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Aula 1
Profa. Heloisa França Maltez
2016
Universidade Federal do ABC
BC0307 – Transformações Químicas
Introdução às Transformações químicas:
Definição, impacto na sociedade, ligações
químicas e interações intermoleculares
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A química e seu impacto na sociedade
A química, apesar de estudar as substâncias materiais e
suas transformações, não deixa de ser uma ciênciaestreitamente ligada à vida.
Os materiais provêm da natureza e, após processados
quimicamente, voltam a interagir com ela.
Esses materiais, extraídos do ambiente, são importantespara construir desde abrigos até ferramentas einstrumentos.
Além disso, a natureza funciona através de delicadosequilíbrios químicos, produzindo uma infinidade desubstâncias.
2
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Indústrias Químicas
• Os produtos químicos podem ser agrupados em dois grandes blocos:
Produtos químicosde uso industrial
Produtos inorgânicos
Produtos orgânicos
Resinas e elastômeros
Produtos e preparadosquímicos diversos
3
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Produtos químicosde uso final
Produtos farmacêuticos
Higiene pessoal, perfumaria ecosméticos
Adubos e fertilizantes
Defensivos agrícolas
Sabões, detergentes eprodutos de limpeza
Tintas, esmaltes e vernizes
Outros
Adaptado da apresentação da ABIQUIM ( www.abiquim.org.br )4
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Dimensão da indstria química no Brasil
Faturamento líquido da indústria química brasileira – 2010*
Produtosquímicos de
uso industrialUS$ 63,8
Produtosfarmacêuticos
US$ 19,9Higienepessoal,
perfumaria ecosméticos
US$ 13,8
Adubos efertilizantes
US$ 11,2
DefensivosagrícolasUS$ 7,0
Sabões edetergentes
US$ 7,7
Tintas,esmaltes e
vernizesUS$ 3,9
FibrasUS$ 1,1
OutrosUS$ 1,8
Total US$ 130,2bilhões*
* estimado
Fontes: Abiquim e associações dos segmentos
Em 2010, a indústriaquímica teve
participação de2,4% no PIB
brasileiro. O setor éo 4º em
participação no PIBindustrial
(10,1% - base IBGE2009).
Dados Sobre a Indústria Química Brasileira:Setor químico é o segundo em importância na formação do PIB Industrial
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Ranking da indústria química mundial
Fontes: ACC, Cefic e Abiquim
PAÍS FATURAMENTOESTADOS UNIDOS 674
CHINA 635
JAPÃO 286
ALEMANHA 213
FRANÇA 135
ITÁLIA 105
CORÉIA 104
BRASIL 101
REINO UNIDO 97
ÍNDIA 93
HOLANDA 66
ESPANHA 65
RÚSSIA 64
7ª posição
US$ bilhões
Total mundial estimado: US$ 4.124,5 bilhões
PAÍS FATURAMENTOCHINA 903
ESTADOS UNIDOS 720
JAPÃO 338
ALEMANHA 229
CORÉIA 139
FRANÇA 137
BRASIL 130
ÍNDIA 125
ITÁLIA 105
REINO UNIDO 94
RÚSSIA 83
HOLANDA 73
ESPANHA 70
Dados Sobre a Indústria Química Brasileira:Brasil está entre os dez mais importantes no ranking mundial.
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7
Onde estão os produtos químicos?
Alguns exemplos:
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Tratamento de água
clorodióxido de cloro
São utilizados para oxidardetritos e destruirmicroorganismos
cloreto de ferrosulfato de alumínio
Absorvem e precipitama sujeira, eliminandocor, gosto e odores
carvão ativo Retém micropoluentese detergentes
hidróxido de sódio Neutraliza a acidez da
água
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Agricultura
Fertilizantes químicos
Repõem elementos, como nitrogênio,fósforo e potássio,
cálcio, entre outros, retirados
do solo pela ação de chuvas,ventos, queimadase constantes colheitas.
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In: Angelo C. Pinto, Cesar Zucco, Jailson B. de Andrade, Paulo C. Vieira
Recursos humanos para novos cenários. Quim. Nova, Vol. 32, No. 3, 567-570, 2009
A sustentabilidade envolve produtos, processos, energia, competitividade econômica e,especialmente, não agredir o ambiente e a vida.
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O que são Transformações Fisícas e Transformações
Químicas?
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Transformaçõesfísicas
Transformaçõesquímicas
Alteram a identidade das substâncias?
NÃO SIM
gelo água líquida,Vidro quebrado
Fazer um bolo,Respirar,
Fotossíntese
A matéria que nos rodeia está em constante mudança,sofrendo inúmeras transformações.
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Transformações Físicas
água(líquido)
água(vapor)
H2O(l) → H2O(g)REPRESENTAÇÃO:
NÍVEL MACROSCÓPICO:(observação de mudanças) NÍVEL SUBMICROSCÓPICO:(interpretação molecular)
água líquida água gasosa
Apesar de o estado físico ter mudado,
a identidade da substância água é perservada.
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Transformações Químicas
Hidrogênio e oxigênio
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l)REPRESENTAÇÃO:
NÍVEL MACROSCÓPICO:(observação de mudanças) NÍVEL SUBMICROSCÓPICO:(interpretação molecular)
hidrogênio + oxigênio água
Uma ou mais substâncias são transformadas
em substâncias diferentes.
vapor de água
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O que caracteriza uma transformação química?
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Exemplos de transformação química....
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As transformações químicas podem ocorrer por ação de...
Calor
Corrente elétrica
Luz
Mecânica
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Características para uma transformação química:
Presença de reagentes!
Formação de produtos!
Mudanças qualitativas (cor, odor, vapor,temperatura, etc);
Conservação das massas (Lavoisier, Prost eDalton)
Mudança na orientação dos átomos (isomeria)
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Transformações Químicasna Escala de Átomos e Moléculas
Antes de investigar as transformações químicas, precisamos entender:
1) como os átomos se combinam para formar moléculas(ligação química)
2) como as moléculas interagem entre si(interações intermoleculares)
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Teoria atômica da matéria
20
A evolução do modelo atômico contou com a contribuição de quatro
cientistas principais: Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr
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• John Dalton (1808):Dalton acreditava que o átomo era uma esfera maciça,
homogênea, indestrutível, indivisível e de carga elétrica neutra.
– Cada molécula é composta de átomos.
Teoria atômica da matéria
– Nas reações químicas, os átomos não são alterados (na reaçãonuclear sim! Perdem massa do núcleo).
– Todos os átomos de um elemento são idênticos.
• Os compostos são formados quando átomos de mais de umelemento se combinam.
21
Incorreto, devido à existência de isótopos, todos os átomos de um elemento nãotêm a mesma massa
Válido até hoje. Inclusive essa definição explica bem porque a massa éconservada nas reações químicas.
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O átomo: entidades neutras,
negativas e positivas.
A descoberta da estrutura atômica:
Thomson (1897)
• todas entidades eram
encontradas em uma esfera.
• Sem núcleo.
• Pudim de passas!22
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A descoberta da estrutura atômica:
Rutherford (1911)
Partículas alfa(2P e 2N)
incidentes
Poucos desvios
das partículasalfa
23
Caixa de chumbo
contendo polônio
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O átomo com núcleo!
A descoberta da estrutura atômica: Rutherford
Único meio de desviar poucaspartículas alfa seria a presençade um núcleo denso (prótons enêutrons) e o restante doátomo de maior volume(elétrons)
24
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A descoberta da estrutura atômica
• Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo.
• Número de massa (A) = número total de prótons e nêutrons.
• Por convenção, para um elemento X, escreve-se ZAX.
25
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Ligações químicas interatômicas
• Ligação química: é a força atrativa que mantém dois ou mais
átomos unidos.
• Ligação covalente: compartilhamento de elétrons entre doisátomos. Normalmente ocorre entre elementos não-metálicos(elementos não metais e H). Dois átomos têm a mesma tendência
de ganhar e perder elétrons.
• Ligação iônica: resulta da transferência de elétrons de um metal(muito eletropositivo) para um não-metal (muito eletronegativo).
• Ligação metálica: é a força atrativa que mantém metais purosunidos. Ligas.
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Símbolos de Lewis
Exemplo: Cl 1e livre + Na 1e livre = NaCl
Exemplo: Ar: sem elétrons livres
Exemplo: C 4e livres + 4 Cl com 1e livre cada = CCl4
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Ligação iônica - Exercício
Considere a reação:Na(s) + ½Cl2(g) NaCl(s) DHº f = -410,9 kJ
• Por quepodemos dizerque o NaCl é
mais estável doque oselementos queo constituem?
• Na= 1s2, 2s2, 2p6, 3s1 Cl= 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5
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Ligação iônica – Energia de rede
• Energia de rede: é a energia necessária para separar
completamente um mol de um composto sólido iônico(ligação iônica) em íons.
d
QQ E l 21
• Ela depende das cargas e dos tamanhos dos íons:Onde: k é uma constante (8,99 x 109 J m/C2), Q1 e Q2 são as cargas nas partículas e
d é a distância entre seus centros.
• Se diminuimos a distância entre os íons?
• Se aumentarmos as cargas dos íons?
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Energia de rede para compostos iônicos
SolubilidadeMgO:
0,0086 g/100ml H2O
SolubilidadeNaCl:36 g/
100ml H2O
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Ligações químicas – ligação metálica
Interação entre os átomos na rede cristalina que compõe ometal.
Grande número de entidades iguais mantidas coesas em umretículo cristalino.
Há um mesmo tipo de ligação entre átomos, que se repete ao
longo da rede. Nuvem eletrônica (elétrons livres)
Carga elétrica total nula.
Elétrons com certa mobilidade favorece:
-Condução de calor;-Condução de eletricidade.
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Exercício:
Descreva resumidamente (2 parágrafos) as propriedade físicas,químicas, ação biológica e aplicações do tungstênio.
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Ligações químicas - covalente
• Dois átomos se ligam sem perda ou ganho de elétrons (formação
de um octeto);
• Cada par de elétrons compartilhado é uma ligação química.
• Exemplo: H + H H2 tem elétrons (2) em uma linha conectandoos dois núcleos de H.
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Ligações químicas - covalente
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Estruturas de Lewis
• Ligações covalentes: representadas pelos símbolos de Lewis:
Cl + Cl Cl Cl
Cl Cl H FH O
H
H N H
H CH
H
HH
Ligações químicas - covalente
• Um par de elétrons em uma ligação é representado por uma linha:
35
Li õ í i l t
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Ligações múltiplas
• Par de elétrons compartilhado entre dois átomos :• Um par = ligação simples (H2);
• Dois pares = ligação dupla (O2);
• Três pares = ligação tripla (N2).
H H O O N N
Ligações químicas - covalente
• Quanto maior o número de pares de elétrons compartilhadosmenor a distância entre os átomos.
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Li õ í i l t l id d l t ti id d
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Eletronegatividade: “
compartilhamento desigual” dos
elétrons
Ligações químicas – covalente: polaridade e eletronegatividade
• Eletronegatividade: é a habilidade de um átomo de atrair elétronspara si em certa molécula.
• Pauling estabeleceu as eletronegatividades em uma escala de 0,7
(Cs) a 4,0 (F).
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Li õ í i l t l id d l t ti id d
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• Eletronegatividade aumenta:
• ao logo de um período e• ao descermos em um grupo.
Ligações químicas – covalente: polaridade e eletronegatividade
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Li õ í i l t l id d l t ti id d
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• A diferença na eletronegatividade entre dois átomos é uma
medida da polaridade de ligação:
Ligações químicas – covalente: polaridade e eletronegatividade
• Diferença póxima a 0: ligações covalentes apolares ;
• Diferença próximas a 2: ligações covalentes polares;
• Diferença próxima a 3: ligações iônicas (transferência deelétrons).
39
Li õ í i l t l id d l t ti id d
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Ligações químicas – covalente: polaridade e eletronegatividade
Pólo positivo
+ -
Pólo negativo
covalenteapolar
covalentepolar
Ligaçãoiônica
40
Li õ í i l t M t d di l
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• Considere HF:
Qr
Ligações químicas – covalente: Momentos de dipolo
onde Q é a grandeza das cargas.
• Diferença de eletronegatividade = ligação polar.• Densidade eletrônica maior no F que no H.
• Há duas ‘extremidades’ diferentes da molécula, portantotemos um dipolo em HF.
• O momento de dipolo, , é a ordem de grandeza do dipolo:
41
Ligações químicas covalente: Momentos de dipolo
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Vetor Momento de Dipolo
Exemplos:
Cl — Cl :
H — Cl :H — O :
H — C:
H — H :
polarfortemente polar
praticamente apolar (momento de dipolo é muito pequeno)
apolar
Ligações químicas – covalente: Momentos de dipolo
apolar
Ligações químicas covalente: Momentos de dipolo
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Geometria Molecular e Polaridade
geometria planar
pirâmide trigonal
ligação B — F é polar
vetor momento dipolar resultante = 0
ligação N — H é polar
vetor momento dipolar resultante ≠ 0
molécula é POLAR
molécula é APOLAR
Ligações químicas – covalente: Momentos de dipolo
Li õ í i E í i
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Ligações químicas - Exercício
geometriatetraédrica
Determinar a polaridade de cada ligação e da molécula como um todo:
escala de eletronegatividade
I t õ I t l l
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Interações Intermoleculares
A atração entre moléculas é uma força intermolecular.
A ligação covalente que mantém uma molécula unida é uma força
intramolecular.
As interações intermoleculares são muito mais fracas do que asintramoleculares (por exemplo, 16 kJ mol-1 versus 431 kJ mol-1 para o HCl).
I â i P á i d I õ I l l
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Importância Prática das Interações Intermoleculares
Determinam propriedades da matériacomo ponto de fusão / ebulição esolubilidade.
Têm papel importante em processosquímicos e bioquímicos (ex.: produçãoindustrial de etanol).
O conhecimento adquirido permite odesenvolvimento de novos materiais compropriedades desejadas (ex. adesivos).
Interações Intermoleculares e os
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E cin << E pot
çEstados Físicos da Matéria
ENERGIA POTENCIAL(interações)
ATRAÇÃO
REPULSÃO
ENERGIA CINÉTICA(depende da temperatura)
E pot
T = 40 K
T = 85 K
T = 150 K
E cin >> E potE cin ≈ E pot
(SÓLIDO) (LÍQUIDO) (GÁS)
Exemplo ilustrativo: dois átomos de argônio (Ar) se aproximando:
A Energia entre as moléculas diminui comaumento de temperatura
Interações Intermoleculares e os
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çEstados Físicos da Matéria
SÓLIDO
LÍQUIDO
GÁS
Partículas não têm energia suficiente paraescapar da atração dos vizinhos e podem formarestruturas organizadas.
Partículas movem-se em relação aos vizinhos masnão têm energia suficiente para escapar totalmentede sua influência.
Partículas possuem muita energia cinética e movem-se quase que livremente (consideraremos que não háinteração intermolecular).
E i R l ti d I t õ
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Forças íon-dipolo
“Ligações” iônicas
Forças de London
Forças dipolo-dipolo
Ligação Hidrogênio
E
Energias Relativas das Interações
Forças de van der Waals
49
A atração entre moléculas é uma força intermolecular
Continuamos na próxima aula
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KOTZ, J. C.; TREICHEL Jr., P. Química Geral e Reações Químicas. São Paulo:
Thomson Pioneira, 2005. 2 v.
Atkins & Jones; Princípios de Química: questionando a vida moderna e omeio ambiente, 3a ou 5a edições.
Livros e textos relacionados: