Profa. Dra. Rita de Cássia L.B. Rodrigues Departamento de...

Profa. Dra. Rita de Cássia L.B. Rodrigues

Departamento de Biotecnologia – LOT

E-mail: rita@debiq.eel.usp.br

ritaclb_rodrigues@hotmail.com

Fone: 3159-5027

Conceitos importantes:

Matéria

Massa

Peso

Uma balança tradicional de dois pratos. Colocam-se

as massas conhecidas no prato da direita até o

ponteiro ficar centralizado. Os conteúdos de cada

prato têm, então, o mesmo peso e portanto,

também possuem a mesma massa.

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Matéria: Tudo o que tem massa e ocupa espaço.

Massa : A quantidade de matéria que um objeto possui.

é fixa

é independente da localização do objeto

Peso: Uma medida da atração gravitacional da terra por um objeto.

Não é fixa

Depende localização do objeto.

À quantidade de matéria de um corpo, dá-se o nome de massa desse corpo. A unidade que mede massa é o quilograma, (mais comumente, quilo) abreviada para kg.

A grandeza que causa a interação entre os corpos é chamada de força. A unidade que mede a força é o Newton, abreviada para N.

Aceleração é o efeito produzido em um ponto material quando a ele é aplicada uma força. A unidade de aceleração é o metro por segundo a cada segundo, abreviada para m/s2.

A relação entre essas três grandezas é simples: por definição, 1 N é a força que, aplicada a um corpo com

1 kg de massa, provoca uma aceleração de 1 m/s2.

Peso é uma força. É a força resultante da (ou produzida pela)

atração gravitacional exercida pela Terra sobre a massa de um

corpo. A unidade de peso é o quilograma força, abreviada para kgf.

A relação entre peso e massa também é simples: por definição,

1 kgf é a força que, aplicada a um corpo com 1 kg de massa,

provoca uma aceleração de 9,80665 m/s2 (que vem a ser a

aceleração devida à gravidade, medida ao nível do mar).

No dia a dia os conceitos de massa e peso se confundem e são

utilizados indiferentemente. É comum dizermos, por exemplo,

“meu peso é 75 quilos”, quando o certo seria dizer “meu peso é 75

quilogramas força”.

Mas mudar esse hábito é, certamente, uma batalha perdida. Trata-se,

entretanto, de grandezas totalmente diferentes. Massa é matéria,

é uma grandeza escalar; peso é uma força, é uma grandeza

vetorial.

Propriedades extensivas (Quantidades

extensivas)

Propriedades intensivas (Quantidades

intensivas)

Densidade

Peso específico ou densidade relativa

Propriedade física

Propriedade química

Divida uma amostra em várias partes, de tamanhos diferentes.

Propriedades Intensivas: São aquelas cujo valor é idêntico para todas as partes e idêntico ao valor na amostra original, antes da divisão.

Ex.: p.e., p.f., cor, cheiro, densidade, concentração, solubilidade, brilho, pH, pressão de vapor, maleabilidade,condutividade

térmica e elétrica, dureza, potencial químico etc.

Propriedades Extensivas: são aquelas cuja SOMA dos seus valores em cada uma das partes é igual ao valor da propriedade na amostra original, anteriormente à divisão.

Estas propriedades variam linearmente com o tamanho da

amostra.

Ex.: volume, massa, quantidade de calor, número de mol, dimensões físicas, G, F, U, H, Cp etc.

Quantidades Intensivas freqüentemente podem ser expressas em termos de duas ou mais Quantidades Extensivas.

Ex.: densidade, potencial químico, funções parciais molares.

As quantidades extensivas para substâncias puras podem ser adicionadas entre si.

Ex.: somando um litro de água com outro litro de água teremos sempre dois litros de água.

As quantidades extensivas para soluções ideais são aditivas, isto é, podem ser somadas, como para as substâncias puras.

As quantidades extensivas para as soluções reais, porém, NÃO SÃO ADITIVAS !!!! devido às interações entre os componentes da mistura

Assim, por exemplo, o volume de uma solução real NÃO É a soma dos volumes dos seus constituintes!

( 1 litro de água + 1 litro de álcool ≠ 2 litros de solução! )

OBS.: solução real ≠ solução verdadeira!

Razão entre a densidade de uma substância e a

densidade de uma substância de referência

tal como a água.

Duas tabelas, uma contendo pesos específicos das

substâncias e outra contendo a densidade da água em

várias unidades, tomam o lugar de várias tabelas que

de outra forma seriam necessárias para expressar as

densidades das substâncias em várias unidades

diferentes.

água

substância

d

despp.

Volume

• As unidades de volume são

dadas por (unidades de comprimento)3.

– A unidade SI de volume

é o 1 m3.

• Normalmente usamos 1 mL = 1 cm3.

• Outras unidades de volume:

1 L = 1 dm3 = 1000 cm3 =

1000 mL.

Densidade

• Usada para caracterizar as substâncias.

• Definida como massa dividida por volume:

• Unidade comum : g/mL

Propriedade física: pode ser especificada sem

referencia a qualquer outra substância.

Ex. densidade, cor, magnetismo, massa e volume.

Propriedade química: estabelece alguma

interação entre substâncias químicas.

Ex. ferrugem é uma propriedade química do ferro.

O sódio é extremamente reativo com relação á

água , mas não o é com o gás hélio.

Substâncias puras e misturas

Se a matéria não é totalmente uniforme, então ela é uma mistura heterogênea.

Se a matéria é totalmente uniforme, ela é homogênea.

Se a matéria homogênea pode ser separada por meios físicos, então ela é uma mistura.

Se a matéria homogênea não pode ser separada por meios físicos, então ela é uma substância pura.

• Se uma substância pura pode ser decomposta em outras substâncias mais simples por processos químicos comuns, então ela é um composto.

Elétrons = partículas carregadas negativamente

Íons = átomos ou grupos de átomos dotados de carga elétrica

Composto iônico = É aquele composto de íons. Ex. NaCl sólido.

Os compostos iônicos não contêm moléculas e suas fórmulas

estabelecem somente a razão entre os diferentes átomos da substância.

Fórmula unitária = o termo utilizado para especificar o par de íons (Na e

Cl-) no Nacl ou o conjunto de três íons no CaCl2.

Peso- fórmula = Para um composto iônico é a soma dos pesos atômicos

dos elementos presentes em uma fórmula unitária .

Massa molar = aplica-se igualmente a compostos iônicos e moleculares.

È a massa em gramas de um mol de substância especificada.

A composição da substância, se em moléculas ou íons, não afeta o valor

da sua massa molecular.

É a porcentagem da massa total

(também chamada percentagem

em massa) em que cada

elemento contribui.

Em geral:

100%todo

parte

massamassa

massa

A concentração molar é uma quantidade

intensiva formada como uma razão de duas

quantidades extensivas: moles e volume.

Solvente: substância presente em maior concentração

Soluto: substância presente em menor concentração

Concentração: Usa-se este termo para descrever as quantidades

relativas de soluto e solvente em uma reação

RAZÃO DO NÚMERO DE MOLES DO SOLUTO NA SOLUÇÃO

DIVIDIDO PELO VOLUME DA SOLUÇÃO, EXPRESSO EM

DECÍMETROS CÚBICOS (LITROS)

Energia x trabalho ( mesmas unidades)

Energia cinética (Ec) x Energia potencial (Ep) (força atrativa ou repulsiva).

Processo exotérmico

Processo endotérmico

Energia quantidade extensiva

Energia total de um corpo (Ec+Ep)

Lei da conservação de energia

Unidades de energia no SI (joule=J) em unidades básicos do SI 1 kg m2/s2)

Reações químicas utilizar quilojoule (kJ), 1kJ=1000J)

Energia térmica envolve o conceito de temperatura.

Calor não é o mesmo que temperatura

Calor é energia e temperatura é a medida de intensidade de calor ou a falta deste.

Temperatura define a velocidade e a direção do escoamento de calor

Termômetro

Escala Celsius (antigamente chamada de escala centígrada).

Escala kelvin

No SI a unidade de temperatura é o Kelvin (k)

Caloria (cal) e quilocaloria (kcal). C maiúsculo para os nutricionistas é kcal

Capacidade calorífica específica (algumas vezes chamadas de calor específico)

A energia pode se manifestar de muitas formas, mas todas elas, em

última análise, estão relacionadas a movimento e/ou posição.

Energia Cinética (Ec) É aquela relacionada ao movimento de um

corpo ou objeto. A energia cinética varia em função da massa e/ou

da velocidade.

Considerando dois veículos de massas

diferentes e velocidades iguais, terá maior

energia cinética aquele que tiver maior

massa.

Considerando dois veículos de massas iguais e

velocidades diferentes, terá maior energia

cinética aquele com maior velocidade.

Uma vez que a energia pode ser transferida de um objeto para outro

assim como trabalho, as unidades de energia e trabalho são as mesmas.

Energia potencial (Ep) representa a energia que um corpo

possui, em virtude da força atrativa ou repulsiva que ele

experimenta diante de outros objetos. Se não há nenhuma força

atrativa ou repulsiva, o corpo não possui energia potencial.

• Quando queremos que a matéria passe da fase gasosa ou líquida

para a fase sólida, temos de diminuir sua temperatura (diminuir

a agitação térmica e, conseqüentemente, a energia cinética das

partículas).

• Sempre que a energia de um sistema diminui, sua estabilidade

aumenta; os sistemas que se encontram na fase sólida são mais

estáveis que os que se encontram nas fases líquida e gasosa.

• Todo processo que ocorre com liberação de energia para o meio

ambiente é denominado exotérmico. Os processos exotérmicos

em geral aumentam a estabilidade do sistema.

• Todo processo que ocorre com absorção de energia do meio

ambiente é denominado endotérmico. Os processos

endotérmicos em geral diminuem a estabilidade do sistema.

• Na fase líquida as partículas da matéria possuem um grau de

organização menor que na fase sólida e maior que na fase gasosa.

• Por outro lado, a energia mecânica das partículas na fase líquida é

maior que na fase sólida e menor que na fase gasosa.

• Na fase líquida, as energias cinética e potencial das partículas da

matéria equivalem-se em cada temperatura.

• Na fase gasosa as partículas da matéria possuem o menor grau de

organização (maior desorganização) e, portanto, a maior energia

mecânica, com mais energia cinética que potencial.

• Por isso, quando a matéria passa da fase sólida para a fase líquida e

da fase líquida para a fase gasosa — processos endotérmicos —, a

temperatura (energia cinética das partículas) aumenta e a estabilidade

diminui.

Lei de conservação de energia

Calor é energia, enquanto que temperatura é

a medida da intensidade de calor ou falta

deste.

A temperatura é uma quantidade extensiva,

que define a direção e a velocidade do

escoamento do calor.

Unidades SI • Observe que a unidade SI para comprimento é

o metro (m), enquanto a unidade SI para

massa é o quilograma (kg).

Temperatura Existem três escalas de temperatura:

Escala Kelvin

– Usada em ciência.

– Mesmo incremento de temperatura como escala Celsius.

– A menor temperatura possível (zero absoluto) é o zero Kelvin.

– Zero absoluto: 0 K = -273,15 oC.

Temperatura • Escala Celsius

– Também utilizada em ciência.

– A água congela a 0 oC e entra em ebulição

a 100 oC.

– Para converter: K = oC + 273,15.

• Escala Fahrenheit

– Geralmente não é utilizada em ciência.

– A água congela a 32 oF e entra em

ebulição a 212 oF.

– Para converter:

32-F

9

5C 32C

5

9F

15,273C K

Capacidade calorífica da água= 4,184J g-1 °C-1.

Uma propriedade intensiva da matéria associada

com a energia

é a capacidade calorífica (calor específico):

A quantidade de calor necessário para elevar a

temperatura de 1g da sustância de 1°C.

O grande calor específico da água é o responsável pelo efeito

moderador que os oceanos têm sobre o clima, uma vez que eles se

resfriam muito lentamente no inverno e se aquecem lentamente no

verão. O ar que se move sobre os oceanos não se resfria

demasiadamente no inverno nem se aquece demasiadamente no

verão.

O que acontece quando um líquido evapora num recipiente aberto?

Todo o líquido desaparecerá, porque as moléculas que escapam do líquido para a fase de vapor difundem-se na atmosfera.

Que acontecerá se a mesma quantidade de líquido, à mesma temperatura, for colocada em um

recipiente fechado?

Nesse caso, o volume do líquido decrescerá, inicialmente, e torna-se-á constante.

Se acompanharmos a pressão do gás acima do líquido, constataremos que, inicialmente, ela aumentará e, então, também se nivelará em um valor constante.

Como explicar estas observações?

Como explicar estas observações?

Moléculas com energias cinéticas mais altas deixam o líquido, evaporando para a fase de vapor, em que permanecem. A perda de moléculas do líquido deve ser acompanhada por uma diminuição do volume.

Com o tempo, o espaço acima do líquido vai sendo ocupado por mais e mais moléculas gasosas e a PRESSÃO DE VAPOR AUMENTA.

A seguir atingimos o EQUILÍBRIO DINÂMICO, ou seja, o líquido estará em equilíbrio

dinâmico com seu vapor. Explique como isso ocorre?

Continuando…com o aumento do número de moleculas de gás, o número de colisões com as paredes deste volume restrito aumenta.

Uma destas paredes é a própria superfície do líquido, que captará qualquer molécula incidente com baixa energia cinética.

A CONDENSAÇÃO, BEM COMO A EVAPORAÇÃO (VAPORIZAÇÃO), OCORRE NA SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO.

Eventualmente o número de moléculas no vapor torna-se bastante grande e a taxa na qual o gás condensa se iguala exatamente à taxa na qual o líquido evapora.

Quando isso ocorre, não se observa nenhuma variação posterior tanto do volume do líquido como da pressão exercida por seu vapor.

PRESSÃO DE VAPOR DE EQUILÍBRIO DO LÍQUIDO= É a pressão exercida pelo vapor acima do líquido, quando o equilibrio é estabelecido.

Esta pressão de vapor depende da facilidade com que suas moléculas podem deixar o líquido.

Nos líquidos onde as forças atrativas intermoleculares são intensas, a pressão de vapor é baixa e vice-versa.

Com o aumento da temperatura no líquido aumenta-se a quantidade de moléculas para vencer as forças atrativas, a pressão de vapor deve aumentar com o aumento da temperatura.

SEMPRE QUE A PRESSÃO DE VAPOR FOR DADA, A TEMPERATURA NA QUAL ELA FOI MEDIDA TAMBÉM DEVERÁ SER ESPECIFICADA.

Mede-se a altura do mercúrio. A seguir adiciona-se ao barômetro por meio de um conta-gotas, o líquido cuja pressão de vapor se deseja determinar.

A maioria dos líquidos é menos densa que o mercúrio e flutua sobre a sua superfície.

Pressão atmosférica = Pressão total exercida sobre o nível de referencia do lado de fora em cada barômetro.

Pressão total exercida dentro do barômetro é PHg, ou seja, a pressão devida à atração da gravidade sobre o mércurio na coluna mais Pvapor, que é a pressão exercida pelo vapor em equilíbrio com o seu líquido.

A pressão adicional exercida pelo peso da pequena quantidade de líquido no topo da coluna é desprezivelmente pequena.

Em cada barômetro em equilíbrio temos:

a) Pvapor = 0, Patm=PHg=101,3kPa

b) Pvapor = ?, Patm=PHg=98,1kPa

c) Pvapor = ?, Patm=PHg=92,7kPa

d) Pvapor = ?, Patm=PHg=28,6kPa

a 25°C, a pressão de vapor de água é 3,2 kPa, a do álcool etílico=8,6kPa e do éter dietílico = 72,7kPa.

Compare estas pressões e diga qual das moléculas tem forças atrativas mais fracas e porque?

A pressão de vapor de um líquido é

dependente da natureza do líquido e de sua

temperatura.

Que acontece à pressão de vapor, quando o

volume do vapor varia? (analisar as figuras 8.14

a, b e c)

Importante = ao puxar o pistão reduzimos as colisões com a superfície do líquido reduzindo a condensação mas sem alteração da velocidade de evaporação.

A evaporação ocorrerá mais rapidamente e logo a velocidade de condensação será re-estabelecida desde que a temperatura não tenha variado, a pressão de vapor retornará ao seu valor inicial.

Neste novo equilíbrio temos, maior volume de gás ocupado por mais moléculas, a pressão de vapor será a mesma de antes da variação de volume mas o volume do líquido será ligeiramente menor.

Importante = ao empurrar o pistão diminui-se o volume do vapor e perturbamos o equilíbrio.

Aumenta-se as colisões das moléculas com a superfície do líquido e teremos aumento da velocidade de condensação, mas com pouco efeito na velocidade de evaporação.

A velocidade segundo a qual as moléculas deixam a fase de vapor será maior que a velocidade segundo as moléculas deixam a fase líquida.

Esta desigualdade nas velocidades fará decrescer a pressão exercida pelo vapor e o volume do líquido aumentará.

A pós re-estabelecimento do equilíbrio o menor volume de vapor será ocupado por menos moléculas gasosas, a pressão de vapor terá retornado ao seu valor inicial e o volume do líquido terá aumentado ligeiramente.

Conclusão: A pressão de vapor de um líquido é

independente do volume do reservatório,

desde que exista algum líquido presente para

que possa ser estabelecido um equilíbrio.

Princípio de Le Châtelier

A reação de qualquer sistema em

equilíbrio, quando é aplicada uma força,

pode ser descrita pelo princípio de Le

Châtelier que estabelece que, quando um

sistema em um estado de equilíbrio

dinâmico for perturbado por alguma força

externa, o sistema será, se possível,

deslocado para uma nova posição de

equilíbrio para minimizar o efeito desta

força.

Princípio de Le Châtelier

Aplique o Princípio de Le Châtelier para descrever o efeito que as variações de volume tem sobre um equilíbrio líquido-vapor.

Voltando ao exemplo anterior (Fig.14.b) o Princípio de Le Châtelier nos diz, diminuindo-se a pressão (pelo aumento do volume) provoca-se uma evaporação do líquido.

Após o equilíbrio ter sido restabelecido, existirá menos líquido e mais vapor presente no recipiente e dizemos que a posição de equilíbrio e mais vapor representada por

Deslocou-se para a direita

Princípio de Le Châtelier

Descreva o efeito das variações de temperatura sobre um equilibrio utilizando o Princípio de Le Châtelier

O aumento da temperatura de um sistema em equilíbrio favorece a absorção de energia (UMA VARIAÇÃO ENDOTERMICA).

Em um equilíbrio líquido-vapor, isto significa que um aumento de temperatura faz mais líquido evaporar, porque este processo absorve calor.

Baixando-se a temperatura (removendo calor), beneficia-se a liberação de energia, UMA VARIAÇÃO EXOTÉRMICA. Quando a temperatura é baixada em um equíbrio líquido-vapor, mais moléculas condensam, indo para a fase líquida, liberando calor e, conseqüentemente, minimizando o efeito da força aplicada.

Princípio de Le Châtelier

Em suma, este princípio prevê que

um aumento de temperatura

deslocará a posição de equilíbrio

na direção do processo

endotérmico.

Do mesmo modo, um decréscimo

na temperatura favorecerá a

variação exotérmica.

Curvas de pressão de vapor para os líquidos

As curvas de pressão e vapor x temperatura não continuam indefinidamente.

Considere um recipiente fechado parcialmente cheio sendo aquecido. No começo há uma fronteira ou superfície distinta entre o líquido mais denso e o vapor menos denso.

Com o aumento do número de moléculas por centímetro quadrado tem-se aumento na densidade de vapor. Ao mesmo tempo, o líquido se torna menos denso, ele expande.

Curvas de pressão de vapor para os líquidos

Continuando...

Portanto, à medida que a temperatura sobe a densidade de vapor que está aumentando se aproxima da densidade do líquido que está diminuindo.

Atinge-se uma temperatura na qual ambas são idênticas, não havendo diferença real entre as duas fases, não se observando nenhuma fronteira entre as duas fases.

TEMPERATURA CRÍTICA (Tc)=

é a temperatura mais alta na

qual existe uma fase líquida

distinta.

PRESSÃO CRÍTICA (Pc)= é a

pressão de vapor na

temperatura crítica.

A curva de pressão de vapor x

temperatura terminam na Tc

e Pc.

Curvas de pressão de vapor para os líquidos

Quando a temperatura de uma substância está abaixo da sua Tc o seu vapor pode ser liquefeito aumentando-se a pressão.

Acima da Tc, ele não pode ser liquefeito independentemente da pressão usada, uma vez que só pode existir uma fase.

Ex. O Hélio não pode ser liquefeito até que seja resfriado a, pelo menos,

-267,8°C.

O que acontece quando a pressão de

vapor do líquido torna-se igual à

pressão atmosférica?

O líquido entra em ebulição. Quando

uma bolha se forma, o líquido que

originalmente ocupava este espaço é

afastado e o nível do líquido no

recipiente é forçado para cima, contra

a pressão exercida de cima para baixo

pela atmosfera.

PONTO DE EBULIÇÃO = é a temperatura

na qual o líquido ferve, é portanto, a

temperatura na qual a sua pressão

de vapor se iguala à pressão

atmosférica.

Durante a ebulição a pressão de

vapor do líquido é igual a pressão

atmosférica, Uma vez que a pressão

de vapor permanece constante a

temperatura do líquido em ebulição

também é constante.

PONTO DE EBULIÇÃO DEPENDE DA

PRESSÃO ATMOSFÉRICA REINANTE.

Ponto de ebulição normal = ponto de

ebulição de um líquido á 1 atm

(101,325kPa).

Pontos de ebulição dados em tabelas

de referencia são sempre pontos de

ebulição normais, a menos que haja

indicação em contrário.

O que acontece dentro de uma panela de pressão?

Líquidos cujas forças atrativas são relativamente intensas tem pontos de ebulição altos,

enquanto líquidos com forças atrativas fracas fervem a uma

temperatura relativamente baixa.

Na Tabela 8.1 vemos que os pontos de ebulição seguem a tendência do ∆Hvap.

Dependência do ponto de ebulição nas forças intermoleculares (Fig.8.17).

Grupo IV A = á medida que os pesos atômicos aumentam , os ponto de ebulição também aumentam.

Á medida que o tamanho das moléculas aumentam do CH4 ao SnH4, as forças de London também aumentam (vimos anteriormente) e assim também o ponto de ebulição.

Grupos VA, VIA e VIIA =

exceto para os

primeiros membros dos

compostos de

hidrogênio, o ponto de

ebulição cresce com o

aumento do peso

atômico do elemento no

grupo.

Continuando...Porque isso acontece com os

primeiros membros de cada grupo?

Isto acontece porque esses compostos apresentam forças atrativas adicionais á força de London – pontes de hidrogênio, sendo esta mais fortes para estes primeiros elementos, visto que o hidrogênio está ligado a um elemento eletronegativo muito pequeno.

Assim, a contribuição da ponte de hidrogênio é mais intensa e relativamente sem importância para os membros restantes.

Para qualquer substância, a uma dada pressão há uma temperatura característica na qual o líquido e o sólido podem coexistir em equilíbrio..

Esta é chamada de PONTO DE CONGELAMENTO ou PONTO DE FUSÃO, dependendo se nos aproximamos deste ponto partindo de uma temperatura mais alta ou mais baixa.

Durante a mudança de fase, ou seja, enquanto as duas fases estiverem presente, não ocorre variação de temperatura.

Variações de energia associada com o

congelamento e a fusão

CALOR LATENTE MOLAR DE

CRISTALIZAÇÃO, ∆Hcrist = é a quantidade

de energia que deve ser removida de 1 mol

de um líquido para convertê-lo num sólido

à mesma temperatura.

CALOR LATENTE MOLAR DE FUSÃO, ∆Hfus

= é a energia necessária para fundir 1 mol

de um sólido.

∆Hcris e ∆Hfus devem ser idênticos = um é o

negativo do outro.

Explique porque o ∆Hvap é sempre maior que o ∆Hfus.

Quando um sólido funde, existem variações relativamente pequenas nas distâncias entre as moléculas.

Como resultado são envolvidas apenas variações pequenas de energia potencial. Quando um líquido é convertido em um gás, as distâncias intermoleculares aumentam bastante e ocorrem grandes variações de energia. Isto significa que a quantidade de energia (∆Hfus) necessária para fazer as moléculas de um sólido vencerem suas forças atrativas e formarem um líquido é pequena, comparada à energia (∆Hvap) necessária para as moléculas do líquido afastarem-se, formando um gás.