações internas e externas, e fazer a ligação com os problemas sociais e cotidianos (Libâneo, 2007). Depois dessas considerações, talvez o professor esteja pensando: será que algumas das situações que foram descritas não caracterizam atividades interdisciplinares? Qual o limite que separa contextualização de interdisciplinaridade? Sá e Silva (2008), ao pesquisarem as concepções dos professores de Química, valeram-se desses dois conceitos. Segundo eles: [...] Na prática pedagógica, a interdisciplinaridade e a contextualização alimentam-se mutuamente, pois o tratamento das questões trazidas pelos temas sociais expõe as inter-relações entre os objetos de conhecimento, de forma que não é possível fazer um trabalho contextualizado tomando-se uma perspectiva disciplinar rígida. Ou seja, a busca de temas que propiciem um ensino contextualizado, no qual o aluno possa vivenciar e aprender com a integração de diferentes disciplinas, pode possibilitar ao aluno a compreensão tanto dos processos químicos em si, quanto de um conhecimento sem fronteiras disciplinares.

História da Ciência A presença da História da Ciência numa obra didática serve a vários objetivos. Entre os mais importantes está a possibilidade de aproximar conhecimento científico da história da humanidade. Trata-se de uma forma de fazer com que os alunos compreendam que a Ciência é uma construção humana, um conjunto de conhecimentos que se inserem em um processo histórico, em estreita relação com as condições sociopolíticas, culturais e econômicas de um determinado período histórico. Esse aspecto é explicitado, logo na abertura da parte específica da Química, nos PCN+ (BRASIL, 2002, p. 87): A Química pode ser um instrumento da formação humana que amplia os horizontes culturais e a autonomia no exercício da cidadania, se o conhecimento químico for promovido como um dos meios de interpretar o mundo e intervir na realidade, se for apresentado como ciência, com seus conceitos, métodos e linguagens próprios, e como construção histórica, relacionada ao desenvolvimento tecnológico e aos muitos aspectos da vida em sociedade. Outro ponto importante é o de contribuir para que os alunos percebam o dinamismo da Ciência, constatando que há certa provisoriedade de conceitos e modelos. É objetivo também mostrar que o conhecimento científico atual resulta da produção intelectual de muitas gerações de pesquisadores. Também é muito importante evidenciar o papel da comunidade científica na aceitação de novas teorias; essa resistência em aceitar mudanças foi muitas vezes acentuada

em função do contexto socioeconômico e cultural, um outro aspecto que deve ser contemplado. Na interpretação do mundo através das ferramentas da Química, é essencial que se explicite seu caráter dinâmico. Assim, o conhecimento químico não deve ser entendido como um conjunto de conhecimentos isolados, prontos e acabados, mas sim uma construção da mente humana, em contínua mudança. A História da Química, como parte do conhecimento socialmente produzido, deve permear todo o ensino de Química, possibilitando ao aluno a compreensão do processo de elaboração desse conhecimento, com seus avanços, erros e conflitos. (BRASIL, 1999, p. 31) Em algumas oportunidades, os aspectos históricos do conhecimento científico foram relacionados com suas repercussões no desenvolvimento de tecnologias e de suas aplicações em diversos campos da vida humana, sendo algumas vezes analisadas as formas pelas quais as sociedades se valeram dessas inovações. Vale lembrar que, muitas vezes, o conhecimento químico e das ciências, de modo geral, é confundido com o uso que a humanidade faz dele. Por isso, é importante o professor ficar atento, propondo questionamentos que conscientizem os alunos para o fato de as ciências e as tecnologias que delas decorrem serem sujeitas a muitas influências, merecendo constante avaliação de caráter ético. Por exemplo, foram governos e pessoas que, em determinado contexto, decidiram lançar uma bomba em Hiroxima — e não a Física; analogamente, o uso de armas químicas em guerras (como nas mundiais e na do Vietnã) foi consequência de decisões de grupos de pessoas e não da Química. Resta-nos fazer um esclarecimento importante. Não basta justapor ciência e história para que se obtenha História da Ciência. Esta é um campo de estudo institucionalizado há quase um século, cujas pesquisas, ancoradas na análise de documentos, explicitam interações de aspectos epistemológicos, historiográficos, sócio-históricos e culturais nos processos de elaboração, transmissão e transformação de conceitos científicos (Alfonso-Goldfarb & Ferraz, 2009). Assim definida, não se concebe que uma pesquisa em História da Ciência seja exclusivamente internalista ou exclusivamente externalista (Canguilhem, 2012). Por se tratar de uma obra didática, adotamos predominantemente uma perspectiva internalista ao tratar de aspectos históricos da Química. Essa perspectiva evidencia nitidamente para o aluno o fato de que uma ciência como a Química se constrói pela contribuição de inúmeras gerações de pesquisadores. Recorremos à perspectiva externalista com menos frequência, e o fazemos geralmente quando é possível associar fundamentadamente algum evento científico com uma circunstância histórica. É o caso, por exemplo, da seção Viagem no tempo do Volume 2 (capítulo 8) em que tratamos da influência da Primeira Guerra Mundial para a conquista da produção industrial de amônia pela Alemanha. Mesmo em casos desse tipo, porém, os processos químicos envolvidos são explicados com algum detalhamento. Além dos aspectos comentados anteriormente, a seção Viagem no tempo contempla também a relação entre ciência e ética. Caderno de Apoio Pedagógico

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O uso das Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs)

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Embora muitos de nós, professores, estejamos ainda pouco acostumados a usar muitos dos recursos pedagógicos viáveis com os avanços tecnológicos, esses recursos despertam grande interesse nos alunos, mesmo os que têm pouco acesso a computadores. Portanto, levando-se em conta o papel de integração de várias mídias e de interatividade, que são importantes como recurso de aprendizagem, é possível constatar que o uso das TICs pode motivar a aprendizagem dos jovens. Além disso, não há outras ferramentas de aprendizagem que conjuguem recursos tais como interatividade (fóruns, chats, etc.), a possibilidade de pesquisar em várias mídias, de organizar registros, de simular o mundo invisível de moléculas e átomos, como os computadores podem fazer. Entretanto, é fundamental que o uso das TICs seja bem planejado e orientado pelo professor, para que se torne um recurso eficiente no processo de aprendizagem. Muitos programas apenas transpõem para o computador aquilo que poderíamos fazer usando livros e lousa; outros infantilizam os adolescentes, criando resistência da parte deles. Ambas são formas de exploração limitadas frente ao potencial que a tecnologia oferece. Essas são questões que merecem atenção, permanente pesquisa e análise criteriosa por parte dos educadores diante dos objetivos que pretendem atingir: que os alunos sejam capazes de selecionar informações, analisar vídeos, imagens, textos, elaborar conceitos usando simulações, compartilhar ideias, entre tantas outros. Com a crescente inserção das tecnologias de informação no ensino, ocorrida nos últimos anos, constata-se que, se bem usadas, elas podem ser grandes aliadas do processo de ensino-aprendizagem. A utilização no ensino de softwares e de outras ferramentas tecnológicas é favorável para que o professor: integre a disciplina com outras áreas (interdisciplinaridade); recorra a informações para orientar os alunos quanto à escolha de sites, imagens, textos, vídeos, para o trabalho com projetos interdisciplinares e com temas geradores diversos (oriundos de eventos recentes, de problemas sociais e/ou ambientais propostos pelos alunos e/ou professor); auxilie o aluno no desenvolvimento do pensamento crítico e na proposição de soluções para muitos problemas. Um dos maiores desafios que o professor enfrenta é o de incorporar as tecnologias de informação (TI) em sua prática, o que, sem dúvida, exige uma mudança cultural no papel do professor e da escola. Isso pressupõe a valorização do papel do professor como orientador das atividades que podem ser feitas com o uso do computador, instruindo e supervisionando a aprendizagem dos alunos, ao mesmo tempo que alunos e comunidade possam entender que o professor não é o “detentor” do conhecimento, mas um orientador experiente que conhece mais a respeito do que ensina do que seus alunos, embora tenha sempre muito

a aprender. Assim, é essencial refletir sobre o papel da escola, fundamental no sentido de viabilizar ou impedir que a inovação, expressa por uma nova forma de ensinar, facilitada com o uso das TICs, incorpore-se à cultura escolar. Por isso, é importante combater a tendência ao isolamento e à fragmentação dos vários setores e das diversas tarefas que, como enfatizamos, costumam impregnar as instituições escolares. Segundo Valente (2003), a verdadeira função do aparato tecnológico não deve ser o ensino propriamente dito, mas sim a de criar condições de aprendizagem. Dessa forma, o professor não se restringe a um mero repassador de informação e passa a ser o facilitador do processo de aprendizagem do aluno. Mesmo que o professor esteja pouco familiarizado com o uso desse recurso, poderá começar por fazê-lo em algumas poucas atividades; sempre que possível, para ganhar confiança nesse uso, vale recorrer ao trabalho compartilhado com colegas de outras áreas, com alguma experiência na utilização pedagógica das TICs. O emprego de simulações em Química é particularmente instigante para os alunos, pois permite a realização de atividades interativas, propiciando, se bem utilizado, o avanço em relação à aprendizagem relativa ao mundo submicroscópico.

A experimentação A inclusão da experimentação no ensino de Química é justificada pela importância de seu papel investigativo e pedagógico de auxiliar o aluno no entendimento dos fenômenos e na construção dos conceitos. Para que os experimentos tenham importância no desenvolvimento cognitivo dos alunos é fundamental que eles integrem uma sequência didática (constituída de várias outras atividades) e que provoquem reflexões e discussões de ideias, norteando-os no sentido da compreensão de conceitos. Para Carvalho et al (1999), apud Suart, Marcondes, Carmo (2009), as atividades de caráter investigativo buscam uma questão problematizadora que, ao mesmo tempo, desperte a curiosidade e oriente a visão do aluno sobre as variáveis relevantes do fenômeno a ser estudado, fazendo com que eles levantem suas próprias hipóteses e proponham possíveis soluções. No caso dos livros desta coleção, os experimentos ocupam posições variáveis na sequência de cada capítulo. Em alguns casos eles contribuem para que os alunos encontrem respostas a questões propostas no início do capítulo (na seção Para situá-lo), em outros, o experimento se inicia com uma questão que será esclarecida com as reflexões a respeito das observações realizadas. Em diversos casos, o experimento proposto antecede explicações teóricas, de modo que, por ter certo caráter investigativo, permite aos alunos atingir habilidades cognitivas de nível mais alto (Suart; Marcondes; Carmo, 2009). No entanto, fica a critério do professor, diante da estratégia adotada e da motivação dos alunos, a opção por utilizá-lo no momento que julgar mais oportuno. Na seção Química: prática e reflexão, a sugestão é que os experimentos sejam feitos em grupos (o ideal é que

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tenham, no máximo, cinco alunos). Isso porque, mais importante que a própria manipulação de materiais e coleta de observações, é a troca de opiniões, a cooperação entre os elementos do grupo em busca de explicações. Por essa razão, no caso de experimentos que demandem drogas de laboratório, há sugestões que constam das Orientações para o professor, a fim de que eles sejam realizados de modo demonstrativo, sem que, no entanto, se perca a oportunidade de discutir com a classe as hipóteses explicativas propostas pelos alunos. Isso também pode ser feito com vídeos de experimentos obtidos na internet ou até mesmo com a análise de dados ligados à descrição de experimentos. Ou seja, as atividades experimentais, além de permitirem a aquisição de habilidades relativas à manipulação de materiais, têm a função pedagógica de “propiciar oportunidade para que os alunos elaborem hipóteses, testem-nas, organizem os resultados obtidos, reflitam sobre o significado de resultados esperados e, sobretudo, o dos inesperados e usem as conclusões para a construção do conceito pretendido.” (PCN+, 2002, p. 52).

Material para os experimentos e segurança É bom lembrar que a utilização de aulas com demonstrações constitui-se em importante instrumento para despertar o interesse dos estudantes pelo fenômeno exibido e que algumas atividades que envolvem experimentos não precisam de salas especiais, podendo ocorrer em salas de aulas regulares quando a escolar apresenta problemas estruturais, como a falta de um laboratório, sempre privilegiando a segurança dos alunos. Também é necessário considerar a hipótese de o professor não contar com recursos e drogas de laboratório; nesses casos, para a realização dos experimentos propostos nos livros-texto, são necessários apenas materiais caseiros e/ou comprados em farmácias, supermercados, casas de materiais de construção, etc. No caso de haver dificuldade de comprar alguns materiais no comércio local, é possível adquiri-los via internet. Tanto na realização de experimentos em sala de aula quanto no laboratório — e, neste último caso, isso se torna mais importante —, é fundamental que o professor favoreça um ambiente de responsabilidade pela segurança de todos, propiciando que os alunos entendam que a falta de seriedade pode causar riscos. Investigações reforçam as já conhecidas constatações de que demonstrações em ciências podem se constituir em cenários que priorizam aspectos emocionais dos estudantes, potencializando-os para aprender conceitos. As aulas com demonstrações objetivam a transposição dos limites frios do ensino formal, descritivo e axiomático, em direção a um cenário rico em estímulo e interativo. As observações iniciais têm indicado que os estudantes participantes deste ensino apresentam maiores interesses na busca de explicações e dos significados subjacentes aos fenômenos demonstrados. Os principais elementos presentes nas demonstrações costumam ser: o inesperado, o

curioso, o desafio a ser vencido, a quebra e/ou substituição de paradigmas, o inacreditável, o mágico/lúdico e o previsível (Saad, 2005). A realização de experimentos geralmente desperta nos estudantes um maior interesse pelo estudo de Ciências. É importante associar o “saber fazer” com o “explorar/ compreender” os fenômenos ou princípios científicos (Saad, 2005). No caso de o professor usar drogas de laboratório para a realização de experimentos, valem algumas recomendações: ▸ Use todas as substâncias na menor quantidade possível.

Procure armazenar sobras de reagentes para posterior reutilização em outros experimentos. Evite desperdícios.

▸ Siga as normas de segurança. Mantendo o cuidado, os

acidentes são raríssimos!

▸ De início, considere todas as substâncias químicas uti-

lizadas nos experimentos como sendo potencialmente tóxicas e venenosas. Em caso de dúvida, antes de realizá-los, procure em sites confiáveis, como o da Cetesb, por exemplo, maneiras adequadas de armazenamento e descarte, as incompatibilidades entre substâncias, informando-se sobre as medidas de segurança necessárias para todas as substâncias envolvidas no experimento.

▸ Conheça bem a localização de extintores de incêndios,

verificando em que casos eles possam ser úteis. A água, por exemplo, não é igualmente eficaz para extinguir incêndios provocados por diferentes substâncias químicas.

▸ Em caso de acidentes, procure atendimento médico.

Sem orientação médica, não administre à vítima medicamentos ou outras substâncias, mesmo que você acredite que elas façam bem. Leve a vítima a local ventilado. Em linhas gerais (normalmente), o que se deve fazer é: ▸ Não induzir vômitos; remover roupas e sapatos que

tenham sido atingidos por reagentes.

▸ Enxaguar continuamente com bastante água e sabão

a região da pele afetada.

▸ No caso de contato com os olhos, manter as pálpebras

abertas e enxaguar com bastante água, por cerca de 15 minutos, pelo menos.

▸ Nunca coloque sabão e outras substâncias detergen-

tes nos olhos.

▸ Agentes oxidantes podem explodir por ocasião de uma

batida ou de exposição a calor, chama ou atrito. Também podem agir como fonte de iniciação para explosões de pó ou de vapor. O contato com substâncias oxidáveis pode causar combustão violenta.

▸ Não se provocam aquecimentos em sistemas fechados.

O aumento da pressão interna, causada pelo aquecimento, pode fazer com que os componentes do sistema se rompam com violência.

▸ Durante os experimentos, se necessário, sempre verta

ácidos ou bases sobre a água e não o contrário. Na página seguinte, estão alguns símbolos internacionais que serão usados para classificar as substâncias que requerem maior cuidado de quem as manipula. Caderno de Apoio Pedagógico

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Xn ou XOi

FT ou ou F+ T+

Xn ou Xi

F ou F+ E

C O

Xn ou Xi Xn ou Xi

N F ou F+ O

F ou F+

Nocivo ou Irritante O Xn ou XiO

Corrosivo

C Facilmente ou extremamente T ou T+ inflamável

T ou T+

Oxidante N C T ou T+

Tóxico ou muito tóxico NE

F Tou ouF+T+

F ou F+

Explosivo E

Risco ao meio ambiente

A avaliação A ideia de avaliação escolar, predominante em nossa cultura, é a associada a resultados “finais” da aprendizagem N de um aluno, seja de um período do ano escolar (bimestre, trimestre) seja de todo o ano (ou ciclo); esses resultados são mais frequentemente usados para decidir se um aluno pode ser promovido para o ano seguinte, se deve ficar em recuperação (geralmente limitada ao final de um ano letivo), ou se deve ser reprovado. Há décadas, trabalhos de pesquisadores que estudam a questão (Luckesi, 1998; Hoffmann, 1994, 1995) apontam que o que mais se pratica na escola, como se fosse avaliação, é a simples verificação da aprendizagem, um processo estático, sem que qualquer ação no sentido de auxiliar o aluno a progredir em seu processo de aprendizagem seja tomada. Para esclarecer essa diferença, Luckesi faz uma analogia entre a concepção escolar mais comum de “avaliação” — na verdade, verificação, porque habitualmente fica restrita à atribuição de uma nota a um aluno — e a simples medida da temperatura de uma pessoa; no caso, se após a constatação da febre, não se tomar qualquer providência para a realização de um diagnóstico e posterior tratamento médico adequado, do que terá valido essa medida de temperatura? A analogia pretende evidenciar que a avaliação é processo que pressupõe a possibilidade de o professor realizar adequações em seu próprio planejamento didático quando as dificuldades forem da maior parte dos alunos e/ou para orientar ações que possam auxiliar grupos de alunos com dificuldades de aprendizagem. Muitas vezes, para que se consiga reverter situações mais complexas, é fundamental a ação conjunta da equipe de professores e/ou da escola como um todo — o que implica a necessidade de caminharmos para mudanças na cultura escolar que avalia o aluno de forma fragmentada. A avaliação é um instrumento fundamental para obter informações sobre o andamento do processo de ensino-aprendizagem, ou seja, deve ser compreendida como um meio de orientação do processo. Isso porque é uma das principais formas pela qual se pode reconhecer a validade do método didático-pedagógico adotado pelo professor. O processo em que o professor avalia e realiza correções de rota em seu planejamento é parte de uma das competências que, segundo Perrenoud (2000, p. 30-36), quem ensina deve possuir. Uma autoavaliação por parte do docente, subsidiada pelo pedido de avaliação anônima de seu trabalho pelos alunos, em conjunto com o estabelecimento de compromissos entre

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Xn ou Xi

professor resultados costumam ajudar E e alunos por melhores T ou T+ E o professor a replanejar o trabalho e a atingir esses objetivos. T ou T+ E Além do processo de avaliação promovido pelo professor, é de fundamental importância que o aluno realize pelo menos uma autoavaliação bimestral. O objetivo desse instrumento de avaliação é verificar a visão que o aluno tem de si mesmo, como pensa seu processo de aprendizagem e se consegue estabelecer estratégias para avançar nos conteúdos. Essas concepções de avaliação estão em consonância com os PCNEM: (Brasil, 1999, p. 53) A avaliação pode assumir um caráter eminentemente formativo, favorecedor do progresso pessoal e da autonomia do aluno, integrada ao processo ensino-aprendizagem, para permitir ao aluno consciência de seu próprio caminhar em relação ao conhecimento e permitir ao professor controlar e melhorar a sua prática pedagógica [...]. Para que a avaliação cumpra esse caráter formativo, é imprescindível articulá-la às competências e habilidades pelas quais se orienta o processo de ensino-aprendizagem. Algumas sugestões feitas na Parte Específica deste CAP constituem elementos úteis a fim de auxiliar o professor a encontrar caminhos para efetivar essa prática de avaliação formativa. A avaliação pode ser aplicada em diferentes momentos do ensino: ▸▸ Avaliação inicial — para que o professor adapte seu curso

às necessidades dos estudantes, tendo em vista os conceitos que eles já possuem (conhecimentos prévios). Em boa parte, essa avaliação pode ser feita a partir da participação oral ou escrita das respostas às questões que constam das seções Para situá-lo, no início de cada capítulo.

▸▸ Avaliação ao longo do processo — permite detectar obs-

táculos que os alunos encontram durante o processo e serve para reorientar o trabalho. No início ou final das aulas, podem ser feitas pequenas avaliações com base em discussões realizadas, em tarefas de casa e em atividades experimentais como elementos dessa avaliação. Tais avaliações também possibilitam uma melhor percepção sobre quais aspectos devem ser reforçados no ensino, quais conteúdos e habilidades convêm privilegiar e quais assuntos podem ser aprofundados.

▸▸ Avaliação ao final do processo — permite identificar os

conhecimentos adquiridos e determinar a qualidade do processo de ensino. Nas Orientações para o professor referentes a cada ano também são sugeridas atividades que podem ser aproveitadas para a avaliação da aprendizagem em diferentes momentos do ensino. Alternativa bastante interessante para avaliação ao final de uma unidade é a representada por avaliações feitas com consulta. O material de consulta pode ser um trabalho de pesquisa e estudo que os alunos realizaram por algum tempo e sobre o qual o professor já discutiu e esclareceu os pontos em que se apresentavam dificuldade. É evidente que esse tipo de avaliação requer cuidado em sua elaboração, não devendo se restringir à simples busca de respostas no próprio material disponível. Se os alunos tiverem acesso aos computadores, o profes-

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sor também pode orientá-los a organizar portfólios, pastas em que eles deverão arquivar todas as suas avaliações e registrar suas autoavaliações; o que é muito interessante para que acompanhem o percurso de suas próprias aprendizagens.

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Conceitos estruturadores da disciplina: organização e recursos usados para que se integrem à estrutura cognitiva dos alunos Uma característica importante desta coleção é a retomada de conceitos-chave, estruturadores da disciplina, como os de substância, molécula, íon, mol, reação e equação químicas, entre outros, e das várias relações entre eles; esses conceitos aparecem em momentos e atividades variados, ao longo dos três volumes. O emprego da recursividade é defendido em trabalhos de pesquisa em ensino de Química (SIQUEIRA, 2011). Se para alguns alunos o domínio do conceito ocorre com certa facilidade, para muitos, apenas a volta a ele em etapas cognitivamente mais desenvolvidas e/ou em contextos diferentes é que os faz se assenhorarem deles. Além das retomadas de conceitos em contextos diferentes, na coleção também há exemplos de abordagens em que há ampliação gradativa do significado de alguns deles. É o caso, por exemplo, da estrutura da matéria — no volume 1, o texto limita-se a modelos atômicos mais simples e não se aprofunda em explicações sobre interações moleculares, já que o assunto envolve um grau de complexidade elevado para um aluno de 1º ano, do qual não se espera certos conhecimentos de Eletricidade — o que fica para o volume 3. Outro exemplo é o das reações de oxirredução, introduzidas no volume 1, que têm tratamento mais aprofundado no 2, onde elas são abordadas como parte integrante de geradores e receptores de energia elétrica, e, no volume 3,

CONCEITOS ESTRUTURADORES

como participantes das reações de oxirredução de compostos orgânicos; em todos os casos sempre há retomada e aprofundamento de conceitos inicialmente abordados. Serve também para ilustrar essa forma de organização dos conteúdos a que envolve os aspectos quantitativos da Química no livro 1. Nesse caso, levam-se em conta que às dificuldades próprias de aspectos abstratos da disciplina, acrescem-se os problemas decorrentes da falta de preparo da maioria dos alunos em relação a questões matemáticas envolvendo cálculos algébricos simples, elaboração de gráficos, e as transformações de informações obtidas a partir deles em texto escrito e vice-versa. Por exemplo, logo no início do volume 1, os alunos têm de lidar com aspectos quantitativos em diversas situações e contextos: ▸▸ no capítulo 2, no item “Leis ponderais das reações quími-

cas” em que se faz uma introdução ao cálculo estequiométrico associado ao modelo atômico de Dalton;

▸▸ no capítulo 3, ao abordar o conceito de densidade; ▸▸ no capítulo 9, no qual são introduzidos os conceitos de

mol, de uma primeira noção do conceito de concentração de um soluto em uma solução em g/L e mol/L (retomado no volume 2) e dos cálculos estequiométricos associados às reações químicas;

▸▸ no capítulo 12, volta-se ao estudo dos cálculos estequio-

métricos, nesse caso envolvendo reações com gases. Outros exemplos desse tipo constam da Parte Específica dos respectivos volumes em que são introduzidos. No caso de conceitos que, em geral, não representam grande dificuldade para a maioria dos alunos, eles aparecem no texto explicativo e em questões que remetem à retomada desses conceitos em uma nova situação. A tabela a seguir dá uma ideia da organização dos conceitos estruturadores nos livros da coleção.

UNIDADES LIVRO 1

LIVRO 2

LIVRO 3

Reconhecimento e caracterização das transformações químicas

1e3

1, 3 e 4

Modelos de constituição da matéria

1e2

1e4

Energia e transformação química

1e3

2, 3 e 4

3e4

1, 3 e 4

2e3

Temas de cidadania: – Água: uma questão atual – Energia e questões ambientais: uma visão abrangente

Temas de cidadania: – O consumidor: ciladas e direitos – O consumidor, o ambiente e a sustentabilidade

Temas de cidadania: – Energia nuclear × outras matrizes energéticas – Vivendo de maneira sustentável

Aspectos dinâmicos das transformações químicas Propriedades químicas das substâncias e dos materiais Relação entre ciência, tecnologia e sociedade (CTS)

Caderno de Apoio Pedagógico

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Flexibilidade no planejamento das sequências didáticas

Sabemos que os livros não são a “formatação de um curso”, mas sim devem ser apropriados a professores com diferentes concepções de ensino e a alunos de variados contextos socioeducativos. Por isso, não vimos necessidade de que o texto didático fosse abordado na mesma ordem em que consta dos livros-texto ou que todos os assuntos fossem abordados no mesmo nível de aprofundamento que as unidades e os capítulos sugerem. Assim, adotamos algumas referências que podem auxiliar o professor: ▸ Pressupostos — estão apontados na Parte Específica do

CAP no início das indicações para cada capítulo; trata-se dos conceitos que se supõem conhecidos pelos alunos para bem acompanhar esse capítulo. Isso permite ao professor fazer uma rápida consulta a esses itens para

planejar o uso do livro, da maneira que julgar mais interessante. O importante é que, de acordo com seus objetivos pedagógicos, o professor possa orientar o estudo dos alunos, favorecendo, com o tempo, o ganho de segurança e a autonomia intelectual. ▸ Conceitos e temas centrais do capítulo — estão indicados

no início de cada capítulo, deixando claros quais são aqueles que, a nosso ver, constituem os pontos essenciais do capítulo. Com isso, esperamos ajudar o professor a decidir, de acordo com o número de aulas de que dispõe, que tópicos poderão, eventualmente, ser deixados de lado, sem comprometer a aprendizagem dos conceitos estruturadores da disciplina e de suas relações com ciência, tecnologia sociedade (CTS).

▸ Dentro da seção Atividades, ou eventualmente isoladas,

às vezes aparecem questões comentadas. Através delas é apresentada uma forma de solucionar determinadas questões de forma mais detalhada.

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Estrutura da coleção e descrição das seções dos capítulos A coleção está dividida em três volumes, um para cada ano do Ensino Médio, compostos cada um de Livro do Aluno e Caderno de Apoio Pedagógico (CAP). Em cada um dos CAP constam dois temas de cidadania, cujos objetivos são expostos na Parte Específica. No primeiro volume são introduzidos conceitos básicos de Química Geral e estrutura da matéria, usualmente ministrados no primeiro ano do Ensino Médio. No entanto, a quantidade de informações é menor do que na maioria das obras destinadas ao Ensino Médio; isso porque nesse período os alunos estão se iniciando no estudo da Química, o que exige muita cautela, conforme explicitamos no início da Parte Específica do volume 1. O volume 2 é destinado à Físico-Química e o volume 3, basicamente, à Química Orgânica. No volume 3 também é abordada a radioatividade, no capítulo 1. No capítulo 2 são retomados aspectos da estrutura da matéria que foram iniciados no volume 1 e agora são ampliados, tratando então de geometria de moléculas e interações moleculares, temas que têm maior relevância no estudo da Química Orgânica. Entre os aspectos que caracterizam a concepção da coleção, podemos destacar: ▸ a recursividade — Conceitos básicos da Química são re-

tomados em níveis de dificuldade crescente ao longo da coleção;

▸ a presença de muitas atividades práticas ou teóricas que

antecedem as explicações teóricas de certos conteúdos, valorizando a reflexão sobre questões do cotidiano ou sobre aspectos quantitativos que, em determinado momento do curso, dispensariam a interferência do professor;

▸ a proposição de questões e leituras que favorecem a reto-

mada de conceitos e estimulam a pesquisa; muitas delas

possibilitam integrações com outras disciplinas ou áreas de estudo. Algumas fazem parte da seção Para situá-lo, que abre cada capítulo.

Texto didático — A comunicação com o aluno-leitor e a linguagem da Química O texto didático foi escrito tendo como foco os alunos, ou seja, o objetivo é o de que a linguagem seja acessível a eles. Pretendemos com isso reduzir ao mínimo a necessidade de o professor focar o seu trabalho em “traduzir” os textos explicativos. Desse modo, os livros se constituem em material de estudo e de trabalho. Quanto à linguagem da Química, leva-se em conta que ela é marcada por representações e símbolos importantes para a comunicação científica, o que significa para os alunos iniciantes nesse estudo dificuldades para compreender e se apropriar dessa linguagem, uma vez que não é adotada fora do contexto de sua sala de aula. Nesta coleção, procuramos, tanto no desenvolvimento do conteúdo como nas diversas atividades propostas, ajudar o aluno a desenvolver competências e habilidades de leitura e compreensão de símbolos e fórmulas em seus diferentes usos (equações químicas, gráficos, esquemas e figuras), favorecendo o desenvolvimento das capacidades de compreender e empregar a linguagem utilizada na Química.

Para situá-lo Seção em que se procura estabelecer relações entre o tema do capítulo e situações do cotidiano, com assuntos que o aluno provavelmente conhece. Em todas elas há questões que podem servir para um levantamento dos conhecimentos prévios dos alunos. Em algumas ocasiões, esta seção articula-se também com assuntos relacionados ao mundo do trabalho.

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Atividades Esta seção contempla atividades de tipologia variada: ▸ Atividades destinadas à verificação da aprendizagem de

conceitos e de procedimentos de cálculo, ao desenvolvimento de habilidades como seleção de informações, organização do raciocínio e interpretação de informações quantitativas a respeito de substâncias e transformações. As questões procuram seguir a sequência teórica abordada no capítulo com nível de dificuldade crescente.

▸ Atividades que exploram a transformação de linguagens

(equações químicas, gráficos, esquemas e figuras).

▸ Atividades de pesquisa. ▸ Atividades relativas à construção e interpretação de

gráficos.

▸ Resumos e produções de texto. O objetivo dessas ativida-

des é fazer com que os alunos desenvolvam as habilidades de resumir e redigir, muitas vezes relegadas a segundo plano nos cursos de Ciências Naturais. Além disso, expressar uma ideia ou um conceito, por escrito, favorece o exercício do vocabulário necessária para fazê-lo de forma clara e para que, assim, esses conhecimentos ganhem novas significações.

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▸ Atividades com textos da mídia. Estas atividades recor-

rem ao noticiário para desenvolver aspectos relativos à cidadania, à consciência ambiental, a princípios éticos, além dos voltados à comunicação e expressão. O uso do noticiário permite que o aluno desenvolva o hábito de avaliar criticamente as informações da mídia e de verificar se, no material em análise, há ou não impropriedade conceitual. Esse tipo de atividade contribui para suscitar nos alunos a busca por notícias que envolvam temas já estudados. Atualmente, o uso desse tipo de recurso pode ser bastante ampliado, a critério do professor, mesmo em realidades nas quais os alunos não tenham acesso a jornais e revistas, com o uso da internet (por meio de sites de busca). Essas buscas constituem um meio para que muitos conceitos e princípios científicos sejam contextualizados; com isso, ampliam-se as oportunidades para que os alunos deem a esses conhecimentos novas significações. Por exemplo, quando o aluno detecta o uso de termos ou explicações pouco adequadas ou incorretas e volta a redigir o material, eliminando imprecisões, além do desenvolvimento de aspectos relativos à compreensão e à comunicação, sentindo-se capaz de “corrigir” um profissional que elaborou o texto, ganha em confiança e autoestima, fundamentais para alimentar o desejo de aprender; além disso, dessa forma, pode dar-se conta da importância de um conhecimento científico básico para o bom exercício profissional; esse efeito é mais expressivo do que se o livro didático ou professor destacarem a relevância dessa formação para o pleno exercício da cidadania. No caso de os alunos se mobilizarem, trazendo notícias para a sala de aula, o professor poderá organizar um painel com esse material, mantendo-se atento para a possibilidade de, a partir dele, organizar atividades. Por exemplo, no caso de os alunos trazerem notícias sobre ameaças à saúde de residentes em áreas de risco (contendo metais pesados, compostos orgânicos clorados, ou depósitos de metano de-

corrente de lixo orgânico, etc.) ou de trabalhadores expostos a contaminações dessa natureza ou a condições de trabalho inadequadas, o professor, se possível, com a colaboração de profissionais de outras áreas do conhecimento, poderá organizar pesquisas sobre o histórico de ocupação da área, sobre legislação de proteção aos trabalhadores e muitas outras. Caso o noticiário se refira ao estado ou à cidade em que o aluno vive, os resultados do trabalho serão mais significativos, especialmente se os alunos forem a campo, entrevistando as pessoas e fotografando o local, por exemplo. De todo modo, é sempre importante que o professor auxilie seus alunos a fazer e registrar sínteses de suas observações e reflexões. Vale destacar que, dependendo do encaminhamento didático, a atividade ganha o caráter de contextualização e de interdisciplinaridade.

Química: prática e reflexão A aprendizagem de muitos conteúdos adquire um real significado quando eles são abordados primeiramente a partir de fatos observáveis, para depois se chegar às conceituações e representações abstratas, tão importantes na Química. A execução de experimentos em grupo ajuda a desenvolver o sentido de trabalho cooperativo, em equipe, e motiva a comunicação entre os elementos do grupo. Por isso, sugere-se que, sempre que possível, a atividade coletiva seja priorizada. Consideramos fundamental, também, que haja uma integração entre os aspectos teóricos e práticos, sem a qual as aulas práticas podem perder aquilo que elas têm de mais importante: fazer com que o aluno vivencie uma parte essencial da metodologia de trabalho das ciências experimentais.

Conexões Nesta seção são trabalhados aspectos que relacionam a Química com várias áreas, como saúde, esportes, ambiente e seres vivos, entre outras. Essa variedade contribui para ampliar o universo cultural dos alunos e possibilita relacionar situações de outras áreas com conceitos desenvolvidos nesta coleção. Em muitos casos, as questões sugeridas e o próprio tema permitem atividades interdisciplinares.

Viagem no tempo Seção dedicada à História da Química. Pretende contribuir para que os alunos percebam o dinamismo da Ciência, constatando que há certa provisoriedade de conceitos e modelos. É objetivo também mostrar que o conhecimento científico atual resulta da produção intelectual de muitas gerações de pesquisadores. Em certos casos, a seção evidencia também o papel da comunidade científica na aceitação de novas teorias; essa resistência em aceitar mudanças foi muitas vezes acentuada em função do contexto socioeconômico e cultural.

Testando seus conhecimentos Conjunto de questões de exames vestibulares provenientes de diversas regiões do país.

Temas de cidadania (somente nos CAPs) De acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio, a articulação entre conhecimentos da Química Caderno de Apoio Pedagógico

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e as aplicações tecnológicas, suas implicações ambientais, sociais, políticas e econômicas, pode contribuir para a promoção de uma cultura científica que permita o exercício da participação social no julgamento, com fundamentos, dos conhecimentos difundidos pelas diversas fontes de informação e na capacidade de tomada de decisões, seja individualmente ou como membro de um grupo social (Brasil, 1999). Assim sendo, em cada volume da coleção, no respectivo CAP, há temas de cidadania que tratam de assuntos contemporâneos. Para analisar e refletir sobre as questões que eles abordam, a Química é apenas um entre vários campos do conhecimento que podem ser utilizados. Trata-se, portanto, de material que permite variadas abordagens de caráter interdisciplinar, algumas delas sugeridas na Parte Específica do CAP. Eles privilegiam

questões voltadas ao exercício da cidadania, com enfoque na sustentabilidade, como as que envolvem a água, a produção de energia, o consumismo e suas consequências para o planeta. Esses temas têm mais o objetivo de despertar o interesse dos alunos para o estudo dessas questões do que o de forçar um esgotamento do assunto. Na verdade, os assuntos abordados nos temas de cidadania de cada volume perpassam vários capítulos dos três livros desta coleção. Além disso, eles abrem espaço para o trabalho com projetos, nos quais os alunos possam estabelecer conexões do assunto com o seu contexto. Vários temas poderiam cumprir essa função e, com base na realidade mais próxima dos alunos, bem como nos acontecimentos noticiados em jornais e revistas, o professor poderá identificar outros igualmente importantes para cumprir as mesmas finalidades.

Quadros de conteúdos dos volumes Volume 1 Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química

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Capítulos

Principais conceitos

1. Química: que ciência é essa?

• Os objetos de estudo da Química • Aplicações do conhecimento químico e suas consequências • Transformações dos materiais • Misturar, dissolver, reagir

2. Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

• Desenvolvimento da Química • Lei da conservação da massa • Lei das proporções definidas • Teoria atômica de Dalton

3. Substâncias e misturas

• Diferenças entre substância e mistura • Densidade • Substâncias e critérios de pureza • Substâncias simples e compostas • Representação de elementos e substâncias • Alotropia • Processos de separação de misturas • Dissolver, diluir, concentrar

Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria Capítulos

Principais conceitos

4. Estrutura atômica: conceitos fundamentais

• Modelos atômicos (Dalton, Thomson, Rutherford-Bohr) e sua elaboração • Elétrons, prótons, nêutrons e íons • Elemento químico e símbolo • Noções de distribuição dos elétrons no átomo • Número atômico e número de massa • Isótopos e isóbaros

5. Classificação periódica dos elementos químicos

• Elaboração da Tabela Periódica • A Tabela Periódica atual • Propriedade periódica • Metais e não metais • Relação entre número atômico e posição na tabela • Ligação metálica

6. Ligações químicas: uma primeira abordagem

• Regra do octeto • Ligação covalente • Ligação iônica • Fórmula química – estrutural e de Lewis • Eletronegatividade, ligações e compostos polares (noção) • Propriedades de compostos iônicos e moleculares

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Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Capítulos

Principais conceitos

7. Ácidos, bases e sais

• Função química: ácidos, bases e sais • Dissociação • Teoria de Arrhenius • Neutralização • pH (noções) • Ácidos, base e sais (nomenclatura e formulação)

8. Reações químicas: estudo qualitativo

• Equação química • Coeficiente de acerto e método das tentativas • Reações de síntese e análise • Reações entre ácidos, bases e sais (dupla-troca)

9. Cálculos químicos: uma iniciação

• Mol • Massa molar • Quantidade de matéria • Concentração: g/L e mol/L • Cálculos envolvendo reações • Reagente limitante

10. Reações de oxirredução

• Oxidação e redução • Número de oxidação • Reações de oxirredução • Agente redutor e agente oxidante • Reatividade dos metais • Balanceamento de equações de oxirredução

11. Óxidos

• Óxidos: conceito e relevância • Óxidos ácidos, bases, peróxidos • Reações envolvendo óxidos importantes

Unidade 4 – Estado gasoso Capítulo

Principais conceitos

12. Gases: importância e propriedades gerais

• Gases: importância no cotidiano e nos conhecimentos sobre a estrutura da matéria • Princípio de Avogadro • Volume molar de um gás • As transformações gasosas e a equação de estado de um gás • Cálculos estequiométricos envolvendo gases • Densidade de um gás: variação com T e P • Densidade relativa de dois gases • Misturas gasosas e o conceito de pressão parcial • Teoria cinética dos gases • Gases usados em balões • O ar e as trocas gasosas nos pulmões

Volume 2 Unidade 1 – Soluções Capítulos

Principais conceitos

1. Soluções e dispersões coloidais: aspectos básicos

• Tipos de solução • A solubilidade e os fatores que interferem nela • Dispersões coloidais

2. Unidades de concentração

• Interpretação das várias formas de exprimir concentração • Concentração: mol/L, g/L, % (em massa), ppm (em massa, em volume e em massa 3 volume) Caderno de Apoio Pedagógico

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3. Concentração das soluções que participam de uma reação química

• Titulação de uma solução • Concentração das soluções de reagentes e de produtos antes e depois de uma reação química • Importância da titulação em vários contextos

4. Propriedades coligativas

• Pressão de vapor • Efeitos da adição de um soluto em um solvente • Pressão osmótica • Usos dessas propriedades em tecnologias de conservação de alimentos e na medicina • Propriedades coligativas e interpretação de processos naturais, inclusive fisiológicos

Unidade 2 – Reação química e calor Capítulo

5. Termoquímica

Principais conceitos

• Reações exotérmicas e endotérmicas • Calor envolvido em transformações à pressão constante (variação de entalpia) • Equação termoquímica e suas interpretações, incluindo sua representação gráfica • Calor de formação e de combustão • Fontes de energia em nossa vida

Unidade 3 – Princípios da reatividade Capítulos

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6. Cinética Química

7. Equilíbrios químicos

8. Acidez e basicidade em meio aquoso

9. Solubilidade: equilíbrios heterogêneos

Principais conceitos

• Taxa (velocidade) de reação • Teoria das colisões • Energia de ativação • Temperatura, concentração dos reagentes, catalisadores, área de contato entre reagentes, recursos que alteram o tempo gasto para a obtenção dos produtos de uma reação • Aplicação desses conceitos no cotidiano: cuidados com a saúde, conservação de medicamentos e alimentos, enzimas, implosões, catálises automotivas, entre outros • Equilíbrios químicos: significado e propriedades • Constante de equilíbrio: conceito, expressão matemática • Temperatura, pressão, concentração e situação de equilíbrio • Princípio de Le Chatelier • Pressão ambiente e equilíbrio sanguíneo; síntese da amônia: importância industrial, histórica e socioeconômica — aspectos éticos • Ácidos e bases: equilíbrios de ionização • Produto iônico da água • pH • Soluções salinas e pH • A relação entre acidez e digestão estomacal • Solubilidade em g/L e mol/L • Produto de solubilidade • Solubilidade na presença de íon comum • Emprego de compostos pouco solúveis em radiografias de contraste • Formações calcárias em cavernas e rodolitos e as ameaças a elas

Unidade 4 – Reação química e eletricidade Capítulos

Principais conceitos

10. Pilhas e baterias

• Oxirredução e funcionamento de pilhas e baterias • “Voltagem” de uma pilha • Oxirreduções que nos ajudam e nos atrapalham

11. Transformação química por ação da eletricidade e cálculos eletroquímicos

• Oxirredução e funcionamento da eletrólise • Polos em eletrólise e em pilhas • Eletrólise em fase líquida e em soluções • A eletrólise em nossa vida • Relações entre carga elétrica envolvida em um processo de oxirredução e massas das substâncias envolvidas

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Volume 3 Unidade 1 – Radioatividade e reações nucleares Capítulo 1. Estudo da radioatividade, suas aplicações e implicações ambientais

Principais conceitos • Formas de radiação • Conceito de meia-vida • Fissão nuclear e fusão nuclear • Aplicações da radioatividade e suas consequências

Unidade 2 – Fundamentos da Química Orgânica

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Capítulos

Principais conceitos

2. Fundamentos da Química Orgânica

• Origem e significado atual da Química Orgânica • Características e representações dos compostos orgânicos • Algumas propriedades dos compostos de carbono

3. Petróleo, gás natural e carvão: fontes de hidrocarbonetos

• As bases da nomenclatura orgânica • Hidrocarbonetos: representação, nomenclatura, propriedades e aplicações • As principais fontes de hidrocarbonetos

4. Funções orgânicas oxigenadas

• Nomenclatura, características e aplicações de álcoois, aldeídos, éteres, ácidos carboxílicos, cetonas, ésteres e fenóis

5. Funções nitrogenadas, halogenadas e sulfuradas

• Nomenclatura, características e aplicações das principais funções nitrogenadas, halogenadas e sulfuradas

6. Isomeria

• Isomeria plana • Isomeria cis-trans • Isomeria óptica

Unidade 3 – Reações orgânicas Capítulos

Principais conceitos

7. Reações de adição e substituição • Principais reações de adição, como hidrogenação, halogenação e hidratação • Principais reações de substituição, como nitração, sulfonação e halogenação 8. Outras reações orgânicas

• Reações de eliminação • Reações de neutralização • Reações de esterificação • Reações de oxirredução

9. Polímeros: obtenção, usos e implicações

• Classificação, características e aplicações dos polímeros • Reações de polimerização • Reciclagem de plásticos

Unidade 4 – Química e alimentos Capítulo 10. Nutrição e principais nutrientes

Principais conceitos • As diferenças químicas entre os macronutrientes • Os papéis que alguns nutrientes desempenham em nosso organismo

Sugestões de leitura para os professores Formação do professor

Geral (didática, ética, currículo, entre outros) ACEVEDO DÍAZ et al. Natureza de la Ciencia y Educación Científica para la participación ciudadana: una revision crítica. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias. v. 2, n. 2, 2005. Disponível em: <www.redalyc.org/ pdf/920/92020201.pdf>. Acesso em: 9 jun. 2016.

ALVES, R. A alegria de ensinar. São Paulo: Poética, 1994. ______. Estórias de quem gosta de ensinar. São Paulo: Cortez, 1988. 108 p. ALFONSO-GOLDFARB, A. M.; FERRAZ, M. H. M. Enredos, nós e outras calosidades em história da ciência. In: GOLDFARB, J. L.; FERRAZ, M. H. M.; WAISSE, S. (Org.). Centenário Simão Mathias: documentos, métodos e identidade da história da Caderno de Apoio Pedagógico

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ciência. São Paulo: PUC-SP, 2009. APOSTEL, Leo, (Org.) Interdisciplinariedad: Problemas de la Enseñanza y la Investigación en las Universidades. México: Asociación Nacional de Universidades e Institutos de Enseñanza Superior, 1979. AQUINO, J. G. Autoridade e autonomia na escola: alternativas teóricas e práticas. São Paulo: Summus, 1999. ______. Confrontos na sala de aula: uma leitura institucional da relação professor aluno. São Paulo: Summus, 1996. 160 p. BAZARRA, L.; CASANOVA, O.; UGARTE, J. G. Ser professor y dirigir professores en tiempos de cambio. Madrid: Narcea, 2004. 180 p. BRANDÃO, Z. A crise dos paradigmas e a educação. São Paulo: Cortez, 1994. 104 p. CADERNOS UNESCO Brasil. Ensino Médio no século XXI. Brasília: Unesco, 2003. 78 p. CALLIGARIS, C. A adolescência. São Paulo: Publifolha, 2000. CANGUILHEM, G. Estudos de História e de Filosofia das Ciências concernentes aos vivos e à vida. Trad. Abner Chiquieri. Rio de Janeiro: Forense, 2012. COMO CRIAR MAPAS CONCEITUAIS utilizando o CmapTools. Universidade Luterana do Brasil (Ulbra), Guaíba. Disponível em: <www.ufpel.edu.br/lpd/ferramentas/cmaptools.pdf>. DEBUS, A. G. Man and Nature in the Renaissance. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1978. FARBER, P. The Transformation of Natural History in the Nineteenth Century. Journal of the History of Biology 15 (1982), 145-52. FULLAN, M.; HARGREAVES, A. A escola como organização aprendente: buscando uma educação de qualidade. Porto Alegre: Artmed, 2000. 136 p. GARDNER, H. Inteligências múltiplas: a teoria na prática. Porto Alegre: Artes Médicas, 1995. 257 p. GUERRA, M. A. S. La escuela que aprende. Madrid: Morata, 2001. 126 p. HOLTON, G. The Scientific Imagination: Case Studies. Cambridge, MA: Cambridge University Press, 1978. 111-51. IMBERNÓN, F. Formação docente e profissional. Formar-se para a mudança e a incerteza. São Paulo: Cortez, 2000. 119 p. ______. Formação continuada de professores. Porto Alegre: Artmed, 2010. JAPIASSU, H. Desistir de pensar? Nem pensar!: criando o sentido da vida num mundo funcional e instrumental. São Paulo: Letras e Letras, 2001. 254 p. KUHN, T. S. A tensão essencial. Trad. Rui Pacheco. Lisboa: Edições 70, s.d. KUPFER, M. C. Freud e a educação: o mestre do impossível. São Paulo: Scipione, 1989. 103 p. MACHADO, N. J. Cidadania e educação. São Paulo: Escrituras, 1997. 189 p. ______. Educação: projetos e valores. São Paulo: Escrituras, 1999. 155 p. MORAN, J. M.; MASETTO, M. T.; BEHRENS, M. A. Novas tecnologias e mediação pedagógica. Campinas: Papirus, 2000. MOREIRA, M. A. Mapas conceituais e aprendizagem significativa. Disponível em: <www.if.ufrgs.br/~moreira/mapasport. pdf>. Acesso em: 27 maio 2016.

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Textos teóricos para o professor A seguir, apresentamos dois artigos para leitura do professor: no primeiro, o autor questiona a ideia de que desenvolver competências significa abandonar os saberes; o segundo artigo procura levantar questões sobre o conhecimento químico, traçando para a alquimia considerações não usuais. Construir compêtencias é virar as costas aos saberes?

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Philippe Perrenoud Inúmeros países orientam-se para a redação de “bases de competências” associadas às principais etapas da escolaridade. No decorrer dos anos noventa, a noção de competência inspirou uma reescritura mais ou menos radical dos programas no Québec, na França e na Bélgica. Na Suíça romanda, a questão começa a ser debatida, porque a revisão dos planos de estudos coordenados está na ordem do dia e, simultaneamente, porque a evolução para os ciclos de aprendizagem exige a definição de objetivos-núcleos ou de objetivos de final de ciclo, frequentemente concebidos em termos de competências. Àqueles que pretendem que a escola deva desenvolver competências, os céticos opõem uma objeção clássica: isso não ocorre em detrimento dos saberes? Não se corre o risco de reduzi-los ao mínimo, ao passo que a missão da escola é primeiramente instruir, transmitir conhecimentos? Essa oposição entre saberes e competências tem fundamento e é, ao mesmo tempo, injustificada: • tem fundamento, porque não se pode desenvolver competências na escola sem limitar o tempo destinado à pura assimilação de saberes, nem sem questionar sua organização em disciplinas fechadas; • é injustificada porque a maioria das competências mobiliza certos saberes, ou seja, desenvolver competências não implica virar as costas aos saberes, ao contrário. O verdadeiro debate deveria se dar sobre as finalidades prioritárias da escola e sobre os equilíbrios a serem respeitados na redação e na operacionalização dos programas. Não há competências sem saberes

Para alguns, a noção de competência remete a práticas do cotidiano, que mobilizam apenas saberes de senso comum, saberes de experiência. Disso concluem que desenvolver competências desde a escola prejudicaria a aquisição dos saberes disciplinares que ela tem a vocação de transmitir. Tal caricatura da noção de competência permite a ironia fácil de dizer que não se vai à escola para aprender a fazer um anúncio classificado, escolher um roteiro de férias, diagnosticar uma rubéola, preencher o formulário do imposto de renda, compreender um contrato, redigir uma carta, fazer palavras cruzadas ou calcular um orçamento familiar. Ou então para obter informações por telefone, encontrar o caminho numa cidade, repintar a cozinha, consertar uma bicicleta ou descobrir como utilizar uma moeda estrangeira. Pode-se responder que se trata aqui de habilidades comuns que devem ser distinguidas das verdadeiras competências. Essa argumentação não seria muito sólida: não se pode reservar as habilidades ao cotidiano e as competências às tarefas nobres. O uso habitua-nos certamente a falar de habilidades para designar habilidades concretas, ao passo que a noção de competência parece mais ampla e mais

“intelectual”. Na realidade, refere-se ao domínio prático de um tipo de tarefas e de situações. Não tentemos reabilitar a noção de competência reservando-a às tarefas mais nobres. Recusemos ao mesmo tempo o amálgama entre competências e tarefas práticas: • Digamos primeiramente que as competências requeridas na vida cotidiana não são desprezíveis, pois uma parte dos adultos, mesmo entre aqueles que seguiram uma escolaridade básica completa, permanece bem despreparada diante das tecnologias e das regras presentes na vida cotidiana. Dessa forma, sem limitar o papel da escola a aprendizagens tão triviais, pode-se perguntar: de que adianta escolarizar um indivíduo durante 10 a 15 anos de sua vida se ele continua despreparado diante de um contrato de seguro ou de uma bula farmacêutica? • As competências elementares evocadas não deixam de ter relação com os programas escolares e com os saberes disciplinares: elas exigem noções e conhecimentos de matemática, geografia, biologia, física, economia, psicologia; supõem um domínio da língua e das operações matemáticas básicas; apelam para uma forma de cultura geral que também se adquire na escola. Mesmo quando a escolaridade não é organizada para desenvolver tais competências, ela permite a apropriação de alguns dos conhecimentos necessários. Uma parte das competências que se desenvolve fora da escola apela para saberes escolares básicos (a noção de mapa, de moeda, de ângulo, de juro, de jornal, de roteiro, etc.) e para as habilidades fundamentais (ler, escrever, contar). Não há, portanto, contradição obrigatória entre os programas escolares e as competências mais simples. • Enfim, estas últimas não esgotam a gama das competências humanas; a noção de competências remete a situações nas quais é preciso tomar decisões e resolver problemas. Por que limitaríamos as decisões e os problemas, ou à esfera profissional, ou à vida cotidiana? As competências são necessárias para escolher a melhor tradução de um texto em latim, levantar e resolver um problema com o auxílio de um sistema de equações com várias incógnitas, verificar o princípio de Arquimedes, cultivar uma bactéria, identificar as premissas de uma revolução ou calcular a data do próximo eclipse solar. Uma competência mobiliza saberes

Em resumo, é mais fecundo descrever e organizar a diversidade das competências do que debater para estabelecer uma distinção entre habilidades e competências. Decidir se temperar um prato, apresentar condolências, reler um texto ou organizar uma festa são habilidades ou competências teria sentido se isso remetesse a funcionamentos mentais muito diferentes. Mas não acontece dessa maneira. Concreta ou abstrata, comum ou especializada, de acesso fácil ou difícil, uma competência permite afrontar regular e adequadamente uma família de tarefas e de situações, apelando para noções,

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conhecimentos, informações, procedimentos, métodos, técnicas ou ainda a outras competências, mais específicas. Le Boterf (1994) compara a competência a um “saber-mobilizar”:

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Possuir conhecimentos ou capacidades não significa ser competente. Pode-se conhecer técnicas ou regras de gestão contábil e não saber aplicá-las no momento oportuno. Pode-se conhecer o direito comercial e redigir contratos mal escritos. Todos os dias, a experiência mostra que pessoas que possuem conhecimentos ou capacidades não sabem mobilizá-los de modo pertinente e no momento oportuno, em uma situação de trabalho. A atualização daquilo que se sabe em um contexto singular (marcado por relações de trabalho, por uma cultura institucional, por eventualidades, imposições temporais, recursos…) é reveladora da “passagem” à competência. Esta realiza-se na ação (Le Boterf, 1994, p. 16 [De la compétence. Essai sur un attracteur étrange, Paris, Les Editions d’organisation]). Se a competência manifesta-se na ação, não é inventada na hora: • se faltam os recursos a mobilizar, não há competência; • se os recursos estão presentes, mas não são mobilizados em tempo útil e conscientemente, então, na prática, é como se eles não existissem. Frequentemente evoca-se a transferência de conhecimentos para ressaltar que não se opera muito bem: determinado estudante, que dominava uma teoria na prova, revela-se incapaz de utilizá-la na prática, porque jamais foi treinado para fazê-lo. Hoje em dia sabe-se que a transferência de conhecimentos não é automática, adquire-se por meio do exercício e de uma prática reflexiva, em situações que possibilitam mobilizar saberes, transpô-los, combiná-los, inventar uma estratégia original a partir de recursos que não a contêm e não a ditam. A mobilização exerce-se em situações complexas, que obrigam a estabelecer o problema antes de resolvê-lo, a determinar os conhecimentos pertinentes, a reorganizá-los em função da situação, a extrapolar ou preencher as lacunas. Entre conhecer a noção de juros e compreender a evolução da taxa hipotecária, há uma grande diferença. Os exercícios escolares clássicos permitem a consolidação da noção e dos algoritmos de cálculo. Eles não trabalham a transferência. Para ir nesse sentido, seria necessário colocar-se em situações complexas como obrigações, hipotecas, empréstimo, leasing. Não adianta colocar essas palavras nos dados de um problema de matemática para que essas noções sejam compreendidas, ainda menos para que a mobilização dos conhecimentos seja exercida. Entre saber o que é um vírus e proteger-se conscientemente das doenças virais, a diferença não é menor. Do mesmo modo que entre conhecer as leis da física e construir uma barca, fazer um modelo reduzido voar, isolar uma casa ou instalar corretamente um interruptor. A transferência é igualmente falha quando se trata de enfrentar situações em que importa compreender a problemática de um voto (por exemplo, sobre a engenharia genética, a questão nuclear, o déficit orçamentário ou as normas de poluição), ou de uma decisão financeira ou jurídica (por exemplo, em matéria de naturalização, regime

matrimonial, fiscalização, poupança, herança, aumento de aluguel, acesso à propriedade, etc.). Às vezes, faltam os conhecimentos básicos, principalmente no campo do direito ou da economia. Frequentemente, as noções fundamentais foram estudadas na escola, mas fora de qualquer contexto. Permanecem então “letras mortas”, tais como capitais imobilizados por não se saber investir neles conscientemente. É por essa razão, e não por recusa aos saberes, que convém desenvolver competências a partir da escola, ou seja, relacionar constantemente os saberes e sua operacionalização em situações complexas. Isso vale tanto para cada disciplina quanto para sua inter-relação. Ora, isso não é evidente. A escolaridade funciona baseada numa espécie de “divisão do trabalho”: à escola cabe fornecer os recursos (saberes e habilidades básicos), à vida ou às habilitações profissionais cabe desenvolver competências. Essa divisão do trabalho repousa sobre uma ficção. A maioria dos conhecimentos acumulados na escola permanece inútil na vida cotidiana, não porque careça de pertinência, mas porque os alunos não treinaram para utilizá-los em situações concretas. A escola sempre almejou que seus ensinamentos fossem úteis, mas frequentemente acontece-lhe de perder de vista essa ambição global, de se deixar levar por uma lógica de adição de saberes, levantando a hipótese otimista de que elas acabarão por servir a alguma coisa. Desenvolver competências desde a escola não é uma moda nova, mas um retorno às origens, às razões de ser da instituição escolar. Que competências privilegiar?

Se acreditamos que a formação de competências não é evidente e que depende em parte da escolaridade básica, resta decidir quais ela deveria desenvolver prioritariamente. Ninguém pretende que todo saber deve ser aprendido na escola. Uma boa parte dos saberes humanos é adquirida por outras vias. Por que seria diferente com as competências? Dizer que cabe à escola desenvolver competências não significa confiar-lhe o monopólio disso. Quais ela deve privilegiar? Aquelas que mobilizam fortemente os saberes escolares e disciplinares tradicionais, dirão imediatamente aqueles que querem que nada mude, salvo as aparências. Se os programas preveem o estudo da lei de Ohm, eles proporão acrescentar um verbo de ação (“saber servir-se conscientemente da lei de Ohm”) para definir uma competência. Para ir além do passe de mágica, é indispensável explorar as relações entre competências e programas escolares atuais. Uma parte dos saberes disciplinares ensinados na escola fora de qualquer contexto de ação será, sem dúvida, no final das contas, mobilizada por competências. Ou, mais exatamente, ela servirá de base a aprofundamentos determinados no âmbito de certas formações profissionais. O piloto ampliará seus conhecimentos geográficos e tecnológicos; a enfermeira, seus conhecimentos biológicos; o técnico, seus conhecimentos físicos; a laboratorista, seus conhecimentos químicos; o guia, seus conhecimentos históricos; o administrador, seus conhecimentos comerciais, etc. Da mesma maneira, professores e pesquisadores desenvolverão conhecimentos na disciplina que escolheram ensinar ou desenvolver. As lín-

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guas e as matemáticas serão úteis em inúmeras profissões. Pode-se então dizer que as competências são um horizonte, sobretudo para aqueles que se orientarem para profissões científicas e técnicas, servirem-se das línguas em sua profissão ou fizerem pesquisa. Muito bem, mas fora desses usos profissionais limitados a uma ou duas disciplinas básicas, às matemáticas e às línguas, de que lhes servirão os outros conhecimentos acumulados durante sua escolaridade, se não aprenderam a utilizá-los para resolver problemas? Pode-se responder que a escola é um lugar onde todos acumulam os conhecimentos de que alguns necessitarão mais tarde, em função de sua orientação. Para contrabalançar, evocar-se-á a cultura geral da qual ninguém deve ser excluído e a necessidade de oferecer a cada um chances de se tornar engenheiro, médico ou historiador. Em nome dessa “abertura”, condena-se a maioria a adquirir saberes “a perder de vista”, “para se um dia…”. Em si, isso não seria dramático, ainda que o preço desse acúmulo de saberes fossem anos de vida passados nos bancos de uma escola. O incômodo é que, assimilando intensivamente tantos saberes, não se tem tempo de aprender a servir-se deles, e futuramente ter-se-á necessidade disso na vida cotidiana, familiar, associativa, política. Assim, aqueles que tiverem estudado biologia na escola obrigatória ficarão expostos à transmissão da Aids; aqueles que estudaram física sem ir além da escola continuarão sem compreender as tecnologias que os cercam; aqueles que estudaram geografia ainda terão dificuldade para ler um mapa ou para localizar o Afeganistão; aqueles que aprenderam geometria não saberão desenhar um plano em escala; aqueles que passaram horas aprendendo línguas continuarão incapazes de indicar o caminho a um turista estrangeiro. O acúmulo de saberes descontextualizados não serve realmente senão àqueles que tiverem o privilégio de aprofundá-los durante longos estudos ou uma formação profissional, contextualizando alguns deles e se exercitando para utilizá-los na resolução de problemas e na tomada de decisões. É essa fatalidade que a abordagem por competências questiona, em nome dos interesses da grande maioria. Assumir o reverso da medalha

Toda escolha coerente tem seu reverso: o desenvolvimento de competências desde a escola implicaria uma diminuição dos programas nacionais, com vistas a liberar o tempo requerido para exercer a transferência e acarretar a mobilização dos saberes. Isso é grave? É realmente necessário que, na escola obrigatória, aprenda-se o máximo de matemática, de física, de biologia para que os programas pós-obrigatórios possam ir ainda mais longe? Diminuir programas e trabalhar um número mais limitado de noções disciplinares, para levar à sua operacionalização, não prejudicaria muito aqueles que fizeram estudos especializados nos domínios correspondentes, mas daria melhores chances a todos os outros. Não somente àqueles que deixarão a escola aos 15 anos, cujo número diminui nas sociedades desenvolvidas, mas àqueles que, com um doutorado em história, nada compreendem de energia nuclear, enquanto que os engenheiros de mesmo nível

permanecem igualmente perplexos diante das evoluções culturais e políticas do planeta. A questão é tão antiga quanto a escola: para quem são feitos os currículos? Como sempre, os favorecidos desejarão sê-lo ainda mais e dar a seus filhos, destinados aos estudos aprofundados, melhores chances na seleção. Infelizmente, isso será em detrimento daqueles para os quais a escola não desempenha hoje seu papel essencial: oferecer ferramentas para dominar a vida e compreender o mundo. Outras resistências se manifestam, vindas do interior. A abordagem por competências choca-se com a relação do saber de uma parcela dos professores, também sendo necessário considerar uma evolução sensível das pedagogias e dos modos de avaliação [...]. Construir competências desde o início da escolaridade não afasta — se ultrapassarmos os mal-entendidos e os julgamentos mordazes — das finalidades fundamentais da escola, bem ao contrário. Em compensação, isso passaria por uma transformação significativa de seu funcionamento. Dar-se-á nesse âmbito uma atenção prioritária àqueles que não aprendem sozinhos! Os jovens que fazem estudos aprofundados acumulam saberes e constroem competências. Não é para eles que se deve mudar a escola, mas para aqueles que, ainda hoje, dela saem desprovidos das numerosas competências indispensáveis para viver no final do século XX. A trilogia das habilidades — ler, escrever, contar —, que fundou a escolaridade obrigatória no século XIX não está mais à altura das exigências de nossa época. A abordagem por competências busca simplesmente atualizá-la. PERRENOUD, Philippe. Pátio – Revista Pedagógica, Porto Alegre, n. 11, nov. 1999. Disponível em: <http://www.unige.ch/fapse/SSE/teachers/perrenoud/ php_main/php_1999/1999_39.html>. Acesso em: 13 maio 2016.

Alquimiando a Química Attico I. Chassot Não é possível referir algo sobre o surgimento da química sem fazer uma breve referência às múltiplas tessituras da história da construção do conhecimento e a seus diversificados encadeamentos. A própria história da ciência não pode ser adequadamente observada sem se considerar, mesmo que panoramicamente, a história da filosofia, da educação, das religiões, das artes, das magias, e mesmo todas estas histórias na “história dos que não têm história”. Não há espaço suficiente neste artigo para discorrer amplamente sobre todos esses temas, por isso faremos apenas alguns comentários sobre essa maravilhosa história da construção do conhecimento. As origens da alquimia – e da própria química – perdem-se em tempos de que não temos registros, pois não podemos assumir como certidão de nascimento dessa ciência a publicação do Traité élémentaire de chimie, por Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794), em 1789, mesmo que com esse tratado a química tenha passado a ser considerada uma das ciências e que Lavoisier seja por muitos considerado o fundador da química. Mesmo se recuarmos mais um século, não podemos decretar o início da química a partir do epitáfio dado

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pelos ingleses a Robert Boyle (1627-1691): “o Pai da Química”. A busca de um ponto de partida para o conhecimento mostra-se uma investigação problemática e complexa – e provavelmente indefinida. Na magnífica história da construção do conhecimento, talvez pudéssemos incluir o momento em que um remotíssimo ancestral nosso (talvez ainda mais próximo do macaco que do homem) verificou que com uma vara poderia alcançar um fruto mais alto em uma árvore. Não há por que não considerar essa uma das primeiras conquistas no campo da física. Um galho de árvore ou um fêmur mostraram-se úteis para a defesa ou para empurrar uma prancha de madeira sobre as águas. O trabalho foi o passo decisivo para a transformação de nossos ancestrais, e a descoberta de ferramentas foi um momento-chave nessa transformação (Engels, 1973: 107-114). Logo se descobriu como operar melhorias nas ferramentas primitivas. Novos materiais foram descobertos: chifres, dentes, conchas, fibras vegetais, couro e cascas converteram-se em martelos, peneiras, arcos, agulhas, raspadores, trituradores. Começava a construção do arsenal tecnológico, e com esse início surgiu o fabrico de cordas e redes de fibras e um interminável aperfeiçoamento de novas tecnologias até os dias atuais. Ainda não eram, então, alteradas as propriedades da matéria (ou talvez possamos dizer que ainda não se realizavam reações químicas controladas). As descobertas prosseguiram. Os alimentos se estragavam, tinham seu sabor alterado ou se conservavam mais quando a eles se adicionavam outras substâncias. A descoberta do sal deve ter sido memorável: possibilitou, por exemplo, a magnífica oportunidade de armazenagem da caça farta para dias em que não houvesse possibilidade de busca de alimentos. Com o desenrolar da história, novas conquistas tiveram lugar: frutas secas começaram a ser guardadas por períodos longos, e seus sucos eram conservados, a maior parte das vezes transformados pela fermentação. Os predecessores dos químicos já andavam então sobre a terra. O domínio do fogo foi um dos primeiros conhecimentos ligados à química adquirido pelo homem primitivo. Era uma tarefa que provavelmente se lhe apresentava como algo muito perigoso e difícil, associada que era a seres ou forças sobre-humanas e, por conseguinte, ao culto místico e religioso. Parece indiscutível que dessa descoberta vieram importantes benefícios relacionados à melhoria da qualidade de vida. Assim, se fizermos recuar a história às origens do conhecimento químico, vamos encontrar em tempos imemoriais, nas mais diferentes civilizações, um grande número de tecnologias químicas, como as relacionadas com a alimentação (cocção, conservação com sal, produção de vinagre, vinho e cerveja); com a extração, produção e tratamento de metais; com a produção de esmalte e corantes; com o fabrico de utensílios de cerâmica, vidro, porcelana e metal; com a produção de pomadas, óleos aromáticos e venenos; com técnicas de mumificação; com a produção de materiais de construção como argamassa, tijolos, ladrilhos, etc. Na acumulação de conhecimentos por alguns líderes tribais — geralmente pessoas ligadas também às práticas do culto —, era particularmente significativo o aproveitamento

de recursos naturais (especialmente chás vegetais) para a cura de doenças. Valia então a metáfora que podemos usar hoje ao nos referirmos a nossos índios: “quando morre um pajé, é como uma enciclopédia que se queima”. Não procede a concepção reducionista da alquimia como práticas da Idade Média e do Renascimento que buscavam a transformação de metais menos nobres em ouro. Da mesma forma, não se pode simplificar dizendo que a transição da alquimia à química corresponde à ascensão da primeira em ciência. A alquimia, segundo algumas concepções, não pode ser considerada a origem da química, pois restringia-se mais a concepções filosóficas da vida. Na analogia da purificação dos metais, buscava-se uma maneira de viver, a purificação interior. Assim como permanecem dúvidas sobre o que de fato era (ou é) a alquimia, não parece possível definir quando se transformou na química — considerando-se as acepções mais usuais de uma e de outra. Muitos afirmam até que a química teria exterminado a alquimia ao tentar explicar algumas de sua práticas, tirando-lhe assim o caráter místico. Como em muitos momentos da história da humanidade, a alquimia está hoje muito presente, mais uma vez, nas discussões e questionamentos das pessoas. Podem ser feitas pelo menos três leituras da alquimia, decorrentes estas das diferentes representações sociais que se tem sobre a alquimia. Em outro texto (Chassot, 1994b), apresento de forma mais extensa as seguintes leituras possíveis: i) uma cética, que apresenta a alquimia como uma prática eivada de charlatanismo e destituída de qualquer significado científico, mas à qual se concedem, não sem um certo desprezo, algumas contribuições acidentais; ii) uma histórica, que faz uma releitura crítica de períodos mais distantes da história, em especial do medievo, contextualizando a alquimia e os alquimistas nesses períodos; iii) uma que admite um certo realismo fantástico, que não é sinônimo de fantasia, mas que tem muito de incrível ou ainda inexplicável. Nesta leitura não apenas se aceita como possível ter havido transmutações alquímicas, como também se colocam figuras singulares como Newton na galeria dos que operaram esses feitos. Poderia estender-me por várias páginas relatando experimentos através dos quais alquimistas alegam ter realizado aquilo que modernamente classificamos como transmutação de elementos. Sabemos que são as transmutações que ensejam que em moderníssimos laboratórios se sintetizem, por exemplo, os elementos localizados depois do urânio na Tabela Periódica. Se aceitarmos a hipótese de que vegetais e animais podem realizar transmutações, podemos também reconhecer como válida a hipótese de que outros já tenham conhecido os segredos das transmutações hoje feitas em alguns poucos centros de pesquisas nucleares. Aos céticos, que veem a impossibilidade disso nas enormes energias envolvidas no processo, apresento uma analogia. Um cofre pode ser aberto de duas maneiras: conhecendo-se o segredo ou por arrombamento. Todos sabemos as grandes diferenças de energia envolvidas em uma e outra situação. Hoje, a transmutação nuclear corresponde a uma violência contra um núcleo — é um arrombamento. Se forem válidas as hipóteses de que plantas e animais fazem transmutações, por que não aceitar

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que alquimistas conheceram o segredo de algumas transmutações — nada nos impede de trabalhar com hipóteses, mesmo que previamente qualificadas como absurdas, apenas para especulação. Reconheço, é claro, que essa afirmação é ainda impossível de ser aceita, dentro de nosso quadro atual de conhecimentos sobre energia. A pergunta que logo se impõe é: por que, se a ciência tem o conhecimento cumulativamente adquirido, esses segredos ou práticas dos alquimistas não chegaram até nós? Antes de apresentar hipóteses para tal, é preciso questionar a cumulatividade dos conhecimentos científicos. Determinadas culturas se desenvolvem orgânica e separadamente das demais, possuindo uma infância e atingindo depois um esplendor, numa idade adulta, para então sofrer uma decadência. Nesse caso, podemos admitir que os conhecimentos das mesmas, se não foram comunicados a outras culturas, podem ter estado, em diferentes momentos, mais ou menos avançados. As razões da não comunicação aparecem nas hipóteses mencionadas a seguir, na busca de uma explicação para a “perda” dos segredos das transmutações alquímicas. 1. Dizimação por uma peste. A “peste negra”, por exemplo, “devastou o mundo ocidental de 1347 a 1351, matando de 25 a 50% da população da Europa e causando ou acelerando significativas mudanças políticas, econômicas, sociais e culturais” (Gottfried: 13). Ora, se considerarmos que muitas comunidades de alquimistas constituíam guetos afastados da cidade, para preservar seus segredos ou para se proteger de perseguições (ver hipótese 2), é fácil imaginar como grupos inteiros de alquimistas possam ter desaparecido — e com eles suas práticas, uma vez que estas, também para serem mantidas secretas, ou não eram escritas ou eram escritas em código. Esses códigos são inclusive uma explicação para a hermética linguagem química. 2. Forte influência da Igreja. Para proteger seus fiéis dos embusteiros, a Igreja proibiu as experiências de alquimia através de uma bula papal de João XXII, em 1317. Houve severa vigilância dos tribunais inquisitoriais sobre publicações de qualquer natureza, impedindo-se assim a disseminação do conhecimento não ortodoxo. 3. Destruição pela própria descoberta. O químico inglês Frederick Soddy defende esta hipótese, que parece muito provável. Devemos recordar que o mercúrio estava muito presente nas tentativas de transmutação, e o envenenamento por esse metal não pode ser descartado. Se aceitarmos a possibilidade de civilizações que conheceram a energia nuclear, é muito fácil aceitar que uma má aplicação as pudesse ter destruído. Recordemos apenas dois exemplos: Marie Slodowska Curie (1867-1934) teve revelado, com o exame de sua medula, o verdadeiro responsável por sua morte: o elemento rádio, que ela descobrira em 1898. Manuel de Abreu (1894-1962), médico brasileiro, inventor do registro radiográfico em filmes de 35 mm conhecido como Abreugrafia, teve lesões generalizadas nas mãos devido à radiação. 4. Poder econômico. É muito provável que fortes pressões econômicas tenham retardado e até impedido a divulgação de muitas descobertas. Basta imaginarmos o que significaria para os mercados mundiais se o grama do ouro, que hoje custa mais de dez dólares, passasse (devido a sua fácil fabricação)

a dez centavos... Aliás, vale sempre perguntar por que o ouro vale/custa tanto. Qual o seu valor de fato? Sabemos que hoje há muitos materiais muito valiosos que não são fabricados apenas por intervenção de grupos econômicos poderosos. Ainda uma interrogação: por que, imediatamente após seu anúncio, a fusão a frio1 foi repetida com anunciado sucesso em muitos outros laboratórios, para logo a seguir ser condenada como uma fusão a frio “fria”? Que interesses poderiam ter determinado essa reversão? Não poderia ser apenas porque seus descobridores eram de um estado pobre e marginalizado cientificamente, ou por que ela faria com que o preço do petróleo se reduzisse a valores insignificantes? 5. Inveja e conhecimento “científico”. Deter o monopólio do conhecimento sempre foi uma maneira de assegurar o poder. Podemos remontar aos povos primitivos e observar o que significava ter o fogo ou verificar nos dias atuais como uns poucos detêm informações privilegiadas subjugando milhões (e talvez possamos dizer sem exagero bilhões) de pessoas. Basta considerar que cinco grupos controlam as sementes dos cereais e plantas oleaginosas cultivados em todo o mundo. O impacto das biotecnologias no setor de sementes resulta, negativamente, na criação de mercados cativos (compra de sementes híbridas todo ano), na uniformização genética com consequente vulnerabilidade a doenças e predadores aumentada (acrescente-se que são as divisões sementeiras de firmas globais que também vendem os herbicidas “mata-tudo”), e no desaparecimento de um patrimônio genético diversificado [...]. O mesmo se pode dizer da dependência quase mundial de alguns poucos (três ou quatro) produtores de ovos e matrizes de aves para postura e corte. O que aconteceria a alguém, hoje, que descobrisse o código genético para produzir uma determinada raça de galinha comercializada por uma dessas empresas globais? O que poderia ter acontecido a alguém que soubesse fazer transmutações que tornassem o ouro desvalorizado? Hoje, muitas vezes nos perguntamos por que as lâminas de barbear oxidam com tanta facilidade; por que as lâmpadas queimam, por que os pneus se desgastam tão rapidamente... São problemas que a ciência já resolveu, mas interesses econômicos impedem que as soluções se tornem disponíveis aos consumidores, pois representariam perda de lucros para os fabricantes. Há ainda a possibilidade de aceitar para a alquimia a leitura que classifiquei como cética, e nesse caso teremos de nos contentar em aceitar a transição da alquimia medieva para a moderna química pós-lavoisierana; e a de buscarmos um sincretismo entre uma e outra [...] CHASSOT, Attico I. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 1, maio, 1995. CHASSOT, Attico I. A ciência através dos tempos. São Paulo: Moderna, 1994. ENGELS, F. El papel del trabajo en la transformación del mono en hombre. Buenos Aires: Editorial Ateneo, 1973. GOTTFRIED, R. S. La muerte negra: desastres en la Europa medieval. México: Fondo de Cultura Económica, 1989. HATHAWAY, D. Patentes, alimentos, nós mesmos. Tempo e Presença, ano 14, nov./dez., 1992, p.16-17. 1

Fusão do hidrogênio – como ocorre na bomba de hidrogênio – a partir de um processo eletrolítico, anunciado por Fleischmann e Pons na Universidade de Utah, EUA, em março de 1989.

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Orientações específicas para o trabalho com o volume 1 Introdução

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Neste primeiro volume da coleção, são introduzidos diversos conceitos científicos e, além deles, também são abordadas algumas questões relacionadas à ética, à cidadania, à consciência ecológica e a outros assuntos que não podem deixar de ser explorados quando se busca a formação de pessoas conscientes, críticas e atuantes em sociedade. Nas páginas a seguir, o professor encontrará sugestões de como trabalhar as unidades e os capítulos e considerações sobre aspectos que merecem atenção em cada unidade, em especial os que podem representar obstáculos para que os alunos compreendam certos conceitos. Além disso, apresentamos a relação de competências e habilidades que buscamos levar os alunos a desenvolver em cada unidade, que se baseia na matriz de referências e habilidades do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem). O professor encontrará ainda: ▸▸ as respostas de todas as questões do volume; ▸▸ orientações para desenvolver com os alunos dois Temas

de cidadania, atividades de caráter interdisciplinar sobre a água e sobre a relação entre energia e questões ambientais, que podem ser exploradas ao longo do ano (preferencialmente uma a cada semestre) e que exigirão dos estudantes planejamento, pesquisa, divisão de responsabilidades e trabalho colaborativo. A respeito dos capítulos, este Caderno de Apoio Pedagógico (CAP) apresenta: ▸▸ Principais conceitos desenvolvidos em cada capítulo:

relação de conceitos que, a nosso ver, devem ser privilegiados caso o professor tenha de selecionar alguns entre os que se encontram nos capítulos. ▸▸ Pressupostos: relação de assuntos tratados no capítulo

sobre os quais se espera que os alunos já tenham algum conhecimento; ela permitirá ao professor não se prender à sequência apresentada no livro e, de acordo com seu planejamento ou com o projeto pedagógico, utilizar uma ordem de capítulos diferente da que propusemos. ▸▸ Orientações pedagógicas: comentários sobre os conteú-

dos e sugestões de trabalho que o professor pode incorporar a sua prática pedagógica; trata-se de uma forma de auxiliá-lo na preparação das aulas. ▸▸ Atividades complementares: propostas de atividades in-

dividuais ou em grupo em que são reforçados e ampliados aspectos do tema estudado no capítulo. São sugeridos experimentos, debates, simulações e pesquisas, entre outras atividades. ▸▸ Recursos complementares: sugestões de vídeos, sites,

textos, simulações de experimentos que requerem materiais de laboratório ou o uso de drogas com relativo grau de periculosidade.

▸▸ Leituras, vídeos ou sites sugeridos: seleção que permi-

tirá ao professor avaliar diferentes formas de abordar alguns dos assuntos dos capítulos e analisar trabalhos de pesquisa realizados em ambiente acadêmico; o objetivo é contribuir para a formação continuada do professor e ajudá-lo a alargar sua compreensão sobre os obstáculos à aprendizagem.

Alfabetização científica no ensino de Química O início do curso de Química requer do professor atenção especial, uma vez que é no Ensino Médio que os alunos começam a alfabetizar-se nessa ciência, passando a ter de lidar com a simbologia e com todas as formas de representação que são próprias dela — sem contar as necessidades de abstração que a disciplina requer. Além de esse processo coincidir com uma fase importante da adolescência, também é nessa época que o jovem tem contato com outras disciplinas igualmente abstratas, como a Filosofia e a Física, entre outras. Evasão e repetência são mais comuns no início do Ensino Médio do que no final dessa etapa; por isso, guardadas as devidas proporções, podemos dizer que esse período requer dos professores uma atenção semelhante à necessária no processo de alfabetização em Língua Portuguesa, no início do Ensino Fundamental. O atuação do professor, seu empenho em tentar compreender as ideias que os alunos já têm sobre determinados fatos ou conceitos (conhecimentos prévios) e a linguagem que usam para expressá-las é fundamental. Nesse início, é de fato preciso ajudar os alunos a caminhar cuidadosamente no processo de aquisição dos conhecimentos básicos de Química. Para isso, o professor deve ficar atento à própria linguagem: não é incomum que, ao esclarecer dúvidas dos alunos ou ao dar explicações a toda a classe, ele use termos que os estudantes desconhecem. Esse cuidado vale principalmente para os termos científicos, que, embora possam estar conceitualmente corretos, às vezes nada dizem aos alunos. No primeiro ano, são desenvolvidos conceitos-chaves de Química, como os que envolvem as reações químicas, por exemplo, com ênfase nas que ocorrem no dia a dia e no sistema produtivo. São também abordados aspectos qualitativos do tema — como identificação de substâncias e modelos explicativos — e aspectos quantitativos — como mol, volume molar, cálculos estequiométricos, entre outros. Ao longo do volume, procuramos introduzir, ainda que de modo superficial, alguns fatos e conceitos bastante importantes e que serão aprofundados nos próximos anos do Ensino Médio — como é o caso das reações de combustão, de algumas formas de exprimir concentração de soluções, de fatores que influem na velocidade das reações. Caderno de Apoio Pedagógico

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Seleção de conteúdos Como dissemos, é importante ficar atento à velocidade com a qual os assuntos são tratados na fase inicial do Ensino Médio e avaliar se os alunos dispõem de mecanismos para superar os obstáculos envolvidos nessa fase da aprendizagem. É possível que, em alguns casos, torne-se indispensável privilegiar determinados assuntos e deixar de lado muitos dos que, ao longo de décadas, vêm sendo tratados no Ensino Médio. Para essa seleção dos conteúdos, o professor deve levar em conta o nível de desenvolvimento cognitivo dos alunos, o número de aulas semanais da disciplina, a realidade escolar, o projeto político-pedagógico da escola, a maior ou menor participação dos alunos em outras atividades. Para auxiliá-lo nessa tarefa, sugerimos que sejam priorizados os conceitos fundamentais elencados a seguir para o progresso na aprendizagem de Química. ▸▸ Reação química. ▸▸ Mudanças de estado. ▸▸ Propriedades que caracterizam uma substância: tem-

peratura de fusão, temperatura de ebulição, densidade.

▸▸ Métodos de separação de misturas — filtração, destilação,

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decantação — e seus usos.

▸▸ Modelos atômicos de Dalton, Thomson, Rutherford-Bohr

e a utilização deles na explicação de conceitos simples, tais como os de molécula, íon e substância.

▸▸ Conceitos de elemento químico, símbolo, número atô-

mico (Z) e número de massa (A).

▸▸ Conceitos de substância e de substância simples e

composta.

▸▸ Classificação periódica dos elementos: organização e

identificação dos principais grupos, dos metais e dos não metais.

▸▸ Ligações químicas e suas representações (casos mais

simples): iônicas, covalentes e metálicas.

▸▸ Eletrólitos e não eletrólitos; ácidos, bases, sais: formu-

lação e nomenclatura, com consulta à tabela de cátions e ânions; teoria de Arrhenius; condutibilidade elétrica: eletrólitos fortes e fracos.

▸▸ Representação de reações químicas: balanceamento

de equações químicas, interpretação de uma equação, escrita de uma equação a partir da descrição de processos; reações ácido-base e de precipitação; equação na forma iônica.

▸▸ Oxirredução: conceitos de oxidação, redução, agente oxi-

dante e redutor; número de oxidação; balanceamento de uma equação de oxirredução.

▸▸ Óxidos básicos e ácidos. ▸▸ Mol e massa molar. ▸▸ Gases: princípio de Avogadro, volume molar, equação

geral dos gases.

▸▸ Cálculo estequiométrico envolvendo massas, quantidade

de matéria (em mol), quantidade de moléculas, volumes de substâncias no estado gasoso.

▸▸ Soluções e a expressão da concentração em g/L e mol/L.

Ainda hoje se encontram professores e coordenadores que desenvolvem esses e outros assuntos de forma inacessível aos alunos, com a justificativa de atender às demandas de exames de seleção para universidades. Entretanto, já há algum tempo a maior parte das universidades não adota questões que exigem memorização de detalhes. As universidades federais, em particular, adotaram o Enem (2009) como forma de minimizar a exigência de memorização descontextualizada e excluíram de suas provas detalhes desse tipo. Isso reflete uma tendência que se iniciou no final da década de 1980, com a programação e o estilo de provas adotados pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp-SP). Essa instituição foi pioneira quanto à mudança na concepção de exames vestibulares, valorizando aspectos ligados à capacidade de raciocinar, de relacionar informações, de interpretar dados, entre outros, em detrimento da valorização da memória. Tal postura tem ganhado espaço em outras instituições e tende a se ampliar por todo o país, à medida que a matriz de referência do Enem, que norteia a seleção dos aspectos a serem enfatizados nesse exame, vai sendo divulgada e conhecida. De acordo com essa visão, nesta coleção alguns assuntos tradicionalmente estudados no Ensino Médio foram eliminados ou tiveram sua importância minimizada, postura coerente com os objetivos educacionais atuais. No entanto, quando se pretende tratar de temas complexos para alunos do Ensino Médio, a sequência dos conteúdos e o nível cognitivo requerido em cada ano letivo podem fazer a diferença, conforme explicitamos adiante, ao mencionar algumas abordagens adotadas na coleção. Ao longo deste volume, também procuramos introduzir alguns conceitos importantes para nossa vida que serão aprofundados nos próximos anos do Ensino Médio, como as reações de combustão mais significativas no contexto atual, os combustíveis mais importantes, algumas formas de exprimir concentração e alguns fatores que influem na velocidade de reação.

A iniciação química e a questão da memorização Conforme já dissemos, consideramos absolutamente desnecessário que, ao iniciar o curso de Química, o adolescente memorize a tabela de cátions e ânions, a classificação periódica, as séries de reatividade, etc. A memorização dos símbolos químicos, dos elementos de algumas famílias da Tabela Periódica e das fórmulas das substâncias mais utilizadas no curso básico de Química ocorre naturalmente, à medida que os alunos consultam tabelas com diversas informações durante a resolução de questões teóricas ou práticas que surgem ao longo do trabalho. Esse tipo de procedimento não impede que, a critério do professor, após algum tempo de curso, sejam solicitadas de memória as fórmulas das substâncias mais importantes. De qualquer modo, não há sentido em pretender que os alunos memorizem mais que uma dúzia de íons para aprender os conceitos básicos de Química do Ensino Médio. Por isso, no texto, as referências às substâncias são feitas usando seus nomes e suas fórmulas.

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A adoção desses critérios favorece que o foco do trabalho seja dirigido ao que é mais importante: a compreensão e a utilização de conceitos da Química e de uma nova linguagem, altamente abstrata. Espera-se também evitar que os alunos criem uma imagem equivocada dessa ciência, o que, infelizmente, costuma acontecer com muita frequência: a de que se trata de uma disciplina impossível de aprender se não se contar com boa memória. Vale lembrar ao colega que muitas gerações de brasileiros que estudaram Química no antigo colegial associam-na imediatamente a frases e músicas, de gosto duvidoso, usadas para decorar elementos de grupos da Tabela Periódica ou fórmulas para resolver problemas. A questão que se coloca é: será que tais alunos construíram conhecimentos químicos ou apenas aprenderam a usar recursos lúdicos para a memorização de curto prazo? Será que eles foram estimulados a desenvolver habilidades e competências úteis para seu desenvolvimento cognitivo?

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A estrutura da matéria e os modelos No estudo da Química, são importantes os modelos de explicação e representação do mundo invisível, bastante abstratos para um adolescente. Tradicionalmente, a preocupação com o nível de abstração requerido na aprendizagem da Química não tem sido objeto de preocupação de autores e professores de Química. Assim, logo no primeiro ano do Ensino Médio (para não se falar no nono ano do Ensino Fundamental), “esgotam-se” assuntos tão complexos e abstratos como modelos atômicos, incluindo o orbital, as interações moleculares e as ligações de hidrogênio. Eles são desenvolvidos sem levar em conta que os alunos não têm conhecimentos consolidados de Física e sem considerar o longo percurso histórico das pesquisas e teorias que levaram à criação desses modelos. Assim, tornou-se prática comum que, em apenas um pequeno número de aulas, jovens vejam desfilar à sua frente desde concepções dos gregos sobre a matéria até o modelo orbital. Pensamos que, dessa forma, os alunos perdem a oportunidade de perceber que o conhecimento científico é uma criação cultural inserida em certo período histórico e que o conhecimento químico atual é produto do trabalho de inúmeros cientistas, aspectos muito mais formativos, para qualquer cidadão, do que a simples memorização de modelos atômicos. Vale destacar também que essa orientação dominante é discrepante das disposições presentes em documento oficial: [...] um entendimento amplo da transformação química envolve também a busca de explicações para os fatos estudados, recorrendo-se a interpretações conforme modelos explicativos microscópicos. Nessa fase inicial, não se pode pretender esgotar tal assunto, procurando-se apresentar as ideias menos complexas acerca da estrutura atômica e ligação química e que são suficientes para dar conta dos fatos macroscópicos que se quer explicar. [...] BRASIL. Ministério da Educação. Secretaria de Educação Básica. Parâmetros curriculares nacionais do Ensino Médio: Ciências da Natureza, Matemática e suas tecnologias. Brasília: MEC/SEB, 1999.

Nossa abordagem Pelas razões expostas, no capítulo 4 deste primeiro volume, são introduzidos os modelos atômicos de Dalton, Thomson e Rutherford-Bohr, suficientes para que outros conceitos básicos (íon, molécula, fórmula, representação das equações, entre outros) sejam desenvolvidos. O mesmo vale para o estudo das propriedades periódicas, desenvolvido no capítulo 5, que se limita a poucas delas, as mais facilmente compreendidas por um jovem que se inicia no estudo da Química. Quanto às ligações químicas, vale esclarecer que, no volume 1, não são abordados aspectos como geometria e polaridade de moléculas, interações moleculares, assuntos que serão tratados no volume 3, visto que ganham importância para o estudo da Química Orgânica. Alguns assuntos usualmente contemplados no estudo da estrutura da matéria, como modelo orbital e subníveis de energia, não são abordados nos livros desta coleção, entre outras razões, dada a necessidade de compreensão de conceitos de Física moderna, complexos para um aluno iniciante que desconhece até mesmo conceitos da Física clássica.

Esclarecimentos sobre a sequência adotada na unidade 3

Acreditamos que cabe uma explicação quanto à sequência adotada para os capítulos dessa unidade. Tradicionalmente, quando se estudam as funções químicas, são apresentados ácidos, bases, sais e óxidos, exatamente nessa ordem. Embora tenhamos tratado no capítulo 7 dos conceitos de ácido e base segundo Arrhenius, não tratamos do estudo dos óxidos. Por quê? Em primeiro lugar, porque os óxidos não podem ser entendidos como uma função, diferentemente dos tipos de substância citados anteriormente; eles só têm como característica comum serem binários e conterem oxigênio. Para exemplificar o que foi dito, vale dizer que alguns óxidos podem ser entendidos como bases de Arrhenius — caso de parte dos óxidos básicos, como o CaO e o Na 2O, uma vez que em água originam íons hidróxido, OH2(aq) —, e outros, como ácidos de Arrhenius — caso dos óxidos ácidos, como o CO2 e o N2O5, já que em água originam íons H3O1(aq) —, sem mencionar que há outros tipos de óxido que não se encaixam em nenhuma das classificações mencionadas. Outra razão para tratar dos óxidos depois do capítulo em que se introduz o conceito de número de oxidação (capítulo 10) é nossa preocupação em evitar que os alunos “decorem” reações químicas sem que possam estabelecer alguma relação entre conceitos da disciplina, isto é, sem dar a elas um sentido racional. Assim, para que os alunos saibam que N2O5 é um óxido ácido que, em água, origina HNO3(aq) e, em consequência, H3O1(aq) e NO3(aq), é frequente que se diga a eles que “somem” H2O ao N2O5, chegando a H2N2O6 (substância inexistente), para então “simplificar” (o que não tem nenhum sentido químico) e chegar à fórmula do ácido nítrico. A mesma reação, se for entendida como uma reação em que o Nox do N se mantém, permite o estabelecimento de uma relação entre o N2O5, o HNO3 e o íon nitrato, NO3 (formado quando o mesmo óxido reage com uma base) na medida em que, em todos eles, o N tem o mesmo Nox: 15. Além disso, consideramos pouco didático começar a lidar com equações de vários tipos sem que os alunos adquiram certa compreensão do significado Caderno de Apoio Pedagógico

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de equação química — dos coeficientes de acerto e do balanceamento de equações —, assunto fundamental para o acompanhamento do curso de Química. O capítulo 8 é voltado ao estudo das reações, desde a representação por meio de equações, o balanceamento por tentativas, exemplos de reações de decomposição, síntese, reações em solução aquosa envolvendo ácidos, bases, sais. Estas últimas são comumente chamadas de reações de dupla troca, expressão que não utilizamos, uma vez que ela não ajuda os alunos a compreender conceitos químicos. Nesse capítulo também não tratamos das reações comumente chamadas de reações de deslocamento, as quais aparecem no capítulo 10, “Reações de oxirredução”, em que é introduzido o conceito de Nox. Sobre a postura tradicional no ensino das reações de “dupla troca” e de “deslocamento”, consideramos que se baseia em concepções do século XIX. O texto abaixo fundamenta o que afirmamos.

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Em 1812, Berzelius apresenta uma concepção, influenciada pelo mecanicismo newtoniano, que visa comparar a força da afinidade química com a força mecânica […]. Berzelius desenvolve o sistema dualístico dos compostos químicos, tendo por base sua visão de afinidade e sua teoria eletroquímica. A ligação química é concebida como tendo natureza elétrica, e as substâncias são representadas por pares em que uma das partes é eletricamente positiva e a outra eletricamente negativa […]. Com essa teoria, Berzelius explica claramente as reações de dupla troca (AB 1 CD 5 AD 1 CB) ou de deslocamento (AB 1 C 5 CB 1 A), nas quais a polaridade elétrica se encontra mais bem neutralizada nos produtos. Como ele estabelecera uma escala de eletropositividade das substâncias, a partir de experimentos eletrolíticos, podia-se concluir logicamente quais reações deveriam ocorrer. […] estamos simplesmente seguindo Berzelius, sem atentar para desenvolvimentos posteriores da química, como por exemplo a teoria da dissociação eletrolítica de Arrhenius e as teorias da ligação química. Senão, vejamos: a reação de neutralização do NaOH pelo HCℓ é considerada de dupla troca, quando em solução aquosa deveria ser considerada como síntese da água, a partir de hidrônio e hidroxila. Isso porque a solução aquosa de NaOH é uma solução contendo íons Na1 e OH2 dissociados e a solução aquosa de HCℓ é uma solução contendo íons H3O1 e Cℓ2. Assim sendo, a reação se dá apenas entre hidrônio e hidroxila. Os íons Na1 e Cℓ2 permanecem dissociados […]. […] Da mesma forma, a reação de deslocamento entre Zn0 e CuSO4 deveria ser considerada uma oxirredução em solução aquosa, uma troca de elétrons entre o metal zinco e os íons Cu21, formando Zn21 e cobre metálico. […] Talvez seja difícil mudar — é assim que fomos ensinados e é assim que pensamos até hoje, mas a clareza racional e a melhor aprendizagem de nossos alunos certamente compensarão as dificuldades iniciais. LOPES, Alice R. C. Reações químicas: fenômeno, transformação e representação. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 2, nov. 1995.

No capítulo 9 são introduzidos os cálculos químicos. Desse modo, nos capítulos 10 e 11, eles podem ser retomados na forma de atividades, o que permite melhor compreensão do assunto.

Os cálculos em Química Uma dificuldade bastante comum dos estudantes do Ensino Médio está na aprendizagem dos aspectos quantitativos da Química. Em geral, os cálculos costumam ser introduzidos no final do 1o ou no início do 2o ano do Ensino Médio, sendo abordados com mais frequência os tópicos: massa atômica e molecular, massa molar, cálculos com fórmulas, gases, cálculos estequiométricos. Dessa maneira, supõe-se que os alunos “aprendam”, em pouquíssimo tempo, todos os conceitos e resolvam toda sorte de questões, desde as muito simples até as mais complexas, que envolvem simultaneamente misturas gasosas, rendimento e teor de pureza. A nosso ver, isso acarreta um grande risco de se acentuarem aspectos como a associação da Química a uma disciplina que “poucos conseguem aprender”, o que pode ter consequências indesejáveis, principalmente no caso de alunos com histórico de dificuldades em Matemática básica e com baixa autoestima.

Nossa proposta: e os cálculos estequiométricos? Ao contrário da proposta usual, atividades com cálculos são propostas em vários capítulos deste volume da coleção, evitando tanto longos períodos de estudo de Química sem que sejam feitos cálculos quanto períodos com sobrecarga de cálculos. Nossa experiência permite afirmar que essa postura, principalmente centrada na proposição de questões, muitas vezes sem nenhuma introdução teórica, propicia uma aprendizagem mais consistente, diluída ao longo do tempo. Assim, além de evitar grandes saltos de nível de dificuldade, há vantagens quanto à integração dos aspectos quantitativos aos qualitativos, e o estudo de Química acaba contribuindo para que alunos com formação matemática deficiente possam, nesse contexto químico, apreender conceitos matemáticos fundamentais para a formação de qualquer cidadão e geralmente ainda não dominados no final do Ensino Fundamental. Portanto, logo no início do 1o ano do Ensino Médio, os alunos podem trabalhar o aspecto quantitativo em diversas situações, como as leis ponderais das reações químicas (Lavoisier e Proust), no capítulo 2 — uma introdução ao cálculo estequiométrico —, e densidade, no capítulo 3. Os cálculos envolvendo os conceitos de mol e de massa molar aparecem no início do capítulo 9; no final, os cálculos estequiométricos são introduzidos como uma associação natural entre as equações químicas (examinadas no capítulo 8) e os conceitos iniciais. Começamos com os cálculos estequiométricos mais simples, que envolvem relações entre massas, quantidade de matéria (mol) e número de moléculas. Com isso, o conceito de mol passa a ter uma aplicação imediata, facilitando a introdução dos cálculos em Química e permitindo que esse conceito assuma um novo significado.

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São também introduzidos exemplos simples relativos aos conceitos de concentração, expressa em mol/L e g/L, e alguns exemplos de cálculo que envolvem as reações em solução, nas quais são usadas essas formas de exprimir concentração. Trata-se, portanto, de uma introdução à titulação, que será aprofundada no volume 2. No capítulo 12, além do que convencionalmente é incluído no estudo de gases (leis dos gases, princípio de Avogadro, equação geral dos gases, densidade dos gases, misturas

gasosas), retoma-se o cálculo estequiométrico, agora envolvendo reações químicas com gases. Quanto aos cálculos relativos a rendimento, pureza, reações em sequência, nós os consideramos de difícil compreensão para um iniciante em Química e, por isso, não foram incluídos no volume 1. Trabalhar ou não com eles ainda no 1o ano do Ensino Médio é uma questão que merece reflexão por parte dos professores de Química.

Sugestões e comentários, capítulo a capítulo, e respostas das questões Observação inicial: muitas das questões que aparecem nas aberturas de unidade e na seção Para situá-lo, embora estejam respondidas ou comentadas neste CAP, têm a finalidade específica de permitir ao professor e aos próprios alunos avaliarem seus conhecimentos prévios; portanto, nesses casos, a preocupação não reside em obter “respostas corretas”. Além disso, tais questões, retomadas no final de cada unidade, propiciam aos alunos uma oportunidade de avaliar sua aprendizagem. Essa autoavaliação pode servir de motivação para os estudantes, que tomam consciência de seu progresso, assim como pode ajudar a detectar as dificuldades, para se pensar em formas de superá-las.

Unidade 1 – Introdução ao estudo da Química DIVULGAÇÃO PNLD

Capítulos

Principais conceitos

1. Química: que ciência é essa?

• Os objetos de estudo da Química • Aplicações do conhecimento químico e suas consequências • Transformações dos materiais • Misturar, dissolver, reagir

2. Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton

• Desenvolvimento da Química • Lei da conservação da massa • Lei das proporções definidas • Teoria atômica de Dalton

3. Substâncias e misturas

Durante o trabalho com a unidade 1, os alunos terão a oportunidade de desenvolver as seguintes competências e habilidades da matriz do Enem: ▸▸ Competência de área 1 – Compreender as Ciências Na-

turais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. H2 – Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico. H3 – Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas. ▸▸ Competência de área 3 – Associar intervenções que

resultam em degradação ou conservação ambiental a

processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicos. ▸▸ H12 – Avaliar impactos em ambientes naturais decorren-

tes de atividades sociais ou econômicas, considerando interesses contraditórios. ▸▸ Competência de área 5 – Entender métodos e procedi-

mentos próprios das Ciências Naturais e aplicá-los em diferentes contextos. ▸▸ H17 – Relacionar informações apresentadas em diferentes

formas de linguagem e representação usadas nas Ciências Físicas, Químicas ou Biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. Abertura de unidade, p. 10-11 Ressaltamos a importância de o professor trabalhar a(s) questão(ões) apresentada(s) nessa e em outras aberturas Caderno de Apoio Pedagógico

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de unidade; é também importante incentivar os alunos a desenvolver sua capacidade de observar, fundamental para as atividades experimentais que devem realizar no estudo da Química. No caso específico dessa abertura, os alunos devem observar as manchetes usadas para introduzir o tema da unidade; é necessário que entendam a relação dos fatos noticiados com a Química. A manchete da página 10 permite que o professor mostre a importante participação química em um estudo que, a médio prazo, certamente fornecerá novas ferramentas à Medicina para o tratamento de doenças, inclusive algumas que hoje não podem ser tratadas. As quatro manchetes da página 11 permitem discutir não só a frequência, provavelmente não percebida pelos jovens, do uso da palavra química em notícias e sites, mas o sentido com que esse termo é usado em cada caso. Na primeira manchete, é possível mostrar a importância da análise química do solo para a agricultura (no caso, um projeto da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Embrapa, órgão subordinado ao Ministério da Agricultura). Quanto à segunda manchete, o professor deve verificar se os alunos entendem o que é capina química — uso de substâncias produzidas pela indústria química (herbicidas, inseticidas, entre outros) para substituir o trabalho humano de capinar que, além de retirar pragas da agricultura, dificulta que elas voltem a crescer. O uso da capina química é regulado por lei, de acordo com o produto e com a plantação que será semeada. O que, então, levou à ação da Polícia Militar Ambiental? No caso noticiado, a capina química ocorreu em área de preservação ambiental, local onde são proibidas ações que possam alterar ou prejudicar o ambiente. Quanto à terceira manchete, em que aparece a expressão Química Renovável, é interessante perguntar aos alunos se sabem o que é renovável e, caso saibam, se veem alguma conciliação entre as palavras Química e renovável. Se necessário, o professor pode esclarecer por meio de exemplos: hoje podem ser obtidos plásticos e outros produtos recorrendo-se à energia obtida de biomassa (como resíduos da cana-de-açúcar), usando como matérias-primas vegetais que podem ser repetidamente plantados. Finalmente, na última manchete, há referência a um acidente em indústria química; convém lembrar aos alunos que, nesse tipo de ambiente, todas as normas de segurança devem ser cumpridas para dar segurança aos trabalhadores.

Capítulo 1 – Química: que ciência é essa? Pressupostos ▸▸ Identificar a possibilidade de ocorrência de uma trans-

formação química pela identificação de fatores como: saída de gases, formação de precipitado, mudança de cor e aspecto e alterações de energia.

▸▸ Identificar as diferentes características do estado inicial

e do estado final quando ocorre uma transformação química.

Orientações pedagógicas No capítulo 1, são introduzidos aspectos relevantes quanto ao campo de estudo da Química e ao conceito de transfor-

mação química, chamando a atenção para os conteúdos que servem como indicadores da ocorrência de uma reação. Nessa etapa, é feita uma abordagem fenomenológica (macroscópica) das transformações químicas. O estudo desse conteúdo possibilitará aos alunos começar a identificar os vários tipos de transformação que ocorrem em seu cotidiano e também no sistema produtivo. Para situá-lo, p. 12-13 Quanto à imagem de abertura do capítulo, os alunos devem, além de observar a foto, ler a legenda; o professor poderá ajudá-los a notar a importância da Química para a produção de alimentos e dos conhecimentos químicos na formação dos engenheiros de alimentos. O professor também deve chamar a atenção para o uso — necessário — de avental no laboratório. Observação: as questões 4 e 5, necessariamente, devem ser feitas fora da sala de aula. 1. A primeira tira fala da “química do amor”; a segunda, de “armas químicas”. Pode-se dizer que a primeira tira aponta um aspecto positivo relacionado à Química (embora a expressão não remeta a uma ligação direta com a Química como ciência, sabe-se que o afeto tem a ver com a produção pelo organismo de um hormônio, a ocitocina). A expressão armas químicas é usada para produzir efeito de humor na segunda tira, relacionada aos gases intestinais, o que remeteria a um aspecto “desagradável” dessa ciência. Vale lembrar que os gases que têm mau cheiro provêm de processos biológicos e químicos que acontecem em nosso sistema digestório. 2. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos observem que o texto leva a uma aparente contradição do significado de química. O senso comum associa a expressão produtos químicos a prejuízos à saúde e ao meio ambiente. No entanto, ao discutir a questão com os alunos, o professor deve salientar que, independentemente dos materiais utilizados, o processo de remoção de sujeiras envolve transformações químicas (e em alguns casos físicas); por isso, não se trata de uma “limpeza sem química”. 3. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos respondam que a nicotina, substância presente no cigarro, age em mecanismos químicos do organismo levando o usuário a sentir necessidade física da substância, ou seja, causando dependência química. 4. Resposta variável. É importante que o professor discuta as frases recolhidas pelos alunos, tomando o cuidado de verificar se o conjunto dos registros contempla o uso da palavra química com conotação negativa e/ou positiva. É interessante aproveitar para tomar algumas das frases de conotação negativa e desafiar a turma perguntando se alguém atribui a ela o caráter inverso. Assim será possível os alunos perceberem que aquilo que é negativo para um pode ser visto como positivo por outros, favorecendo-se, desse modo, o desenvolvimento de uma visão ampla e não maniqueísta dos fatos (isto é, uma visão que enxerga muitas nuances além do bem absoluto e do mal absoluto). É importante que os alunos identifiquem as fontes das informações coletadas (nome do jornal ou endereeço do site, por exemplo).

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5. a) Resposta pessoal. Assim como na questão anterior, é importante que os alunos consigam avaliar a conotação predominante nas pesquisas. Se a ocorrência de palavras e fatos com conotação negativa for alta, o professor poderá propor uma atividade com os alunos que envolva a comunidade escolar, para conscientizá-los de que eventuais impressões negativas da Química podem ser decorrência de ações humanas, do uso que é feito dos conhecimentos químicos. b) Resposta pessoal. Pode ser interessante construir uma tabela no quadro de giz com todas as respostas dos alunos e promover um debate sobre a visão que a sociedade brasileira tem da Química. Perguntas como “O que nós podemos fazer para conscientizar as pessoas?” podem ser introduzidas no debate e resultar em um projeto ou uma atividade escolar.

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p. 15 Ao final dessa página aparecem referências a algumas profissões, o que é importante para os adolescentes. Conexões, p. 16-17 É interessante que algumas partes do texto sejam lidas em voz alta pelos alunos (de modo alternado), procurando-se esclarecer o sentido de palavras que eles desconhecem. Muitas vezes, palavras que são parte de nosso vocabulário representam uma dificuldade para compreender o conteúdo específico. Nessa leitura, é interessante solicitar que eles verbalizem o que compreenderam sobre cada trecho. 1. Um mesmo fato pode ser considerado benéfico em uma situação e destrutivo em outra. Por exemplo, o uso de inseticidas, mesmo o DDT — que garantiu a possibilidade de conter muitas doenças transmitidas por mosquitos e de impedir a devastação de lavouras. No caso dos CFCs, embora tenha levado um tempo para se constatarem os efeitos nocivos dessas substâncias, o emprego deles é destrutivo (destroem a camada de ozônio); ilegalmente ainda são usados em alguns lugares. O uso de combustíveis fósseis (petróleo, carvão) é destrutivo, causa problemas de poluição que prejudicam a saúde das pessoas e o ambiente. Já a substituição desses combustíveis fósseis por etanol ou hidrogênio é benéfica. 2. As sínteses dos grupos poderão ser bastante variadas, já que cada grupo vai concluir e, eventualmente, sugerir atitudes a serem tomadas. No final da atividade, o professor pode retomar as ideias apresentadas e enfatizar a importância de sempre buscar aprender e informar-se e, quando for o caso, rever opiniões e atitudes. Viagem no tempo, p. 18-20 Essa é a primeira seção entre as diversas que aparecem no livro abordando a história da Química e das relações entre ela e outras ciências e/ou o contexto em que ocorreram trabalhos importantes para o desenvolvimento da Química. No caso desse texto, é interessante que seja feita uma leitura em voz alta com o esclarecimento de dúvidas que surjam no grupo. O professor pode propor aos alunos que elaborem uma linha do tempo com as datas mais marcantes da vida dos estudiosos das ciências citados no texto ou os períodos em que trabalharam. Também devem ser anotados locais

mencionados no texto ou onde viveram esses estudiosos e, se possível, acontecimentos históricos importantes do período. Se possível, a linha do tempo deve ser feita coletivamente, usando-se folhas de papel de embrulho (de cor clara) fixadas em uma parede. A ideia é que os alunos continuem o preenchimento dessa linha do tempo, ao longo do ano. Por meio desse trabalho, o professor poderá ir desfazendo um mito popular, que provavelmente é parte das crenças de seus alunos: o de que a ciência é construída com as descobertas de alguns gênios, que as realizam de modo isolado, desconectados do que ocorre na sociedade e dos conhecimentos construídos por outros estudiosos. 1. Resposta pessoal. O cozimento de alimentos e a queima de madeira e de outros materiais são alguns exemplos de transformações presentes na vida humana desde a descoberta do fogo. O objeto de estudo da Química é a transformação de materiais. 2. É possível que o ser humano tenha tomado contato com o fogo acidentalmente, por meio de um raio que tenha atingido uma árvore, por exemplo. A partir de eventos desse tipo, os seres humanos aprenderam a controlá-lo e mantê-lo, adicionando galhos e folhas secas (o que hoje chamamos de material combustível) a uma fogueira. Tempos depois, a humanidade acabou descobrindo como produzir o fogo, ao atritar dois materiais. Todos esses processos de transformação são objeto de estudo da Química. 3. A formulação de um problema, a proposição de um experimento que possa ser reproduzido, a observação e o registro dos dados obtidos, o estabelecimento de alguma relação entre eles e dessa relação com outros trabalhos de pesquisa — só para citar alguns dentre os muitos procedimentos que compõem a metodologia das Ciências Naturais — permitiram que as bases teóricas da Química fossem estabelecidas. A descoberta da penicilina, p. 20 Fleming trabalhava com culturas de uma bactéria, Staphylococcus aureus, que, abandonadas por um tempo, desenvolveram um bolor em torno do qual não havia mais bactérias. Por meio de perguntas à classe, o professor deve levar os alunos a perceber que, diante do inusitado, o cientista observou cuidadosamente, atitude importante para um pesquisador, e que ele e sua equipe tinham conhecimentos e recursos que lhes permitiram avançar em seus estudos. p. 21-28 É importante que o professor, no estudo dessas páginas, chame a atenção dos alunos para os estados inicial e final dos sistemas em que ocorrem transformações dos materiais. Química: prática e reflexão, p. 25 Se houver disponibilidade, o professor poderá pedir aos alunos que usem óculos de segurança e avental de mangas compridas, para que comecem a se acostumar com a dinâmica de atividades em laboratório. 1. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos observem que no primeiro copo houve a formação de bolhas na superfície do líquido. 2. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos respondam que a adição de detergente facilitou a observação da saída de gases. Caderno de Apoio Pedagógico

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3. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos discutam a necessidade de usar sistemas-controle nos experimentos. Nesse experimento específico, o sistema-controle permite ter certeza de que não foi o detergente o reponsável pela formação das bolhas.

Fonte de energia

Desvantagens

Usina de biomassa

• Dificuldade no armazenamento de biomassa sólida (a madeira é um exemplo de biomassa sólida). • A queima de biomassa sólida é uma das maiores fontes de emissão de gases tóxicos, material particulado e gases de efeito estufa, se comparada às outras fontes de energia renováveis. A queima de biomassa líquida (como etanol e biodiesel) também contribui para a produção de chuva ácida.

Usina eólica

• A frequência de ventos pode variar, o que pode atrapalhar no atendimento da demanda energética de uma região. • Poluição sonora devido à produção de um ruído constante causado pela movimentação das hélices. • Pode modificar o comportamento de migração de aves, além de propiciar acidentes pela colisão de aves com as pás das hélices.

Usina solar

• Durante a noite não há produção de energia, o que obriga que sejam utilizadas outras fontes de energia. • As formas de armazenamento de energia ainda são pouco eficientes quando comparadas com outras fontes de energia (hidrelétrica). • A disponibilidade diária de energia solar em locais de latitudes médias e altas ou em regiões com bastante nebulosidade sofre grandes variações ao longo do ano.

4. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos respondam que somente no primeiro copo houve uma transformação química, já que nesse copo ocorreu produção de um material gasoso que não estava no estado inicial do sistema. Vídeo sugerido BEAUTIFUL reactions: bubbling. Disponível em: <https:// vimeo.com/106806525>. Acesso em: 5 maio 2016. Esse vídeo pode ser exibido aos alunos em sala de aula, ou eles podem vê-lo em um computador na sala de informática ou em casa: trata-se de belas imagens de reações químicas, uma boa oportunidade para retomar o que os alunos viram sobre as alterações que ocorrem em sistemas nos quais há reações químicas. Sugere-se não dar destaque às equações que aparecem no vídeo. No capítulo 8, ele pode ser reaproveitado. Atividades, p. 30-31

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1. a) Resposta pessoal. Espera-se que os alunos observem que a superfície exposta (sem casca) da maçã vai se tornando mais escura e, após 3 horas exposta ao ar, está ainda mais escura. b) O indício de reação observável é o escurecimento da superfície exposta. 2. O gás carbônico dificulta o contato do combustível com o oxigênio (comburente). 3. a) Estado inicial: líquidos incolores (álcool e água)/estado final: líquido incolor (mistura de líquidos — álcool e água). Transformação física. b) Estado inicial: líquido incolor (água líquida)/estado final: sólido incolor (gelo, água sólida). Transformação física (solidificação). c) Estado inicial: madeira 1 ar/estado final: sólido escuro. Transformação química. d) Estado inicial: sólido branco: naftalina sólida/estado final: naftalina gás. Transformação física (sublimação). e) Estado inicial: palha de aço (sólido de cor cinzenta)/estado final: ferrugem (superfície alaranjada). Transformação química. 4. a) Hidrelétrica. Ela é uma fonte renovável. b) Queima de carvão, queima de gasolina, queima de querosene. c) É a hidrelétrica. Apesar de produzir energia renovável, sua implantação tem impactos sociais e no meio ambiente por causa da construção de barragens. d) Resposta variável. Espera-se que das tabelas dos alunos constem informações sobre as desvantagens na utilização da biomassa, da energia solar e da energia eólica. A tabela a seguir apresenta algumas desvantagens de cada tipo de fonte de energia.

Fontes disponíveis em: <http://www.portal-energia.com/fontesde-energia/>; <http://www.scielo.br/pdf/jbpneu/v30n2/v30n2a15. pdf>; <http://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/87313/ ferreira_ad_me_prud.pdf?sequence=1&isAllowed=y>. Acessos em: 4 jan. 2016.

e) Queima da parafina de uma vela, da madeira em fogueiras, do querosene ou de gás em um lampião. Atividades complementares 1. Entrevistar, individualmente, um pesquisador, um professor universitário ou outro profissional para quem os conhecimentos da área de Química sejam fundamentais: químico, bioquímico, engenheiro químico, farmacêutico, químico de nível técnico (Ensino Médio), etc. Nessa entrevista, é importante que o professor ajude os alunos a perceberem a importância da parceria entre os profissionais de uma área e os de outras áreas, os fatores subjetivos que influenciam a escolha profissional e a importância da determinação e do estudo como alavancas da aprendizagem. Para facilitar a percepção desses aspectos, é interessante organizar com os alunos um roteiro de entrevista adequado. Possibilidades de perguntas a serem feitas ao entrevistado: 1. Em que consiste seu trabalho? 2. Ele requer uma atualização constante de seus conhecimentos? 3. Que fatores influíram em sua formação profissional? 4. Como ela se deu?

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5. Na época em que você escolheu essa profissão, tinha ideia de que seu exercício profissional seria como é hoje? 6. Você teve algum tipo de dificuldade nesse percurso (por exemplo: dificuldades econômicas ou formação escolar deficiente para seguir o curso de graduação)? 7. Seu trabalho requer a colaboração de profissionais de outras áreas? Como ela se dá? 8. O que você [ou o senhor, conforme o grau de intimidade entre aluno e entrevistado] mais aprecia em seu trabalho? E quais funções considera difíceis de cumprir? Além do que foi mencionado anteriormente, a atividade permite trabalhar uma série de habilidades, tais como o desenvolvimento da capacidade de resumir e redigir. Sugere-se pedir aos alunos que anotem tudo o que considerarem relevante nas respostas do entrevistado e que, ao final, escrevam suas impressões sobre essa conversa, avaliando se ela lhes trouxe algum tipo de aprendizagem. No final, em sala de aula, os alunos reúnem-se em grupos e trocam entre si os dados obtidos em suas entrevistas. Uma pessoa de cada grupo, oralmente, resume os aspectos comuns entre as entrevistas feitas pelos membros do grupo. Atenção: a atividade sugerida no Recurso complementar a seguir (leitura da entrevista concedida pela professora Dalva Lucia A. de Faria), por ter o mesmo sentido deste trabalho, pode ser acoplada a ele. 2. Pedir aos alunos que assistam ao filme A guerra do fogo, de Jean-Jacques Annaud (França/Canadá, 1981, 100 min) ou projetá-lo em sala de aula. O filme conta a história de uma batalha entre duas tribos de nossos antepassados, num tempo anterior à utilização da linguagem verbal, em torno da posse e da produção do fogo, tecnologia de grande importância na evolução humana. Após assistirem ao filme, os alunos devem ser divididos em grupos para discutir a relação entre o domínio da tecnologia do fogo e as mudanças de padrão de vida nas sociedades humanas. É esperado que os alunos observem a importância do fogo para a proteção contra ataques de inimigos e animais e para aquecimento. Produzir o fogo representou o desabrochar da civilização. Recurso complementar A entrevista a seguir pode ser trabalhada com os alunos de acordo com a disponibilidade do professor. A entrevistada é a professora Dalva Lucia A. de Faria, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP). O objetivo da atividade é levar os alunos a entender como uma cientista brasileira que atua no campo da pesquisa em Química “pura” contribui para a resolução de uma série de questões práticas importantes — no campo artístico, no esclarecimento de crimes (Química Forense), entre outros. Os alunos devem observar que na fala da entrevistada transparece a pessoa, indissociável da cientista. Autores. Professora Dalva Faria, em primeiro lugar gostaria de agradecer muitíssimo a oportunidade de conhecê-la e entrevistá-la. Antes de deixar que você fale, devo uma explicação. Como decidi procurá-la? A internet abre algumas portas e ela me ajudou a chegar a você. Foi na busca de

esclarecer aos que se iniciam no Ensino Médio sobre algumas áreas em que o conhecimento químico é importante que descobri seu trabalho na área forense. Penso que seja uma área fascinante que lhe permite ajudar a desvendar crimes e a evitar que muitas injustiças sejam cometidas, não é mesmo? Gostaria que me contasse como chegou até aí. D. F. Comecei a trabalhar com a área forense há mais ou menos dez anos, logo depois que adquirimos um microscópio Raman. A grande vantagem da técnica é que, sem destruir uma amostra de pequeníssimas dimensões, podemos obter muitas informações importantes sobre o que ela contém. Meu trabalho começou no final dos anos 1990, quando fui procurada para ajudar na area do Patrimônio Cultural; desde então, as análises que realizamos permitem identificar os pigmentos usados, o que pode ser útil para esclarecer se uma obra de arte é autêntica ou não. Estima-se que mais de 20% das obras de arte comercializadas em São Paulo, Rio e Minas sejam falsas. Daí a importância do trabalho. A. Que número enorme! Imagine o que significa um museu comprar por uma fortuna uma tela de Monet ou de Portinari e descobrir que é falsa! Conte mais sobre esse tipo de trabalho. D. F. O pior é que a quantidade pode ser ainda maior. [...] Para lhe dar um exemplo, eu ajudei uma arquiteta em seu mestrado, em torno da obra de Benedito Calixto. A. No que consistiu seu trabalho? D. F. Bem, vale um esclarecimento. Até há algum tempo, a grande dificuldade para fazer esse tipo de pesquisa era que você tinha que destruir uma parte da amostra a ser analisada para esclarecer sobre sua composição. O aprimoramento da tecnologia com espectros Raman tornou possível usar amostras de dimensões mínimas. Bom, então, como fazemos? Pegamos um pequeníssimo fragmento da pintura na borda da tela (quando o pesquisador ou o restaurador tira a moldura do quadro, descobrem-se pequenos borrões de tinta que a moldura encobria) ou então um fragmento que se desprende de telas antigas que serão restauradas. Hoje já existem equipamentos portáteis, de qualidade razoável, que podem ser usados para analisar o pigmento sem necessidade de remover qualquer fragmento da tela. Pode-se identificar o pigmento que o artista usou, mesmo que se tenham passado séculos, com base nessa amostra de tinta. Para você ter uma ideia, foi possível identificar a paleta, ou seja, o conjunto dos pigmentos usados por Benedito Calixto no conjunto de obras estudado. A. Puxa, é muito interessante. E daí? Como você chegou à Química Forense? D. F. Com a divulgação desse tipo de trabalho que acabei de lhe contar, o grupo do laboratório no qual atuo acabou sendo procurado pela Polícia Científica de São Paulo, que na época tentava ajudar no esclarecimento de um crime que provocou enorme emoção numa cidade do sul do país. Uma criança havia sido atropelada quando andava de bicicleta. Com que pista a polícia local contava? A bicicleta era azul e o carro do único suspeito apresentava indícios comprometedores, incluindo uma marca da mesma cor da bicicleta. O que se tinha? Uma amostra da tinta da bicicleta

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e um pequeníssimo fragmento do esfregaço de tinta azul coletada do veículo suspeito; com eles pudemos esclarecer que, embora ambos fossem azuis, os corantes eram diferentes, e o suspeito livrou-se dessa evidência contra ele. A. Amostras de dimensões menores do que as de um fio de cabelo já são suficientes? Basta então que a polícia envie a você uma pequena porção e tudo se resolve? D. F. Bom, seria importantíssimo que a perícia mantivesse alguns cuidados nessa coleta. Veja só, no caso do menino, para marcar no veículo o local em que havia o esfregaço de tinta, foi usado um pincel atômico azul. A. Ou seja: o perito usou um corante azul para “facilitar” o trabalho de vocês (risos)? D. F. Pois é, precisaríamos que aqueles que colhem as provas iniciais tivessem melhores condições de trabalho e trabalhassem com os cuidados que qualquer pesquisador na área da ciência toma. Do tipo: usar luvas, não remover qualquer pista antes da coleta da amostra, cuidar da preservação do local... Imagine o que acontece quando alguém “resolve” tentar lavar o local antes de coletar as amostras? (risos) A. Aí só um Sherlock Holmes com superpoderes! (risos). Você poderia contar mais algum caso? D. F. São tantos. Vou dar um exemplo: quando um indivíduo dispara um tiro, há uma série de eventos — não vou entrar em detalhes sobre eles — de modo que uma névoa de partículas se deposita em quem puxa o gatilho e nos arredores. A detecção simultânea de minúsculas partículas de chumbo, antimônio e bário na roupa ou no corpo do suspeito basta para comprometê-lo. É lógico que isso pode ser prejudicado se a coleta das pistas não for feita com rigor científico. Se o suspeito tomar vários banhos ou se a coleta se der dias depois do fato, o trabalho estará comprometido. Você e eu já acompanhamos, pela mídia, casos em que o descuido pericial — não importa o porquê — ficou evidente, não é mesmo? A. Com certeza, Dalva. Gostaria que você contasse um pouco como se deu seu caminho para decidir-se a estudar Química e chegar à área em que atua. D. F. A lembrança mais remota que eu tenho de vocação profissional é do prazer que sentia ao ouvir o barulho dos instrumentos de metal que batiam uns nos outros quando ia ao pediatra; naquela época, bem pequenininha, dizia que queria ser enfermeira. Até hoje sou fascinada por equipamentos. Um pouco mais tarde, lembro-me de minha curiosidade, observando a condensação do vapor de água nos vidros da perua que meu avô dirigia, transportando água para uma obra. Ele, que não tinha muito estudo, ficava entusiasmado quando me via querendo explicar por que aquilo acontecia. A. Que idade você tinha? D. F. Uns 7 para 8 anos. A. Mas na época do Ensino Médio você já havia se decidido a cursar Química na universidade? D. F. Desde que entrei no antigo colegial, certamente eu já estava resolvida. Por incrível que pareça, por influência de meu irmão, pouco mais velho do que eu, que havia se formado técnico em turismo, também optei por esse

curso. Em especial me atraíam as aulas de Museologia, História da Arte... A. É interessante que você voltou a contribuir com essa área. Não deve ter sido por acaso. D. F. Também já pensei nisso. Veja as voltas que a vida dá. A. Esse curso deu a você a base necessária, em Química e Física, para cursar a universidade? D. F. Desde o 1o ano do Ensino Médio estudei em livros de Química para suprir a falta da matéria no curso. Acho que a vida toda fui interessada no conhecimento. A. Você foi uma autodidata? D. F. Sempre gostei de ler e, em casa, meus pais, apesar da pouca escolaridade, também gostavam. Mas não posso deixar de dizer que a escola da fundação em que estudei era muito boa. Além da oportunidade de aprender muito bem inglês — tanto a falar quanto a escrever — tive excelente formação. A. Isso é fundamental. Sem ler e pensar bem não dá pra aprender... Mas seu caminho é um exemplo. Acho que você é muito inteligente. D. F. Não acredito em inteligência, mas em determinação. A. O fato é que você entrou na USP sem a ajuda de um professor específico de Química e Física. Soube ir atrás do que precisava para chegar lá e, convenhamos, aos 17 anos não é nada fácil. Antes de tudo deve ter nascido a paixão pelo conhecimento e pela área escolhida, importantíssima para o esforço que você deve fazer. Para ser um bom músico, um bom ator, um bom profissional, de qualquer área, há que “suar a camisa” como literalmente faz um bom jogador. Mas em primeiro lugar vem o interesse para que esforço que qualquer dessas coisas demanda seja bem administrado. Ainda mais que, como acabou de me contar, você tem que acumular o estudo com o trabalho. Concorda? D. F. Sim. Sem paixão, interesse, qualquer tarefa fica mais difícil. A. Mas continue falando do seu percurso na universidade. D. F. O caminho para a área de Físico-Química depois da universidade foi natural. Cheguei até a cursar três anos na Física, interrompidos na época do mestrado — assim como o doutorado defendido aqui na USP, sob a orientação do prof. Paulo S. Santos. Sempre me interessei por pesquisa aplicada e minha tese de doutorado foi sobre o comportamento químico dos medicamentos antimaláricos — cloroquina primaquina. O pós-doutorado, na Inglaterra, foi feito na área básica. A. Então você também contribui para a área da saúde? D. F. É triste, mas a malária é uma das doenças que ainda persistem em países como o nosso. A. O pior é a falta de prevenção, carência de saneamento básico e de combate sistemático às doenças transmitidas por mosquitos, que representam boa parte das doenças brasileiras. Como país tropical virou-mexeu e a dengue está de volta... Bem, concluo que o leque de contribuições na área em que atua é enorme. Não a conhecia pessoalmente, mas fiquei sua fã. Agradeço a oportunidade da entrevista, desejando que possa inspirar muitos jovens que estudam neste livro. É disso que o Brasil precisa.

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D. F. Obrigada. Para mim foi um prazer contribuir com um trabalho voluntário voltado para a educação. Além de pesquisadora, sou professora e procuro dar ao ensino a mesma importância que dou à pesquisa. Não consigo pensar uma função dissociada da outra. Entrevista concedida aos autores deste livro.

Após a leitura e o esclarecimento de questões eventualmente levantadas pelos alunos, é interessante conversar sobre a escolha profissional da entrevistada e a diversidade de campos para os quais ela pôde contribuir. Se julgar interessante, o professor pode solicitar aos alunos que escrevam um texto sobre essas reflexões. Vale lembrar que, nessa etapa da escolaridade, é importante que os alunos tenham contato com vários tipos de profissional, uma vez que é nessa fase que eles se encontram mais mobilizados para refletir sobre a escolha profissional.

Capítulo 2 – Leis das reações químicas e teoria atômica de Dalton DIVULGAÇÃO PNLD

Pressuposto ▸▸ Matemática básica: proporções.

Orientações pedagógicas A parte inicial do capítulo 2, os modelos atômicos que constam do capítulo 4 e a seção Viagem no tempo do capítulo 5 favorecem a compreensão de fatos importantes do processo pelo qual os conhecimentos de vários estudiosos levaram à constituição da Química atual. É importante que os alunos compreendam que a Ciência é uma construção humana e que as concepções filosóficas e aspectos socioculturais próprios de certo período estão estreitamente ligados a alterações de modelos e teorias científicas, e que entendam as razões que fazem uma teoria deixar de ser utilizada pela comunidade científica. A leitura dos textos relativos à história da Química que constam do livro do aluno, com a discussão mediada pelo professor, certamente contribui para a compreensão desses aspectos. Neste capítulo, é introduzido o primeiro modelo microscópico para a matéria, o modelo atômico de Dalton. Pesquisadores na área do ensino de Química têm verificado que os alunos encontram grande dificuldade em aceitar aspectos relativos à natureza da matéria: ser constituída de partículas e ter caráter descontínuo (a ideia de vazio). Segundo o pesquisador australiano David Treagust, os estudantes acreditam que as partículas que constituem a matéria estão em contato umas com as outras, não existindo espaço vazio entre elas. De acordo com esse autor, essa ideia é consistente com a máxima de Aristóteles: “a natureza abomina o vácuo”. Durante a aprendizagem, os alunos precisam elaborar o modelo de que a matéria tem natureza descontínua e, independentemente de sua forma visível ou dos estados físicos em que se apresenta (sólido, líquido, gasoso), é sempre constituída de partículas (átomos, moléculas) que se encontram em contínuo movimento e interação.

Solicitações para que os alunos representem suas concepções relativas a fatos observados, usando modelos do mundo microscópico, acontecem em vários capítulos deste volume; a avaliação dessas representações merece atenção do professor, tendo em vista o que foi dito anteriormente. Leituras sugeridas VIANA, Hélio E. B.; PORTO, Paulo A. A elaboração da Teoria Atômica. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 7, dez. 2007. VIDAL, Paulo H. O. et alii. O Lavoisier que não está presente nos livros didáticos. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 26, nov. 2007. Atividade complementar Ler para os alunos o texto a seguir, que tem como objetivo levá-los a valorizar o trabalho de pesquisadores brasileiros, a pesquisa na área de História da Química e a participação das mulheres na ciência. Na sequência, podem ser propostas as questões sugeridas. Pesquisadoras brasileiras descobrem pó alquímico em arquivo da Royal Society, sede da revolução científica Não é fácil abalar a fleuma britânica. Daí a sintomática reação de Keith Moore, diretor dos arquivos da Royal Society, ao ser questionado sobre a importância do achado das pesquisadoras Ana Maria Goldfarb e Márcia Ferraz, do Centro Simão Mathias da Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (Cesima PUC-SP). Com a sobrancelha levantada e cauteloso, Moore respondeu: “Estava debaixo de nossos narizes, mas em 350 anos ninguém encontrou”. Trata-se de uma pitada de pó amarelado e com odor pungente embalada num pequeno envelope colado em uma carta de 1675 endereçada ao primeiro-secretário da Royal Society, Henri Oldenburg (1515-1677), vinda da Antuérpia e enviada por um apotecário e alquimista chamado Augustin Boutens. Embora não chame a atenção, é uma valiosa e concreta amostra do alkahest, famigerado solvente universal, que foi alvo de buscas que movimentaram gerações de alquimistas e mesmo filósofos naturais como Robert Boyle e Isaac Newton. Após revelar, em 2010, num Projeto Temático apoiado pela Fapesp, a única receita completa do alkahest (“A agenda secreta da química”, Pesquisa Fapesp, n. 154), de 1661, a dupla encontrou agora, afirmam, “uma primeira amostra real de Ludus composto, um alkahest, de que se tem notícia desde o século XVII”. O que é o pó? Certamente, a Royal Society quer que a amostra seja analisada por um de seus fellows, provavelmente Martyn Poliakoff [...]. “Apesar da curiosidade pessoal, como pesquisadoras em História da Ciência, não pretendemos ir ao laboratório para procurar saber o que seria pelos moldes de hoje o tal pó”, fala Márcia. “O que importa é a descoberta de mais uma evidência forte de que uma boa porção das ciências antigas, como a alquimia, persiste mesmo após o surgimento de uma nova visão de ciência (e até fizeram parte na formação desta), mantendo-se na agenda das figuras que supostamente promoveram a revolução científica que originou a química moderna. Há uma história pouco

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conhecida que conta que essa passagem foi mais suave e coerente e só se encerrou no século XIX”, afirma Ana. Acima de tudo, confirma o credo das pesquisadoras que fazer a história da ciência é arregaçar as mangas e enfrentar a poeira secular dos documentos originais para dar vida a eles. Prova disso, para surpresa de Moore, é que o documento passou pelas mãos da historiadora Marie Boas, responsável, nos anos 1960, pela catalogação da correspondência de Oldenburg, por 15 anos o “faz-tudo” da Royal Society. Diante do pequeno envelope, Marie apenas anotou: “Amostra do que parece ser pirita, anexada ao texto”. HAAG, Carlos. Revista Fapesp, v. 199, set. 2012.

1. O que lhe chama a atenção nesse relato? Resposta pessoal. 2. As pesquisadoras brasileiras não estavam interessadas em saber qual seria a composição química do pó. Qual o objeto de interesse delas? A constatação de que uma porção das ciências antigas, como a alquimia, persistiu e fez parte do processo que envolveu o surgimento de uma nova visão de ciência.

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Para situá-lo, p. 32-33 1. Resposta pessoal. O professor pode construir uma tabela no quadro de giz com as respostas dos alunos. Essa questão inicial é importante para conhecer as ideias prévias dos alunos e suas concepções alternativas sobre transformação da matéria. Essas respostas podem ser retomadas em um momento posterior, pedindo-se aos alunos que as analisem e, se julgarem necessário, corrijam-nas. 2. Resposta pessoal. Provavelmente alguns alunos responderão que é necessário haver combustível e oxigênio. Quanto às imagens da vela, é importante verificar se os alunos conseguem observar as diferenças nas duas situações de combustão da vela (sistema aberto e sistema fechado). 3. Resposta pessoal. Provavelmente alguns alunos responderão que o valor da balança indica a massa do conjunto (campânula e vela) e que não houve alteração de massa após a transformação (combustão).

2. Em sua essência, defendia a ideia de que todos os materiais que existiam na Terra provinham da combinação de quatro elementos: terra, água, fogo, ar. 3. A preocupação em dar explicações teóricas a respeito da constituição da matéria, com a introdução da ideia de átomo. 4. Uma das possíveis explicações refere-se ao fato de haver uma clara separação entre o trabalho considerado “intelectual” (dos filósofos) e o trabalho tido como “manual”, sendo este último, na época, socialmente desvalorizado e reservado aos escravos. 5. Não. O trabalho dos alquimistas foi essencial para fornecer as técnicas e os instrumentos necessários ao posterior trabalho dos químicos. Diversos estudiosos no século XVII valeram-se da contribuição dos alquimistas para estabelecer generalizações com base em fatos experimentais. 6. A prática dos alquimistas era motivada principalmente por dois objetivos: a transmutação, que consistia na obtenção de ouro (um metal nobre) a partir de metais considerados inferiores; a obtenção do elixir da longa vida, capaz de curar todas as doenças e trazer a imortalidade àqueles que o ingerissem. Química: prática e reflexão, p. 37 Esse experimento pode ser realizado sem os equipamentos de segurança sugeridos, desde que sua turma tome os cuidados necessários. 1. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos indiquem que a dissolução da pastilha produziu bolhas de gás. 2. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos indiquem que ocorreu uma diferença nos valores de massa antes e depois da transformação quando não se utilizou a bexiga. Isso ocorreu porque o gás formado não ficou “preso” ao sistema, impossibilitando sua medida de massa. 3. Resposta pessoal. É importante que os alunos identifiquem a semelhança entre os dois experimentos (combustão com e sem campânula de vidro e efervercência com e sem bexiga). Em ambos os casos, há substâncias no estado gasoso; se não forem contidas no sistema, torna-se impossível a medição de sua massa.

5. Resposta pessoal. Esta questão tem como objetivo sondar a concepção dos alunos sobre a combustão. O professor pode copiar as respostas dos alunos no quadro de giz e pedir a eles que comparem as semelhanças e diferenças nas respostas. Pode também questioná-los sobre os estados físicos das substâncias envolvidas na transformação. Caso alguns alunos tenham associado o fogo a uma substância, é importante observar se essa concepção se modificou no final do capítulo.

p. 39 Quanto à nomenclatura química, o professor deve deixar claro que o sódio não era uma substância conhecida à época da publicação do Méthode de nomenclature chimique. Sua utilização no texto é apenas uma exemplificação para facilitar a compreensão. Lavoisier e seus colaboradores utilizaram conceitos de botânica (como classes e espécies) para classificar as substâncias, levando em consideração sua composição. Assim, analogamente, o nome das “classes” (e dos “gêneros”), do ponto de vista da Química, por exemplo, considerava a propriedade comum a algumas substâncias (como “óxido de” ou “ácido”) e o nome da “espécie” representava as particularidades da substância (como em “óxido de mercúrio” ou “ácido sulfúrico”).

Atividades, p. 36

Atividade, p. 41

1. Obtenção de materiais como zinco, arsênio, álcool, éter, pólvora; desenvolvimento de alguns procedimentos, vidrarias e equipamentos de laboratório.

a) De acordo com essa teoria, depois de certo tempo exposto ao ar, o ferro teria incorporado o flogisto, de modo a adquirir maior massa.

4. Resposta pessoal. Provavelmente alguns alunos responderão que não haverá interrupção na combustão da vela, ou seja, ela queimará até o final. Perguntar, se for necessário, se o valor registrado na balança seria igual ou não.

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b) Resposta pessoal. Espera-se que os alunos respondam que a massa se conserva. Seria possível realizar o experimento da formação de ferrugem em sistema fechado considerando a massa inicial de gás oxigênio que participa do processo.

massa de carbono (g)

c) Do ar. Atividades, p. 44 1. a) 10 g 5,1 g de cobre

100% x 5,1 ? 100 x5 5 51% 10 10 g 100% y 1,0 g de carbono 1,0 ? 100 y5 5 10% 10 10 g 100% 3,9 g de oxigênio z 3,9 ? 100 z5 5 39% 10 51% de cobre, 10% de carbono e 39% de oxigênio.

carbono

3,0 2,0 1,0 0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

massa de carbonato de cobre (g)

3,0 2,0 1,0 5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

2. a) cálcio 1 cloro cloreto de cálcio 40 g 71 g 111 g 14,2 g x 22,2 g De acordo com a Lei de Lavoisier (conservação das massas): 14,2 x x x 5 9 g de cálcio.

1 x 5 22,2 5 22,2 2 14,2 5 9g

b) Não, obteremos 222 g de cloreto de cálcio, além de 8 g de cloro que estão em excesso e, portanto, não reagem. cloreto de cálcio cálcio 1 cloro 40 g 71 g 111 g y 5 142 g de cloro 80 g y 222 g c) Lei da conservação das massas.

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4,0

e) Resposta pessoal. Espera-se que os alunos deduzam que a proporção entre as massas se mantém, de acordo com a lei, e que por isso o gráfico também seria linear.

b) A construção e a análise de gráficos é um importante recurso usado por várias disciplinas, como Física, Geografia, Matemática, etc., para interpretar dados numéricos. Os gráficos permitem, em geral, ampliar a visão de relações entre grandezas e compreender o significado que os valores tabelados nem sempre evidenciam.

5,0

massa de cobre (g)

oxigênio

6,0

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

cobre

51%

39%

massa de carbono (g)

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10%

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

dos elementos cobre e carbono obtidas pelo gráfico. Ela demonstra que cobre e carbono estão presentes neste material na mesma proporção em massa.

3. A reação de combustão (queima) indica que a transformação envolveu o oxigênio do ar. Ou seja, o magnésio reagiu com o oxigênio originando o pó branco (óxido de magnésio): magnésio 1 oxigênio

óxido de magnésio

Com base na informação de que 12 g de magnésio fornecem 20 g de óxido de magnésio, valendo-nos da Lei de Lavoisier, podemos escrever: 1 oxigênio magnésio 12 g x (Lavoisier) 12 g 1 x x 5 8 g de oxigênio

óxido de magnésio 20 g 20 g

A relação pedida é dada por: c) Resposta pessoal. É importante chamar a atenção dos alunos para o fato de que, dobrando-se a massa de carbonato de cobre, também dobra a massa do elemento carbono. Essas massas, portanto, são diretamente proporcionais. Essa relação de proporcionalidade pode ser estendida aos demais componentes do carbonato de cobre. d) Resposta pessoal. O professor deve fundamentar seus argumentos em função da variação linear entre as massas

mmagnésio m oxigênio

12 8

3 2

5 1,5

a) 8 g de oxigênio. Lei da conservação da massa — a massa se conserva em uma reação química. b) A relação entre as massas de magnésio e oxigênio é de 3 (ou 1,5). 2 Caderno de Apoio Pedagógico

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4. a)

mágua 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

b) 60 g c) Não. Espera-se que os alunos respondam que a aspirina, assim como qualquer medicamento, pode gerar efeitos colaterais indesejáveis. Algumas pessoas não toleram ou são alérgicas ao princípio ativo do medicamento. A aspirina, por exemplo, não é recomendada para pessoas que sofrem de problemas gástricos, renais ou biliares. Assim, seria interessante iniciar uma discussão em sala de aula sobre a automedicação, e aproveitar para conhecer as ideias prévias dos alunos sobre esse tema. Essa discussão pode ajudá-los no próximo item da questão.

100

d) Resposta variável. Segundo dados da Organização Mundial da Saúde, o percentual de internações hospitalares provocadas por reações adversas ao uso de medicamentos é de 10%. Por isso, é importante que esse tema seja discutido em sala de aula. As apresentações dos grupos de alunos podem gerar uma ação ou um projeto de conscientização da comunidade escolar. Cabe destacar nas apresentações a influência e o incentivo que ocorre nas propagandas de medicamentos veiculadas na televisão ou em outras mídias. Os sites a seguir dão informações sobre o tema:

▸▸ ANVISA. Fôlder sobre o uso indiscriminado de medica-

mhidrogênio Edição de arte/Arquivo da editora

moxigênio 160 140 120

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8. a) Espera-se que os alunos respondam que o objetivo de Hoffman era sintetizar uma nova droga para combater a artrite com menos efeitos colaterais que a droga utilizada na época, o salicilato de sódio.

mentos. Disponível em: <http://www.anvisa.gov.br/ propaganda/folder/uso_indiscriminado.pdf>. Acesso em: 5 maio 2016.

60 40 ▸▸

20 0

mhidrogênio

5. a) 440 g b) 0,56 Atividades, p. 46-47 1. 154 g 2. 75% do elemento carbono e 25% do elemento hidrogênio. 3. 64 g 5. Embora a concepção dos gregos tenha em comum com a de Dalton a ideia de uma unidade indivisível, ela não era baseada em fatos experimentais, enquanto Dalton formulou um modelo capaz de justificar os dados experimentais obtidos. Outra diferença consiste no fato de que, para os gregos, o átomo representava unidade mínima da matéria e, para Dalton, ela representava a unidade mínima de substância (poderiam ser “átomos compostos, combinados”). 6. Como um processo em que ocorrem uniões e separações de átomos. Para ele, esses átomos permaneceriam inalterados. 7. a) 35% em massa do elemento nitrogênio; 60% em massa do elemento oxigênio; 5% em massa do elemento hidrogênio. b) 1,4 kg

. Os perigos do uso inadequado de medicamentos. Disponível em: <http://www.anvisa.gov.br/divulga/re portagens/060707.htm>. Acesso em: 5 maio 2016.

▸▸ JESUS, Elisdete Santos de. Governo alerta para o uso in-

devido de medicamentos. Disponível em: <http://www6. ensp.fiocruz.br/visa/?q=node/6005>. Acesso em: 5 maio 2016.

▸▸ JORNAL do Brasil. Conselho Regional de Farmácia alerta

sobre uso indiscriminado de medicamentos. Disponível em: <http://www.jb.com.br/ciencia-e-tecnologia/ noticias/2015/05/04/conselho-regional-de-farmaciaalerta-sobre-uso-indiscriminado-de-medicamentos/>. Acesso em: 5 maio 2016.

Capítulo 3 – Substâncias e misturas Pressupostos ▸▸ Matemática básica: proporções, interpretação de gráficos

e tabelas.

▸▸ Estados físicos da matéria: conceitos básicos; mudança

de estado físico.

▸▸ Solubilidade: conceito operacional.

Tema de cidadania Sugerimos que, quando iniciar o estudo deste capítulo, o professor apresente aos alunos o Tema de cidadania 1, “Água: uma questão atual” (p. 373), pois nesse momento eles já têm as condições necessárias para iniciar o trabalho proposto.

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A organização da turma em grupos, o planejamento dos prazos, a divisão de tarefas e a decisão sobre o produto final podem ser feitas com a ajuda do professor, mas certamente irão exigir dos alunos encontros, reuniões e pesquisas fora do horário das aulas. A previsão é encerrar esse Tema de cidadania, no máximo, no final do primeiro semestre. Orientações pedagógicas Neste capítulo são abordados alguns conceitos que, geralmente, requerem da parte do professor maior atenção. É o caso do conceito de temperatura, que, por noções advindas do senso comum, é confundido com o de calor; com isso, a efetiva compreensão da temperatura de mudança de estado de uma substância como critério de pureza requer outras “retomadas” dos professores de Química e Física. Por exemplo, em discussões de experimentos, é interessante propor aos alunos questões do tipo: “É possível aumentar a temperatura de um líquido aumentando a chama (abrindo mais o bico do gás de um fogão) durante sua ebulição?”. Isso os levará a refletir a respeito do assunto com base em situações de seu cotidiano. Algo semelhante acontece com o conceito de densidade, que é bastante associado pelas pessoas à ideia de “peso” (massa). Nesse caso, há outro aspecto que representa dificuldade para muitos: o fato de esse conceito envolver uma relação (entre massa e volume); muitos alunos dessa faixa etária têm dificuldade de compreender conceitos que relacionam duas grandezas (para isso, teriam de ter atingido o nível cognitivo relativo às operações formais, segundo a teoria de Piaget). Estudos mostram que a exploração do conceito baseada apenas na expressão matemática d 5 m e em cálculos pode camuflar a V ausência do conceito físico, mesmo que as respostas a questões baseadas na expressão estejam corretas. No livro do aluno, iniciamos propondo várias atividades e explicações, antecedendo a introdução da expressão matemática. Para auxiliar os alunos na elaboração desse conceito, o professor pode propor a realização de outras atividades — nesta parte do CAP, há sugestões, incluindo o uso do densímetro alternativo, que valoriza a manipulação de materiais e a observação e a coleta de dados. No tratamento das propriedades específicas de cada substância (densidade, temperatura de ebulição e calor específico, por exemplo), são exploradas habilidades importantes que requerem dos professores (especialmente de Física e Matemática) atenção permanente: a construção e a interpretação de gráficos. Atividades complementares 1. Para trabalhar densidade, construir com os alunos um densímetro alternativo. Material ▸▸ álcool comercial com

maior teor de álcool (96 °GL ou 92,8 °INPM)

▸▸ água ▸▸ material para vedar

(massa de silicone ou plástica)

▸▸ sal

▸▸ um canudo de refresco ▸▸ areia ▸▸ caneta com tinta

acrílica

▸▸ açúcar ▸▸ leite ▸▸ óleo de cozinha ▸▸ copo

Procedimento ▸▸ Corte o canudo de refresco de modo que fique com 15 cm

de comprimento.

▸▸ Vede apenas uma das extremidades do canudo com o

material adequado.

▸▸ Coloque um pouco de areia no canudo pela extremidade

aberta. Experimente colocá-lo na água de modo que a parte fechada fique mergulhada no líquido e que ele possa sustentar-se na vertical, flutuando na água. Caso isso não ocorra, coloque mais areia ou retire a quantidade necessária para atingir o objetivo. O nível de flutuação desse equipamento alternativo depende da densidade do líquido no qual é colocado. Comparando os pontos de flutuação em vários fluidos é possível estimar suas densidades.

▸▸ Faça uma marca no canudo de acordo com o nível de

flutuação do densímetro na água. Atribua a esse ponto o valor 1 (a densidade da água vale 1 g/cm3).

▸▸ Depois coloque o densímetro em álcool comercial.

Proceda de modo semelhante, marcando 0,8. O valor corresponde à densidade do álcool 96 o GL ou 92,8 oINPM (0,8 g/cm3).

▸▸ Prepare uma solução saturada de sal de cozinha e água.

Para isso, junte sal à água até que ela não consiga dissolvê-lo mais. A solução obtida tem densidade próxima a 1,2 g/cm3. Faça no tubo a marca correspondente a essa densidade.

▸▸ Com o densímetro assim construído, procure avaliar as

densidades de materiais líquidos como os seguintes: a) mistura de álcool e água em proporções iguais; b) solução saturada de açúcar em água; c) óleo de cozinha; d) leite.

Fonte: BELTRAN, N.; CISCATO, C. A. Química. São Paulo: Cortez, 1981.

2. Atividade em grupo. Explorar a diferenciação entre substância simples e composta usando materiais como massinha de modelar (colorida), bolas de isopor, canudos, palitos. Para organizar a atividade, seja ela com massinha, isopor ou contas de colar (usadas em brinquedos infantis), o professor irá estabelecer uma cor para cada elemento a ser usado: hidrogênio: branco; oxigênio: vermelho; nitrogênio: azul; carbono: preto. No caso do uso de isopor, serão necessários palitos para unir as esferas e, no caso das contas, linhas que serão passadas pelo furo das pequenas esferas. Neste início de curso, é interessante que o professor se limite à representação de poucas substâncias, especialmente as mais conhecidas, como H2, O2, O3, N2, H2O, NH3, H2O2, CO2. O professor pode solicitar aos alunos que elaborem modelos para as substâncias simples e compostas, por exemplo, hidrogênio, oxigênio, ozônio, água. É interessante sugerir que, usando esses modelos, os alunos diferenciem água de uma mistura de hidrogênio e oxigênio; peróxido de hidrogênio (água oxigenada) de uma mistura de hidrogênio e oxigênio; amônia de uma mistura de nitrogênio e hidrogênio. É interessante também solicitar que eles representem certo número de moléculas Caderno de Apoio Pedagógico

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de hidrogênio e de oxigênio, por exemplo, duas de cada uma, e depois, quatro de hidrogênio e duas de oxigênio, verificando se, “desmontando” essas moléculas, conseguem usar todos os átomos para montar moléculas de água; desse modo eles começam a perceber o significado do coeficiente de acerto de uma equação. Vale sempre lembrar aos alunos que os modelos de isopor ou contas são representações de substâncias e misturas, bem distantes, quanto à dimensão, do que existe no mundo submicroscópico. Leituras e vídeos sugeridos LACERDA, Cristiana de Castro et alii. Abordagem dos conceitos mistura, substância simples, substância composta. Química Nova na Escola, São Paulo, v. 34, n. 2, maio 2012. PULIDO, Marcelo D.; SILVA, Aroldo N. Do calórico ao calor: uma proposta de ensino de Química na perspectiva histórica. Revista História da Ciência e Ensino — Construindo Interfaces, São Paulo, v. 3, 2011.

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ROCHA, J. R. C.; CAVICCHOLI, A. Uma abordagem alternativa para o aprendizado dos conceitos de átomo, molécula, elemento químico, substância simples e substância composta, nos Ensinos Fundamental e Médio. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 21, 2005. DENSITY Column (Coluna de líquidos com diferentes densidades). Duração: 1min42s. Disponível em: <https:// www.youtube.com/watch?v=AOytS9omeqk>. Acesso em: 22 mar. 2016. Para situá-lo, p. 48-49 1. Resposta pessoal. É provável que alguns alunos respondam que tentariam utilizar o paladar para diferenciá-los. A amostra de açúcar teria um gosto adocicado e a amostra de sal de cozinha, um gosto salgado. Outros, provavelmente, indicariam que o aquecimento das duas amostras em fogo baixo produziria um material diferente somente com o açúcar (caramelo). 2. Resposta pessoal. Talvez os alunos digam que poderiam diferenciar as amostras recorrendo ao olfato. No entanto, é bom alertar: em um laboratório, se lida, com frequência, com materiais tóxicos e, portanto, não se pode recorrer exclusivamente ao uso de órgãos dos sentidos no processo de identificação. O éter, por exemplo, é uma substância que, se inalada sem acompanhamento médico, pode ter consequências negativas para o indivíduo. 3. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos indiquem que a palavra puro tem um sentido positivo e que seu significado está associado à ausência de substâncias diferentes do “conteúdo” indicado. Ou, ao menos, o termo indica que são materiais que não contêm substâncias que reduzam a qualidade ou a relação custo-benefício para o fim a que se destinam. 4. Resposta pessoal. É provável que os alunos respondam que a água é pura associando o termo puro à potabilidade da água. Os alunos ainda não sabem o que é substância pura, e não estão errados ao pensar que água pura é água potável. Eles precisam entender que a palavra puro tem uma acepção diferente da usual, na Química. No contexto da Química, a

água pura está associada à substância água, que é diferente de uma água potável (mistura de substâncias). No dia a dia, eles podem utilizar esse termo normalmente. 5. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos destaquem os poluentes e as impurezas presentes na água sem tratamento e citem características como a coloração, o odor, a presença de componentes sólidos, entre outras. 6. Não, porque os diversos tipos de aço têm qualidades superiores às do ferro puro, tornando essas formas impuras de ferro adequadas à construção de pontes, automóveis, grandes estruturas. Portanto, a impureza, nesse contexto, é uma vantagem. O ar atmosférico é formado por uma única substância ou por uma mistura?, p. 50 Se julgar necessário, o professor pode solicitar aos alunos que respondam novamente a essa questão após concluir o estudo do capítulo, e que comparem a nova resposta com a resposta dada inicialmente. Provavelmente, na segunda resposta, os alunos indicarão que o ar é uma mistura de substâncias (gás oxigênio, gás nitrogênio e outros gases). Atividade, p. 50 a) Resposta pessoal. Espera-se que os alunos discutam a possível toxicidade das amostras e os possíveis riscos à saúde que a inalação ou ingestão de qualquer material desconhecido pode causar. b) Resposta pessoal. Provavelmente alguns alunos responderão que o álcool evapora com maior facilidade do que a água ou a mistura de água e sal. Pode ser que, dentre as respostas, surja alguma que indique que o aquecimento até a completa evaporação do líquido na mistura de água e sal de cozinha resultará em um gás (vapor de água) e um sólido branco (sal de cozinha). c) Não, todos os líquidos passariam pelo papel. Alguns alunos poderão responder que o filtro é utilizado para separar sólidos insolúveis da mistura líquida. Observação: embora o álcool comum (etanol) forme com a água uma mistura azeotrópica e, portanto, haja patamares de mudança de estado como se fosse uma única substância, o professor pode explicar que, tendo o conhecimento da temperatura de ebulição da água, é possível saber qual tem água. Optamos por não tratar neste livro de misturas azeotrópicas e eutéticas. p. 51 a) 260 °C; sólido. b) Coexistem os estados sólido e líquido. c) Entre 25 min e 50 min. d) Coexistem os estados líquido e gasoso. e) Gasoso. Atividades, p. 56-57 1. a) Sólido: cobre; líquido: água, acetona, bromo, etanol, mercúrio.

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b) Sólido: água, bromo, cobre, mercúrio; líquido: etanol, acetona. c) Líquido: cobre; gasoso: água, acetona, bromo, etanol, mercúrio.

150

2. 150

ebulição 100

Temperatura (°C)

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T (°C)

100

fusão

220

Tempo

t (min)

O estado físico da amostra aos 12 minutos de aquecimento é líquido.

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3. a) Se um ou mais grupos obtivessem um valor muito diferente do obtido pela maioria dos alunos, seria mais fácil perceber essa discrepância e detectar os possíveis erros cometidos nas medições. Além disso, o valor médio obtido com base nos valores conseguidos por cada grupo é mais preciso que o valor de uma medida isolada. É importante apontar aos alunos que, nesse caso, a determinação do volume foi feita por deslocamento da água. b) 8,9 g/mL c) Não poderia ser utilizado exatamente para nenhum dos casos. Como o açúcar é solúvel em água, ao contrário do cobre, ele se dissolveria em água, impossibilitando a medição do volume (o volume da solução não é igual ao volume do açúcar mais o volume da água). No caso da cortiça, como ela é menos densa do que a água, uma parte dela ficará fora da água. O deslocamento do nível da água não seria significativo e não corresponderia ao volume da cortiça (há métodos para calcular essa densidade medindo a altura da cortiça que fica fora da água e a que fica dentro da água). 4.a) 600 g b) 1 200 mL

b) 7,87 g/cm3 c) 1,31 g/L d) massa: 1,31 ? 1023 g; densidade: 1,31 ? 1023 g/cm3 e) A massa de ferro correspondente a um volume igual a 1 cm3 de ferro é 7,85 g. A massa de gás oxigênio correspondente a um volume igual a 1 L de gás oxigênio é 1,32 g. d 7,87 g cm23 . 6,008 ? 103 5 6 008 f) Fe 5 dO2 1,31 ? 1023 g cm23 Tal relação indica que o ferro é cerca de 6 008 vezes mais denso do que o gás oxigênio, a 25 oC e 1 atm. 8. a) 20 cm3 b) 40 cm3 c) 2,5 g/cm3 d) 250 cm 3 . Nesse caso, como não é possível resolver a questão usando apenas o gráfico, o professor pode sugerir aos alunos que comecem por calcular a densidade de C (0,4 g/cm3), usando, por exemplo, os pontos em que 40 g correspondem a 100 cm3; a partir dela, calcularão o volume de 100 g de C: 40 g/100 cm3 5 0,4 g/cm3; V 5 100 g/0,4 g/cm3 5 5 250 cm3. e) C , B , A

5.a) 600 g b) 1 000 mL

9. a) 20 g/mL

c) O segundo: d1 5 0,5 g/mL; d 2 5 0,6 g/mL 6. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos discutam a presença de quantidades variáveis de ar entre os grânulos de pó ou de outros compostos no detergente em pó, que podem variar de acordo com a marca.

b) Resposta pessoal. Espera-se que os alunos indiquem que o termo leve está impróprio do ponto de vista da ciência. A frase seria correta do ponto de vista científico se a expressão mais leve fosse substituída por menos densa. Atividade, p. 61

7. Relação entre massa e volume para o ferro e para o oxigênio (a 25 °C e 1 atm) Ferro

Oxigênio

Massa (g)

Volume (cm )

Massa (g)

Volume (L)

7,87

1,0

1,31

1,00

15,74

2,0

2,62

2,00

157,4

13,1

10,0

314,8

1 310

1 000

O primeiro trecho trata a água como uma mistura de substâncias simples (H2 e O2). Correção: “A água (o adjetivo pura é dispensável) (H2O) é um líquido cujas moléculas são constituídas por átomos de hidrogênio e oxigênio”. O segundo trecho afirma que a água seria composta por gases que na verdade estão dissolvidos nela, não fazendo parte de sua composição. Correção: “Na natureza, ela contém oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio, dissolvidos entre as moléculas de água”. Ou: “Na natureza, ela está misturada com gases como...”. Caderno de Apoio Pedagógico

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1. Resposta pessoal. É importante avaliar alguns elementos do resumo incluindo a utilização de fontes confiáveis. Pode-se, se necessário, questionar os alunos sobre o conhecimento que eles possuem desse gênero textual. O professor de Língua Portuguesa pode ser convidado a participar da atividade.

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2. Resposta pessoal. É provável que alguns alunos tenham ouvido falar desse prêmio, que é periodicamente mencionado em jornais, televisão e sites. O Prêmio Nobel é um conjunto de prêmios internacionais concedido anualmente em várias categorias (Paz, Química, Física, Fisiologia ou Medicina e Literatura) em reconhecimento a contribuição cultural ou científica. Sugerimos pedir aos alunos que façam uma pesquisa sobre os dez países que mais têm ganhado prêmios Nobel e pesquisem também quantas mulheres ganharam o prêmio nas áreas de Física, Química e Fisiologia/Medicina, desde que ele foi criado. Em seguida, devem comparar o número de mulheres ganhadoras com o de homens ganhadores, nas mesmas categorias, e buscar interpretar essas informações. Mulheres ganhadoras do Nobel nas áreas mencionadas: 16 (até 2015); homens: mais de 500 no mesmo período. O fundamental é os alunos perceberem que a premiação de mulheres é muito menor que a dos homens, o que explica o preconceito contra a presença de mulheres no campo das Ciências Naturais (as razões para a desigualdade entre os gêneros quanto ao número de prêmios vale outra pesquisa, que busque informações sobre o preconceito sofrido por mulheres cientistas e os inúmeros impedimentos a sua atuação na área). Quanto aos países, os campeões em prêmios são Estados Unidos, Reino Unido, Alemanha, França e Suécia, lugares onde o nível de escolaridade da população é alto, assim como o investimento em pesquisas científicas. Atividades, p. 68 1. A possibilidade de o cloro estar em estados físicos diferentes nas mesmas condições de temperatura e pressão.

7. Número de átomos Número de elementos Número de moléculas Número de substâncias Número de substâncias compostas Número de substâncias simples

III

18 2 9 2 0 2

14 2 6 2 1 1

18 2 9 1 1 0

15 1 5 1 0 1

12 1 5 2 0 2

Atividades, p. 70 1. a) Acrescentar mais solvente; no caso, álcool. b) Evaporando parte da água ou acrescentando mais dicromato de potássio. 2. Dissolver significa misturar substâncias obtendo uma solução (mistura homogênea); diluir é acrescentar mais solvente a uma solução já existente. 3. a) I, II, III, V e VI

c) IV

b) I, III, V e VI

d) I, II, III, V e VI

Conexões, p. 72 1. Porque possibilita o acesso à água potável de qualidade em regiões onde não há tratamento de água. Isso porque o filtro elimina 99,9% dos parasitas e bactérias, o que contribui para diminuir o número de doenças causadas pela ingestão de água não tratada. 2. Espera-se que os alunos discutam as dimensões dos poros do filtro. 3. O conhecimento das substâncias e dos microrganismos presentes na água não tratada auxiliou o desenvolvimento de tecnologias que permitiram o tratamento eficiente da água. p. 73 Seria interessante representar no quadro de giz a câmara de poeira, equipamento utilizado para separar misturas heterogêneas contendo sólido e gás. A imagem abaixo ilustra seu funcionamento. gás contendo sólidos

2. Gasoso. 3. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos observem que a propaganda provavelmente não se refere ao cloro em si, mas a uma substância que possui cloro em sua composição ou à mistura de cloro com outras substâncias. 4. a) Não. Os cereais podem conter ferro na forma de compostos, isto é, ferro associado a outros átomos, e, por isso, não são atraídos por ímã — o ímã é capaz apenas de atrair o ferro na forma de substância simples, como no caso de pregos e alfinetes. b) Tanto o medicamento quanto a farinha devem conter ferro na forma de composto e, por isso, não são atraídos por ímã. Se o cereal contiver o que a embalagem diz que contém, os flocos devem conter ferro metálico pulverizado e, por isso, seriam atraídos por ímã. 5. a) P4; N2; O3 b) CO; C4H10 c) P4 d) 14 e) N2 6. a) III b) IV c) II d) I e V

gás livre de sólidos

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Conexões, p. 65-66

sólido

Fonte: UNIVERSIDADE do Estado de Santa Catarina. Centro de Ciências Tecnológicas. Mundo Físico. Disponível em: <http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/ index.php?idSecao=8&idSubSecao&idTexto=165>. Acesso em: 8 jan. 2016.

Química: prática e reflexão, p. 75 É importante explicar aos alunos que, nesse exemplo, a cromatografia serve para saber quantos corantes constituem a tinta e reforçar que observem e registrem suas observações. 1. Espera-se que os alunos respondam que não. 2. É possível que alguns alunos considerem que a tinta da caneta é uma mistura de vários corantes e que outros discordem. É importante esclarecer eventuais dúvidas sobre os métodos de separação e os conceitos de misturas homogêneas e heterogêneas. 3. Porque ele é capaz de dissolver as substâncias presentes na tinta e porque apresenta interações diferentes com cada uma.

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4. Resposta pessoal. Com base nas hipóteses levantadas pelos alunos, sugere-se iniciar uma discussão em sala de aula a fim de verificar os principais conceitos com que eles relacionam. É provável que nenhum deles conheça a cromatografia em papel. Pode-se também perguntar-lhes se haveria diferença nos resultados obtidos se o álcool fosse substituído por outro líquido. É interessante ampliar a atividade demonstrando o comportamento dos componentes da tinta quando o álcool é substituído por acetona. Vídeos e sites sugeridos

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FIOCRUZ. In Vivo. Disponível em: <http://www.invivo.fio cruz.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=989&sid=3>. Acesso em: 6 maio 2016. Experimento sobre cromatografia de papel. FIOCRUZ. In Vivo. Disponível em: <http://www.invivo. fiocruz.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=937&sid=3>. Acesso em: 6 maio 2016. Descrição de experimento sobre os conceitos de fase, solubilidade e densidade. VÍDEOS para o ensino das ciências. Disponível em: <https:// sites.google.com/site/videosfq/pt/casa/qui#TOC-Lista-dereprodu-o>. Acesso em: 6 maio 2016. Nesse endereço, estão disponíveis, inclusive para download, vídeos curtos (menos de meio minuto de duração), na forma de esquema, sobre as formas mais usadas na separação dos componentes de misturas. Entre os vídeos disponíveis, indicamos os de número 11 a 20 (técnicas de separação dos componentes de uma mistura por centrifugação , cristalização, decantação líquido-líquido, cromatografia, peneiração, separação magnética, destilação simples). Atividades, p. 76-77 1. As palavras são átomos e simples. Para se tornar quimicamente correto, poderíamos substituir o trecho por: “[...] como se fosse composta de um número regular de moléculas de uma substância composta, fundamental e conhecida, como H2O”. 2. Seria eficiente apenas para evitar a aspiração das partículas sólidas, porque os gases tóxicos provenientes da queimada das florestas atravessariam as tramas do tecido das máscaras. A eficiência seria parcial, portanto. 3. a) Não, porque o sal é solúvel em água e atravessa o filtro (dissolvido na água). b) Não, porque os pontos de ebulição são muito próximos. c) Sim. d) Não, só há decantação em misturas heterogêneas. e) Sim. 4. a) Resposta variável. Alguns alunos já podem ter observado pessoas na cozinha escolhendo arroz, feijão ou outros grãos. Nesse processo, é comum a separação manual dos grãos indesejados. b) O resíduo que seria descartado em aterros sanitários é encaminhado a indústrias recicladoras, que o transformam em matéria-prima, reintegrando-o à cadeia produtiva. Com isso, a necessidade de matéria-prima virgem, ou seja, retirada da natureza, é menor.

c) Resposta variável. Algumas ações podem ser indicadas pelos alunos, como o fornecimento de equipamento de segurança (luvas, uniforme e máscara) a esses trabalhadores e a conscientização de moradores quanto ao descarte do lixo. d) Resposta variável. As propostas dos alunos para os itens c e d dessa questão podem contribuir para a produção de um projeto que envolva a comunidade escolar. Sugere-se solicitar aos grupos que entrevistem pessoas que atuam como catadoras de materiais recicláveis. Isso pode contribuir tanto para aumentar o conhecimento dos alunos sobre esse tipo de profissão — reduzindo eventuais preconceitos — quanto para ajudar a resgatar a voz do catador na comunidade. Atividade complementar Ler para os alunos o texto abaixo, explicando que é parte do livro de contos e relatos pessoais A Tabela Periódica, do químico e escritor italiano Primo Levi (1919-1987), que esteve confinado em um campo de concentração nazista durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945); cada um dos 21 capítulos do livro recebe o nome de um elemento da Tabela Periódica. Na sequência, propor as duas questões. [...] Destilar é bonito [...]. Antes de tudo, porque é um ofício lento, filosófico e silencioso, que te mantém ocupado mas deixa tempo para pensar noutras coisas, um pouco como andar de bicicleta. Mais ainda porque comporta uma metamorfose: de líquido a vapor (invisível), e deste novamente a líquido; mas neste caminho duplo, para cima e para baixo, atinge-se a pureza, condição ambígua e fascinante, que parte da química e vai muito longe. LEVI, Primo. A Tabela Periódica. Rio de Janeiro: Relume-Dumará, 1994.

1. Que características da destilação são ressaltadas no trecho? São ressaltadas as características de ser um processo demorado, que não depende de intervenções da pessoa que o executa, dando a ela a possibilidade de refletir, filosofar, divagar. Além disso, o narrador destaca a ideia de metamorfose (mudança) — sem que, no entanto, a substância se altere, isto é, mude em sua essência — e a repetição dos processos de vaporização e liquefação, para que se obtenham substâncias cada vez mais próximas da pureza, isto é, com baixíssimos teores de outras substâncias. 2. Pensando na ideia de purificação química e no significado dessa ideia para o período associado a tantos desrespeitos à vida (a Segunda Guerra Mundial), o que você imagina que o narrador tenha pretendido dizer com “condição ambígua e fascinante, que parte da química e vai muito longe”? Provavelmente o narrador relacionou o conceito de pureza química com o conceito de pureza racial buscado pelo nazismo — e que, com esse objetivo, tentou eliminar grupos sociais inteiros, como judeus, ciganos, homossexuais, comunistas, etc. Talvez por isso Primo Levi afirme que (a pureza) “parte da química e vai muito longe”, influenciando até mesmo ideologias que desrespeitam a vida. Testando seus conhecimentos, p. 78-79 1. c

2. d

3. a

4. c

5. e

6. a

7. c

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Unidade 2 – Introdução à estrutura da matéria Capítulos

Principais conceitos

4. Estrutura atômica: conceitos fundamentais

5. Classificação periódica dos elementos químicos

• Elaboração da Tabela Periódica • A tabela periódica atual • Propriedade periódica • Metais e não metais • Relação entre número atômico e posição na tabela • Ligação metálica

6. Ligações químicas: uma primeira abordagem

• Regra do octeto • Ligação covalente • Ligação iônica • Fórmula química — estrutural e de Lewis • Eletronegatividade, ligações e compostos polares (noção) • Propriedades de compostos iônicos e moleculares

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No trabalho com esta unidade, os alunos terão a oportunidade de desenvolver as seguintes competências e habilidades da matriz de referência do Enem: ▸▸ Competência de área 5 – Entender métodos e procedi-

▸▸ Competência de área 7 – Apropriar-se de conhecimentos

da Química para, em situações-problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas. H24 – Utilizar códigos e nomenclatura da Química para caracterizar materiais, substâncias ou transformações químicas.

Abertura de unidade, p. 80-81 Como já dissemos, é interessante que o professor atente às questões inseridas nas aberturas de unidade; no caso da unidade 2, é relevante entender se os alunos, no início do estudo, já têm conhecimentos que permitam responder às duas questões propostas de modo satisfatório. Ambas servem para uma avaliação dos conhecimentos prévios dos alunos e, juntamente com as questões da seção Para situá-lo dos capítulos 4, 5 e 6, poderão ser retomadas ao final da unidade para a autoavaliação dos alunos quanto à aprendizagem conquistada. ▸▸ Porque átomos desses elementos se unem de diferentes

formas e em proporções diferentes, o que explica a existência de um número imenso de substâncias. ▸▸ Porque, para explicar alguns fenômenos, muitos modelos

antigos são suficientes. No caso, como é do conhecimento dos alunos, o modelo de Dalton foi suficiente para explicar as Leis de Lavoisier e Proust, leis essas que continuam vá-

lidas para explicar as reações químicas. Os alunos devem ter realizado alguma atividade em que representaram substâncias simples e compostas e, para isso, se valeram da ideia de átomo de Dalton. Quanto à imagem que ilustra a abertura da unidade, vale analisar com os alunos os diferentes aspectos nela identificados: a água na forma sólida (gelo) e a água líquida na qual estão dissolvidos vários compostos; a fórmula representativa da água, conhecida por todos, H2O, e algumas de suas propriedade específicas (temperatura de fusão e de ebulição); os elementos que constituem a água e o posicionamento desses elementos químicos, H e O, na Tabela Periódica, um dos objetos de estudo do capítulo.

Capítulo 4 – Estrutura atômica: conceitos fundamentais Pressupostos ▸▸ Matemática básica: potências de 10. ▸▸ Elementos químicos: símbolos como forma de

representação.

Orientações pedagógicas Nesta introdução à estrutura da matéria, o professor pode enfatizar que tanto os modelos de átomo abordados no capítulo como outros que não fazem parte deste livro sempre estiveram sujeitos a alterações, e essas mudanças ocorrem de acordo com o surgimento de novos fatos que devem ser explicados, o que enfatizamos ao introduzir a ideia de modelo. Uma das perguntas que professoras e professores de Química fazem, principalmente quando trabalham no Ensino Médio, é: Qual o modelo de átomo que devo ensinar? Uma boa resposta poderia ser: “Depende para que os átomos modelados vão ser usados depois...”. Construí-

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mos modelos na busca de facilitar nossas interações com os entes modelados. É por meio de modelos, nas mais diferentes situações, que podemos fazer inferências e previsões de propriedades.

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CHASSOT, Attico. Sobre prováveis modelos de átomos. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 3, maio 1996.

Chassot evidencia que, embora em Química o uso de modelos (de representação em nível submicroscópico) seja indispensável para explicar propriedades das substâncias, do ponto de vista didático é importante escolher o modelo mais adequado à compreensão dos conceitos por parte dos alunos. O modelo atômico de Dalton, por exemplo, é suficiente para que os alunos compreendam as leis ponderais; contudo, se quisermos explicar a natureza elétrica da matéria, teremos de recorrer a outro modelo de átomo, como o de Thomson ou o de Rutheford-Bohr. É importante os alunos perceberem que alguns modelos permitem explicar certos fatos e outros, não. Essa discussão sobre modelos também pode levá-los a perceber como a ciência é dinâmica. Mostrar o caráter investigativo, hipotético e provisório das explicações científicas, analisar as limitações embutidas nas teorias vai, à medida que o curso avança, tornando claras para os alunos as características da criação científica. E o professor tem papel importante, ajudando a desfazer a ideia de que só há uma interpretação para um fato científico; na verdade, o ser humano caminha em busca de entender cada vez mais a respeito de questões relativas aos materiais naturais (constituição, estrutura e interação entre eles, por exemplo). Atividade complementar A compreensão sobre o que acontece nos experimentos que levaram à elaboração dos modelos de Thomson e Rutherford-Bohr é bastante complexa para os alunos que se iniciam no curso de Química, uma vez que envolvem conhecimentos de Física (Mecânica, Eletricidade, Magnetismo, Óptica, Física Moderna). Nesse caso, consideramos especialmente relevante a utilização de vídeos e simulações para que, aos poucos, os alunos adquiram melhor compreensão do processo de elaboração de modelos. Ver sugestão a seguir. ▸▸ PhET. Simulações Interativas em Ciências e Matemática.

Espalhamento de Rutherford. Disponível em: <http:// phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/rutherford-scattering>. Acesso em: 22 mar. 2016. A simulação é em inglês, mas o texto só é necessário para os comandos. Com esse recurso, que deverá ser baixado no computador usando-se Java, o professor pode simular o que deveria ocorrer se o modelo de Thomson fosse coerente com os resultados experimentais, comparando-o com os resultados obtidos por Rutherford, quando partículas alfa atravessaram lâmina finíssima de metal. Recomenda-se que, antes de utilizar o recurso em sala de aula, o professor lide com o simulador para compreender como funcionam seus comandos. Para situá-lo, p. 82-83 1. Para fazer graça a respeito de como uma pulga poderia conquistar outra do sexo oposto, Luis Fernando Verissimo recorre ao “golpe” de que um átomo teria entrado no olho do inseto, em analogia com a ideia de cisco no olho humano.

2. Ele fez uma analogia com o cisco que poderia entrar no olho de uma pessoa. Como o “olho” da pulga é bem pequeno, o “cisco” teria dimensões correspondentes às do átomo. Isso não corresponde à relação aproximada de dimensões olho humano/cisco e dimensões olho de pulga/átomo, pois o átomo, em relação ao olho de pulga, é muito menor do que um cisco em relação a um olho humano. 3. Resposta pessoal. Espera que os alunos respondam que não, já que o tamanho do átomo é muito pequeno. 4. Resposta pessoal. Sugere-se pedir aos alunos que respondam com um valor numérico seguido de unidade de medida. O raio atômico dos átomos é da ordem de dezenas a uma centena de picômetros (1 pm 5 10212 m). 5. Espera-se que os alunos representem um conjunto de esferas agrupadas e esse mesmo grupo se separando. 6. Espera-se que os alunos percebam que, embora as esferas se disponham de modo mais organizado, elas passam a ficar mais distantes no estado sólido do que estavam no líquido. 7. Espera-se que os alunos se deem conta de que neste caso o mercúrio é líquido e, por isso, as esferas estão afastadas e dispostas de modo mais desorganizado; após a ebulição, elas se afastam ainda mais. Atividade complementar Pedir aos alunos que, para começar a ter uma ideia da dimensão do mundo dos átomos e moléculas, acessem o seguinte site: ▸▸ POTÊNCIA de 10. Do micro ao macrocosmo. Disponível

em: <http://www.slidshare.net/centraldopps/macromicro-potencia-de-10>. Acesso em: 6 maio 2016. Solicitar, na sequência, que respondam às questões: 1. Como se pode ter ideia do que significa aumentar o expoente da potência de 10 de 1 para 2 ou 3 e o contrário, isto é, de 1 para zero, para 21, e assim por diante?

A resposta é meramente matemática, mas tem o objetivo de fazer com que os alunos prestem atenção ao fato de que a mudança de uma unidade no expoente (de 1 para 2, por exemplo) significa multiplicar (no caso, uma dimensão) por 10, assim como reduzir os expoentes de uma unidade implica dividir (no caso, a dimensão) por 10. 2. A tira de Luis Fernando Verissimo, na página 83, e as representações de modelos que comumente aparecem nos livros são recursos bastante limitados para esclarecer uma pessoa sobre o mundo do infinitamente pequeno. A que atribui o fato de que o conjunto de imagens visualizadas na internet pode lhe transmitir melhor essa ideia do que as imagens que estão neste livro? É importante que os alunos mencionem que é muito difícil imaginar diferenças de dimensões longe do que vemos, as infinitamente pequenas (no caso da aproximação cada vez maior, chegando ao nível de partículas subatômicas) e as infinitamente grandes (no caso do “mergulho” no cosmos), e que seria impossível representar no papel dimensões tão diferentes. As páginas do livro teriam que ser muitíssimo maiores para a representação ser próxima das proporções reais. Caderno de Apoio Pedagógico

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Atividades, p. 85

Atividades, p. 96

1. a) Resposta pessoal. Há algumas formas de chegar ao resultado. Pode-se, por exemplo, estabelecer uma relação de proporção:

1. 1H. Vale informar aos alunos que há ainda uma terceira forma de H: o trítio, 3H.

1 átomo de carbono

1,5 ? 10

210

3 ? 1022 m x átomos de carbono 22 3 ? 10 m x5 5 2 ? 108 ou 200 000 000 átomos de carbono 1,5 ? 10210 m b) Resposta pessoal. Espera-se que os alunos proponham como explicação que os átomos não se encontram encostados uns nos outros.

3. Dadas as abundâncias percentuais, conclui-se que, para cada 10 000 átomos de hidrogênio, 9 998 sejam 1H e 2 sejam 2H.

2. a) Pode ser explicado pela teoria de Dalton. Como os átomos não se destroem em uma reação (eles apenas se rearranjam), a quantidade de cada átomo no estado inicial é igual à final.

3. Um, apenas.

b) Resposta pessoal. É provável que boa parte dos alunos responda que não pode ser explicado, mas não consiga dizer por quê. Para que o circuito fique fechado, ou seja, o sistema conduza corrente elétrica, é necessário que o líquido contenha corpos carregados eletricamente, ou seja, os íons, e que eles possam ter liberdade de movimento no líquido.

Atividades, p. 96 1. Z 5 13; Aℓ 2. 26 elétrons 4. a) Ambos têm 17 prótons. 18 e 20 nêutrons, respectivamente. b) Não, porque eles têm o mesmo número de prótons. c) É Cℓ porque X tem o mesmo número de prótons que o elemento químico representado por Y e, portanto, ambos são do mesmo elemento (mesmo Z). Atividades, p. 98 1. a) 2 – 5

b) 2 – 8 – 8 – 1

c) 2 – 8 – 5

2. Possuem 5 elétrons na última camada.

d) Pode ser explicado. A distância entre os átomos aumenta ao passar do estado líquido para o gasoso, o que explica o aumento de volume.

3. 6C: 2 – 4; 14Si: 2 – 8 – 4. Ambos possuem 4 elétrons na última camada, o que deve indicar alguma semelhança quanto ao comportamento químico. Isso “inspirou” os químicos a tentar reproduzir esse comportamento para o Si; com isso, assim como há inúmeros compostos de carbono na natureza, os químicos desenvolveram muitos compostos de Si.

Atividades, p. 93

Atividades, p. 99

1. Enquanto o modelo de Dalton representa o átomo como algo único, sem carga, o de Thomson, além de indicar as cargas positivas e negativas, permite a explicação da existência de átomos carregados (os íons) pela entrada e saída de elétrons, que são, portanto, móveis.

1. 8 prótons, 10 elétrons e 9 nêutrons.

c) Não pode ser explicado. Para Dalton, o átomo era indestrutível.

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2. 1H. É importante informar aos alunos que o hidrogênio 21 (1H) também é chamado de prótio.

2. A mudança de um modelo em que se tinha uma massa compacta para um modelo nuclear, isto é, o modelo de átomo contém agora um núcleo. 3. Porque, segundo a Física clássica, se os elétrons estivessem parados em torno do núcleo, na eletrosfera, seriam atraídos pelo núcleo e chegariam a ele. Se estivessem em movimento, deveriam liberar energia e reduziriam progressivamente sua órbita até colidirem com o núcleo. 4. Na medida em que a Física clássica não era capaz de explicar os fenômenos observados. 5. Thomson e Rutherford. 6. Elétrons. Carga negativa. A carga elétrica é adquirida por meio da perda ou do ganho de elétrons, que têm carga negativa. 7. 1 840 8. Apenas um. 9. 36 elétrons. 10. Sua carga fica positiva. Já sua massa praticamente não muda. 12. Perdendo dois elétrons.

2. Fe21: 26 prótons, 30 nêutrons e 24 elétrons; Fe31: 26 prótons, 30 nêutrons e 23 elétrons. 3. Quando um átomo de 12Mg perde 2 elétrons, transforma-se em um cátion do mesmo elemento químico, cujo número atômico é 12, representado por 12Mg2. (O Mg teria que perder 2 prótons para se transformar em 10Ne.) 4. a) O alumínio neutro tem 13 elétrons e o íon Aℓ 31 tem 10. b) Ca: 2, 8, 8, 2; íon Ca 21: 2, 8, 8 5. Sugere-se que os alunos leiam o texto e indiquem as duas aplicações nele mencionadas para a radioatividade (“questão nuclear"): obtenção de energia e uso na Medicina. Vale pedir que digam se o Brasil tem alguma usina de energia desse tipo e qual o nome desse tipo de usina. (O Brasil possui uma usina desse tipo, em Angra dos Reis; trata-se de usina termonuclear, que transforma a energia nuclear em térmica e a térmica, em elétrica.) a) O molibdênio é utilizado na produção de radiofármacos empregados na medicina nuclear. b) Resposta variável. A medicina nuclear é uma especialidade médica que emprega radiofármacos em exames, tratamentos e cirurgias. O professor de Língua Portuguesa pode orientar os alunos a escrever o verbete. c) 99 Mo. Esse isótopo apresenta 42 prótons, 42 elétrons e 42 57 elétrons.

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Capítulo 5 – Classificação periódica dos elementos químicos Pressupostos ▸▸ Partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons. ▸▸ Conceito de número atômico e de número de massa. ▸▸ Distribuição eletrônica de elementos representativos em

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níveis (camadas).

Orientações pedagógicas O estudo do contexto histórico que levou ao desenvolvimento da Tabela Periódica permite a discussão de importantes pontos, como a questão do “descobrimento” (autoria) dos conhecimentos científicos. Por essa razão, neste capítulo há forte destaque para os fatos que marcaram essa fase do século XIX. Sugere-se que o professor dispense atenção especial à leitura e às atividades dos textos da seção Viagem no tempo, o que permitirá aos alunos perceber que muitos cientistas contribuíram direta ou indiretamente para a formulação do sistema periódico que conhecemos hoje. Quanto à questão da memorização, consideramos absolutamente desnecessário que, ao iniciar o curso de Química, o adolescente memorize a tabela de cátions e ânions, a classificação periódica, as séries de reatividade, etc. A memorização dos símbolos químicos, dos elementos de algumas famílias da Tabela Periódica e das fórmulas das substâncias mais utilizadas durante o curso básico de Química ocorre naturalmente, à medida que as tabelas com as diversas informações são consultadas durante a resolução de questões teóricas ou práticas. O que se espera, ao se estudar a classificação periódica dos elementos, é que os alunos: ▸▸ compreendam a estrutura da Tabela Periódica atual, de

modo a utilizá-la como fonte de consulta da simbologia dos elementos químicos e de suas propriedades periódicas;

▸▸ compreendam a relação entre estrutura atômica, proprie-

dades periódicas e organização dos elementos na tabela.

Recursos complementares Após o trabalho com o texto e as questões propostas na seção Para situá-lo, sugerimos explorar com os alunos o site a seguir: ▸▸ TABELA Periódica.org. Disponível em: <http://www.

tabelaperiodica.org/>. Acesso em: 22 mar. 2016. Além da interatividade oferecida na Tabela Periódica, na opção “Fotos e imagens” do menu há imagens e informações sobre os elementos químicos. Pode-se usar também a ferramenta de pesquisa do site e procurar “História da Tabela Periódica – Antes de Mendeleev”. Observação: na tabela colorida que aparece assim que se acessa o endereço, há discrepância entre o nome adotado nesse site para lantanídeos e actinídeos e o nome oficial. É importante apontar essa diferença aos alunos, para que não fiquem confusos. Ao planejar as aulas, é importante que o professor liste alguns exemplos de imagens relativas a substâncias simples (formadas pelo elemento em exame). Isso porque uma grande dificuldade dos alunos no início de um curso de Química é lidar com a consulta a tabelas contendo propriedades periódicas, como temperatura de fusão, temperatura de ebulição e den-

sidade, uma vez que, usualmente, elas não explicitam que se referem à substância simples. Sugere-se que essa exploração inicie com substâncias simples que, provavelmente, os alunos já tiveram a oportunidade de conhecer, como o cobre, o alumínio e a prata. Nesse sentido, o site em inglês a seguir apresenta excelentes imagens de substâncias simples: ▸▸ HI-RES Images of Chemical Elements. Disponível em:

<http://images-of-elements.com>. Acesso em: 22 mar. 2016. Observação: Em sites relacionados à Tabela Periódica, as imagens podem se referir a reações químicas relativas a essas substâncias ou diretamente a substâncias compostas. É interessante que nessa exploração o professor retome os significados de transformação química e de substância composta. A seguir, dois links de Tabelas Periódicas interativas (em inglês) e com diversas informações sobre cada um dos elementos químicos, como dados históricos, propriedades físicas, algumas utilizações, vídeos, podcasts, fotos, ilustrações, entre outras: ▸▸ ROYAL Society of Chemistry. Periodic Table. Disponível

em: <http://www.rsc.org/periodic-table>. Acesso em: 6 maio 2016.

▸▸ THE UNIVERSITY of Nottingham Periodic Videos. Dis-

ponível em: <http://www.periodicvideos.com>. Acesso em: 6 maio 2016.

Leitura sugerida VILA NOVA, Ana C. F.; ALMEIDA, Diana P. G. de; ALMEIDA, Maria A. V. Marcos históricos da construção da Tabela Periódica e seu aprimoramento. Disponível em: <http://www. eventosufrpe.com.br/jepex2009/cd/resumos/R0249-3.pdf >. Acesso em: 22 mar. 2016. Para situá-lo, p. 100-101 1. Uma das características de uma classificação feita com rigor é estabelecer tipos e subtipos, em vez de misturar uns e outros, como acontece com os critérios a e c: afinal de contas, animais pertencentes ao imperador com certeza são um subtipo dos animais domesticados, no entanto estão listados com a mesma importância hierárquica. Estão no mesmo caso os pares e e f, pois sereias são um subtipo dos animais fabulosos. 2. Propriedade (critério a), falta de propriedade (critério g), comportamento (critérios i e m), aparência quando distantes (critério n), entre outros. 3. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos percebam que os critérios estabelecidos nesse texto não são claros e objetivos para permitir uma classificação. 4. Substâncias simples são formadas por um só elemento químico, e as compostas por pelo menos dois elementos químicos. 5. Configuração eletrônica: Na: 2-8-1; Mg: 2-8-2; K: 2-8-8-1; Ca: 2-8-8-2; Rb: 2-8-18-8-1; Sr: 2-8-18-8-2. Poderiam ser agrupados, quanto ao número de níveis em que possuem elétrons, em três grupos: Na e Mg — com 3 níveis eletrônicos; K e Ca — com 4; Rb e Sr — com 5. Quanto ao número de elétrons no nível mais externo, em dois grupos: Na, K, Rb — têm 1; Mg, Ca e Sr — têm 2. Caderno de Apoio Pedagógico

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Viagem no tempo, p. 103-104 1. Porque somente nessa época os cientistas chegaram a um consenso sobre a conceituação de átomo e elemento. Vale lembrar que os conceitos de átomo e elemento usados por Mendeleev e Meyer se ancoraram em conhecimentos decorrentes da teoria atômica de Dalton, também formulada no século XIX. 2. Na classificação de Mendeleev, os elementos foram organizados com base na ordem crescente de massas atômicas. Já na atual, são organizados na ordem crescente dos números atômicos, desconhecidos na época de Mendeleev. 3. Entre as mais importantes, figuram o fato de serem conhecidos apenas 60 elementos (os gases nobres, por exemplo, eram desconhecidos), a ausência de conhecimento sobre as partículas constituintes do núcleo e, portanto, do conceito de número atômico, essencial na atual organização da tabela. 4. Os conhecimentos sobre números atômicos e configuração eletrônica, ambos diretamente relacionados ao estudo de algumas partículas subatômicas (prótons e elétrons).

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5. Ambos relacionaram as massas atômicas com algumas propriedades dos elementos químicos, procurando encontrar periodicidade. Entretanto, a proposição da existência de elementos ainda não conhecidos na época e a inversão na posição de alguns elementos, segundo a ordem crescente de massas atômicas, que Mendeleev adotou, acabaram por ofuscar o trabalho de Meyer.

sobre o contexto socioeconômico, cultural e geográfico tanto dos países que possuem essas jazidas como dos que dominam as tecnologias para explorá-los. Algumas das informações que aparecem a seguir devem constar da resposta dos alunos. A expressão minerais estratégicos foi inicialmente adotada nos Estados Unidos para designar os minerais que eram essenciais para finalidades bélicas. Nos últimos tempos, a expressão passou a designar também os materiais de que um país necessita, mas os quais tem dificuldade de obter em quantidade suficiente para atender a suas necessidades. Contemporaneamente, essa expressão abarca os materiais relacionados à chamada “terceira revolução científica”, que representa aqueles que são usados para obter equipamentos usados em tecnologias de informação e comunicação, entre outros. A título de complementação, o professor pode citar algumas das aplicações desses elementos: Elementos

Aplicações

Escândio

Componentes aeroespaciais, ligas de alumínio

Ítrio

Lasers, displays de TV e computadores, filtros de micro-ondas

Lantânio

Refino de petróleo, baterias de carros híbridos, lentes de câmera

Cério

Conversores catalíticos, refino de petróleo, produção de lentes

Praseodímio Motores de aeronaves, lâmpadas a arco voltaico Neodímio

Discos rígidos de computador, celulares, ímãs de alta potência

Promécio

Máquinas portáteis de raios X, baterias nucleares

Samário

Ímãs de alta potência, etanol, limpadores de bifenilpoliclorado

Európio

Displays de computadores e TVs, lasers, eletrônicos ópticos

Gadolínio

Terapia contra câncer, material de contraste para ressonância

Térbio

Eletrônicos de estado sólido, sistemas de sonar

Disprósio

Lasers, hastes de controle de reatores nucleares, ímãs de alta potência

1. a) 10Ne: 2-8; grupo 18; 2º período

Hólmio

Ímas de alta potência, lasers

b) 20 Ca: 2-8-8-2; grupo 2; 4º período

Érbio

Fibras ópticas, hastes de controle de reatores nucleares

Túlio

Máquinas de raios X, supercondutores

Itérbio

Máquinas portáteis de raios X, lasers

Lutécio

Processamento químico, lâmpadas de LED

p. 105 Para saber mais sobre os intervalos de massa atômica e as mudanças na Tabela Periódica, sugerimos ao professor a leitura do artigo: ▸▸ ROCHA-FILHO, Romeu; CHAGAS, Aécio P. Os pesos atô-

micos deixam de ser constantes: dez elementos passam a ter intervalos de pesos atômicos. Química Nova na Escola, São Paulo, v. 33, n. 4, nov. 2011. Disponível em: <http:// qnesc.sbq.org.br/online/qnesc33_4/211-AQ-9011.pdf>. Acesso em: 17 jan. 2016.

Atividades, p. 107

c) 34 Se: 2-8-18-6; grupo 16; 4º período d) 3Li: 2-1; grupo 1; 2º período e) 6 C: 2-4; grupo 14; 2º período 2. Cℓ 3. 16 4. a) 19

b) 9

c) 36

Conexões, p. 108-109 1. Porque eles não são raros, estão apenas mais dispersos sobre a crosta terrestre e são mais difíceis de obter. 2. Os alunos devem indicar que a fabricação de vários produtos eletrônicos requer esses elementos. 3. A seguir, procuramos elencar alguns aspectos que poderão ser abordados com base na pesquisa sobre terras-raras no Brasil, na China e no Afeganistão. É importante levar os alunos a refletir

Quanto a outros aspectos, será interessante pedir aos professores de História e Geografia que ampliem e aprofundem com os alunos as informações a seguir. A China tornou-se o maior produtor de terras-raras do mundo (até o final da primeira década deste século, era responsável por mais de 90% da produção mundial), já que domina a tecnologia para fazê-lo, e para isso importa o minério do Afeganistão, com o qual faz fronteira. O Afeganistão, cujo solo é rico em minérios de terras-raras, mas também em outros minérios importantes, como os de lítio, índio, chumbo e metais de transição, é um país cuja população, contraditoriamente, vive em condições precárias. Do ponto de vista

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Leitura sugerida MOUTINHO, Sofia. O novo ouro. Ciência Hoje, Rio de Janeiro, v. 52, dez. 2013. Disponível em: <http://cienciahoje.uol. com.br/revista-ch/2013/310/o-novo-ouro/>. Acesso em: 7 maio 2016. Atividades, p. 111 EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

1. 250

Raio atômico (pm)

político, os afegãos têm enfrentado inúmeros conflitos internos envolvendo diferentes grupos étnicos e religiosos. Mas a situação se agravou quando os Estados Unidos atacaram o país, em 2001, sob o pretexto de capturar Osama Bin Laden, líder da organização terrorista Al-Qaeda. Após uma das mais longas guerras dos últimos tempos, os Estados Unidos ainda discutiam, em 2016, o prazo final para a retirada das últimas tropas de um Afeganistão pobre e instável. E aqui vale fazer uma reflexão: geólogos estadunidenses mapearam as riquezas minerais do Afeganistão e descobriram que os afegãos detêm grande riqueza, especialmente em metais pesados e lítio, metal que tem aplicações importantes no mundo atual (por exemplo, nas baterias de lítio, usadas em computadores e outros aparelhos eletroeletrônicos). Segundo o jornal O Estado de S. Paulo noticiou já em 2010: EUA descobrem reservas minerais de R$ 1 trilhão no Afeganistão, diz NYT

200 150 100 50

Segundo relatório, país tem reservas de lítio, ferro, ouro, nióbio e cobalto

[...] Hoje, a China detém as maiores reservas conhecidas de terras-raras, cerca de 36 milhões de toneladas, e controla 95% da produção mundial — um verdadeiro monopólio. Sua principal mina, Bayan-Obo, na Mongólia, produz em torno de 120 mil toneladas de elementos de terras-raras por ano. Estados Unidos e Austrália vêm logo atrás, com 6,4% e 3,6% da produção mundial, respectivamente. O Brasil nem entra nessa lista. Apesar de ter reservas conhecidas desde o final da década de 1940, não há produção industrial de terras-raras por aqui. Mas esse cenário pode estar prestes a mudar. [...] MOUTINHO, Sofia. O novo ouro. Ciência Hoje, Rio de Janeiro, v. 52, dez. 2013.

O Brasil, embora tenha reservas de neodímio conhecidas há tempos, só recentemente começa a desenvolver tecnologia para explorá-lo. 4. Do ponto de vista ambiental, além da intervenção no relevo, visível na foto da p. 108 (jazida importante em Araxá, MG), o ambiente é prejudicado na extração desses minérios porque eles sempre estão associados a materiais radioativos, cujas emissões de radiação representam um risco aos que trabalham nessas minas. Além disso, outros metais, como o cobre e o chumbo, se estiverem também presentes nessas jazidas, podem ser poluentes. Por fim, trabalhadores e habitantes do entorno podem ter problemas pulmonares devido à inalação de poeira. No caso dos trabalhadores, é fundamental que estejam protegidos por equipamentos de proteção individual (EPI).

Número atômico

a) Espera-se que os alunos reconheçam a forma periódica do gráfico, com várias curvas decrescentes partindo de valores maiores de raio à medida que o número atômico aumenta. b) Os elementos de maior raio atômico pertencem ao grupo 1 (metais alcalinos); os de menor raio atômico pertencem ao grupo 18 (gases nobres). 2. a) É importante orientar os alunos sobre a escolha da escala mais adequada (de acordo com os dados) e verificar se eles conseguem marcar adequadamente os pontos em cada eixo e como unem esses pontos. EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

O interesse econômico pode ter tido um papel importante na decisão estadunidense de atacar o Afeganistão em 2001? (Essa é uma questão que vale outros trabalhos conjuntos entre Química, História e Geografia e que podem incluir pesquisa sobre outros conflitos relacionados a controle de áreas ricas em minérios.)

Energia de ionização (eV)

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MANGUEIRA, Clarissa. O Estado de S. Paulo, São Paulo, 14 jun. 2010.

30 25 20 15 10 5 0

Número atômico

b) Espera-se que os alunos reconheçam a forma periódica do gráfico, com curvas ascendentes partindo de valores menores de energia de ionização à medida que o número atômico aumenta. c) Os de maior energia de ionização pertencem ao grupo 18, correspondente aos gases nobres. Já os de menor energia de ionização pertencem ao grupo 1, correspondente aos metais alcalinos. 3. Uma propriedade periódica é aquela que apresenta variações de acordo com a posição do elemento químico nos períodos e grupos da tabela, ou seja, nas linhas e colunas, respectivamente. Caderno de Apoio Pedagógico

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Atividades, p. 112 1. a) 19 p ; 19 e b) 19 p ; 18 e 1

2. 18 p1; 18 e2 3. 17 p1; 18 e2 4. O raio atômico do K é maior do que o do K1, porque o K1 perde o elétron do último nível, sendo cada elétron restante mais atraído pelo núcleo. 5. Ordem crescente de raios atômicos: K1 , Ar , Cℓ2. Porque o K1 perde o elétron de valência, tornando seu tamanho menor, enquanto o Ar permanece neutro e o Cℓ2 ganha um elétron, o que torna seu tamanho maior. 6. As espécies químicas K1, Ar e Cℓ2 são isoeletrônicas (18 elétrons); o Cℓ2 apresenta 17 prótons, o Ar possui 18 prótons e o K1 tem 19 prótons. Quanto maior a carga nuclear, maior a atração dos elétrons pelo núcleo, resultando em raio atômico menor. A ordem crescente de raios atômicos nessas espécies é: K1 , Ar , Cℓ2. Atividades, p. 116-117

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1. 11Na: grupo 1, 3º período Mg: grupo 2, 3º período 12 He: grupo 18, 1º período 2 Rb: grupo 1, 5º período 37

P: grupo 15, 3º período

C: grupo 14; 2º período

F: grupo 17, 2º período

2. Rb 3. Vale comentar com os alunos que, quando se faz essa pergunta, na verdade, está se falando das substâncias simples que eles constituem: F, na forma de F2, e He, que são gasosos; todos os outros são sólidos a 25 °C e 1 atm. 4. Na, Mg e Rb 5. Não, por tratar-se de um não metal. 6. Avermelhada. Não, porque a cor avermelhada corresponde à substância simples (metálica) e não a um composto no qual o cobre está na forma iônica, Cu21. Por exemplo, o sulfato de cobre hidratado, vendido no comércio, é azul. 7. a) Fontes antigas: gasolina contendo chumbo como antidetonante, tintas à base de óxido de chumbo, encanamentos de chumbo, taças e garrafas de bebidas feitas de chumbo. Fontes atuais: demolição de prédios e casas antigas que utilizavam tintas à base de chumbo. b) Mercúrio e cádmio. 5o e 4 o período, respectivamente. 8. a) 2 elementos. Aℓ e Ga. b) G6 P5, G7 P5 e G8 P5 c) Na posição referente ao elemento selênio, ou seja, G16 P4. Sugere-se promover essa atividade lúdica (batalha-naval da Tabela Periódica) com os alunos em sala de aula.

Capítulo 6 – Ligações químicas: uma primeira abordagem Pressupostos

Orientações pedagógicas Uma estratégia recomendada para facilitar a aprendizagem do tema do capítulo 6 é a utilização sistemática de desenhos nas diferentes situações de ensino em que apareçam substâncias químicas puras ou misturas, mostrando como se encontram distribuídos no espaço os diferentes átomos ou íons das substâncias envolvidas (DE POSADA, 1999). No site a seguir, em inglês, há recursos interessantes que podem ser usados para trabalhar os conteúdos de estrutura da matéria abordados nos capítulos 4, 5 e 6. ▸▸ THE POINT – Materials. The Center on Materials and

Devices for Information Technology Research – CMDITR. Disponível em: <concave.stc.arizona.edu/thepoint/ Materials>. Acesso em: 6 maio 2016.

Para situá-lo, p. 118-119 A resposta à questão do primeiro parágrafo da página é pessoal. Provavelmente, os alunos responderão que se trata de uma equação química que representa uma transformação química. Alguns associarão a representação à transformação da água em hidrogênio e oxigênio. Provavelmente, alguns alunos não vão conseguir responder à questão formulada no último parágrafo do texto. Outros podem responder que os átomos de hélio são estáveis, o que não vale para os átomos dos elementos dos grupos 1 a 17 da Tabela Periódica. Essa pergunta tem como objetivo motivar os alunos para o estudo dos temas do capítulo (ligações químicas, teoria do octeto). Atividade, p. 122 a) O átomo de Ca (grupo 2) tende a formar o cátion Ca 21, cuja carga é, portanto, 12. b) O átomo de F (grupo 17) tende a formar o ânion F2, cuja carga é, portanto, 21. c) Para que o conjunto seja eletricamente neutro, consideradas as cargas (do cátion, 12, e do ânion, 21), é necessário que haja dois ânions para cada cátion. d) F

Ca 21

Atividades, p. 123-124 1. O ferro conduz eletricidade graças a seus elétrons móveis; já no cloreto de sódio fundido os íons são os responsáveis pela condução de corrente elétrica. 2. a) K 1

Cℓ

K1 1

Cℓ

b) Ca 1 O

Ca 21 1 O

c) Li 1 H

Li1 1

▸▸ Tabela Periódica: conceito de grupo e período.

3. Não, porque seu núcleo se conservou, isto é, continuou com 1 próton, portanto seu número atômico se mantém o mesmo.

▸▸ Classificação dos elementos: metais e não metais.

4. Prótons: 20; elétrons: 18.

▸▸ Conceitos de substância simples e composta.

5. Porque ele possui 2 elétrons a mais do que seu número de prótons.

▸▸ Grandezas físicas: pontos de fusão e ebulição. 348

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2. a)

6. a) Li

Li1 2

H 3. a) H — Cℓ

b) F F Aℓ 31

Aℓ

2 3

Cℓ

c) Zn e Ni

4. a) CaF 2, MgCℓ 2 e H2O

c) O O

Aℓ 31

Aℓ

e) N2, O2, I2, Zn e Ni

Atividade, p. 128

a) H

O 7. RaBr2. O cátion rádio tem carga 12 e o ânion brometo tem carga 21: Ra 21Br 22 . 8. O número de massa se mantém (A 5 137), pois o número de prótons e de nêutrons não se altera com a perda de um elétron.

H b) H

9. Z

np1

ne2

nn 0

Íon Cℓ2

Íon Ba

137

d) Zn e Ni

b) CaF2 e MgCℓ 2

Aℓ

H C

O H

10. a) Mg: 2; Aℓ: 13; Ca: 2, Li: 1; K: 1 b) Metais.

c) Cátions.

d) Mg: 12; Aℓ: 13; Ca: 12; Li: 11; K: 11

e) Elementos do mesmo grupo têm a mesma carga, o que coincide com o número do grupo.

11. a) F: 17; Cℓ: 17; O: 16; S: 16

c) H

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C H

H C

C H

H H

H O S

b) Não metais.

Atividades, p. 134-135

c) Ânions.

1. Porque, apesar de ambos possuírem 6 elétrons no último nível, o elemento de Z 5 8 possui menor número de camadas e, portanto, seus elétrons (carga 2) estão mais próximos do núcleo (carga 1), o que explica a maior atração que o núcleo exerce pelos elétrons. Isso faz com que o elemento formado por átomos de Z 5 8 sejam mais eletronegativos que o elemento formado por átomos de Z 5 16.

d) F: 21; Cℓ: 21; O: 22; S: 22 12. a) BaF2: cátion de carga 12 (Ba21) e ânions de carga 21 (F2) b) CaCℓ 2: cátion de carga 12 (Ca 21) e ânions de carga 21 (Cℓ2) c) K 2O: cátions de carga 11 (K1) e ânion de carga 22 (O22) d) RbH: cátion de carga 11 (Rb1) e ânion de carga 21 (H2) 13. a) 1 cátion e 2 ânions b) 1 cátion e 2 ânions

2. a) H — F b) H — H , H — P , H — C , H — Br , H — O , H — F

d) 1 cátion e 1 ânion

3. a) Iônico. Porque o elemento magnésio tem a tendência de ceder os elétrons da última camada eletrônica, enquanto o oxigênio tem a tendência de receber esses elétrons.

Atividades, p. 126

b) Sólido.

1. Não, porque na água praticamente não há íons livres. Suas unidades são moléculas neutras, não havendo, portanto, cargas móveis.

c) Não, porque, apesar de possuírem partículas com carga (os íons), no estado sólido eles estão praticamente imóveis. No estado líquido, conduzem, porque os íons possuem maior mobilidade.

c) 2 cátions e 1 ânion

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4. a) Observar, na teoria, o comportamento de átomos quando estão próximos a campos magnéticos intensos.

Testando seus conhecimentos, p. 136-137 1. c

4. e

7. a

b) O hélio é um gás nobre e, por ter a camada de valência completa, não tem a tendência de se unir a outros átomos de hélio.

2. 02 e 08

5. c

8. c

3. e

6. d

9. a

Unidade 3 – Eletrólitos e reações químicas: fundamentos qualitativos e quantitativos

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Capítulos

Principais conceitos

7. Ácidos, bases e sais

• Função química: ácidos, bases e sais • Dissociação • Teoria de Arrhenius • Neutralização • pH (noções) • Ácidos, bases e sais (nomenclatura e formulação)

8. Reações químicas: estudo qualitativo

• Equação química • Coeficiente de acerto e método das tentativas • Reações de síntese e análise • Reações entre ácidos, bases e sais (dupla-troca)

9. Cálculos químicos: uma iniciação

• Mol • Massa molar • Quantidade de matéria • Concentração: g/L e mol/L • Cálculos envolvendo reações • Reagente limitante

10. Reações de oxirredução

• Oxidação e redução • Número de oxidação • Reações de oxirredução • Agente redutor e agente oxidante • Reatividade dos metais • Balanceamento de equações de oxirredução

11. Óxidos

• Óxidos: conceito e relevância • Óxidos ácidos, bases, peróxidos • Reações envolvendo óxidos importantes

▸▸ Competência de área 1 – Compreender as Ciências Na-

19 – Avaliar métodos, processos ou procedimentos das H Ciências Naturais que contribuam para diagnosticar ou solucionar problemas de ordem social, econômica ou ambiental.

▸▸ Competência de área 5 – Entender métodos e procedi-

Abertura de unidade, p. 138-139 É importante que o professor explore a imagem que abre a unidade, chamando a atenção para os vários produtos usados em nossa alimentação e destacando que muito do que será estudado na unidade se refere a substâncias que têm características comuns com esses produtos. Quanto às perguntas iniciais, elas servem como motivação, uma vez que serão esclarecidas ao longo do capítulo.

No trabalho com a unidade 3, os alunos terão a oportunidade de desenvolver as seguintes competências e habilidades da matriz de referência do Enem. turais e as Tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. H2 – Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico. mentos próprios das Ciências Naturais e procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. H17 – Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas Ciências Físicas, Químicas ou Biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. H18 – Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam.

Capítulo 7 – Ácidos, bases e sais Pressupostos ▸▸ Fórmulas químicas (estrutural e Lewis). ▸▸ Compostos iônicos. ▸▸ Átomos neutros e íons (cátions e ânions). ▸▸ Solubilidade e condutibilidade elétrica.

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Atividade complementar A atividade a seguir deve ser realizada sob a supervisão do professor, pois usa-se ácido clorídrico. Após o experimento, propor as três questões sugeridas. Material ▸▸ acido muriático ▸▸ vinagre ▸▸ amoníaco ▸▸ soda cáustica ▸▸ álcool 92,8 INPM ou 96 oGL ▸▸ 1 folha de repolho roxo ▸▸ 2 flores (azaleia rosa-escuro ou cravo vermelho)

▸▸ Com uma colher, coloque um pouco de soda cáustica em

um frasco plástico e acrescente água até dissolver.

▸▸ Divida o extrato de número 1 em 4 copos ou frascos

com volumes aproximadamente iguais. Rotule-os e escreva 1.

▸▸ Acrescente no primeiro copo 2 colheres de sopa de amo-

níaco e, no segundo, 2 colheres de sopa de vinagre. No terceiro copo, goteje ácido muriático até o volume ficar igual ao das misturas anteriores. No quarto copo, acrescente volume equivalente de solução obtida com a soda cáustica. Anote o que observa.

▸▸ Repita o procedimento anterior com o extrato número 2. ▸▸ Faça o mesmo com o extrato número 3. ▸▸ Com um conta-gotas, coloque um pouco da solução obtida

com o extrato 3 misturado ao amoníaco em um pedaço de papel de filtro.

▸▸ Observe após 1 minuto e anote o resultado no caderno.

1. O que ocorre com o extrato de repolho roxo em meio ácido e em meio básico? Descreva o que observou. Em meio ácido, a solução indicadora obtida do repolho roxo adquire coloração vermelha. Em meio básico, fica verde (em amoníaco) e amarela (em soda cáustica). 2. Que alterações de cor ocorreram com a flor? Ela é um bom indicador para meios ácidos ou básicos? Com o ácido muriático e o vinagre, o extrato assume respectivamente as cores vermelha e laranja. Com a soda cáustica, azul-escuro e, com amoníaco, azul bem mais claro. As mudanças de cor são mais visíveis no meio básico.

▸▸ 4 copos ou frascos incolores (de vidros de remédio)

Escala de pH

▸▸ 1 colher de sopa

Soluções Neutras

▸▸ filtro de papel para café

Soluções Ácidas

Soluções Básicas

▸▸ socador de bebida ▸▸ 12 frasquinhos incolores ou copos ▸▸ 12 etiquetas

Acidez Crescente

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Orientações pedagógicas Quanto a fórmulas e nomes de substâncias, não se pretende que os alunos saibam de cor os nomes e as respectivas fórmulas; no entanto, muitas delas, dada a frequência com que aparecem no texto e em atividades do livro do aluno, pela importância que têm em nossa vida, acabam sendo memorizadas. Vale lembrar que, em explicações inseridas no texto, sempre aparecem nome e fórmula das substâncias. O conteúdo do capítulo, embora aparentemente longo, não requer que o professor se detenha em muitas explicações coletivas de conceitos, uma vez que muitos aspectos nele contidos podem ser desenvolvidos com base em experimentos e atividades. No que tange a classificações, recomendase que o professor priorize a compreensão da força como critério de classificação. Assim como em capítulos anteriores, aspectos históricos fazem parte do capítulo 7 — são os relativos aos conceitos de acidez e basicidade.

Basicidade Crescente

▸▸ solução alcoólica de fenolftaleína ▸▸ 3 frascos plásticos ▸▸ panela

3. Resuma em um quadro, no caderno, todas as observações feitas durante o experimento.

▸▸ fonte de calor (chama de fogão, bico de bunsen, etc.) Solução indicadora

Extrato de repolho roxo

Extrato de flor vermelha

Solução alcoólica de fenolftaleína

Cor inicial (meio neutro)

arroxeada (púrpura)

amarela

incolor

▸▸ Filtre, recolhendo o filtrado em um copo. Cole uma eti-

Cor em HCℓ(aq)

vermelha

incolor

▸▸ Com o socador de bebida, macere a flor em um pouco de

Cor em ácido acético (aq)

vermelho-clara

laranja

incolor

▸▸ Filtre, recolhendo o filtrado em um copo. Cole uma eti-

Cor em NH3(aq)

verde

azul-clara

rosa choque ou cor de maravilha

▸▸ Transfira a solução de fenolftaleína para um copo até

Cor em NaOH (aq)

amarela

azul-escura

rosa choque ou cor de maravilha

Procedimentos ▸▸ Coloque a folha do repolho em uma panela; despeje 1 copo de água e leve ao fogo para ferver. Retire quando a água ficar colorida. queta no copo e marque nela o número 1. álcool, até que este fique colorido.

queta no copo e marque número 2.

aproximadamente 4 cm de altura. Cole uma etiqueta e marque 3.

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pH = 1 pH = 3 pH = 5 pH = 7 pH = 8 pH = 9 pH = 10 pH = 11 pH = 13

AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

Após o experimento, o professor pode comentar com os alunos que o extrato de repolho roxo, assim como o obtido de amoras e beterrabas, contém antocianina, um corante que muda de cor em meio ácido ou básico. Assim como o repolho roxo, muitas flores coloridas, como rosas e cravos vermelhos, azaleias, hibiscos, flores de primavera e de quaresmeira, também permitem obter extratos capazes de mudar de cor, de acordo com a maior ou menor acidez de um meio. No caso do experimento com o extrato de repolho roxo, os alunos devem obter cores que variam de vermelho forte em meio mais ácido — ácido muriático (ácido clorídrico impuro) — a vermelho mais claro (vinagre). Caso soluções de concentrações diferentes sejam utilizadas, será possível obter colorações que variam: vermelho (pH entre 1 e 3), rosa choque (pH próximo de 5), azul (pH próximo de 7-8), azul-turquesa (pH próximo de 9), verde (pH próximo de 10), verde-amarelado (pH próximo de 11), amarelo (pH próximo de 12-13).

Viagem no tempo, p. 143 1. Os ácidos reagem com bicarbonato de sódio liberando gás; já as bases não têm o mesmo comportamento. Os ácidos mudam a cor do xarope de violeta para vermelho, enquanto as bases alteram a coloração do xarope para verde. 2. Enquanto os antecessores de Lavoisier procuravam os efeitos que ácidos e bases provocavam em pigmentos vegetais, esse cientista buscou componentes das substâncias que as caracterizassem como ácidos ou bases. Atividades, p. 149 1. A água, da torneira ou de uma fonte mineral, não é pura. Ela contém eletrólitos que tornam o meio condutor. 2. a) O fluoreto de potássio é iônico: KF(s)

H2O

K1(aq) 1 F2(aq)

b) O ácido perclórico é molecular, e em água ocorre a reação representada a seguir: HCℓO4(ℓ) 1 H2O(ℓ) H3O1(ℓ) 1 CℓO24 Atividades, p. 152 1. a) 27% b) Ele está entre um ácido fraco e um forte, ou seja, é um ácido moderado. 2. Que ele possui x H ionizáveis, ou seja, x átomos por molécula de Hx A que podem se transformar em íons em solução aquosa.

Para situá-lo, p. 140-141 1. a) No primeiro trecho: a acidez é apontada como útil na produção de obras de arte por facilitar a remoção de partes do metal, formando desenhos e texturas. b) Espera-se que os alunos percebam, no segundo parágrafo de “Expedição científica vai rastrear acidificação no oceano Ártico”, a referência ao “nível de pH”, associado à acidez do meio. c) Porque o aumento da acidez do meio marinho interfere no equilíbrio que garante a sobrevivência e a proliferação das espécies marinhas, o que pode afetar o equilíbrio ecológico de todo o planeta. 2. É possível que os alunos mencionem que o leite de magnésia deve conter alguma substância que neutraliza o ácido estomacal. Se o termo neutralizar surgir nas respostas, pode-se perguntar aos alunos qual o significado de neutralização em Química. Espera-se que eles associem o termo a um tipo de reação química. Química: prática e reflexão, p. 142 1. Espera-se que os alunos associem as mudanças na coloração do chá à adição de substâncias ácidas (sumo do limão e vinagre). 2. Espera-se que os alunos respondam que a adição de água de cal neutralizou a substância ácida, fazendo com que o chá voltasse a sua coloração inicial. 3. É possível que os alunos classifiquem a água de cal como uma substância que neutraliza ácidos.

3. O HCℓO4 puro, mesmo líquido, não é condutor eletrolítico, pois se trata de um composto molecular; portanto, nele não há íons que possam viabilizar a condutibilidade elétrica. 4. Testando a condutibilidade elétrica de ambos em solução contendo a mesma proporção de ácido. O ácido forte será melhor condutor que o ácido fraco. 5. O HCℓ deve ter se ionizado totalmente (a 5 100%), de tal modo que todas as suas moléculas originaram íons H3O1 e Cℓ2. Atividades, p. 155 1. Porque em água liberam um só tipo de ânion, o OH2, hidróxido. 2. A intensidade de luz será maior na solução de Ca(OH)2 porque ela é uma base forte, ou seja, haverá mais íons com mobilidade no meio do que na solução de NH4 OH, que é uma base fraca. 3. Ca(OH)2(s)

H2O

Ca 21 (aq) 1 2 OH2(aq)

4. O composto 2. 5. O composto 1, apesar de possuir OH, é molecular, ou seja, não se trata do íon hidróxido, o que exclui a possibilidade de tratar-se de uma base. 6. O composto 1, uma vez que o composto 2 é um composto iônico, portanto sólido nas condições ambientes. Conexões, p. 159-160 A seguir apresentamos algumas sugestões de leituras (como preparação do professor para as discussões com os alunos), relativas aos assuntos abordados nas questões 4 a 7: redução dos danos à saúde dos consumidores e problemas socioeconomicos a serem enfrentados com a redução da fumicultura.

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▸▸ FORMENTI, Lígia. Cigarro é mais viciante que cocaína

e heroína, diz relatório. O Estado de S. Paulo, São Paulo, 2 set. 2014.

▸▸ MARTINS, Helen. Produção de fumo pode causar riscos à

saúde do agricultor. Disponível em: <http://g1.globo.com/ economia/agronegocios/noticia/2014/06/producao-defumo-pode-causar-riscos-saude-do-agricultor.html>. Acesso em: 6 maio 2016.

▸▸ FUMICULTORES cobram do governo federal uma posição

favorável ao cultivo no país. Disponível em: <http://www. canalrural.com.br/noticias/agricultura/fumicultorescobram-governo-federal-uma-posicao-favoravel-cultivo-pais-9825>. Acesso em: 6 maio 2016.

Com exceção da atividade 4, de pesquisa, as questões desta seção podem ser discutidas oralmente. 1. NH3. Básico. 2. Por ser básica, a amônia reduz ou elimina a acidez do fumo (plantado em solo ácido), favorecendo assim a absorção de nicotina, substância que provoca dependência.

DIVULGAÇÃO PNLD

3. Segundo o texto, os jovens são o público-alvo das indústrias do tabaco. Quanto mais cedo o indivíduo começa a fumar, mais a indústria do tabaco lucra com ele. 4. a) O cigarro pode causar inúmeras doenças, como cânceres de vários tipos (boca, laringe, estômago, pulmão, etc.). b e c) Sugere-se ajudar os alunos a selecionar boas fontes de pesquisa, impressas ou da internet. 5. Resposta pessoal. Em 1998, na Holanda, foi lançado o conceito de responsabilidade social das empresas, que seria o “comprometimento permanente dos empresários de adotar um comportamento ético e contribuir para o desenvolvimento econômico, melhorando, simultaneamente, a qualidade de vida de seus empregados e de suas famílias, da comunidade local e da sociedade como um todo” (Ethos/Valor Econômico. Responsabilidade social das empresas: a contribuição das universidades. São Paulo: Peirópolis, 2006). Com base nisso, converse com os alunos, questionando, inclusive, o fato de ainda ser permitido produzir, comercializar e fazer publicidade de cigarros, um produto comprovadamente associado a doenças. 6. A fala do especialista permite pensar que a estratégia de tornar os cigarros mais viciantes pode relacionar-se ao aumento das restrições à comercialização e à propaganda de cigarros: uma vez viciada, a pessoa deixa de ter total domínio de seus atos e continua fumando, mesmo quando advertida de que poderá adoecer, pois as advertências não têm grande influência sobre ela. Ou seja, se as restrições agem, por um lado, para tentar impedir que pessoas comecem ou continuem a fumar, por outro lado, a adição de amônia e açúcar age para conquistar novos fumantes e reter no tabagismo os que já fumam. 7. É interessante mencionar o dinheiro gasto anualmente pelo sistema público de saúde com o tratamento de doenças relacionadas ao tabaco, o qual poderia ser destinado a assistência técnica e mesmo a ajuda financeira às famílias de agricultores durante a transição das culturas de tabaco para outros tipos de plantação. As doenças físicas e psíquicas sofridas pelos agricultores que lidam diretamente com

o tabaco (e com os agrotóxicos próprios para esse cultivo) também podem ser incluídas em uma discussão com a classe. Atividade complementar Pedir aos alunos que consultem a matéria e os infográficos publicados em: ▸▸ CANCIAN, Natália. Maioria da população quer mais res-

trições ao cigarro, diz Datafolha. Folha de S.Paulo, São Paulo, 26 out. 2015. Em seguida, propor as questões: 1. Em que idade (faixa etária) acontece o início do tabagismo para a maior parte das pessoas que ainda são fumantes? Entre 15 e 16 anos.

2. Faça uma pesquisa com cinco pessoas que fumam e pergunte a elas em que idade começaram a fumar. Pergunte também a que atribuem o interesse inicial pelo cigarro. Respostas variáveis. 3. Qual a escolaridade da maioria dos fumantes? Ensino Fundamental. 4. A maioria dos que fumam são homens ou mulheres? Homens. Recurso complementar Ler com os alunos o texto a seguir e propor as atividades sugeridas. Explicar a eles que anidro é “que não contém água, seco”. Sais que controlam a umidade Em muitas casas, é costume colocar no guarda-roupa um produto chamado de antimofo ou secante, que ajuda a evitar a umidade e o bolor. As substâncias empregadas nesse produto absorvem a umidade do ar, ou seja, são higroscópicas. Os sais higroscópicos, também chamados secantes, têm íons que atraem as moléculas da água, substância que passa a fazer parte da composição do cristal, constituindo sais hidratados. O sal secante comumente empregado nos antimofo é o cloreto de cálcio anidro, CaCℓ 2. Esse cloreto forma diversos sais hidratados estáveis, com teores de hidratação diferentes: ▸▸ CaCℓ 2 anidro ▸▸ CaCℓ 2 ? H2O cloreto de cálcio monoidratado ▸▸ CaCℓ 2 ? 2 H2O cloreto de cálcio di-hidratado ▸▸ CaCℓ 2 ? 6 H2O cloreto de cálcio hexaidratado

Como o cloreto de cálcio é um sal bastante solúvel em água, o frasco contendo esse secante acaba por acumular líquido ao fundo, que nada mais é do que solução aquosa de cloreto de cálcio. É por isso que trocamos esse produto quando não há mais cloreto de cálcio sólido na embalagem. A cor de alguns sais varia de acordo com seu grau de hidratação. É o caso do sulfato de cobre(II), CuSO4: os cristais de CuSO4 anidro são brancos, e os de CuSO4 ? H2O são azuis. O sal anidro é obtido pelo aquecimento (liberação de água na forma de vapor) do sal hidratado. O efeito que a hidratação produz nos sais é fácil de observar, basta prestar atenção ao que acontece com o sal comum de cozinha no saleiro nos dias chuvosos ou nos locais úmidos: ele fica úmido e empelotado. Isso acontece porque, além de conter cloreto de sódio, NaCℓ, o sal de cozinha contém outras substâncias que podem se hidratar, como o cloreto de magnésio, MgCℓ 2. Com o Caderno de Apoio Pedagógico

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o excesso de umidade no ar, a água se une ao MgCℓ 2 e chega a formar grânulos de diâmetro maior, que não passam pelos orifícios do saleiro. Para responder às questões abaixo, os alunos devem basear-se nas seguintes informações: No frasco dos secantes de armário, há instruções para o consumidor. Em geral, o que se recomenda é: ▸▸ jogar fora a “água” acumulada no recipiente onde o frasco

com o sólido está encaixado;

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ximo indicado na embalagem. 1. Para haver rigor científico nessas instruções ao usuário, no lugar de água deveria ser usada uma terminologia mais adequada. Qual? A terminologia mais adequada nesse caso seria líquido ou solução, já que se trata de uma solução aquosa de cloreto de cálcio, e não simplesmente água. 2. Suponha que o recipiente do antimofo que recebe a “água” fosse colocado em ambiente muito seco. O que ocorreria com o líquido? Em ambientes muito secos, isto é, com baixa umidade relativa, pode não aparecer o líquido ou, dependendo da umidade local, pode se formar bem pouco líquido. 3. Sugira uma forma de o usuário recuperar o cloreto de cálcio e não ter de comprar uma nova embalagem de secante comercial. O líquido deve ser transferido para um recipiente adequado e em seguida aquecido até que toda a água se evapore, restando apenas o sólido, que poderia ser reutilizado para a mesma finalidade. Atividades, p. 164-165 1. a) ácido clorídrico: HCℓ; ácido nítrico: HNO3; ácido fosfórico: H3PO4; ácido sulfúrico: H2 SO4 b) cloreto: Cℓ2; nitrato: NO23 ; fosfato: PO342; sulfato: SO242 b) Cu(OH)2

c) Sugere-se promover um encontro que envolva a comunidade escolar para apresentar os trabalhos realizados pelos alunos. Leitura sugerida

▸▸ substituir o produto quando o líquido atingir o nível má-

2. a) NaOH

instantâneos, pães industrializados (bisnagas, por exemplo), entre outros, apresentam teor elevado de sódio. A lista pode incluir outros alimentos industrializados e do tipo fast-food. Seria interessante promover uma discussão em sala de aula sobre alimentação saudável e ações para reduzir a quantidade diária de sódio ingerida.

c) Fe(OH)2

3. a) Hidróxido de alumínio. b) Hidróxido de níquel(II). c) Hidróxido de bário. 4. a) cátion: Aℓ 31; ânion: (CH3COO)2; sal: Aℓ(CH3COO)3 b) cátion: H14; ânion: SO242; sal: (NH4)2 SO4 c) cátion: Aℓ 31; ânion: SO242; sal: Aℓ 2(SO4)3 d) cátion: K1; ânion: MnO24 ; sal: KMnO4 cátion: Na1; ânion: SO242; sal: Na 2 SO4 5. As amostras de solo 1 e 3 são ácidas e, por isso, será necessário o emprego de corretivos de acidez nesses solos. 6. a) Espera-se que os alunos percebam que no texto se utiliza o termo sódio para referir-se ao íon sódio. Esse íon está presente no principal componente do sal de cozinha, que é o cloreto de sódio (NaCℓ). A frase poderia ser reescrita da seguinte forma: “O excesso de íon sódio, presente no principal componente do sal de cozinha...”. b) Resposta pessoal. Temperos prontos, caldos industrializados, cereais matinais, margarinas vegetais, macarrões

BRASIL. Ministério da Saúde. Secretaria de Atenção à Saúde. Departamento de Atenção Básica. Guia alimentar para a população brasileira. Brasília: Ministério da Saúde, 2014.

Capítulo 8 – Reações químicas: estudo qualitativo Pressupostos ▸▸ Ácido, base e sal (conceito, nomenclatura e formulação). ▸▸ Reação química: noção básica, indícios da reação; a com-

bustão do gás carbônico.

▸▸ Solubilidade. ▸▸ Lei de Lavoisier e teoria atômica de Dalton.

Tema de cidadania O segundo Tema de cidadania do volume 1, “Energia e questões ambientais: uma visão abrangente” (p. 378) pode ser apresentado aos alunos quando se começar o trabalho com o capítulo 8. Se o professor optar por desenvolver as atividades propostas de maneira completa e aprofundada, o encerramento desse Tema de cidadania poderá coincidir com o final do ano letivo — nesse caso, é bom combinar com os alunos, com bastante antecedência, a data de apresentação do produto final do projeto, para evitar sobrecarregá-los numa época do ano normalmente ocupada com provas e entregas de trabalhos. Orientações pedagógicas O objetivo deste capítulo é levar os alunos a compreender a representação das substâncias e os rearranjos que ocorrem com os átomos nas reações químicas, incluindo o uso correto de símbolos, fórmulas e equações. Assim, eles serão capazes de representar as substâncias e as reações químicas empregando códigos, símbolos e expressões próprios da Química. Recursos complementares MARQUES, Adílio J.; FILGUEIRAS, Carlos A. L. Uma família de químicos unindo Brasil e Portugal: Domingos Vandelli, José Bonifácio de Andrada e Silva e Alexandre Vandelli. Química Nova na Escola, São Paulo, v. 31, n. 4, 2009. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc31_4/ 06-HQ-4009.pdf>. Acesso em: 6 maio 2016. José Bonifácio de Andrada e Silva e seu papel como químico, naturalista e político. Com base nas informações do artigo, o professor poderá organizar uma atividade em conjunto com o professor de História. NERY, Ana L. P.; LIEGEL, Rodrigo M.; FERNANDEZ, Carmen. Reações envolvendo íons em solução aquosa: uma abordagem problematizadora para a previsão e equacionamento de

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alguns tipos de reações inorgânicas. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 23, maio 2006. Disponível em: <http://qnesc. sbq.org.br/online/qnesc23/a04.pdf>. Acesso em: 21 abr. 2016. A atividade descrita nesse artigo, para o desenvolvimento do tema “reações químicas em soluções aquosas” por meio da resolução de um desafio, pode ser apresentada aos alunos com adaptações à realidade da turma, se necessário. Para situá-lo, p. 166-167 1. Espera-se que surjam menções ao aumento do número de pessoas com melhor nível de escolaridade (maior acesso a informação) — o que favoreceu o planejamento familiar e o acesso a recursos contraceptivos —, ao surgimento da pílula anticoncepcional e ao incremento do número de mulheres no mercado de trabalho, o que levou as famílias a repensarem o número de filhos. 2. A obtenção de substâncias para várias finalidades: inseticidas e herbicidas para combater pragas que destroem a lavoura, fertilizantes que aumentaram a capacidade produtiva da agricultura.

4. O hidróxido de cálcio, porque é uma base que reage com os íons H1, reduzindo a acidez do solo. Conexões, p. 169 1. Reagentes: CO(g), O2(g); produto: CO2(g). 2.

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3. Espera-se que os alunos concluam que as substâncias adequadas para tratar um solo ácido são as que têm caráter básico.

3. a) Aos motoboys. b) Resposta pessoal. Pode-se abrir uma discussão com os alunos sobre o assunto. Algumas questões podem ser levantadas: a necessidade de deslocamentos mais rápidos em razão do aumento do número de veículos, o aumento da atividade econômica, o aumento do comércio on-line, etc. c) A resposta vai depender dos entrevistados. Entre as causas mais prováveis devem aparecer: perda de emprego anterior e dificuldade de encontrar nova ocupação; flexibilidade de horário de trabalho, permitindo exercer a função de motoboy para complementar um baixo salário fixo recebido em outro emprego; aumento da demanda desse trabalho nos grandes centros urbanos, entre outras. Leitura sugerida SILVA, D. W.; ANDRADE, S. M.; SOARES, D. A.; NUNES, E. F. P. A.; MELCHIOR, R. Condições de trabalho e riscos no trânsito urbano na ótica de trabalhadores motociclistas. Physis — Revista de Saúde Coletiva, Rio de Janeiro, v. 18, n. 2, 2008. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/physis/ v18n2/v18n2a08.pdf>. Acesso em: 20 jan. 2016.

Atividades, p. 172 1. a) 2 H2(g) 1 O2(g)

2 H2O(g)

b) Para cada 2 moléculas de gás hidrogênio que entram em combustão, é consumida 1 molécula de gás oxigênio, formando-se 2 moléculas de água. c) Porque o único produto que ela gera é o vapor de água, que não é poluente. 2. Não. O2 é a representação química do gás oxigênio, uma substância simples (presente na atmosfera) cujas moléculas são constituídas por dois átomos de oxigênio unidos. A indicação 2 O corresponde à representação química de dois átomos do elemento químico oxigênio, não ligados quimicamente, que possuem conteúdo energético e reatividade diferentes dos da molécula de O2. 3. a) 1 C 2H4(g) 1 3 O2(g)

2 CO2(g) 1 2 H2O(ℓ)

13 O (g) 4 CO2(g) 1 5 H2O(ℓ) 2 2 c) 4 P(s) 1 5 O2(g) 2 P 2O5(g)

b) C 4H10(g) 1

d) 2 K(s) 1 2 H2O(ℓ)

2 KOH(aq) 1 1 H2(g)

e) 4 Na(s) 1 1 O2(g)

2 Na 2O(s)

4. 2 H3PO4(aq) 1 3 Na 2O(s)

2 Na 3PO4(aq) 1 3 H2O(ℓ)

ácido fosfórico óxido de sódio

fosfato de sódio

água

5. a) Na combustão do etileno, o número total de moléculas dos reagentes é igual ao número total de moléculas dos produtos. Na combustão do butano, o número de moléculas total dos reagentes (7,5) é diferente do número de moléculas total dos dos produtos (9). b) O número de átomos de cada elemento. 6. a) Caso não estejam secas, a umidade dificultará a combustão do limoneno. b) C10H16(ℓ) 1 14 O2(g)

10 CO2(g) 1 8 H2O(ℓ)

Atividades, p. 175-176 1. a) C(s) 1 O2(g) CO2(g) 1 O (g) CO(g) ou 2 C(s) 1 O2(g) 2 CO(g) C(s) 1 2 2 b) Na formação do gás carbônico, o consumo de oxigênio é relativamente maior — a proporção é de uma molécula de O2 para cada átomo de C —, enquanto na segunda reação, para a mesma quantidade de C, é necessária a metade da quantidade de oxigênio. 2. N2(g) 1 3 H2(g)

2 NH3(g)

3. 2 CO(g) 1 O2(g)

2 CO2(g)

4. 2 Mg(s) 1 O2(g)

2 MgO(s)

SO2(g) 5. a) S(s) 1 O2(g) catalisador 1 O (g) SO3(g) b) SO2(g) 1 2 2 H2 SO4(ℓ) c) SO3(g) 1 H2O(ℓ) 6. CO(g) 1 2 H2(g)

CH3OH(ℓ)

Química: prática e reflexão, p. 176-177 Sugestão de preparo de soluções: ▸ Misturar 1 g de sulfato de cobre(II), CuSO 4, em 100 mL

de água. A solução obtida pode ser transferida para um frasco com identificação. Caderno de Apoio Pedagógico

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▸▸ As soluções aquosas de carbonato de sódio e cloreto de

sódio podem ser preparadas da mesma maneira: 1 g do sal para 100 mL de água. Em seguida, devem ser acondicionadas em frascos identificados.

▸▸ Sal light é uma mistura de sal de potássio e de sódio. Pode

ser utilizado no experimento 1 g de sal light para 100 mL de água ou a solução de cloreto de potássio comercializada em farmácia. Mistura de soluções aquosas cloreto de sódio

cloreto de potássio

sulfato de cobre(II)

carbonato de sódio

Fórmula química

NaCℓ

KCℓ

CuSO4

Na 2CO3

Nada muda.

Precipitado azulado.

CuSO4

Nada muda.

KCℓ

Nada muda.

NaCℓ

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Se julgar oportuno, o professor pode pedir aos alunos que comparem as respostas às questões 1 e 3 com as respostas dadas às perguntas iniciais a respeito de misturas de soluções contendo íons que podem formar precipitados (é possível prever reações como essas? A mudança na ordem em que as substâncias são colocadas em contato altera o resultado?). 1. Não altera o resultado. 2. A mistura de soluções aquosas de sulfato de cobre(II) e carbonato de sódio produz um precipitado azul, o carbonato de cobre(II), CuCO 3. A equação química que representa a reação pode ser descrita por: CuSO4(aq) 1 Na 2CO3(aq) CuCO3(s) 1 Na 2 SO4(aq) 3. Não. Os alunos poderão explicar de várias formas por que as soluções não reagem. Uma resposta possível é que a mistura de soluções aquosas de sulfato de cobre(II) e cloreto de potássio, realizada no experimento, não produziu precipitado, assim como a mistura de soluções aquosas de cloreto de potássio e carbonato de sódio. Ou seja, os íons sódio, potássio, carbonato e sulfato continuaram cercados por moléculas de água. 4. Muitas respostas são possíveis, e a ordem de procedimento pode ter variações. Pode-se, por exemplo, misturar a solução de carbonato de sódio aos tubos contendo íons cobre(II) dissolvidos em água; em seguida, filtrar cada mistura retirando o sólido e descartando o resíduo líquido. Pode-se também misturar todas as soluções contendo íons cobre(II), acrescentar solução de carbonato de sódio, filtrar e descartar o resíduo líquido. Outras formas possíveis são os métodos de evaporação, cristalização e destilação simples (este último, seguido de aquecimento em estufa ou exposição ao ambiente). Se julgar pertinente, o professor pode ampliar a atividade experimental solicitando aos alunos (ou a um aluno eleito pela turma) que testem os métodos propostos com os resíduos do experimento.

Conexões, p. 180-181 1. Resposta pessoal. Os alunos podem mencionar, por exemplos, campanhas de conscientização (com cartazes, anúncios em publicações impressas e on-line, outdoors, propagandas na TV, etc.), informando sobre os riscos à saúde, propondo alternativas e apontando problemas relacionados ao consumo de produtos piratas. A escola é, também, um ponto de disseminação de informações, pois as crianças e os jovens, em geral, influenciam as decisões e as compras familiares. 2. O professor pode conversar com os alunos sobre esse problema socioeconômico, analisando com eles as soluções que apresentarem. Pode-se incrementar a discussão mencionando a necessidade de tomar decisões éticas no dia a dia e lançando aos alunos a fala do filósofo Mário Sérgio Cortella: Há pessoas, por exemplo, que só respeitam o limite de velocidade se houver um radar. É aquela que compra produto pirata argumentando que é mais prático, especialmente porque esse produto é mais barato para ela. Mas ela retira empregos no nosso país, ela não faz contribuição tributária. Mesmo a pessoa que aponta o dedo em relação ao poder público, ela, no cotidiano dela, dentro de casa, em relação às vezes à empregada que ela tem ou na própria empresa onde ela atua, ela procura atalhos, desvios. Por isso, a ética não é uma questão de governo, a ética é uma questão de sociedade [...] GUIMA, Daniela. Entrevista com Mário Sérgio Cortella. Disponível em: <http://www.responsabilidadesocial.com/ entrevista/mario-sergio-cortella/>. Acesso em: 10 maio 2016.

3. Espera-se que os alunos destaquem os efeitos neurotóxicos do chumbo. 4. A tinta à base de chumbo é mais barata que a adequada ao consumo. 5. O HCℓ(aq) reage com os íons Pb 21 formando PbCℓ 2 (sal praticamente insolúvel na temperatura ambiente). No estômago, ocorre algo semelhante, pois íons Pb21(aq) reagem com o HCℓ(aq) presente no suco gástrico. 6. Pb21(aq) 1 2 Cℓ2(aq)

PbCℓ 2(s)

Atividades, p. 181 1. a) 2 Fe(OH)3(s) 1 3 H2SO4(aq) 2 Fe(OH)3(s) 1 6 H1(aq) b) H3PO4(aq) 1 3 NaOH(aq) 3 H (aq) 1 3 OH (aq) 1

Fe2(SO4)3(aq) 1 6 H2O(ℓ) 2 Fe31(aq) 1 6 H2O(ℓ) Na 3PO4(aq) 1 3 H2O(ℓ)

3 H2O(ℓ)

2. a) 2 NaOH(aq) 1 CuSO4(aq)

Cu(OH)2(s) 1 Na2SO4(aq)

b) HCℓ(aq) 1 AgNO3(aq)

AgCℓ(s) 1 HNO3(aq)

c) Pb(NO3)2(aq) 1 H2 S(aq)

PbS(s) 1 2 HNO3(aq)

d) 3 Ca(OH)2(aq) 1 2 FeCℓ3(aq)

2 Fe(OH)3(aq) 1 3 CaCℓ2(aq)

Química: prática e reflexão, p. 183 1. Espera-se que os alunos observem que a adição de ácido à casca de ovo provoca a liberação de bolhas. 2. Sua solubilidade em água é muitíssimo baixa (é praticamente insolúvel).

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3. 2 H(CH3 COO)(aq) 1 CaCO 3(s) 1 CO2(g) 1 H2O(ℓ)

Ca(CH3 COO)2(s) 1

4. a) O ácido clorídrico é volátil e libera cloreto de hidrogênio gasoso (HCℓ), uma substância tóxica. A pessoa encarregada da limpeza deve usar luvas, óculos de proteção, avental e máscara. b) Não. A transformação do carbonato de cálcio em cloreto de cálcio e gás carbônico provoca o desgaste do mármore, segundo a equação: 2 HCℓ (aq) 1 CaCO3(s) CaCℓ 2(aq) 1 CO2(g) 1 H2O(ℓ) Atividades, p. 184 1. a) HNO3(conc) 1 KCN(s)

KNO3(aq) 1 HCN(aq)

ácido forte

ácido fraco

b) NaOH(s) 1 NH4Cℓ(s)

NaCℓ(s) 1 NH4OH(ℓ)

base forte

base fraca

2. a)

b) Resposta pessoal. Possibilidade: Para que as normas públicas alcancem um compromisso entre os diferentes grupos envolvidos, de modo a não privilegiar nenhum deles. Se as normas fossem elaboradas apenas por produtores, haveria o risco de que os produtos fabricados focassem apenas no interesse de lucro das empresas; se predominassem os interesses dos consumidores e universidades, haveria o risco de que as exigências sobrecarregassem os fabricantes e inviabilizassem os produtos economicamente.

Capítulo 9 – Cálculos químicos: uma iniciação Pressupostos ▸ Matemática básica: proporções e operações com potên-

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Metrologia Elétrica: resposta pessoal. Sugestão: ventiladores de teto. Descrição disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/ consumidor/produtos/ventilador2.asp>. Acesso em: 15 jan. 2016.

cia de 10.

▸ Notação científica.

▸ Leis de Lavoisier e Proust.

3. a) O cloreto de bário e o nitrato de bário são bastante solúveis em água; assim sendo, ao contrário do sulfato de bário (que é praticamente insolúvel em água), dissociam-se, liberando íons Ba 21; como esses íons são muito tóxicos, nenhum dos sais pode ser usado.

▸ Ácido, base e sal (conceito de Arrhenius, nomenclatura

b) O BaCO3 não poderia ser usado, uma vez que reage com ácidos, com os íons H1; de acordo com a reação equacionada abaixo, são liberados os íons tóxicos Ba 21(aq): Ba 21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 CO2(g) BaCO3(s) 1 2 H1(aq)

ção entre as massas das partículas subatômicas: próton, nêutron, elétron.

Atividades, p. 186-187 1. a) Fe31(aq) 1 3 OH2(aq) b) NH (aq) 1 OH (aq) 1 4

Fe(OH)3(s) NH3(g) 1 H2O(ℓ)

2. a) A redução da acidez dos solos por meio da calagem. b) À seca (estiagem) e a problemas relacionados à calagem do solo (deficiente, excessiva ou malfeita). c) Informa que, no Brasil, predominam solos ácidos, caracterizados por baixos valores de pH (menor que 5,5), teores insuficientes de cálcio e excesso de alumínio e/ou manganês. d) Em solos ácidos, com altos teores de íons alumínio, as raízes se desenvolvem pouco, o que reduz a capacidade da planta de absorver água e nutrientes. e) Carbonato de cálcio. f) Porque ele reage com os íons H1(aq), provenientes do solo, neutralizando parte deles, o que permite elevar o pH. g) 2 H1(aq) 1 CaCO3(s)

Ca 21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 CO2(g)

h) Porque a água das chuvas liberará os íons H1 do solo, garantindo sua reação com o carbonato de cálcio aplicado no solo. 3. a) Metrologia Mecânica: resposta pessoal. Sugestão: escadas metálicas. Descrição disponível em: <http://www. inmetro.gov.br/legislacao/rtac/pdf/RTAC001847.pdf>. Acesso em: 15 jan. 2016.

e formulação).

▸ Equações químicas: balanceamento por tentativa. ▸ Conceito de solução. ▸ Molécula, átomo, elemento, substância, noção da rela-

▸ Isótopos.

Orientações pedagógicas Neste capítulo, é introduzido o conceito de mol, conceito este que representa uma dificuldade para os alunos por relacionar o que se observa no mundo macroscópico com o modelo microscópico da constituição da matéria. Embora haja essa dificuldade, trata-se de conceito muito importante, porque “[...] permite a tradução de um mundo invisível para a realidade cotidiana, possibilitando o entendimento das relações quantitativas existentes, em termos microscópicos, entre as substâncias envolvidas numa transformação química”, como destaca o trabalho de Lourenço, Marcondes (2003). Por que o conceito de massa atômica não abre o capítulo 9? — Porque, com base em nossa experiência em sala de aula, constatamos que é comum os alunos terem dificuldade para compreender o conceito atual de massa atômica e o confundirem com o de número atômico, número de massa e massa molar, provavelmente porque a quantidade de conceitos novos e abstratos que se supõe que eles irão aprender logo no início do curso de Química é muito grande. Por isso, ao contrário da conduta usual, optamos por não começar o capítulo com o conceito de massa atômica. O próprio conceito de padrão já traz dificuldades para a compreensão dos alunos. No caso do conceito de massa atômica, a dificuldade é ainda maior; por isso, a conduta largamente empregada de introduzi-lo logo ao início dos cálculos químicos pode criar uma resistência à aprendizagem da Química. Caderno de Apoio Pedagógico

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Quando tratamos da teoria atômica de Dalton, no capítulo 2, foi introduzida uma primeira noção de massa atômica (na época, peso atômico), com base nas suposições desse cientista de que todas as substâncias formadas por mais de um elemento o fariam na proporção 1:1. Caso seja possível, sugerimos que o conceito de massa atômica só seja tratado quando os alunos já tiverem aprendido outros pontos importantes e determinantes para sua elaboração; foi com os estudos de reações entre gases feitos por Gay-Lussac, explicados com a hipótese (hoje, Princípio) de Avogadro, que foi possível compreender que as unidades constituintes de uma substância poderiam apresentar proporções em átomos dos diferentes elementos diferentes de 1:1. Sem essa conclusão, que levou décadas para ser aceita pela comunidade científica, e sem a descoberta experimental da existência de isótopos para diversos elementos, todos os valores “calculados” por vários cientistas eram bem diferentes dos que conhecemos atualmente. Consideramos que o professor deverá avaliar, portanto, o momento mais adequado para desenvolver esse conteúdo com os alunos e, por isso, o conceito de massa atômica aparece no final do capítulo 9, na seção Viagem no tempo. Outro cuidado que devemos ter é em relação à terminologia utilizada quando trabalhamos com os cálculos químicos. Professores e alunos do Ensino Médio costumam sofrer as consequências de uma série de desencontros quanto à terminologia utilizada em Química. Em geral, não há preocupação com padronizações e decisões adotadas pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) ou pela International Union Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Essas informações, em geral, demoram a ser divulgadas e incorporadas por textos didáticos — e até mesmo por textos destinados ao nível superior. Por isso, vale fazer alguns esclarecimentos. A unidade de quantidade de matéria — O Sistema Internacional de Unidades (SI), desde 1971, considera o mol uma de suas unidades básicas, associada à grandeza quantidade de matéria. Essa unidade é assim definida pelo SI: “Mol é a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 kg de carbono 12”. As entidades elementares que constam da definição variam de acordo com o sistema. Assim, para 1 mol de água, as entidades elementares são moléculas; para 1 mol de carbono, são átomos; e para 1 mol de Na1, são íons. E 1 mol de água ou de íons Na1 contém tantas entidades elementares quanto 0,012 kg de carbono, isto é, 1 mol de átomos de C. Esse número de entidades por unidade de matéria, isto é, por mol, expresso com três algarismos significativos, vale 6,02 ? 1023. Trata-se da constante de proporcionalidade entre o número de entidades (moléculas, átomos, íons, etc.) e a quantidade de matéria de uma amostra (mols). Cuidados com a nomenclatura — O número 6,02 ? 1023, que no passado era chamado de número de Avogadro, é agora denominado constante de Avogadro, sendo representado por NA . A massa da unidade de quantidade de matéria (um mol) de qualquer substância deve ser chamada somente de massa molar, sendo representada por M. No entanto, ainda ocorrem algumas confusões em razão do uso das formas antigas. E, embora isso seja cada vez mais raro, expressões impró-

prias ainda são empregadas como sinônimos para massa molar: mol, átomo-grama (massa molar de um elemento), molécula-grama (massa de 1 mol de moléculas), íon-grama (massa de 1 mol de íons), e assim por diante. Todas devem ser abolidas. A quantidade de uma amostra é representada por n. Antigamente, n era chamado número de mols, expressão cujo uso é ainda bastante frequente, mesmo em exames elaborados por entidades vinculadas a importantes universidades. É importante, porém, evitar esse uso. De acordo com a IUPAC, o plural de mol é mols. Mas, com grande frequência, ainda encontramos o plural “moles”. Como o símbolo de mol coincide com o nome da unidade, ou seja, também é mol, tanto podemos dizer “3 mols” quanto “3 mol”, já que não se utiliza plural para símbolos (2 m para 2 metros, por exemplo). Neste livro, procuramos privilegiar os termos corretos; vale lembrar ao professor que os alunos poderão encontrar termos em desuso em questões de exames de seleção, por exemplo. Sugerimos que em cada situação o professor chame a atenção dos alunos para a nomenclatura oficialmente adotada. A concentração de uma solução expressa em mol/litro, antigamente chamada molaridade (cuja unidade é Molar ou M) ou concentração molar, agora é chamada concentração em quantidade de matéria. Isso pode causar confusão entre os alunos, uma vez que essa terminologia antiga ainda aparece em exames de seleção às universidades. Leitura sugerida ROCHA-FILHO, R. C.; SILVA, R. R. Mol: uma nova terminologia. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 1, 1995. Para situá-lo, p. 188-189 1. CaCO3(s) 1 2 H1(aq) Ca(OH)2(s) 1 2 H1(aq)

Ca 21(aq) 1 H2O(ℓ) 1 CO2(g) Ca 21(aq) 1 2 H2O(ℓ)

2. Os alunos devem perceber, pelas equações, que um aglomerado iônico de CaCO3(s) neutraliza tanto quanto um de Ca(OH)2(s), devendo refletir sobre quantos conjuntos iônicos há em 1 kg de cada uma dessas substâncias. Para isso, faltariam a eles informações relativas à massa de cada um desses conjuntos iônicos para saber em qual das amostras haverá maior número de conjuntos iônicos, uma vez que o preço do quilo de ambos é idêntico. Caso os alunos solicitem uma orientação para uma resposta mais conclusiva, o professor pode levá-los a examinar os valores de massas atômicas dos elementos presentes nas fórmulas na Tabela Periódica, fazendo um levantamento prévio da noção que já adquiriram de massa relativa dos elementos e das substâncias. 3. Resposta pessoal. Os alunos podem observar que seria necessário conhecer a proporção entre as massas do ácido sulfúrico e de hidróxido de sódio que reagem entre si (Lei de Proust). Poderiam também escrever a equação entre os dois reagentes e apontar a necessidade de conhecer as massas de uma molécula de ácido e de um conjunto iônico de hidróxido de sódio para fazer o cálculo. 4. Resposta pessoal. Com o auxílio do professor, talvez os alunos consigam deduzir que o balão com oxigênio gasoso

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tem maior número de moléculas, já que os aglomerados que constituem o gás ozônio são formados por grupos de 3 átomos de oxigênio, e os de gás oxigênio, de apenas 2. Atividades, p. 193 1. Fábio confundiu o conceito de mol com o de molécula. Não teria sentido falar em meia molécula de água, pois nesse caso sequer haveria os átomos unidos formando uma molécula dessa substância. Já meio mol de água implica grande número de moléculas dessa substância, o que tem sentido. 2. Seria impossível uma molécula de água ter massa 18 g. Essas massas (9 e 18 g) podem ser medidas em balanças usadas em operações de nosso cotidiano. Isso deve levar os alunos a supor que 18 g não possam ser a massa de uma molécula — parte do “mundo infinitamente menor” que o nosso. 3. Confundiu meio mol de moléculas com meia molécula. 4. a) 3,0 ? 1023 moléculas

c) 3 ? 1023 átomos de C; 1,2 ? 1024 átomos de H

b) 0,2 mol de moléculas de CH4

d) 0,5 mol de átomos de C; 2,0 mol de átomos de H

5. a) 9,0 ? 10 moléculas 26

b) 3,6 ? 1027 átomos de hidrogênio; 6,0 ? 103 mol de átomos de H 1 mol de átomos de O ou 6,0 ? 1023 átomos de O. 1 mol de O2(g) 6. Não. 1 mol do elemento oxigênio 23 léculas de O2 ou 6,0 ? 10 moléculas de O2 ou 12 ? 1023 átomos de O.

1 mol de mo-

7. 6 ? 1023 cátions de Fe31; 9 ? 1023 ânions de SO242; 1,5 ? 1024 íons Atividades, p. 194-195

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1. I

III

Quantidade de matéria da substância na amostra/mol

Nº de moléculas da substância na amostra

Número de átomos de cada elemento na amostra

Quantidade de matéria de cada elemento na amostra/mol

Massa total da amostra/g

1 mol de SO3

6 ? 1023

S: 6 ? 1023

O: 1,8 ? 1024

S: 1

O: 3

0,5 mol de SO3

3 ? 10

S: 3 ? 10

O: 9 ? 1023

S: 0,5

O: 1,5

1 mol de H3PO4

6 ? 10

H: 3

P: 1

O: 4

0,25 mol de H3PO4

1,5 ? 1023

H: 0,75

P: 0,25

O: 1

24,5

23 23

H: 1,8 ? 10

H: 4,5 ? 1023

P: 6 ? 10

O: 2,4 ? 10

P: 1,5 ? 1023

O: 6 ? 10 23

2. a) Se, de acordo com a informação fornecida, ao fumar um cigarro F, o fumante absorve 11,6 mg, comecemos por transformar esse dado em g, de modo a podermos relacioná-lo com a massa molar fornecida do CO, expressa em g/mol: 1g 1 000 mg 11,6 mg x x 5 11,6 ? 1023 mg

calculado que em 4,8 g de ozônio há 6,0 ? 10 22 moléculas de O 3. Como cada molécula tem 3 átomos, ao multiplicar 6,0 ? 10 22 por 3, obteremos 1,8 ? 10 23 átomos de O. Cálculo semelhante, levando em conta que a massa molar do O2 é 32g/mol, permite calcular que em 4,8 g há 9 ? 1022 moléculas de O2; como em cada uma há 2 átomos de O, chegamos ao mesmo número de átomos: 1,8 ? 10 23 átomos de O.

6 ? 1023 molécula CO y y 5 2,5 ? 1020 moléculas CO

Atividade complementar A atividade a seguir pode ser, primeiro, proposta como desafio aos alunos, e em seguida o professor pode discutir com eles uma forma de resolvê-la. (Fuvest-SP-2007) Um determinado agente antimofo consiste em um pote com tampa perfurada, contendo 80 g de cloreto de cálcio anidro que, ao absorver água, se transforma em cloreto de cálcio di-hidratado (CaCℓ2 ? 2 H2O). Em uma experiência, o agente foi mantido durante um mês em ambiente úmido. A cada cinco dias, o pote foi pesado e registrado o ganho de massa:

28 g 11,6 ? 1023 g

b) 1 mol 6 ? 1023 moléculas 28 g x 43 ? 1023 g x 5 1,5 ? 1023 mol de CO (aproximadamente) 3. a) 16 g; 8 g b) 8 g c) 32 g; 48 g d) 6,0 ? 1022 moléculas de O3

Dias

e) 1,8 ? 10 átomos de O

Ganho de

f) O valor (1,8 ? 10 23 átomos de O) é o mesmo, pois o número de átomos independe de eles estarem associados em 2 átomos, como no oxigênio, ou em 3 átomos, caso do ozônio. Chamar a atenção dos alunos para o fato de que foi

a) Construa [em papel quadriculado ou no computador] o gráfico que representa o ganho de massa versus o número de dias.

massa/g

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ganho de massa/g

40 35

CaCℓ 2 (s) 1 2 H2O (g) CaCℓ 2 ? 2 H2O (s) 1 mol 1 mol 147 g 111 g x 80 g x 5 106 (aproximadamente) Ganho de massa: 106 2 80 5 26 g

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

c) A quantos dias corresponde o ganho de massa calculado no item anterior? Indique no gráfico, utilizando linhas de chamada. As linhas de chamada são as verticais e horizontais, traçadas a partir dos pontos do gráfico, que permitem relacionar os valores (eixo vertical com horizontal), no caso, de número de dias com os respectivos acréscimos de massa. Para calcular o número de dias, usa-se o processo empregado para fazer o gráfico, invertido. No caso, localizamos o valor 26 g não eixo horizontal e, fazendo um traço vertical, até encontrar a reta determinada anteriormente, chegamos ao ponto a partir do qual traçaremos uma horizontal, que vai atingir o eixo vertical.

45 40

ganho de massa/g

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

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Quando se diz “cloreto de cálcio anidro”, é para deixar claro que, inicialmente, o composto iônico CaCℓ 2 não contém moléculas de água fazendo parte dos agregados iônicos que constituem o sólido. Já, ao final, obtém-se um sal hidratado, isto é, juntam-se a cada conjunto iônico do cloreto de cálcio 2 moléculas de água, e a fórmula do sal obtido é CaCℓ 2 ? 2 H2O. Por isso, as massas molares desses dois sais são diferentes: CaCℓ 2 5 111g/mol CaCℓ 2 ? 2 H2O 5 (111 1 2 ? 18) g/mol 5 147 g/mol Para traçar o gráfico, adota-se uma escala qualquer para cada um dos eixos. Depois, basta que no eixo horizontal se marque, a cada divisão, o número de dias, de 5 em 5 (uma vez que os dados de variação de massa que serão indicados no outro eixo se referem a esse intervalo de tempo), e, no eixo vertical, os valores de massa que serão acrescidos ao reagente devido à formação do sal hidratado. Deve-se atentar para o fato de que, enquanto no eixo horizontal todos os dados referem-se ao mesmo intervalo de tempo (5 dias), o acréscimo de massa relativo ao eixo vertical varia com o tempo. Traçando linhas pontilhadas verticais a partir de cada valor da horizontal (5, 10...) e linhas pontilhadas verticais a partir dos valores correspondentes indicados no eixo vertical (7, 15...), obtêm-se os pontos que irão permitir traçar a curva que relaciona número de dias × acréscimo e massa. Como se trata de grandezas diretamente proporcionais, obtém-se uma reta que passa pelo zero.

35 30 25 20 15 10 5

30 dias

Aproximadamente 18 dias

20 15

Atividade, p. 195

a) 2,5 ? 10 7 mol de H2 SO4 b) 1 H2 SO4(aq) ? 1 Ca(OH)2(s)

5 0

dias

b) Qual o ganho de massa quando todo o cloreto de cálcio, contido no pote, tiver se transformado em cloreto de cálcio di-hidratado? Mostre os cálculos. Partindo da equação que representa o processo descrito no enunciado e proporção em mol e em massa, temos:

1 CaSO4(aq) ? 2 H2O(ℓ)

c) 1 mol de Ca(OH)2 é capaz de neutralizar 1 mol de H2 SO4 ou 2 mol de íons H1. A proporção é a mesma em número de moléculas. d) 74 g de Ca(OH)2 para 98 g de H2 SO4 e) 4,5 ? 1022 mol de Ca(OH)2 5 3,33 g Conexões, p. 197 1. Porque esse conhecimento pode contribuir para que todos tenham os cuidados necessários a cada material transportado e consigam tomar as medidas recomendadas pelos especialistas em caso de acidente.

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2. Em caso de acidente, a correta identificação da carga perigosa é essencial para que seus efeitos nocivos sejam eliminados e para que a remoção seja feita o mais rápido possível e com as substâncias adequadas. 3. Vale orientar os alunos a pesquisar em sites de órgãos públicos como IBGE, Ministério dos Transportes e Departamento Estadual de Trânsito do estado onde a escola se localiza. Espera-se que os alunos associem a quantidade de acidentes ao descumprimento da legislação relativa às cargas perigosas. Atividades, p. 198 1. NH3(g) 1 HNO3(aq) 17 g 1,5 ? 106 t x 5 7,05 ? 109 kg

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1. 5 2. Baguetes, alface e queijo. 3. Porque não há tomate suficiente para montar 8 sanduíches.

NH4NO3(aq) 80 g x

2. a) O total da emissão de CO pelos automóveis (gasolina, álcool, flex) em 2011 é igual a 610,8 ?103 toneladas ou 6,11 ? 103 t. A quantidade estimada é 2,18 ? 10 10 mol de CO. b) CO(g) 1 ½ O2(g)

Atividades, p. 201 No caso destas atividades, é importante o professor verificar se ficou claro para os alunos que a comparação tem apenas o intuito de fazê-los entender que o raciocínio que se faz nos cálculos estequiométricos é semelhante a esse feito para as proporções, não tendo relação com uma transformação química.

CO2(g)

c) Reduzir a concentração de CO no ar. O monóxido de carbono se liga à hemoglobina do sangue e impede que ela realize o transporte do oxigênio às varias partes do organismo, ocasionando problemas diversos à saúde, dependendo do teor de monóxido no ar. d) 2,2 ? 10 10 3. 11,5 ? 10 10 (2,3 ? 10 10 mol de O2 1 9,2 ? 10 10 mol de outras moléculas) 4. 3,1 ? 10 12 L de ar 5. Caminhões. Resposta pessoal. Química: prática e reflexão, p. 199 1. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos indiquem que a mistura A é a mais concentrada. Uma das justificativas seria a cor do suco, que é mais intensa na mistura A do que na B. Outra resposta possível é que na mistura A há uma quantidade maior de sólido dissolvido por unidade de volume do que na mistura B. 2. Resposta variável. A quantidade de pó de suco pode variar dependendo da marca e da embalagem. Neste exercício, é importante que os alunos façam uma relação de proporção, como no exemplo abaixo: 30 g de suco em pó dissolvido x

200 mL de solução 1 mL de solução

x 5 0,15 g 3. Resposta pessoal. Espera-se que os alunos percebam que a batata flutuou quando se dissolveu mais sal de cozinha na água. A dissolução de sal de cozinha na água aumenta a densidade da solução, por isso a batata flutua. 4. Sim. A segunda solução (aquela em que foram acrescentadas mais 2 colheres de sal) é mais concentrada que a primeira; ela tem concentração de sal aproximadamente três vezes maior que a da primeira.

4. Com mais 2 baguetes e mais 5 tomates, seria possível montar 10 sanduíches iguais. Para montar 8, bastariam mais 3 tomates. 5. O reagente limitante é aquele que está “em falta” em relação aos demais ou é o único que será totalmente consumido. Atividades, p. 204-205 1. a) Na 2CO3(aq) 1 CaCℓ 2(aq)

2 NaCℓ(aq) 1 CaCO3(s)

b) Da equação, pode-se concluir que para cada 1 mol de Na2CO3 é consumido 1 mol de CaCℓ2. Como a massa molar do Na2CO3 é igual a 106 g/mol e a do CaCℓ2 é igual a 111 g/mol, conclui-se que a proporção em massa dos reagentes necessários à reação é de 106 g de Na2CO3 para 111 g de CaCℓ2. Como esses valores são aproximadamente iguais, conclui-se que o reagente em excesso é o CaCℓ 2. Para calcular quanto desse composto é consumido no processo, podemos estabelecer a relação: 106 g de Na 2CO3 111 g de CaCℓ 2 10,6 g de Na 2CO3 x x 5 11,1 g de CaCℓ 2 Portanto, o excesso de cloreto de cálcio é de 22,2 g 2 11,1 g 5 11,1 g de CaCℓ 2 c) 10 g 2. a) 46 g/mol b) Significa que em cada litro de sangue do motorista era permitida a presença de 0,6 g de etanol. c) 0,013 mol/L d) Seus reflexos ficariam mais lentos, ele teria dificuldade em se adaptar a variações da intensidade luminosa, estaria menos capaz de reagir às situações e minimizar riscos, além da tendência à agressividade. e) Resposta pessoal. Aproveitar a questão para conversar com os alunos sobre o fato de que quem dirige alcoolizado coloca em risco não só a própria vida, mas a de outras pessoas. f) Resposta pessoal. Podem ser citados: maior fiscalização, campanhas educativas, etc. Se houver possibilidade, pode-se pedir aos alunos que organizem na escola uma campanha de conscientização de alunos, funcionários e professores sobre os riscos representados pelo consumo de álcool quando se dirige. 3. a) No título da matéria, assim como em parte do texto, as expressões nitrato de amônio, nome de um sal, e amônia, NH3, nome de um composto bem diferente do primeiro, são usadas como sinônimos e de forma equivocada. A nomenclatura correta para o sal é nitrato de amônio, NH4NO3, e não nitrato de amônia, expressão que não existe. O texto Caderno de Apoio Pedagógico

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sugere que a amônia é explosiva, mas, na verdade, o que pode causar explosão é o nitrato. Além disso, a unidade é o quilograma, kg, e não quilo. b) Resposta pessoal. É importante que os alunos mencionem que, se a temperatura não estiver muito baixa, é possível que o nitrato se decomponha, liberando oxigênio (comburente); como no entorno é provável que haja materiais combustíveis, como madeira seca, gasolina, tecidos combustíveis, há risco de explosões. N O(g) 1 2 H O(g) c) NH NO (s) D 4

d) Massas molares: NH4NO3: 80g/mol; N2O: 42 g/mol; 1 mol de NH4NO3 1 mol de N2O ou 80 g NH4NO3 42 g N2O Então, 9 000 kg de NH4NO3 originam 4 725 kg ou 4, 725 toneladas de N2O.

Capítulo 10 – Reações de oxirredução Pressupostos ▸▸ Matemática básica: operações com números racionais

e média aritmética.

▸▸ Substâncias (simples e compostas); metais e não metais.

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▸▸ Fórmulas de compostos iônicos e moleculares; estrutural

e de Lewis.

▸▸ Reações químicas básicas: equações. ▸▸ Eletronegatividade: conceito, uso da tabela de Pauling. ▸▸ Conceito operacional de solubilidade.

Orientações pedagógicas Neste capítulo, são enfocadas as reações químicas nas quais acontece a transferência de elétrons: as reações de oxirredução. O desenvolvimento do tema parte de exemplos de reações de oxirredução conhecidos em nosso cotidiano. Um ponto importante, já enfatizado em outros capítulos, merece a atenção por parte do professor: a diferenciação entre um elemento na forma metálica e o mesmo elemento na forma iônica. Embora do ponto de vista concreto essa diferenciação seja simples, a representação das duas formas é motivo de confusão para muitos alunos. Neste capítulo, estão inseridas as reações de oxirredução que envolvem um metal em contato com uma solução eletrolítica e as que acontecem quando uma substância simples não metálica entra em contato com uma solução eletrolítica; embora ainda hoje elas sejam chamadas de reações de deslocamento (por questões históricas), tal terminologia revela-se motivo de obstáculo para a compreensão da maioria dos alunos. O conceito de oxirredução é retomado no volume 2 desta coleção, sendo central no estudo da Eletroquímica (pilhas e processos eletrolíticos). Recursos complementares FARIA, Dalva L. A. de et alii. Limpando moedas de cobre: um laboratório químico na cozinha de casa. Química Nova na Escola, São Paulo, v. 38, n. 1, fev. 2016. REAÇÃO de metais alcalinos com água. Disponível em: <https://www.facebook.com/QualitativaInorgUfrj/vi deos/1260096547352748/?fref=nf>. Acesso em: 5 maio 2016.

Vídeo em inglês, legendado em português pela disciplina de Química Analítica Qualitativa Inorgânica da UFRJ. Para situá-lo, p. 206-207 Antes da discussão, é interessante que o professor lance perguntas aos alunos para que, precedendo as explicações, eles apontem os fatos observáveis que são o ponto de partida para um químico propor explicações: Qual a aparência do azinhavre? Como fica a panela se for polida com a palha de aço? Com que substância o cobre reage para formar a substância esverdeada? 1. A absorção excessiva de cobre pode, segundo o texto, provocar desordens neurológicas e psiquiátricas, danos ao fígado, aos rins, aos nervos e aos ossos e perda de glóbulos vermelhos. 2. a) Ela atribui o perigo da panela de cobre ao azinhavre, material formado na oxidação do cobre metálico. Caso os alunos mencionem o fato de o azinhavre ser sólido, pouco solúvel em água, esclareça que, por ser uma mistura de carbonato e hidróxido de cobre(II), ele se transformaria em íons solúveis quando em contato com os íons H1 do aparelho digestório. b) Possibilidade de resposta: Se os doceiros aprenderem a limpar os tachos de cobre, poderão continuar a utilizá-los, preservando sua forma de sustento. Por outro lado, não seria possível certificar-se de que todos estão, de fato, higienizando as panelas da forma adequada e, portanto, o risco da ingestão de íons cobre, mesmo diminuindo, se manteria. 3. Os fios de aço possuem cor prata metálica e são contínuos. A ferrugem é frágil, esfarela e tem cor marrom. A ferrugem se forma a partir da palha. 4. A substância presente na palha não é a mesma que a da ferrugem: houve uma reação química. Atividades, p. 208 1. Entre os exemplos, podem ser citados o ouro e a platina. Aproveitando as respostas, vale iniciar uma conversa que permita aos alunos perceber que esses metais menos reativos são aqueles classificados como nobres. 2. A palavra inoxidável, que sugere que o aço não pode ser oxidado. O professor pode comentar com os alunos que, na realidade, em certas condições e conforme os componentes da liga (excluídos o Fe e o C), o aço chamado inoxidável pode se oxidar. Atividades, p. 212 1. a) CaCO3(s) 1 2 HX(aq)

CaX 2(aq) 1 CO2(g) 1 H2O(ℓ)

b) A reação de oxirredução em questão é a do ferro metálico com os íons H1(aq) provenientes do ácido. Em uma primeira etapa, temos: Fe(s) 1 2 H1(aq) Fe21(aq) 1 H2(g) A oxidação prossegue, com a oxidação do Fe21 a Fe31. c) Espera-se que os alunos mencionem campanhas educativas, instalação de banheiros públicos de boa qualidade, etc. 2. a) NoxH 5 0 b) NoxH 5 11; Nox S 5 22

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c) NoxN 5 23; NoxH 5 11 d) NoxNa 5 11; Nox S 5 16; NoxO = 22 e) NoxH 5 11; NoxN 5 15; NoxO = 22 f) NoxH 5 11; NoxO 5 22; NoxC = 12 3. Zero. Atividade, p. 214 Se achar pertinente, o professor pode comentar que, no corpo humano, a oxidação do etanol a etanal ocorre no fígado. a) Na equação (1), o átomo de carbono ligado ao átomo de oxigênio do grupo OH se oxida, variando seu Nox de 21 (no etanol) a 11 (no etanal). Na equação (2), o átomo de carbono ligado ao átomo de oxigênio do grupo OH se oxida, variando seu Nox de 21 (no etanol) a 13 (no ácido acético). b) Em ambos os processos, o elemento que se reduziu foi o oxigênio, variando de 0 (nos reagentes) a 22 (nos produtos). Atividades, p. 216

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1. a) O Nox do oxigênio diminui (ele se reduz). Para haver oxidação de matéria orgânica, parte do oxigênio, O 2(aq), é reduzida. b) Cada átomo de oxigênio ganha dois elétrons (passa de Nox zero a 22). 2. a) Deve diminuir, pois ele vai reduzir-se quando oxidar a matéria orgânica presente nos esgotos. b) De oxidante. c) Possibilidade de resposta: Quanto mais poluída por esgotos estiver uma amostra de água, menor será a concentração de O2(aq), já que ele é consumido no processo de oxidação da matéria orgânica. 3. NoxC(CH4) 5 24; NoxS(H2S) 5 22; NoxN(NH3) 5 23 Conexões, p. 217-219 1. Não. Nesse processo, o Nox do C se mantém: é zero, tanto na sacarose quanto na frutose e na glicose. 2. É importante pedir a alguns alunos que leiam suas respostas e, caso apareçam imprecisões, no uso desses conceitos, solicitar a colaboração dos demais alunos para melhorar as frases elaboradas. Vale mostrar a eles que, mesmo sem saber equacionar os processos mencionados em a, b e c, eles podem concluir que, tanto no O2 quanto no O3, o elemento oxigênio tem Nox zero. No caso de uma dessas substâncias ser o produto da reação (a), o O só pode ter seu número de oxidação aumentado (no caso, de 22 para zero). Já quando é reagente, só pode reduzir seu Nox (no caso, de zero para 22) e, portanto, funcionar como agente oxidante. 3. a) Resposta pessoal. Sugestão: uma solução bastante citada por especialistas na questão é o aumento da oferta e da qualidade de transporte público (ônibus, trens, metrô). Outra é a construção de ciclovias. Em ambos os casos, mesmo que a frota da cidade seja grande, os proprietários de veículos se sentiriam incentivados a deixar o carro em casa para usar o transporte público. Lembrar aos alunos que, no capítulo 8, abordamos a questão da poluição causada por motocicletas.

Pode-se dizer, ainda, que no Brasil há normas fixando limites máximos de emissão de poluentes pelos veículos, mas vale ressaltar que se trata do controle das emissões dos veículos fabricados, ao passo que nessa questão estamos falando da redução da quantidade de veículos em circulação. b) Resposta pessoal. Se julgar conveniente, o professor pode conduzir uma discussão na classe sobre os motivos pelos quais, possivelmente, os prefeitos da região não tomam medidas desse tipo. Atividades, p. 221 1. Cℓ 2(aq) 1 2 KBr(aq)

Br2(aq) 1 2 KCℓ(aq)

2. A reação ocorreria da mesma maneira. Não haveria diferença visual porque o responsável pela reação é o ânion Br2; os cátions Na1e K1 não interferem no processo. 3. Cℓ 2(aq) 1 2 Br 2(aq) Br2(aq) 1 Cℓ2(aq) 2 2 Cℓ 2 reduziu-se a Cℓ ; Br oxidou-se a Br2. 4. O bromo, Br2(aq). 5. O clorofórmio é mais denso que a água e muito pouco miscível nesse solvente. Como o Br2 é mais solúvel em clorofórmio do que em água, ele transfere a coloração para a fase inferior, ou seja, a maior parte do bromo passa para baixo. Química: prática e reflexão, p. 222-223 Sugestão de preparo das soluções: ▸▸ Misture cerca de 1 colher de chá de sulfato de cobre(II), CuSO4, em 100 mL de água. A solução obtida pode ser transferida para um copo de vidro com identificação. ▸▸ As soluções aquosas de sulfato de alumínio, cloreto de magnésio e sulfato de ferro(II) podem ser preparadas da mesma maneira: 1 colher de chá do sal para 100 mL de água. Em seguida, devem ser acondicionadas em copos de vidro identificados. ▸▸ O sulfato de ferro(II) ou sulfato ferroso é utilizado no tratamento de anemia ferropriva. Na ausência desse reagente, pode-se utilizar outro sal de ferro(II), como o cloreto de ferro(II), que pode ser encontrado em lojas de material eletrônico. 1. Espera-se que os alunos observem que o magnésio metálico é o metal mais reativo, pois reagiu com todas as soluções. Já o cobre é o menos reativo, pois não reagiu com nenhuma das soluções. 2. O cano mais sujeito à corrosão é o de ferro. Sugerimos que o professor levante questões como: “Você já viu um objeto bastante antigo de ferro e outro de cobre? Qual se apresenta mais deteriorado?”. 3. Espera-se que os alunos respondam que o ferro metálico seria atacado pela água ácida, provocando a saída de hidrogênio. Atividades, p. 224 1. a) Ca0 b) H1 2. 2 Aℓ 0(s) 1 3 Ni21(aq)

Aℓ 31(aq) 1 3 Ni0(s)

Atividades, p. 227 1. a) Oxidante: MnO42; redutor: Fe21 b) A espécie oxidante é reduzida, isto é, recebe elétrons. Caderno de Apoio Pedagógico

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c) Para cada íon que se oxida, são cedidos 5 e2 (o manganês passa de Nox 17 para 12). Para cada íon que se reduz (Fe21), é recebido 1 e2. 2. a) 2 FeCℓ 3 1 1 SnCℓ 2

1 SnCℓ 4 1 2 FeCℓ 2

b) 2 HBr 1 1 H2 SO4

1 SO2 1 1 Br2 1 2 H2O

c) 1 H2 S 1 8 HNO3

1 H2 SO4 1 8 NO2 1 4 H2O

d) 3 As 1 5 HNO3

3 HAsO3 1 5 NO 1 1 H2O

e) 2 Na 2 S2O3 1 1 I2

2 NaI 1 1 Na 2 S 4O6

3. a) 2 KMnO4 1 3 H2SO4 1 5 H2O2 1 8 H2O 1 5 O2

1 K2SO4 1 2 MnSO4 1

b) 1 K2Cr2O7 1 4 H2SO4 1 3 H2O2 1 7 H2O 1 3 O2

1 K2SO4 1 1 Cr2(SO4)3 1

c) 2 KI 1 1 H2 SO4 1 1 H2O2

1 K 2 SO4 1 2 H2O 1 1 I2

4. a) O peróxido de hidrogênio, H2O2, que é redutor nas duas primeiras equações e oxidante na terceira. b) O oxidante é reduzido: o número de oxidação de um de seus elementos diminui. c) A substância redutora é oxidada: o número de oxidação de um de seus elementos aumenta.

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5. São oxidantes. Conexões, p. 228 1. 16 2. Sim, o Nox do cromo se reduz de 16 para 13, porque ganha elétrons. 3. 3 C 2 H 5 OH(aq) 1 8 H 2 SO 4 (aq) 1 2 K 2 Cr2 O 7 (s) 2 Cr2(SO4)3 (aq) 1 2 K 2 SO4 (aq) 1 3 H3 CCOOH(aq) 1 1 11 H2O(ℓ) 4. O etanol se oxida, portanto, age como redutor. Atividades, p. 229-231 1. a) O alumínio. 3 Ag 1 Aℓ 31

d) O alumínio. 2. a) Nox Se: reagente 5 16, produto 5 0 Nox S: reagente 5 14, produto 5 15 b) Redutor. c) SeO42 2(aq) 1 6 HSO23 (aq) 1 2 H1(aq) 1 Se0(s) 1 4 H2O(ℓ)

3 S2O62 2(aq) 1

e) Redutor. f) No caso anterior, o S vai de 14 a 15, oxida-se e reduz o Se de 16 a 0. Neste último, o S vai de 14 a 16, oxida-se e reduz o Cr de 16 a 13. g) 1 Cr2O72 2(aq) 1 3 HSO23 (aq) 1 5 H1(aq) 1 3 SO242(aq) 1 4 H2O(ℓ)

2 Cr31(aq) 1

h) 2 CrO42 (aq) 1 3 HSO23 (aq) 1 7 H1(aq) 1 3 SO242(aq) 1 5 H2O(ℓ)

2 Cr31(aq) 1

Cr(OH)3(s)

b) As três. c) Em reações de combustão, mesmo partindo de combustíveis gasosos, os gases produzidos atingem volume expressivo em relação aos reagentes, devido ao calor liberado na reação. 4. a) O estanho, ao ser aquecido a certa temperatura, funde-se, passando ao estado líquido. Ao cair na água a uma temperatura menor, ambos atingem o equilíbrio térmico, e o estanho volta a se solidificar. b) A personagem comprava estanho em seu estado metálico, reduzido (substância simples), e vendia cloreto de estanho, que apresenta o átomo de estanho em seu estado oxidado, SnCℓ 2 (substância composta). c) A reação citada no texto pode ser representada pela equação a seguir: Sn(s) 1 2 HCℓ(conc) SnCℓ 2(aq) 1 H2(g) Caso haja dúvidas em relação ao estado de oxidação final do estanho, basta notar que ocorre formação de H 2, que torna o meio redutor e impede que haja a formação de íons de estanho com maior número de oxidação. d) No contexto, concentrar é aumentar a quantidade relativa do SnCℓ 2 na solução, graças à vaporização do líquido. Consequentemente, quando o volume final da solução ficar bem reduzido, haverá o aparecimento de cristais de SnCℓ 2 sólido (cristalização). e) A função de concentrar e cristalizar, no contexto, é obter o cloreto de estanho sólido — que a personagem comercializa —, com base na vaporização da solução na qual ele foi produzido. f) O gás que emana de uma solução de ácido clorídrico concentrado é o cloreto de hidrogênio, HCℓ(g), que apresenta propriedades corrosivas, cheiro penetrante e sabor acre (azedo).

h) O ácido clorídrico seria um inimigo declarado porque, por causa do seu cheiro característico e penetrante, sua presença pode ser rapidamente notada. i) O benzeno.

d) Por filtração, já que é pouco solúvel em água.

i) Cr31(aq) 1 3 OH2(aq)

4 NH3 1 N2

g) Os vapores de ácido clorídrico, ao entrar em contato com a superfície de alguns metais, provocam sua oxidação, formando cloreto do íon metálico e gás hidrogênio. Essa reação provoca o desgaste da superfície do metal em questão, que se torna opaco e áspero ao toque.Os quadros caíam porque os pregos de ferro também eram corroídos pelas “emanações do ácido”.

b) Os íons prata, Ag1. c) 3 Ag1 1 Aℓ

3. a) N2H4

j) Os processos físicos e químicos citados são, respectivamente, a destilação e a reação com sódio metálico. k) O sódio é um secante eficiente porque reage prontamente com água, fornecendo hidróxido de sódio e gás hidrogênio. A reação pode ser representada pela equação a seguir: 1 Na(s) 1 H2O(ℓ) NaOH(aq) 1 H (g) 2 2 l) Para que metais reajam com água, é necessário que, além de serem mais reativos do que o hidrogênio da água, haja a formação de um hidróxido solúvel, do contrário esse hidróxido passa a recobrir a superfície do material, impedindo a

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continuidade da reação. Dessa forma, o ferro não poderia ser utilizado para a retirada da umidade, já quea reação de ferro metálico com água origina um hidróxido insolúvel, Fe(OH)2. Aqui vale a mesma observação feita na questão 3: o gás hidrogênio formado torna o meio redutor, impossibilitando a formação de hidróxido de ferro III. m) Possibilidade de resposta: Primo Levi nasceu em Turim, na Itália, em 1919, filho de judeus não praticantes. Apesar das restrições impostas aos judeus pelo governo fascista italiano, Levi cursou Química, formando-se em 1941. Durante a Segunda Guerra Mundial, integrou um movimento de resistência ao fascismo e ao nazismo, mas foi preso. Descoberta sua origem judaica, ele foi enviado a um campo de concentração na Polônia, onde permaneceu durante quase um ano, experiência trágica que marcou sua existência e sua literatura. De volta à Itália, conseguiu um emprego como químico industrial e passou a escrever as memórias do campo de concentração e da longa viagem de retorno à Itália. Morreu em 1987, em Turim, ao cair do vão da escada interna do prédio onde morava. Discute-se até hoje se a morte foi ou não suicídio.

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Leitura e vídeo sugeridos TARANTOLA, Andrew. Como o couro está matando lentamente as pessoas e lugares que o produzem. Disponível em: <http://gizmodo.uol.com.br/couro-giz-explica/>. Acesso em: 10 maio 2016. Artigo a respeito do uso do cromo na produção de couro e do problema ambiental decorrente dessa forma de curtimento. GALLAGHER, Sean. The toxic price of leather. Disponível em: <http://gizmodo.uol.com.br/couro-giz-explica/>. Acesso em: 10 maio 2016. O vídeo, produzido em 2013, mostra como o curtimento de couro com cromo, em Kanpur, na Índia, poluiu as águas da cidade e causou danos à saúde dos trabalhadores (em inglês, cerca de 9 min).

Capítulo 11: Óxidos Pressupostos ▸▸ Ácido, base e sal (conceito de Arrhenius). ▸▸ Fórmulas estrutural e de Lewis.

Recurso complementar COORDENAÇÃO Central de Educação a Distância — CCEAD, PUC-Rio. Conteúdos Educacionais Digitais. Funções químicas e suas reatividades — Animação: escurecimento dos pulmões. Disponível em: <web.ccead. puc-rio.br/condigital/software/objetos/T1-06/T1-06-sw-a2/ Condigital.html>. Acesso em: 9 jun. 2016. Animação sobre CO, CO2, óxido neutro e pulmões. Atividades complementares 1. Propor aos alunos a leitura do texto indicado abaixo, como preparação para o experimento sugerido na sequência: Laboratório de Química Ambiental. Poluição atmosférica & chuva ácida. Disponível em: <http://www.usp.br/qambiental/ chuva_acidafront.html>. Acesso em: 23 mar. 2016. 2. Demonstrar aos alunos o experimento descrito no endereço abaixo, que tem duração de 40 min, aproximadamente. Mas atenção: o experimento só pode ser realizado pelo professor em ambiente bastante ventilado e retirando-se da sala os alunos asmáticos (pois se forma dióxido de enxofre). Ao término do experimento, é interessante passar aos alunos as questões e os desafios disponibilizados na mesma página. ▸▸ LABORATÓRIO de Química Ambiental. Experimento

e questões sobre chuva ácida. Disponível em: <http:// www.usp.br/qambiental/chuva_acidaExperimento. html>. Acesso em: 23 mar. 2016.

Para situá-lo, p. 232-233 1. Resposta pessoal. É interessante que o professor lance perguntas aos alunos ajudando-os a relembrar aspectos já estudados de algumas dessas substâncias, como o CO, produto da combustão incompleta de combustíveis fósseis, tratado no capítulo 8, do SO2 e do CO2. Os óxidos metálicos são iônicos; já o SO2, CO, CO2, óxidos gasosos, são moleculares. 2. Resposta pessoal. O professor pode fazer perguntas aos alunos para ajudá-los a entender o que faz o preço desse minério oscilar e pedir que calculem a variação porcentual entre o maior e o menor valor e façam um gráfico com base nos dados da tabela. Podem também ser solicitadas outras atividades, como pesquisas sobre os países que mais importam nosso minério, os principais produtores de ferro e aço, etc.

▸▸ Reações químicas: equações de neutralização e conceito

3. Os íons ferro têm de reduzir seu Nox de 13 para zero, ganhando 3 e2 por íon ferro 31, processo que pode ser re-

▸▸ Caráter iônico e molecular.

presentado por Fe31(aq) 1 3 e2

▸▸ Número de oxidação (Nox).

Atividades, p. 235

▸▸ Conceito operacional de solubilidade.

1. Metais: ferro, Fe: grupo 8; alumínio, Aℓ: grupo 13; manganês, Mn: grupo 7; cálcio, Ca: grupo 2. O oxigênio, O: grupo 16, é não metal.

de oxirredução.

Orientações pedagógicas O enfoque do estudo está na compreensão das propriedades e empregos dos óxidos mais comuns, devendo ser evitadas as classificações, a memorização de nomenclaturas e fórmulas esvaziadas de sentido. Após a leitura do texto da seção Para situá-lo e de uma breve discussão das ideias nele contidas, o professor poderá encaminhar uma atividade de pesquisa a ser realizada em casa: na região onde se situa a escola, quais os principais minérios que têm como principal componente um óxido metálico?

redução

Fe0(s)

2. Os óxidos citados são formados por ligações entre metais e não metais. São, portanto, iônicos. Substâncias iônicas são sólidas nas condições ambientes. 3. Enxofre, S, e oxigênio, O: grupo 16; nitrogênio, N: grupo 15; carbono, C: grupo 14 — todos não metais. Os óxidos citados são, portanto, moleculares. 4. As substâncias iônicas: BaO, KOH e Na 2CO3. 5. BaO: sólido; CO2: gasoso. Caderno de Apoio Pedagógico

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6. a) N2O4

b) P 2O5

c) SO3

7. a) Monóxido de dinitrogênio. b) Dióxido de selênio. c) Dióxido de silício. Atividades, p. 239-240 1. Hidróxido de potássio (KOH) 2 K 2O(s) 4 K(s) 1 O2(g) K 2O(s) 1 H2O(ℓ) 2 KOH(aq) 2. a) 2 Mg(s) 1 O2(g)

2 MgO(s)

b) O meio adquirirá coloração rósea (característica de fenolftaleína em meio alcalino). MgO 1 H2O Mg(OH)2 4. a) 3 BaO(s) 1 2 H3PO4(aq) Base: Ba (OH)2 b) 1 CO2(g) 1 2 KOH(aq) Ácido: H2CO3

1 Ba 3(PO4)2(s) 1 3 H2O(ℓ) 1 K 2CO3(aq) 1 1 H2O(ℓ)

5. Além de Vênus estar mais perto do Sol do que a Terra, sua atmosfera contém 97%, em volume, de CO2, gás que retém grande parte da energia térmica que chega ao planeta. A concentração de CO2 na atmosfera de Vênus é cerca de 93 vezes maior que na atmosfera terrestre.

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6. Sem CO2, a atmosfera da Terra teria temperatura baixa demais para sustentar a vida como a conhecemos. Se a concentração de CO2 fosse muito mais elevada, a Terra reteria muito mais o calor do Sol, e as temperaturas seriam muito altas, o que também inviabilizaria a vida como a conhecemos. 7. Essas cidades não medem a concentração de dióxido de carbono porque, ao contrário do monóxido de carbono, ele tem presença natural na atmosfera, é produto da respiração de animais e plantas e tem baixíssima toxicidade; já em nível global, há interesse em estimar as variações das concentrações desse gás na atmosfera, por suas implicações no aquecimento global. 8. Segundo a maior parte da comunidade internacional científica, o aumento da concentração de dióxido de carbono tem causado uma intensificação do efeito estufa. O aumento da temperatura média do planeta, que já vem ocorrendo, pode causar cada vez mais desequilíbrios ecológicos e climáticos. 9. Já estudamos muitas substâncias presentes nas rochas e na atmosfera que contêm carbono. É o caso de carbonatos constituintes de rochas calcárias, como o carbonato de cálcio mencionado no texto de Levi, do gás carbônico, presente na atmosfera, e assim por diante. Mas, como vimos em vários exemplos, especialmente no capítulo anterior, o carbono é capaz de ligar-se a si mesmo, e grande parte dos compostos que constituem os seres vivos contêm muitos carbonos interligados. A conversão orgânica da qual o texto fala corresponde ao processo de fotossíntese em que o CO2 e o vapor da água, na presença de luz, originam carboidratos. Química: prática e reflexão, p. 241 1. HAc(aq) 1 NaHCO3(s)

NaAc(aq) 1 H2O(ℓ) 1 CO2(g)

2. O dióxido de carbono. 3. O comburente (ar), porque o dióxido de carbono, CO 2 , reduz a quantidade relativa de oxigênio em contato com o combustível.

4. a) Resposta pessoal. Recomenda-se que o professor suscite respostas que permitam falar sobre prevenção de acidentes; fogueiras e fogos de artifício, vazamentos de gás, faíscas elétricas e brasas próximas de combustíveis (madeira seca, mata em locais com baixa umidade do ar, gasolina, etanol, entre outros), crianças pequenas sem supervisão de adultos em locais como a cozinha, perto de fogueiras, etc. b) Resposta pessoal. Sugere-se que sejam feitas pesquisas em sites ou publicações do Corpo de Bombeiros. Conexões, p. 242 1. Os ácidos reagem com carbonato de cálcio e com metais, formando produtos gasosos e ocasionando o desgaste desses materiais. 2. Minimizando as emissões de SO2 antropogênicas, utilizando filtros nas indústrias, substituindo fontes de energia que contêm combustíveis contaminados por enxofre (gasolina, por exemplo) por fontes isentas desse elemento (etanol, por exemplo). 3. Para que o SO 2 (Nox S: 14) seja transformado em H2 SO4 (Nox S : 16), é necessário que o enxofre seja oxidado. O componente do ar capaz de justificar essa transformação é o O 2 . Atividades, p. 245-247

1. a) Não, houve uma ligeira queda no percentual de trabalhadores expostos à sílica, mas não foi significativa. b) As partículas de sílica presentes em locais onde é feita a mineração podem causar silicose se as medidas de prevenção adequadas não forem adotadas. c) Porque é com base nessas notificações que os órgãos governamentais tomam conhecimento da quantidade de trabalhadores com doenças ocupacionais e podem tomar as medidas cabíveis. d) Resposta pessoal. É provável que os alunos considerem importante a punição das empresas, que as vítimas sejam indenizadas (recebam dinheiro) por terem tido sua saúde prejudicada e recebam atendimento médico por toda a vida, custeado pela empresa. CO2(g) 1 2 H2 O(g) 2. a) CH4 (g) 1 2 O2 (g) CH4 (g) 1 3 O2 (g) CO(g) 1 2 H2 O(g) 2 CH4 (g) 1 O2 (g) C(s) 1 2 H2 O(g) b) Para cada mol de metano, CH4, são gastos: 2 mol de oxigênio na combustão completa; 1,5 mol de oxigênio na combustão incompleta com formação de monóxido de carbono; 1 mol de oxigênio na combustão incompleta com formação de fuligem. c) Amarelada. d) A chama azulada indica que a combustão ocorre de maneira completa. e) Porque esses são indicativos do tipo de combustão. Se a chama for amarelada e houver acúmulo de fuligem, é necessário fazer a manutenção do equipamento. f) Quando ele diz que a adição “de enxofre faz do nariz [...]”, na verdade deveria dizer “a adição de mercaptana (ou de composto de enxofre)”, uma vez que o enxofre é um sólido, pouco volátil, não servindo para dar cheiro à mistura gasosa. g) Arrastando-se, pois, sendo o gás natural menos denso que o ar, deve acumular-se na parte superior do recinto.

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h) O carbono. Na forma de fumaça preta, o carbono finamente dividido (fuligem) é liberado pela queima incompleta de combustíveis fósseis, como gasolina, por exemplo. 3. a) O objetivo deles era a utilização de N2O para conseguir a sensação de euforia, dar risadas. b) Fazendo a reação de neutralização entre ácido nítrico (HNO3) e amoníaco (NH3): NH3(g) 1 HNO3(aq) NH4NO3(aq) c) Conforme estudamos no capítulo 9, seria importante equacionar a reação e estabelecer a proporção entre os reagentes, para que não houvesse o risco de qualquer excesso de reagente.

d) Para evaporar a água, de modo a ficar apenas com o sal sólido. 4. NH4NO3(s)

N2O(g) 1 2 H2O(ℓ)

Testando seus conhecimentos, p. 248-249 1. c

2. e

7. a) H

3. d

4. e

5. b

6. e

b) K 2 S(aq) 1 2 HCℓ(aq)

2 KCℓ(aq) 1 H2 S(g)

8. a 9. b 10. d

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Unidade 4: Estado gasoso Capítulo

Principais conceitos

12. Gases: importância e propriedades gerais

No trabalho com a unidade 6, os alunos terão a oportunidade de desenvolver as seguintes competências e habilidades da matriz de referência do Enem:

Capítulo 12: Gases: importância e propriedades gerais

▸▸ Competência de área 1 – Compreender as Ciências Na-

Pressupostos

turais e as Tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. H2 – Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico. ▸▸ Competência de área 5 – Entender métodos e procedi-

mentos próprios das Ciências Naturais e aplicá-los em diferentes contextos. H17 – Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas Ciências Físicas, Químicas ou Biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. H18 – Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. Abertura de unidade, p. 250-251 ▸▸ Porque o gás hélio é inerte, ou, mais precisamente, não

reage com o gás oxigênio. ▸▸ Quando o gás é comprimido a temperatura constante,

seu volume é reduzido. Nesse processo, as moléculas ficam mais próximas umas das outras.

▸▸ Física: grandezas utilizadas no estudo dos gases (volume,

pressão e temperatura); conceitos de energia cinética e velocidade média. ▸▸ Estados físicos da matéria: modelos estruturais (sim-

plificados) de sólido e líquido; transformações físicas: liquefação, vaporização. ▸▸ Reações químicas: equações. ▸▸ Cálculos estequiométricos básicos.

Orientações pedagógicas A noção de descontinuidade da matéria pode ser determinante para a compreensão de vários conceitos e teorias que aparecem nesta unidade. Vale relembrar aqui a discussão feita na unidade 1 sobre a ideia de que a matéria tem uma natureza descontínua, sendo formada por pequenas unidades (moléculas ou átomos) que se encontram em contínuo movimento e interação. O planejamento de atividades com esse enfoque deve considerar a discussão sobre as características da matéria visando uma compreensão do modelo cinético dos gases. Por isso, além das questões da seção Para situá-lo que abre o capítulo, é interessante propor outras, que permitam ao professor avaliar se houve, de fato, a aprendizagem desses conceitos. Questões sugeridas para essa avaliação: Caderno de Apoio Pedagógico

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1. Como você imagina que estão dispostas as unidades que constituem um gás? 2. De onde os peixes retiram o oxigênio que respiram? 3. Como a quantidade de oxigênio dissolvido em água interfere no meio aquático? Desfazendo confusões: unidades e diferenças entre normal e padrão, CNTP e CPTP Sobre as unidades de pressão — A unidade de pressão do Sistema Internacional (SI) é o pascal, representado por Pa. Trata-se de unidade derivada das unidades de força (newton, N) e área (metro quadrado, m2): 1 Pa m 1 N/m2. Outras unidades de pressão bastante usadas são: ▸▸ bar: 1 bar 5 100 000 Pa

agradável (cheiro de uma boa comida, de um perfume), ou, ao contrário, desagradável, como no caso dos gases emanados de esgoto ou de lixo. Isso acontece porque os gases se difundem no ar. Genericamente, dizemos que um gás se difunde em outro ou no vácuo. O termo efusão é reservado ao processo pelo qual um gás escapa de um orifício diminuto. As bexigas de gás que decoram festas infantis, por exemplo, com o passar do tempo acabam murchando. Isso ocorre porque o gás presente em seu interior atravessa os pequenos poros do material da bexiga, provocando uma diminuição da pressão interna e de seu volume. Ilustração produzida para este conteúdo. Cores fantasia, sem escala. AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

▸▸ atmosfera: 1 atm 5 101 325 Pa ▸▸ milímetro de mercúrio ou torr: 1 mmHg ou 1 Torr ▸▸ 1 atm 5 760 Torr

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CNTP e CPTP — Ao longo das últimas décadas, muita confusão tem sido feita em relação aos valores associados à sigla CNTP (TPN) — condições normais de temperatura e pressão. Até 1982, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) não fazia distinção entre pressão normal e pressão padrão e, por isso, todas as publicações se referiam à pressão de 1 atm. Vale lembrar que a unidade atmosfera (atm) não pertence ao Sistema Internacional (SI). Considerando que a pressão relaciona o módulo da força peso com a área em que é exercida, a unidade de pressão deveria ser N2 , isto é, Newton por m metro quadrado. Em homenagem a Pascal, essa unidade de pressão foi chamada de pascal, cujo símbolo é Pa. A confusão se iniciou em 1982, quando a entidade recomendou um novo valor para a pressão padrão: 105 Pa ou 100 kPa. Durante a década de 1990, em suas publicações, a IUPAC apresentou as Condições Padrão de Temperatura e Pressão (CPTP), do inglês Standard Temperature and Pressure (STP). De acordo com recentes publicações da IUPAC (Gold Book. Disponível em: <http://goldbook.iupac.org>, acesso em: 7 maio 2016), são feitas as distinções: CNTP: P 5 101 325 Pa ou 1 atmosfera (1 atm) T 5 273,15 K Nessas condições, o volume molar é 22,4 L. CPTP: P 5 100 000 Pa T 5 273,15 K Nessas condições, o volume molar é 22,7 L. Para evitar confusões, recomenda-se que, nas questões propostas aos alunos, sejam explicitados os valores de P, T e volume molar. Recursos complementares Caso o professor considere cabível em seu planejamento o estudo de efusão e difusão gasosa, disponibilizamos, a seguir, texto e sugestão de experimento para seu uso. Efusão e difusão gasosa Gases incolores — e, portanto, invisíveis — podem ser captados pelo nosso olfato trazendo-nos uma sensação

Modelos representando a difusão e a efusão de um gás no vácuo. Fonte: KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., P. Chemistry & chemical reactivity. 3. ed. Orlando: Saunders College Publishing, 1996. p. 577.

Vamos analisar comparativamente dois gases, A e B, com base na teoria cinética dos gases, lembrando que suas energias cinéticas são proporcionais às suas temperaturas termodinâmicas, em que: ECA e ECB — energia cinética média das moléculas dos gases A e B TA e TB — temperaturas termodinâmicas dos gases A e B TA EC A 5 EC A TB m A e mB — massa média das moléculas dos gases A e B VA e VB — velocidade média das moléculas dos gases A e B MA e MB — massa molecular média dos gases A e B 1 Mas Ec 5 m ? v 2 2 Para gases à mesma temperatura (T1 5 T2), temos: v2 M ECA 5 ECB ou A 5 2B . MB vA Um experimento bastante divulgado permite-nos analisar de que forma as velocidades de difusão de substâncias no estado gasoso relacionam-se com suas massas molares. Como esse experimento envolve substâncias agressivas, vamos apenas descrevê-lo. Em um tubo de plástico transparente, incolor e perfeitamente seco, de cerca de 25 cm de comprimento, são introduzidos dois chumaços de algodão, simultaneamente, um em cada ponta do tubo: um embebido em solução de amônia (amoníaco) concentrada; e outro, em solução de ácido clorídrico concentrado, HCℓ(aq). O que se observa? A formação de um anel branco que provém da síntese do cloreto de amônio (NH4Cℓ). Nota-se que esse anel se forma mais perto da extremidade em que se encontra o chumaço do ácido clorídrico, HCℓ(aq), a aproximadamente 10 cm.

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FOTOS: SÉRGIO DOTTA JR./ACERVO DO FOTÓGRAFO

mencionados nessa seção. As duas outras fotos da seção destacam os trabalhos de um dos mais importantes inventores brasileiros: Santos Dumont. É fundamental explorar as legendas dessas imagens. Caso o professor considere interessante, pode ser organizada uma atividade sobre o inventor, de preferência com a participação do professor de História. O texto a seguir traz a sugestão de um trabalho interdisciplinar baseado em Santos Dumont envolvendo Física, Química e História: ▸▸ QUEIROZ, Gloria. Uma abordagem interdisciplinar do voo

no centenário de Santos Dumont. Disponível em: <http:// nutes2.nutes.ufrj.br/interage/download2.php?file=../arquivos/sitprob/CPC/tap-sd-25.pdf>. Acesso em: 28 abr. 2016.

1. É provável que alguns alunos digam que isso ocorre porque o ar fica mais leve, confundindo ainda o conceito de massa/ peso com o de densidade, ideia advinda do senso comum. Lance perguntas para que entendam que é o volume do ar no interior do balão que aumenta e que a massa de gás não diminui (se mantém), de modo que a densidade, relação massa/volume, diminui.

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2. Espera-se que os alunos concluam que é devido à diferença de massa: moléculas de H2(g) têm massa menor. É importante que o professor ajude os alunos que não responderem, pedindo que consultem a tabela de massas atômicas. 3. O hidrogênio é um gás combustível e provocou muitos acidentes, enquanto o hélio, apesar de ser mais denso (sua massa molar é o dobro da do H2), não reage com o O2 do ar. Reação entre NH3(g) e HCℓ(g) em um tubo formando um anel de sólido branco, NH4Cℓ(s). 1. Equacione a reação de síntese entre NH3(g) e HCℓ(g). NH4Cℓ(s) NH3(g) 1 HCℓ(g) 2. Com base em suas observações, indique qual dos gases, NH3(g) ou HCℓ(g), percorre o tubo com maior velocidade. NH3(g) 3. Considere as massas molares dos gases NH3 e HCℓ. De que forma essas massas molares se relacionam com a velocidade de difusão desses gases? Quanto maior a massa molar de um gás, menor sua velocidade de difusão. Quanto menor a massa molar de um gás, maior sua velocidade de difusão. 4. Compare a velocidade média das moléculas de hidrogênio (H2) com a das moléculas de oxigênio (O2), supondo ambos os gases à mesma pressão e temperatura. A velocidade média da molécula de H2 é quatro vezes maior do que a velocidade média da molécula de O2. Leitura e vídeo sugeridos LOURENÇO, Leandro M.; PONTES, Paulo M. O uso da terminologia normal e padrão. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 25, maio 2007. Disponível em: <http://qnesc.sbq. org.br/online/qnesc25/ccd01.pdf>. Acesso em: 23 mar. 2016. Para situá-lo, p. 252-253 A imagem que abre o capítulo, foto de uma obra de arte que se vale de balões, remete aos balões dirigíveis

Atividade, p. 256 a) O aumento do volume da barra é muito pequeno em relação ao volume dela, sendo por isso imperceptível a olho nu. É possível que a pessoa tenha percebido que, como o volume do gás no interior do balão aumentou significativamente, a elasticidade do material do balão não foi suficiente, e ele estourou. Enquanto o volume do sólido aumenta muito pouco com o aumento da temperatura, o do gás tem um aumento significativo. b) Primeiro item: as unidades que constituem o gás têm muito mais liberdade de movimento que as do ferro, por isso o acréscimo de temperatura consegue aumentar mais o grau de agitação das unidades do gás. Segundo item: sob mesma temperatura, as unidades estão mais organizadas na barra de ferro do que na do gás do interior do balão. Atividades, p. 265-266 1. a) Sim. Em toda reação há conservação do número de átomos. b) Na equação não há conservação do número de moléculas. De acordo com a equação balanceada, 2 CO(g) 1 O2(g)

2 CO2(g)

conclui-se que, para cada 3 moléculas de reagentes, formam‑se 2 moléculas de produto. c) Não. Sob mesmas condições de pressão e temperatura: cada 2 volumes de CO reagem com 1 volume de oxigênio formando 2 volumes de dióxido de carbono, proporção essa que é idêntica à de moléculas dos participantes da reação. d) 5 L Caderno de Apoio Pedagógico

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2 N2O5(g)

3. a) Ambos contêm a mesma quantidade de matéria, o que está de acordo com o princípio de Avogadro.

No caso da transformação isotérmica, o gráfico tem a forma de hipérbole equilátera, isto é, seus ramos são equidistantes dos eixos vertical (pressão) e horizontal (volume): pressão (atm)

b) Para o número de moléculas, sim, pois, nas mesmas condições de temperatura e pressão, volumes iguais de gases encerram o mesmo número de moléculas. Para o número de átomos, não, uma vez que, em cada molécula de hidrogênio (H2), há 2 átomos e, em cada molécula de ozônio (O3), há 3 átomos.

8 7 6 5

c) 72 g

4. a) 1,2 ? 1024 moléculas

b) 16 g

c) 3,6 ? 1023 átomos

3 2

Química: prática e reflexão, p. 266

1. Quando o êmbolo é puxado, o volume do gás aumenta (a pressão diminui). Em caso contrário (quando o êmbolo é empurrado), o volume do gás diminui. 2. Espera-se que os alunos concluam que, conforme a pressão aumenta, o volume diminui, e vice-versa. Química: prática e reflexão, p. 267

volume (L)

O ponto zero corresponderia a pressão zero e temperatura 0 K, o que não tem sentido físico, isto é, real. 2. x 5 2 (atm); y 5 1,5 (L); z 5 1,5 (atm)

1. Quando a garrafa aquecida pela água quente é tapada, constata-se que o volume dela se mantém, mas, depois de colocada na água gelada, seu volume diminui.

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2. 2 N2(g) 1 5 O2(g) 50 L

2. Em média, as moléculas do gás ficaram mais próximas e, por isso, com o resfriamento, o volume do gás diminuiu.

4. 177 °C 5. a) A redução da temperatura faz com que o volume diminua, já que a pressão ambiente se mantém.

1. Para a transformação isovolumétrica, o gráfico é uma reta.

Atividades, p. 270

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Atividades, p. 269

b) Com o aumento da temperatura, o gás propelente do aerossol expande-se e pode romper a embalagem. Se o gás for combustível, haverá o risco de provocar um incêndio e explosões.

pressão (atm) 16 14 12 10 8 6 4

2. a) 24,6 L

b) 6,15 L

3. Aproximadamente 117,9 kg.

temperatura (K)

4. 2 460 L

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Para a transformação isobárica, o gráfico é uma reta. volume (L) 16 14 12 10 8 6 4 2 0

PV . nT Como o volume molar é ocupado por 1 mol de gás, basta substituir, nessa expressão, n por 1 e T por 273 K e calcular os diferentes valores de R, de acordo com os correspondentes valores da pressão, expressos em atm ou mmHg. 105 Pa ? 1 dm3 R5 5 8 313 Pa dm3 mol21 K21 1 mol ? 273 K

1. R pode ser calculado com base na expressão R 5

temperatura (K)

Atividades, p. 271 1. Em ambos os balões a pressão é a mesma e igual a 0,5 atm. 2. 1,33 atm. Atividade, p. 274 1. a) As partículas que constituem uma substância no estado gasoso estão mais afastadas umas das outras do que as partículas dessa mesma substância no estado líquido ou sólido. Sob pressão, essas partículas podem se aproximar, o que corresponde à compressão do gás. b) Quando se comprime um gás, seu volume diminui como resultado da compressão. Quando se diminui a pressão sobre um gás, a distância média entre suas moléculas aumenta, o que corresponde ao aumento de seu volume (expansão do gás).

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c) No estado gasoso, as dimensões das moléculas são desprezíveis quando comparadas à distância média entre elas. Por isso, sob mesma temperatura e mesma pressão, o volume de um gás é proporcional ao seu número de moléculas. 2. Gases à mesma temperatura apresentam moléculas com a mesma energia cinética média. EC 5 1 m ? v 2. 2 Não, pois, de acordo com a expressão da energia cinética, as massas das moléculas, sendo diferentes, implicam velocidades diferentes (o gás que tem moléculas com maior massa terá menor velocidade, e vice-versa). 3. Quanto mais moléculas do gás são submetidas a mesma temperatura e mesmo volume, maior o número de choques nas paredes do recipiente e, portanto, maior pressão. Atividades, p. 275 1. Como o volume aumenta, a mesma massa de gás estará distribuída em um volume maior, portanto, a densidade do gás será menor.

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2. Nesse caso, o volume diminui e a mesma massa do gás estará distribuída em um volume menor. Portanto, a densidade do gás será maior. Atividades, p. 277 1. Porque esses gases possuem as menores massas molares, consequentemente são menos densos. O hélio é o gás não combustível de menor massa molar e, portanto, de menor densidade. 2. 0,04 g/L

3. 14

4. 192 g

5. 32 g/mol

6. Com o aquecimento do ar no interior do balão, este fica menos denso que o ar e sobe. Se o balão caísse com a tocha apagada (isso porque o gás no interior do balão se resfriaria, tornando-se mais denso), não haveria problemas; a proibição se deu devido à possibilidade de o balão cair com a tocha ainda acesa, causando queimadas, incêndios e acidentes. Atividades, p. 280

Somando as pressões parciais, chegaremos à pressão total: P 5 P H2 1 P He 5 1 atm 1 3 atm 5 4 atm Conexões, p. 280-281 1. No sangue venoso, depois de ele receber, por difusão, o CO2 liberado pelos tecidos do organismo. 2. Como a pressão parcial do CO2(g) do sangue venoso que atinge os alvéolos pulmonares é mais alta que a pressão parcial do CO2 que está nos pulmões, parte do CO2 passa do sangue aos pulmões, deixando o organismo. 3. No sangue arterial. 4. Como é dito que o ar contém cerca de 20% de oxigênio 20 (em mol), sua pressão parcial será ? 760 mmHg, isto é, 100 158 mmHg ou 0,209 atm. Observação: apesar de a pressão parcial do oxigênio que inalamos ser de 158 mmHg, ao atingir os alvéolos ela é de 100 mmHg, informação que pode ser obtida na ilustração. 5. Será mais difícil, porque a pressão parcial do O 2 será menor que ao nível do mar. Assim, haverá mais dificuldade de o O2 passar dos alvéolos pulmonares ao sangue venoso que chega a eles. 6. Dentro da câmera hiperbárica, a pressão parcial de O 2 (1 760 mmHg) é bem maior que a pressão parcial do O2 no ar (cerca de 160 mmHg); assim sendo, maior será a concentração de O2 no sangue, isto é, maior quantidade de O 2 se dissolverá no sangue. Desse modo, a pressão do oxigênio que chega aos alvéolos pulmonares será bem maior que a usual (que é de 100 mmHg), e assim se consegue substituir parte do CO que indesejavelmente havia se fixado à hemoglobina. Atividades, p. 282-284 1. a) Se p He 5 4 p CH e pressão total 5 1 atm, temos: 4

p He 1 p CH 5 1 atm ou 4 p CH 1 p CH 5 1 atm 4

p CH 5 0,2 atm

p He 5 4 ? 0,2 atm 5 0,8 atm

2. Alternativa b. Quando as válvulas forem abertas, a mistura gasosa de H2 e He ocupará o volume dos 3 balões: 3 V. Podemos raciocinar de duas maneiras: Levando em conta a pressão (parcial) que cada gás vai exercer na mistura: Volume da mistura: 3 V p H ? 3 V 5 3 atm ? V p H 5 1 atm 2 2 p He ? 3 V 5 9 atm ? V p He 5 3 atm A pressão total (P) quando os gases estiverem misturados será: p H 1 p He 5 4 atm (alternativa b). 2 Tomando por base a expressão PV 5 nRT, podemos relacionar a quantidade de matéria de cada gás na mistura e, a partir delas, calcular a pressão total:

b) A relação entre as pressões parciais dos gases na mistura corresponde à relação entre a quantidade de matéria desses gases na mistura (lei de Henry). Assim: p He nHe 545 pCH nCH 4 4 Como MHe 5 4 g/mol MCH 5 16 g/mol 4 mx Como n x 5 (para qualquer substância x), podemos Mx escrever: mHe ? 16 nHe mHe ? 16 g/mol 45 5 5 54 mCH ? 4 4 g/mol ? mCH nCH

Estado inicial

Estado final

Ou seja: m He 1 mCH

Os gases têm massas iguais; ou: a relação entre as massas desses gases é igual a 1.

Estado final

Estado inicial

n H2

n He

Volume 5 x

Volume 5 3 x

Volume 5 x

Volume 5 3 x

Temperatura: T Temperatura: T Temperatura: T Temperatura: T P H2 5 3 atm

P H2 5 ?

P He 5 9 atm

P He 5 ?

P H2 3x 5 3 atm x

P H2 5 1 atm

P He 3x 5 9 atm x

P He 5 3 atm

3. 4,8 kg ou 4 800 g. Essa questão é uma oportunidade de o professor retomar os conceitos de elemento químico, substância, massa molar de um elemento e massa molar de uma substância. Independentemente do raciocínio utilizado na resolução, vale chamar a atenção dos alunos Caderno de Apoio Pedagógico

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para o fato de que, se O2 e O3 são constituídos pelo oxigênio, a massa de ozônio formada será igual à de oxigênio gasoso (O2). 3 O2(g) 2 O3(g) MO25 32 g/mol 3 ? 32 g 2 ? 48 g MO3 5 48 g/mol

96 g 4,8 kg

96 g x x = 4,8 kg

1 mol de O3 V de O3 (TPN) ? n nO3 5 100 mol Mas VM(TPN) 5 22,4 L Então, 4,8 kg O3 100 ? 22,4 L V = 2 240 L

48 g 4,8 ? 103 g

f) Resposta pessoal. A questão vale uma conversa com os alunos: provavelmente esses trabalhadores não sabiam que colocavam a própria vida em risco. É importante os alunos perceberem que, se essas pessoas tivessem noções de Química, saberiam que é impossível obter hélio de modo caseiro.

4. 0,023 atm 5. a) “Explosão de botijão de hélio fere 2” e “PE: explosão de gás hélio deixa mutilados e feridos em parque”. b) Hidrogênio. c) ▸▸ Sim, o hélio é um gás inerte, não apresenta reação, não

é tóxico, não tem cor nem cheiro.

▸▸ Possibilidade de resposta: Isso é um indício de que ocorreu

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uma reação química entre substâncias que gerava o gás hidrogênio, que também é menos denso que o ar, mas é extremamente inflamável.

d) Agente redutor: Aℓ. O Aℓ se oxida, passando do número de oxidação 0 a 13, ou seja, D(Aℓ) é 3. Como é o H que se reduz, passando de 11 (no grupo OH2 e em H2O) a zero, no H2, temos uma variação de 3 elétrons por átomo de Aℓ para 1 elétron por átomo de H. Fixando o coeficiente de acerto 1 para o Aℓ em ambos os lados da equação, podemos fixar 3 em o coeficiente do H2, porque todos os H das substân2 cias reagentes irão formar o gás hidrogênio. Se quisermos evitar o uso de coeficientes fracionários, poderemos usar os coeficientes 2 e 6. Assim: NaOH 1 2 Aℓ 1 H2O 2 NaAℓO2 1 3 H2 Como, ao colocar 2 na frente de NaAℓO 2, estamos balanceando o Na entre os produtos, podemos usar o coeficiente 2 na frente de NaOH e, com isso, torna-se simples acertar o coeficiente de H2O pelo método das tentativas: oxidação 11

2 NaOH 1 2 Aℓ 1 2 H2O

2 NaAℓO2 1 3 H2 redução

e) Espera-se que os alunos mencionem que o contato entre as substâncias contidas no balão, que ocupavam um volume relativamente pequeno, causou a formação de grande volume de gás hidrogênio (aquecido pelo calor liberado nessa reação). Ele pressionou as paredes do balão, que, por não serem suficientemente resistentes para suportar tal pressão, se romperam, espalhando os fragmentos que feriram as pessoas.

6. a) Se o volume de biogás é igual a 300 m3 e a participação do metano nessa mistura equivale a 60%, conclui-se que, na pressão da mistura, a quantidade de matéria equivale a 6% do total. Como a pressão parcial de um gás em uma mistura é proporcional à quantidade de matéria desse gás em relação ao total da mistura: nCH4 p CH4 5 5 0,6 P n p CH4 5 0,6 PCH4 5 1,2 atm 2 atm b) t 5 27 oC

300 K

P ? 300 000 L 5 nRT 2 atm ? 300 000 L 5 n ? 0,082 atm ? L ? mol21 ? K21 ? 300 K n . 24 390 mol Como 60% em volume de biogás correspondem ao metano: nCH4 . 60% ? 24 390 mol nCH4 . 14 634 mol mCH4 5 14 634 mol ? 16 g/mol 5 234 146 g . 234 kg Testando seus conhecimentos, p. 285 1. d 2. b 3. 01 1 02 1 04 1 08 5 15 4. d 5. c 6. b

Temas de cidadania Os textos dos Temas de cidadania 1 e 2 poderão ser reproduzidos e distribuídos aos alunos. Na sequência de cada um deles, o professor encontrará sugestões para desenvolvê-los.

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Tema de cidadania 1 — Água: uma questão atual Leia estes trechos de reportagens.

outras enfrentem enchentes. Embora alguns acreditem que a questão exigirá providências somente das futuras gerações, as reportagens acima são exemplos de que isso não é verdade. O que fazemos hoje afetará o futuro do planeta, mas o que foi feito pelas gerações anteriores já nos afeta, então é preciso conhecer o assunto e agir.

Cientistas estimam quantas pessoas vivem com falta de água no mundo: 4 bilhões Dois terços da população mundial enfrentam falta de água pelo menos um mês por ano. 500 milhões de pessoas enfrentam escassez o ano todo Um novo estudo publicado nesta sexta-feira (12) na [revista] Science Advances mostra que o risco de falta de água no mundo é maior do que se imaginava. Segundo o estudo, conduzido por pesquisadores holandeses, pelo menos dois terços da população mundial vive em áreas que sofrem com forte escassez de água algum período do ano. [...]

A água no mundo e no Brasil

Observe o gráfico e o mapa a seguir. Note que o Brasil e parte da América do Sul, a Oceania e parte da África são as regiões com as maiores reservas naturais de água doce. Analisando o gráfico e o mapa, podemos perceber que somente cerca de 2,5% de toda a água existente na Terra é doce, isto é, não faz parte dos oceanos e mares. Desse total, apenas uma pequena parte está disponível para o consumo humano. Além disso, essa água é distribuída de forma desigual pelo planeta.

CALIXTO, Bruno. Época, Rio de Janeiro, 12 fev. 2016.

Reduzir gases-estufa a partir de 2016 evitaria secas e enchentes, diz estudo

DIVULGAÇÃO PNLD

0,3% – Esta é a porção de água doce renovável

Água total

Milhões de pessoas podem ser poupadas de secas e enchentes até 2050 se houver uma redução das emissões de gases do efeito estufa a partir de 2016 em vez de 2030, de acordo com estudo científico publicado neste fim de semana na revista Nature Climate Change. Especialistas britânicos e alemães explicaram que a redução imediata nas emissões poderia retardar alguns impactos por décadas e prevenir outros por completo.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Proporção de água doce e salgada no mundo

Até 229 milhões não enfrentariam secas e enchentes em 2050 com política. Pesquisa diz que ação de países pós-2020 não evita desastres naturais

Água doce 2,5% 30% 69% Água salgada salgada Água 97,5% 97,5%

0,9%

69%: geleiras e cobertura permanente de neve (24 060 000 km2)

Disponível em: <http://g1.globo.com/natureza/noticia/ 2013/01/reduzir-gases-estufa-partir-de-2016-evitaria-secas-e-enchentes-diz-estudo.html>. Acesso em: 10 maio 2016.

0,3%: água doce em rios e lagos (93 000 km2) 30%: água doce subterrânea (10 530 000 km2) 0,9%: outros, incluindo umidade do solo, placas de gelo flutuantes, pântanos, solo permanente congelado (342 000 km2) As porcentagens não somam 100% devido a arredondamentos.

Como você sabe, a água recobre três quartos da superfície terrestre. Assim, parece contraditório afirmar que populações sejam castigadas com a falta desse líquido fundamental para todos os seres vivos. Da mesma forma, parece contraditório que, ao mesmo tempo que regiões estão secas,

Fonte: BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Ministério da Educação. Instituto Brasileiro de Defesa do Consumidor. Consumo sustentável: manual de educação. Brasília, 2005. Disponível em: <http://www.mma.gov.br/estruturas/educamb/_arquivos/consumo_sustentavel.pdf>. Acesso em: 5 maio 2016.

EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Distribuição da água doce no planeta OCEANO GLACIAL ÁRTICO

Círculo Polar Ártico

EUROPA

AMÉRICA DO NORTE

ÁSIA 8%

13%

15% 8%

13%

Trópico de Câncer

BRASIL 13% 3%

Extremamente baixa Trópico de Capricórnio Muito baixa

OCEANO ATLÂNTICO

Baixa Média Alta Muito alta 13% Percentual da região em relação ao

de água disponível no planeta População da região em relação ao 3% total do mundo

Círculo Polar Antártico

Meridiano de Greenwich

Equador

OCEANO PACÍFICO

OCEANO PACÍFICO OCEANO ÍNDICO

OCEANIA 5%

ÁFRICA

11% 13%

OCEANO GLACIAL ANTÁRTICO

3 000

6 000 km

Fonte: ÁGUA: vital para a reprodução da vida no planeta. Cidadania & Meio Ambiente, Rio de Janeiro, 22 mar. 2011. Ecodebate. Disponível em: <http:// www.ecodebate.com. br/2011/03/23/aguavital-paraa-reproducao-da-vida-noplaneta-entrevista-comwagner-costa-ribeiro/>. Acesso em: 5 maio 2016.

Caderno de Apoio Pedagógico

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A situação do Brasil, no contexto global, é privilegiada quanto às reservas de água doce: representa mais de um terço das águas superficiais do continente americano e ao redor de 13% de toda a água doce do planeta, o que é uma porcentagem alta, já que nossa população representa apenas 3% da mundial. Essa relação favorável, porém, provavelmente contribuiu para que se disseminasse a falsa ideia de que estaríamos livres do risco de sofrer com a carência de água potável. Apesar da nossa situação privilegiada, há regiões do país onde é frequente as pessoas ficarem sem água adequada para consumo em determinadas épocas do ano, o que contrasta com as enchentes que ocorrem em outras áreas do país. Analisando a situação brasileira, devemos lembrar que: ▸▸ Apesar da quantidade de rios e dos altos índices pluvio-

métricos em certas regiões do país, não há, em geral, correspondência geográfica entre as grandes reservas e as regiões mais povoadas. Por exemplo, grande parte da água da superpopulosa cidade de São Paulo é captada a 100 km de distância dela.

▸▸ Há falta de planejamento urbano de longo prazo, levando

DIVULGAÇÃO PNLD

em conta a gestão de nossos recursos hídricos. O crescimento desenfreado de centros urbanos tende a ocorrer sem a infraestrutura adequada, especialmente quanto ao saneamento básico (lixo: coleta, tratamento e armazenamento de resíduos; água: abastecimento e tratamento; esgoto: coleta e tratamento). O lançamento indevido de esgotos domésticos e industriais em reservas de água de boa qualidade tem restringido as fontes de água tratável para abastecimento. As agressões ao ambiente, como o desmatamento, especialmente próximo a nascentes de rios, agravam a situação. O recobrimento (e consequente impermeabilização) do solo — construções, asfaltamentos — impede que as águas das chuvas penetrem na terra e realimentem as reservas. Isso contribui para as enchentes, que arrastam o lixo e contribuem para poluir os cursos de água.

▸▸ Regiões em torno dos rios são naturalmente alagadas em

épocas de cheia. A ocupação indevida dessas regiões e o recobrimento do solo são as principais causas das enchentes. O descarte indevido de lixo agrava os problemas urbanos.

▸▸ A maior parte da água doce disponível é subterrânea, che-

gando a dispensar total ou parcialmente o tratamento pelo qual deve passar para tornar-se própria ao consumo humano. Entretanto, há casos em que até mesmo essa água está contaminada. A mais importante das reservas subterrâneas do país, o Aquífero Guarani, ocupa uma área aproximada de 1,1 milhão de km2, abrangendo, além de parte do território brasileiro, parte dos territórios da Argentina, do Paraguai e do Uruguai. No Brasil, estende-se pelo subsolo de vários estados (Goiás, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Minas Gerais, São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul). Reservas desse tipo, pertencentes a mais de um país, requerem gestão conjunta desses recursos. Estima-se que o Aquífero Guarani tenha mais água que todos os rios do mundo; no entanto, embora haja áreas dessa reserva com excelente qualidade, há outras em que a água é inacessível e outras onde ela não é potável.

Se a água disponível para consumo é finita, naturalmente todos os brasileiros economizam esse bem precioso, correto? Não exatamente. Leia. A economia do ouro azul Desperdício de água na lavoura brasileira preocupa comunidade científica. Apesar de ser considerado uma potência na agricultura, o país ainda tem muito a melhorar em sistemas de irrigação e monitoramento meteorológico para fins agrícolas. KUGLER, Henrique. Ciência Hoje, Rio de Janeiro, 9 set. 2014.

Desperdício de água no Brasil chega a 40% Nem as secas no Nordeste, nem a utilização desenfreada dos lençóis freáticos. As águas que se perdem nos encanamentos, evaporam durante as irrigações e não são tratadas depois de poluídas formam um conjunto que representa a maior ameaça ao abastecimento dos brasileiros. Segundo a Agência Nacional de Águas (ANA), 40% da água retirada no país é desperdiçada. Os próprios números comprovam o tamanho do problema. O GLOBO. Disponível em: <http://oglobo.globo.com/ sociedade/ciencia/desperdicio-de-agua-no-brasil-chega40-4193297#ixzz48Hgxc9BL>. Acesso em: 10 maio 2016.

De que forma cada um de nós, e o país como um todo, pode contribuir para reduzir o desperdício de água tratada, além de garantir que a qualidade e a quantidade de nossas reservas naturais de água doce sejam preservadas? Os estudos de Química e de outras disciplinas que você fará no Ensino Médio permitirão muitas oportunidades de aprofundamento e de reflexão sobre diferentes aspectos desse tema, tão relevante no século XXI. 1. Em grupo: a) Anotem as principais informações apresentadas neste Tema de cidadania 1 — Água: uma questão atual e as principais opiniões expressas nele. b) Analisem as imagens que apareceram, relacionando-as com as informações e opiniões expostas no texto. 2. Em grupo. a) Selecionem notícias, reportagens, textos de divulgação científica, vídeos e filmes em que sejam debatidas questões relacionadas à crise hídrica que preocupam, atualmente, a comunidade nacional e internacional. Redijam uma síntese das informações e dos pontos de vista que aparecem nesses materiais e levem-na para a sala de aula. Se possível, levem também o material selecionado para mostrar aos colegas. b) Conversem com os outros grupos sobre o assunto: por que a água é um assunto que preocupa políticos, cientistas, ambientalistas e pessoas comuns? Quem são as pessoas e os países mais afetados pela crise hídrica? Quais são as soluções? c) Elabore, com seu grupo, um texto que exprima a opinião ou o sentimento que vocês considerem mais relevante sobre o tema. Pode ser uma tira, um artigo de opinião, um cartaz, uma letra de canção, um esquete (uma pequena representação teatral), etc.

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Orientações para o professor O trabalho com os Temas de cidadania permitirá ao professor contribuir para que os alunos se conscientizem da importância de estabelecer relações entre a Química e suas aplicações e implicações, sejam elas de natureza social, política, econômica ou ambiental. Permitirá também que eles adquiram uma visão mais integrada do conhecimento, ampliando sua compreensão do mundo. Este primeiro Tema de cidadania do volume representa uma oportunidade de discutir aspectos sociais, econômicos e científicos relacionados à água, recurso essencial para todos os seres vivos do planeta. O trabalho poderá ser mais ou menos amplo: essa decisão vai depender da disponibilidade de tempo do professor e do envolvimento dos alunos. Assim, pode-se fazer a leitura e discussão do texto entregue aos alunos e encerrar o trabalho com a realização das duas atividades propostas, dentro de um prazo estabalecido. Mas também se pode ir além e pedir aos estudantes que pesquisem, de preferência em grupos, outros tópicos — que sugerimos mais adiante — e que apresentem o resultado de tais pesquisas na forma de um produto final a ser socializado em sala de aula, na escola e, se possível, na comunidade. Ao longo do projeto, os alunos terão a oportunidade de: ▸▸ manusear diferentes suportes de texto, como livros, re-

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vistas, hipermídia, web, CDs, etc.;

▸▸ estabelecer relação entre texto escrito, fotos, ilustrações

e vídeos;

▸▸ identificar informações em textos, imagens, tabelas,

gráficos e mapas;

▸▸ relacionar fatos, informações e ideias; ▸▸ reconhecer aspectos químicos relevantes na interação

individual e coletiva do ser humano com o ambiente;

▸▸ comunicar, verbalmente e por escrito, fatos e ideias, sa-

bendo argumentar.

Da matriz de competências e habilidades do Enem, o projeto permite desenvolver: ▸▸ Competência de área 1 – Compreender as Ciências Naturais

e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. H2 – Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico.

▸▸ Competência de área 3 – Associar intervenções que

resultam em degradação ou conservação ambiental a processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicos. H12 – Avaliar impactos em ambientes naturais decorrentes de atividades sociais ou econômicas, considerando interesses contraditórios.

Avaliação dos conhecimentos prévios dos alunos sobre o tema

Esta avaliação inicial poderá ser feita oralmente, com o professor propondo à classe questões como as sugeridas a seguir: ▸▸ Qual é a importância da água para os seres que vivem

em nosso planeta?

▸▸ O que você entende pelas expressões água doce e água

salgada?

▸▸ Que características deve ter a água para que possamos

bebê-la? É importante que o professor registre as respostas dos alunos para, ao final do trabalho, pedir que as retomem e, se necessário, as reformulem ou complementem. Desenvolvimento do trabalho ▸▸ Recomenda-se que a leitura do texto “Água: uma questão

atual” seja feita em voz alta (cada aluno lê um pequeno trecho). Após a leitura de cada trecho, outros alunos sintetizam oralmente as informações e opiniões expressas nele, com a ajuda do professor, se necessário.

▸▸ Após a leitura, os alunos ajudarão o professor a registrar

no quadro de giz uma síntese do conteúdo do texto, a qual eles devem copiar no caderno. Essa síntese deve incluir os conteúdos expressos nos textos multimodais (gráfico e mapa).

▸▸ Para a realização da pesquisa solicitada no item 2a, é inte-

ressante que o professor dê aos alunos um prazo de mais ou menos duas semanas. Nesse período, ele deve manter-se informado sobre o andamento da pesquisa, para orientar os grupos e garantir que as informações coletadas envolvam questões nacionais e internacionais relativas à água. Observação: os subtemas que emergirão da pesquisa dos alunos poderão variar bastante. O importante é que o professor, já que essa é a primeira atividade do tipo proposta no curso de Química, incentive os alunos e deixe claros os critérios que serão usados na avaliação do resultado. Também pelo fato de esta ser a primeira atividade complexa e coletiva a ser realizada no ano, é recomendável o professor manter-se atento a suas expectativas quanto ao resultado que os alunos poderão alcançar. Sugerimos que o trabalho seja feito com a classe dividida em grupos, e o prazo para a realização, definido pelo professor, dependerá do nível de profundidade esperado. Se o professor optar por um trabalho mais completo, a participação de professores de outras áreas será recomendável, uma vez que o tema permite abordagem interdisciplinar, com incursões e/ou aprofundamentos em diversos campos do conhecimento: Língua Portuguesa, Artes, Geografia, História, Filosofia, Biologia e Física, além da Química (principalmente os assuntos tratados nos capítulos 3, 7 e 11). Algumas fontes de informação: ▸▸ REDE Interagencial de Informações para a Saúde (Ripsa).

Disponível em: <http://www.ripsa.org.br/>. Acesso em: 5 maio 2016.

▸▸ AGUAONLINE. Disponível em: <http://www.aguaonline.

com.br/>. Acesso em: 19 mar. 2016.

▸▸ EDUCAÇÃO Ambiental em Ação. A pegada hídrica:

conceito e uso em atividades de educação ambiental. Disponível em: <http://www.revistaea.org/artigo. php?idartigo=1412&class=41>. Acesso em: 19 mar. 2016.

▸▸ IBGE. Atlas de saneamento IBGE - 2011. Disponível em:

<http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/populacao/ atlas_saneamento/default_saneamento.shtm>. Acesso em: 19 mar. 2016. Caderno de Apoio Pedagógico

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▸▸ PORTAL da Qualidade das Águas. Disponível em: <http://

pnqa.ana.gov.br>. Acesso em: 19 mar. 2016.

▸▸ SABESP. Disponível em: <http://site.sabesp.com.br>.

Acesso em: 19 mar. 2016.

A seguir propomos alguns temas que podem auxiliar no encaminhamento da pesquisa. ▸▸ A água e o saneamento básico em sua região

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1 . Entrevistar pessoas de três gerações de uma mesma família — avó ou avô, mãe ou pai, filhos —, perguntando se acham que a água usada para abastecimento público em sua região tem hoje melhor qualidade do que no passado: houve melhora da distribuição? Houve melhora na qualidade da água? Isso se refletiu na menor incidência de algum tipo de doença ou na redução das cáries dentárias, por exemplo? 2. Pesquisar em uma base de dados oficiais, como o IBGE, como evoluiu o acesso à água tratada na região de vocês (comparar dados de 1970, 1990, 2000, 2010 e atuais, por exemplo). 3. Pesquisar qual a incidência de mortalidade infantil, na região, em função de diarreia (verificar se há alguma correspondência entre essas variações e as do acesso à água potável no mesmo período). Se possível, entrevistar pediatras ou sanitaristas para entender as possíveis relações entre qualidade da água e mortalidade infantil. 4. Com base nas informações colhidas, avaliar as conquistas da população ao longo do tempo, no que diz respeito à qualidade da água consumida e das reservas disponíveis. Em que aspectos o grupo considera que ainda é necessário avançar? 5. Sugestão de atividade com dados estatísticos: observar os dados no quadro 1, que apresenta o número de óbitos em crianças com 28 a 364 dias de vida completos por mil nascidos vivos, por região brasileira. Em seguida, observar os dados no quadro 2, com o percentual dos óbitos por doença diarreica aguda quanto ao total de óbitos de menores de 5 anos de idade, por região brasileira. Quadro 1 Taxas de mortalidade pós-neonatal (por mil nascidos vivos), por ano 1991 (a)

Mortalidade proporcional por doença diarreica aguda em menores de 5 anos de idade, por ano Região

Possíveis linhas de pesquisa/trabalho

Região

Quadro 2

1997 (b)

2000 (c)

2004 (c)

Norte

21,7

11,6

10,1

9,2

Nordeste

43,7

23,3

16,9

12,0

Sudeste

11,6

7,5

5,7

4,6

1991

1995

2000

2004

Norte

19,0

9,2

5,0

4,9

Nordeste

12,6

13,0

6,7

6,2

Sudeste

8,2

5,4

2,6

1,9

Sul

9,5

5,8

3,2

2,1

Centro-Oeste

9,7

6,8

4,5

3,9

Brasil

10,8

8,3

4,5

4,0

Fonte: BRASIL. Ministério da Saúde/SVS — Sistema de Informações sobre Mortalidade (SIM). Disponível em: <http://tabnet. datasus.gov.br/tabdata/livroidb/2ed/CapituloC.pdf>. Acesso em: 8 maio 2016. ▸▸ Uma análise interessante desses dados poderá ser

feita em conjunto com os professores de Biologia, Geografia e Sociologia.

▸▸ A elaboração de cálculos e de gráficos é importante

para tornar mais evidentes as relações entre os fatos informados nos quadros, e a participação de professores da área de Matemática será bem-vinda. Várias informações podem ser obtidas em: DEPARTAMENTO de Informática do SUS (Datasus). Disponível em: <http://tabnet.datasus.gov.br/tabdata/livroidb/2ed/CapituloC. pdf>. Acesso em: 19 mar. 2016. ▸▸ A água para abastecimento público em sua região

A seguir, sugerimos algumas questões sobre o tema: 1. De onde vem a água que você e sua família usam para beber? 2. Ela passa por tratamento em uma estação de tratamento de águas (ETA)? Em caso afirmativo, de onde provém a água que chega a essa ETA? Há centros de grande densidade populacional que recebem água de regiões distantes. Por que isso acontece? Isso poderia ter sido evitado? Como? 3. No que consiste o tratamento de águas em uma ETA? Qual a finalidade de cada etapa desse processo? Se puder, visite uma ETA. Caso não seja possível, busque um filme que descreva e explique o processo. 4. Por que é importante garantir que certos contaminantes químicos não estejam presentes na água que chega a uma ETA?

Sul

11,3

6,6

6,1

5,0

Centro-Oeste

13,4

8,7

6,8

6,2

▸▸ Aquíferos brasileiros

Brasil

21,4

12,1

9,6

7,6

A seguir algumas propostas de questões para o encaminhamento do tema:

Notas: (a) Taxas estimadas. (b) Taxas combinando dados diretos do RJ, SP, RS e MS e indiretos para demais unidades da Federação. (c) Taxas combinando dados diretos do ES, RJ, SP, PR, SC, RS, MS e DF e indiretos para demais unidades da Federação. Fonte: BRASIL. Ministério da Saúde/SVS — Sistema de Informações sobre Nascidos Vivos (Sinasc) e Sistema de Informações sobre Mortalidade (SIM). Disponível em: <http://tabnet.datasus.gov. br/tabdata/livroidb/2ed/CapituloC.pdf>. Acesso em: 5 maio 2016.

1. Quais são e onde se localizam os principais aquíferos brasileiros? 2. Há aquíferos, como o Guarani, que são compartilhados por vários estados brasileiros e por outros países. Como os vários estados e países têm lidado com eles para garantir a qualidade de suas águas? 3. Há acordos internacionais em relação à preservação do Aquífero Guarani?

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4. A profundidade das águas do Aquífero Guarani varia nas diversas regiões com maior concentração populacional do país. Em que regiões elas estão em maior e em menor profundidade? Em que medida isso influi no tratamento que é dado à água para abastecimento público? 5. Leve em consideração o papel de excepcional solvente da água para pensar em dois aspectos: como manter a qualidade dessa reserva? Que medidas devem ser tomadas para evitar contaminá-la? Algumas fontes de informação sobre aquíferos: ▸▸ BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Associação

Brasileira de Águas Subterrâneas. Petrobras. Águas subterrâneas: um recurso a ser conhecido e protegido. Brasília: Petrobras/Abas, 2007. Disponível em: <http:// www.mma.gov.br/estruturas/167/_publicacao/167_pu blicacao28012009044356.pdf>. Acesso em: 19 mar. 2016.

▸▸ ARARAQUARA. Departamento Autônomo de Água e Es-

gotos. Aquífero Guarani. Disponível em: <http://www.daaea raraquara.com.br/guarani.htm>. Acesso em: 5 maio 2016.

DIVULGAÇÃO PNLD

▸▸ SÃO PAULO. Secretaria do Meio Ambiente. Sistema Aquí-

fero Guarani: subsídios ao Plano de Desenvolvimento e Proteção Ambiental da Área de Afloramento do Sistema Aquífero Guarani no Estado de São Paulo. São Paulo: IPT, 2011. Disponível em: <http://www.comitepcj.sp.gov. br/download/PDPA-Aquifero-Guarani_Subsidios.pdf>. Acesso em: 5 maio 2016.

▸▸ O monitoramento brasileiro da qualidade das águas

Algumas orientações e questões em relação às fontes de informação sobre águas indicadas até aqui. 1. Esclarecer com os alunos questões como: ▸▸ O que vem a ser o Programa Nacional de Avaliação da

Qualidade das Águas?

▸▸ Qual a missão da Agência Nacional de Águas? ▸▸ Há estados que dispõem de órgãos que monitoram a

qualidade de suas águas e outros não. Para que servem os indicadores de qualidade da água?

▸▸ Que tipo de água é usado na irrigação de grandes

culturas agrícolas? Seria possível reduzir os “custos indiretos” dessas plantações, utilizando outro tipo de água? Explique.

▸▸ O que vem a ser “pegada hídrica”? Há quanto tempo

ela foi conceituada? Como ela é calculada?

▸▸ Que países têm “importado” água virtual do Brasil?

Qual é a situação deles em relação às reservas de água? O conhecimento adquirido por meio das pesquisas e discussões pode ser apresentado sob diversas formas, seja pelos grupos, seja coletivamente pela classe: criação de blog temático; criação de vídeo; organização de campanha de conscientização com produção de cartazes, distribuição de folhetos, etc.; organização de campanha de conscientização em redes sociais; organização de semana de palestras e debates sobre o tema água, com presença de especialistas; apresentação teatral, etc. O trabalho de publicidade, por exemplo, pode ser uma campanha de conscientização da população sobre a importância de se evitar o desperdício de água potável, as possibilidades de reúso da água e de armazenamento da água da chuva para fins que não necessitem de água tratada. Observação: antes da realização dos trabalhos finais, sugere-se que o professor ajude os vários grupos de alunos a elaborar conclusões de caráter geral/interdisciplinar, segundo o exposto neste Caderno de Apoio Pedagógico, no item Contextualização e interdisciplinaridade. Essa etapa é importante para que evoluam na qualidade das elaborações coletivas, incluindo as que envolvem grupos maiores. Com isso, favorecem-se o desenvolvimento de comportamentos e atitudes que contemplam o diálogo, o respeito às diferentes opiniões e a busca pelo estabelecimento de um consenso. Avaliação No final do trabalho, o professor deverá avaliar os alunos quanto a aspectos cognitivos, atitudinais e comportamentais. ▸▸ Os alunos compreenderam o objetivo das pesquisas e

▸▸ Por que há diferentes indicadores de água, de acordo com

buscaram informações que estavam dentro do tema proposto?

2. Sobre “pegada hídrica”, “água virtual” e balança comercial brasileira:

▸▸ Souberam buscar informações relevantes em fontes

a finalidade para a qual ela será usada? Quais são eles?

▸▸ Quais são os principais produtos de importação e ex-

portação da balança comercial brasileira nos últimos três anos?

▸▸ Considerando apenas a exportação de “água virtual”,

entre os produtos que o Brasil mais exporta, quais deveriam ser privilegiados?

confiáveis?

▸▸ Demonstraram o nível de envolvimento com a ativi-

dade esperado? Mostraram iniciativa e criatividade?

▸▸ Demonstraram ou desenvolveram as habilidades ne-

cessárias ao trabalho em grupo?

▸▸ O produto final estava adequado à proposta e tinha

força para atingir o público-alvo?

Caderno de Apoio Pedagógico

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Tema de cidadania 2 — Energia e questões ambientais: uma visão abrangente A iluminação de nossa casa, o funcionamento do computador, da televisão e de outros eletrodomésticos, o aquecimento do ferro e do chuveiro são possíveis graças à energia. Como você sabe, essa energia pode ser obtida de diversas formas. Por exemplo, por meio de usinas: ▸▸ hidrelétricas, que usam a energia de quedas-d’água para

movimentar turbinas e a transformam através de geradores em energia elétrica;

▸▸ termelétricas, que aproveitam o calor gerado pela queima

de carvão, óleo diesel ou gás natural para aquecer água e gerar vapor para mover turbinas, que acionarão geradores de energia elétrica;

▸▸ de energia solar, que podem aproveitar o calor do Sol

no aquecimento de água, por exemplo, produzindo vapor para mover turbinas e acionar geradores de energia elétrica, ou mesmo para acionar painéis recobertos com células fotoelétricas;

▸▸ de energia eólica (vento), que aproveitam o movimento

O ser humano e o ambiente Até boa parte do século XX, a história da humanidade se desenrolou sem que nos déssemos conta de que seria impossível continuar a explorar a natureza como se ela fosse inesgotável. Embora nossos antepassados tenham, também, contribuído para o esgotamento dos recursos naturais, eles não dispunham, em geral, de tecnologia que demandasse um uso tão intenso desses recursos nem de meios para tornar a exploração tão grave. Agora a realidade é diferente. A partir da segunda metade do século XX, manifestações isoladas em defesa do ambiente tornaram-se mais e mais frequentes e acabaram dando origem a movimentos ambientalistas. Nas últimas décadas, evidências de problemas de saúde decorrentes da poluição do ar, das águas e do solo, assim como evidências de um aquecimento global, atribuído pela maior parte dos cientistas ao agravamento do efeito estufa, serviram como importante alerta. A publicação, em 2007, do relatório do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas da ONU (IPCC) e a divulgação de imagens que evidenciavam alterações do clima contribuíram para que o assunto ganhasse destaque, sensibilizando grande número de pessoas. Hoje, o IPCC, formado por cientistas do mundo inteiro, apoia medidas como a criação de impostos sobre a emissão de CO2, sinal evidente da urgência em interromper as ações que aumentam a poluição e acentuam as alterações climáticas.

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/ MATT NOLAN, NSIDC, WDC

LATINSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/AUSTIN S. POST, NSIDC, WDC

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das hélices de moinhos de vento para acionar geradores de energia elétrica. A opção por determinada forma de obtenção de energia envolve uma análise complexa que precisa levar em conta vários fatores, como a presença de quedas-d’água com volume apropriado (para as usinas hidroelétricas), a disponibilidade de combustíveis como carvão, óleo diesel ou gás natural (para as termoelétricas), a existência de ventos regulares durante a maior parte do ano (para as eólicas) e a frequência e intensidade de radiação solar (para as solares). A ampliação de nossa capacidade de gerar energia pode contribuir para solucionar problemas básicos que envolvem desenvolvimento, melhor distribuição de renda e melhoria da qualidade de vida da população. Para isso, é preciso, também, levar em consideração a preservação do meio ambiente e as condições de segurança dos que trabalham nas usinas. Assim, a participação de especialistas de diversas áreas na análise desse tema é muito importante.

A produção de energia acarreta consequências — que chamamos de impactos — ao ambiente, e elas podem ser maiores ou menores. Com base nesses impactos, a energia produzida pode ser classificada como suja ou limpa. Apesar de esses adjetivos darem a impressão de que certas formas de produção de energia são extremamente nocivas ao ambiente e outras, totalmente inofensivas, a verdade é que a produção de energia sempre causa algum impacto. A compreensão de conceitos básicos de Química poderá ajudá-lo a posicionar-se. Afinal, ponderar a respeito de decisões estratégicas, tendo em vista nosso futuro, é tarefa importante para o país, para você e para qualquer cidadão consciente.

Geleira McCall, no Alaska (Estados Unidos), em dois momentos: em 1958 (foto superior) e em 2004 (foto inferior). Observe o derretimento da camada de gelo, atribuído à intensificação do efeito estufa. 378

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Pequena história da variação da temperatura da Terra

intensificar o efeito estufa 21 vezes maior do que o dióxido de carbono. Assim, a queima completa de metano, resultando em CO2 e água, é menos prejudicial, no que se refere ao efeito estufa, do que a mesma quantidade de metano na atmosfera. AMJ STUDIO/ARQUIVO DA EDITORA

As alterações climáticas podem ser interpretadas de formas variadas. Por isso, não há unanimidade quanto às causas, por exemplo, do aumento do degelo polar que vem se verificando nas últimas décadas. Entretanto, a maioria dos pesquisadores tem reforçado a importância de evitar ações que provoquem ou intensifiquem essas alterações. Vamos analisar o gráfico que está na parte inferior desta página: ele mostra a variação da temperatura no planeta nos últimos 11 300 anos. Podemos constatar que a temperatura do planeta aumentou significativamente nos últimos 100 anos, e a previsão é que continue subindo. Isso pode causar grande desequilíbrio ambiental, com o nível dos mares se elevando e avançando sobre as cidades litorâneas, a extinção de espécies, problemas com a produção agrícola, entre outros. Por isso, em várias partes do mundo, multiplicam-se manifestações. Há grupos de defesa do ambiente, que questionam pontos diferentes, como as fontes de energia adotadas, a destruição de florestas, a emissão de gases de efeito estufa, entre outros.

Esquema de geração de energia elétrica em uma usina termelétrica. Cores fantasia, sem escala.

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Matrizes de energia: problemas e soluções

Fonte: USINA Termelétrica. Inepar Energia. Disponível em: <http:// www.hidroengnet. com.br/termo.ppt>. Acesso em: 5 maio 2016.

Nos últimos anos, no Brasil, além de terem sido projetadas novas usinas hidrelétricas (UHEs), tem havido preocupação em diversificar as fontes de energia. Isso se justifica pelo fato de sermos muito dependentes das hidrelétricas e termos, muitas vezes, o abastecimento de energia comprometido no período de escassez de chuvas, quando os níveis dos reservatórios de água baixam. Para suprir eventuais necessidades, há usinas termelétricas (UTEs) que operam por meio de reações de combustão. O calor gerado por essa queima é usado para aquecer a água de uma caldeira, produzindo vapor de água a alta pressão. É ele que move as pás da turbina do gerador de energia elétrica. Podemos considerar que uma usina termelétrica que usa metano como combustível polui menos do que uma que use carvão ou óleo diesel, por exemplo. É importante lembrar que o metano tem um potencial de

A busca por fontes de energia sempre foi uma preocupação do ser humano. Atualmente as pesquisas científicas estão voltadas para alternativas energéticas mais vantajosas, não apenas do ponto de vista econômico, mas também ambiental e social.

As fontes renováveis têm impacto ambiental? Algumas regiões do Brasil e do mundo ainda convivem com a falta de energia elétrica. Por isso há necessidade de aumentar sua oferta. O Brasil é rico em quedas-d'água, o que favorece a construção de usinas hidrelétricas. Muitos consideram que a energia elétrica obtida de hidrelétricas é uma energia limpa por não liberar dióxido de carbono na atmosfera. Mas será que elas têm realmente baixo impacto ambiental? EDIÇÃO DE ARTE/ARQUIVO DA EDITORA

Uma pequena história da variação de temperatura da Terra

Variação de temperatura (em oC)

1 Média de variação ao longo dos anos

Medições em diversos pontos do planeta

0,5

Período A análise cobre o período Holoceno, que se inicia no fim da Era do Gelo, há cerca de 11 500 anos, e inclui o surgimento da civilização humana.

20,5 10 000

8 000

Distribuição geográfica Os cientistas buscaram dados de todos os continentes para evitar que fenômenos regionais desviassem a leitura.

6 000

4 000

2 000

Hoje

Anos

NOGUEIRA, Salvador. Terra se aproxima de maiores temperaturas em 11 mil anos. Folha de S.Paulo, São Paulo, 8 mar. 2013. Caderno de Apoio Pedagógico

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Embora o funcionamento da usina não implique liberação de substâncias tóxicas no ambiente, é preciso lembrar que o alagamento de áreas florestais provoca emissão de gás metano (CH4), importante contribuinte para a intensificação do efeito estufa. O alagamento por si só já provoca um desequilíbrio ecológico, levando muitos animais à morte ou obrigando-os a migrarem para outras regiões, onde, ao chegarem, podem também provocar desequilíbrios nos ecossistemas existentes. Isso também acontece com o ser humano, já que o alagamento da região ao redor da usina implica o deslocamento de populações locais. Precisamos lembrar que parte dessas populações muitas vezes não teve acesso a estudo e está habituada a fazer uso da floresta para sua sobrevivência (caça, pesca, coleta de frutos, de ervas para fabricação de remédios caseiros, etc.). Quando essas populações são obrigadas a se deslocar, é comum que parte dela não consiga emprego nas cidades por causa da baixa ou inexistente escolaridade. Isso tende a aumentar os bolsões de pobreza, às vezes em locais distantes dessas usinas. Tudo isso sem considerar que, com frequência, a energia é gerada em locais distantes dos grandes centros de consumo. É o que ocorre com a energia de Itaipu, que abastece o Paraguai e vários estados brasileiros. Nesse caso são necessárias linhas de transmissão, o que faz com que parte da energia se perca, por dissipação, na forma de calor. Leia os trechos de notícia a seguir. Nas UTEs, algumas alternativas de combustíveis são interessantes: gás metano produzido a partir do lixo orgânico, bagaço da cana-de-açúcar e até capim. As usinas instaladas nos aterros desativados Bandeirantes, em Perus, [...] em 2004, e São João, em São Mateus, [...] em 2007, produzem 40 MW de energia elétrica por hora — suficiente para suprir o gasto de 600 mil pessoas, segundo a Prefeitura [de São Paulo]. DANTAS, Tiago. São Paulo mostra ao mundo energia produzida pelo lixo. Jornal da Tarde, São Paulo, 27 maio 2011.

Energia produzida com queima de capim começa a ganhar força Há até pouco tempo, o capim-elefante (planta de origem africana, introduzida no Brasil por volta de 1920) servia apenas para a alimentação do gado [...] a primeira usina termelétrica do Brasil a produzir eletricidade a partir da queima do capim-elefante [localiza-se] na pequena cidade baiana de São Desidério, a cerca de mil quilômetros de Salvador, [e] entrou em operação em 2010. [...] Além de crescer muito rapidamente, o capim-elefante tolera solos mais pobres em nutrientes do que espécies já usadas como fontes de energia, como a cana-de-açúcar e

o eucalipto, e gera uma quantidade maior de biomassa, o material que se transforma em energia. [...] Cada hectare plantado gera, em média, 40 toneladas de biomassa seca que viram energia. [...] TERRA Notícias. Disponível em: <http://invertia.terra.com.br/ energia-eletrica/noticias/0,,OI6112732-EI20851,00-Energia+ produzida+com+queima+de+capim+comeca+a+ganhar+forca. html>. Acesso em: 5 maio 2016.

Os biocombustíveis são mais indicados para a preservação do ambiente? Se pensarmos na diversificação das fontes de energia, a substituição de parte dos combustíveis derivados do petróleo pelo etanol, por exemplo, pode ser vista como um avanço. O etanol é obtido da cana-de-açúcar. Embora sua combustão libere dióxido de carbono para a atmosfera, a cana, durante seu crescimento, absorve essa substância da atmosfera para fazer a fotossíntese. Na queima de derivados de petróleo não há absorção dessa substância, ela é apenas liberada. E no caso do biodiesel? Óleo de palma, de soja, etc. podem ser usados para obter um combustível que, misturado ao diesel obtido do petróleo, contribui para atenuar os problemas ambientais. O etanol e o biodiesel podem ser vistos como alternativa que alia disponibilidade energética com preservação do meio ambiente? A resposta depende de uma série de fatores. A mamona, por exemplo, já cogitada para tal finalidade, é um tipo de praga que pode tomar áreas de florestas nativas. E se pessoas incentivadas pelo lucro avançarem em áreas de preservação, pondo em risco o pouco que restou das áreas nativas e comprometendo a biodiversidade? E se essas culturas tomarem espaços destinados à produção de alimentos? 1. Após a leitura do texto, em seu caderno, anote as principais ideias. Analise as imagens que apareceram, relacionando-as com as respectivas ideias expostas no texto. 2. Procure ler e se informar a respeito do posicionamento de especialistas em produção de energia de várias áreas: ambientalistas, biólogos, físicos, químicos, médicos, engenheiros químicos e de produção, economistas, urbanistas, entre outros que se dediquem ao tema. Fundamente, com base no que você viu, suas conclusões sobre o tema. 3. Trabalho em grupo. Pesquisem como está hoje a produção de usinas de capim. Comparem a produção dessa usina com a de outras que usam biomassa (cana-de-açúcar ou eucalipto, por exemplo). Tentem descobrir como são as condições de trabalho nesse tipo de usina. Pesquisem também os impactos positivos e negativos que esse tipo de usina tem sobre a população do entorno e o ambiente. Compare os dados levantados com as alternativas energéticas brasileiras. 4. Trabalho em grupo. Com base na atividade 3, apresentem uma alternativa energética sustentável para a região do país em que vocês vivem.

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Orientações para o professor Este Tema de cidadania trata de aspectos sociais, econômicos e científicos que envolvem a questão energética. Ao explorá-lo, o professor poderá contribuir para que os alunos estabeleçam relações entre diversos conceitos químicos e entre a Química e outras áreas de conhecimento. Os conteúdos e conceitos de trabalho que estão logo adiante devem ser entendidos como sugestões; eles podem ser desenvolvidos na sequência e com o aprofundamento que o professor achar necessário. No desenvolvimento deste Tema de cidadania, os alunos poderão: ▸▸ manusear diferentes suportes de textos, como livros, revistas, hipermídia, web, CDs, etc. ▸▸ estabelecer relações entre texto escrito, fotos, ilustrações e vídeos; ▸▸ identificar informações em textos, imagens, tabelas, gráficos e mapas; ▸▸ relacionar fatos, informações e ideias; ▸▸ reconhecer aspectos químicos relevantes na interação individual e coletiva do ser humano com o ambiente; ▸▸ comunicar, verbalmente, fatos e ideias, sabendo sintetizar e argumentar. Da matriz de competências e habilidades do Enem, a atividade permite desenvolver: ▸▸ Competência de área 1 – Compreender as Ciências Naturais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. ▸▸ H2 – Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico. ▸▸ Competência de área 3 – Associar intervenções que resultam em degradação ou conservação ambiental a processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicas. ▸▸ H12 – Avaliar impactos em ambientes naturais decorrentes de atividades sociais ou econômicas, considerando interesses contraditórios. Avaliação dos conhecimentos prévios dos alunos sobre o tema

Para avaliar o conhecimento prévio dos alunos, o professor poderá propor à classe, oralmente, as seguintes questões: 1. Que tipos de energia você conhece? 2. Quais são as fontes (matrizes energéticas) das quais vem a energia usada para que os seres humanos vivam, utilizem transportes coletivos e individuais para locomoção, obtenham energia luminosa e eletricidade, etc.? 3. É possível obter energia sem causar impacto ao ambiente? 4. Qual é o significado da expressão energia limpa? É importante que o professor registre as respostas dos alunos para, ao final do trabalho, pedir que retomem suas respostas iniciais e as aprimorem. Desenvolvimento do trabalho

Recomenda-se que a leitura do tema Energia e questões ambientais: uma visão abrangente seja feita em voz alta (cada

aluno lê um pequeno trecho); após a leitura de cada parte do texto, a síntese das ideias nele contidas é feita por outro aluno, oralmente. O professor poderá ajudá-los, esclarecendo as dúvidas de vocabulário e compreensão. Vale destacar que algumas das imagens que acompanham o texto merecem que o professor chame a atenção dos alunos ao longo da leitura. Deve-se fazer a análise de cada imagem para que sejam estabelecidas relações entre algumas delas; o professor pode auxiliar os alunos nesse trabalho, encaminhando perguntas ao grupo. Depois disso, o professor deve organizar os grupos, com no máximo cinco alunos, de preferência, estabelecendo um tempo para que elaborem algo que represente as opiniões do grupo. Com base na coleta de materiais, sugerida na atividade 3 (p. 380), compartilhada com a classe, o professor poderá organizar o trabalho em grupo (atividade 4), propondo que cada equipe faça uma rápida análise de assuntos como: ▸▸ fontes de energia renovável usadas no Brasil; ▸▸ fontes de energia não renovável usadas no Brasil; ▸▸ matrizes energéticas usadas no Brasil: vantagens e con-

sequências para o ambiente — cada grupo pode analisar duas delas, por exemplo: gás do lixo e gasolina; etanol e gás de botijão (GLP);

▸▸ matrizes energéticas que ganharam espaço em nossa

sociedade nas últimas décadas. Após cada grupo apresentar um resumo de suas discussões, o professor pode organizar um primeiro nível de reflexão, com o levantamento das matrizes brasileiras. As atividades 1 a 4, no final do texto, constituem a abertura de um trabalho que poderá ser iniciado depois do capítulo 8 e ter vários tipos de desdobramento (focados apenas nas aulas de Química ou ampliado, se possível, com a participação de professores de outras disciplinas). Observação: apesar de o foco desta seção ser o desenvolvimento dos alunos quanto a aspectos que envolvem sua participação cidadã, é possível utilizar este tema como recurso para a retomada de conhecimentos químicos relacionados a ele, já desenvolvidos durante o curso. Por isso, sugere-se que o professor retome com a classe conceitos que fazem parte e têm ligação direta com o assunto. Por exemplo: ▸▸ no capítulo 8 – reações de combustão, chave nos proces-

sos químicos que envolvem a obtenção de energia (combustão do metano, CH4, do propano, C3H8, do hidrogênio);

▸▸ nos capítulos 10 e 11 – introdução de conceitos químicos

como oxirredução, número de oxidação e óxidos. Vale destacar problemas ambientais decorrentes de alguns óxidos formados em processos de geração de energia: CO2, efeito estufa, SO2, poluente comum em grandes cidades.

Sugestões de projetos coletivos de trabalho Os subtemas que emergirão da pesquisa dos alunos e da atividade sugerida anteriormente poderão variar bastante. O importante é que o professor incentive os alunos a pesquisar e explicite os critérios que serão usados na avaliação dessas atividades. Quanto à avaliação, algumas sugestões são dadas mais adiante. O tema permite abordagem interdisciplinar com incursões e/ou aprofundamentos, em diversos campos do conhecimento: Língua Portuguesa, Artes, Geografia, História, Caderno de Apoio Pedagógico

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Filosofia, Biologia e Física, além da Química – principalmente os assuntos tratados nos capítulos 8 e 11, sem falar em aprofundamentos relativos a aspectos quantitativos, tratados nos capítulos 9 e 12. A seguir, apresentamos algumas sugestões que o professor pode adequar à realidade escolar; vale ficar atento às expectativas do que os grupos poderão alcançar. Fontes de informação para o professor ▸▸ NASA. NOAA Analyses Reveal Record-Shattering Global

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Warm Temperatures in 2015. Disponível em: <http://www. nasa.gov/press-release/nasa-noaa-analyses-revealrecord-shattering-global-warm-temperatures-in-2015>. Acesso em: 5 maio 2016. Vídeo da Nasa para visualizar a variação da temperatura terrestre de 1880 a 2015, até então considerado o ano em que a Terra atingiu as maiores temperaturas. ▸▸ A GLOBAL Warming Trend. Disponível em: <http:// www.philly.com/philly/infographics/Graphic_A_global_ warming_trend.html>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ MUDANÇAS Climáticas e energia. Disponível em: <http:// www.wwf.org.br/natureza_brasileira/reducao_de_ impactos2/clima/mudancas_climaticas_publicacoes/>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ PLANETA Sustentável – Energia. Disponível em: <http:// planetasustentavel.abril.com.br/energia/>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ GREENPEACE – Clima e energia. Disponível em: <http:// www.greenpeace.org/brasil/pt/O-que-fazemos/Clima-e-Energia/>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ MINISTÉRIO do Meio Ambiente (MMA). Agenda 21. Disponível em: <http://www.mma.gov.br/responsabilidade -socioambiental/agenda-21>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ CONFERÊNCIA das Nações Unidas sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento. Agenda 21. Disponível em: <http://www.onu.org.br/rio20/img/2012/01/agenda21. pdf>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ MINISTÉRIO da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Embrapa. Disponível em: <https://www.embrapa.br/ home>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ MINISTÉRIO da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Plano Nacional de Agroenergia 2006-2011. Disponível em: <http://www2.camara.leg.br/atividadelegislativa/comissoes/comissoes-permanentes/cme/ audiencias-publicas/anos-anteriores/2011/06-10-11/ embrapa-06out2011>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ COOPERATIVA do Paraná utiliza bagaço de cana para produzir energia. Disponível em: <http://g1.globo.com/ pr/norte-noroeste/noticia/2015/06/cooperativa-doparana-utiliza-bagaco-de-cana-para-produzir-e-energia. html>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ ENERGIA produzida a partir do bagaço da cana é economicamente viável. Disponível em: <http://www. inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php? ar tigo=energia-produzida-par tir-bagaco-canaeconomicamente-viavel&id=010175090810#.VvBW keIrKM8>. Acesso em: 5 maio 2016. ▸▸ AGÊNCIA Embrapa de Informação Tecnológica. Disponível em: <http://www.agencia.cnptia.embrapa.br>. Acesso em: 5 maio 2016.

▸▸ ESTIMATIVAS anuais de emissões de gases de efeito

estufa no Brasil. Disponível em: <http://www.mct.gov.br/ upd_blob/0235/235580.pdf>. Acesso em: 5 maio 2016.

Possíveis linhas de pesquisa/trabalho

A seguir, propomos alguns assuntos que podem auxiliar no encaminhamento da pesquisa e da reflexão sobre o tema: ▸▸ recursos não renováveis e seus usos na geração de energia no Brasil; ▸▸ usinas de energia elétrica à base de gás natural; ▸▸ usinas termelétricas à base de carvão; ▸▸ usinas termelétricas à base de gás do lixo (metano); ▸▸ atividades agropecuárias e geração de energia (bagaço da cana-de-açúcar, biodiesel, suinocultura): experiências brasileiras; ▸▸ produção de carvão a partir da madeira e as condições de trabalho e saúde do carvoeiro; ▸▸ produção de energia e Índice de Desenvolvimento Humano (IDH). Produtos finais

Na data combinada, os trabalhos podem ser apresentados em diversas formas, seja por grupo, seja pela classe: jornal, seminário, cartazes, painéis resumindo os principais pontos do trabalho, organização de campanhas em redes sociais, debates em fóruns de discussão mediados pelos próprios alunos, criação de publicidade, blogs, sites, vídeos, entre outros. Um trabalho de publicidade, por exemplo, pode ser uma campanha de conscientização da população sobre a importância de evitar o desperdício de energia, incentivar o uso de fontes de energia renováveis, ou sobre a segurança do trabalhador de minas de carvão, o combate ao trabalho infantil em minas de carvão, etc. É importante que, antes da realização dos trabalhos finais, o professor ajude os grupos a elaborar conclusões de caráter geral/interdisciplinar. Essa etapa irá ajudá-los a evoluir na qualidade das elaborações coletivas, incluindo as que envolvem grupos maiores. Com isso, favorecem-se o desenvolvimento de compor t amentos e atitudes que contempl am o diálogo, o respeito às diferentes opiniões e a busca pelo estabelecimento de um consenso. Avaliação O professor deverá avaliar se os materiais apresentados pelos alunos individualmente são adequados, se houve empenho revelado pela quantidade/qualidade de materiais apresentados e se os textos produzidos revelam boa compreensão do assunto. No caso da realização de um dos projetos coletivos sugeridos, será importante avaliar, por exemplo, se o material pesquisado pelos grupos contempla o que foi pedido, se houve envolvimento com o projeto, se a atitude no grupo foi colaborativa, se os grupos conseguiram fazer um bom planejamento do tempo, entre outros. Sobre esses aspectos, é interessante a leitura de: ZABALA, Antoni. A prática educativa: como ensinar. Porto Alegre: Artmed, 1998. Ao final do trabalho, o professor pode retomar com os alunos as respostas que deram no início do Tema de cidadania, pedindo que retomem suas respostas e as aprimorem.

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