Docsity
Docsity

Prepare-se para as provas
Prepare-se para as provas

Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity


Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos para baixar

Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium


Guias e Dicas
Guias e Dicas

Transformações químicas, energia e radioatividade, Notas de estudo de Química

ÓTIMA APOSTILA DE QUÍMICA - APOSTILA 05 - USP

Tipologia: Notas de estudo

2010
Em oferta
30 Pontos
Discount

Oferta por tempo limitado


Compartilhado em 11/06/2010

Salome_di_Bahia
Salome_di_Bahia 🇧🇷

4.5

(389)

318 documentos

Pré-visualização parcial do texto

Baixe Transformações químicas, energia e radioatividade e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! Nome do Aluno Organizadores Maria Eunice Ribeiro Marcondes Marcelo Giordan Elaboradores Isaura Maria Gonçalves Vidotti Luciane Hiromi Akahoshi Maria Eunice Ribeiro Marcondes Yvone Mussa Esperidião Silvia Maria Leite Agostinho Química 5 módulo GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO Governador: Geraldo Alckmin Secretaria de Estado da Educação de São Paulo Secretário: Gabriel Benedito Issac Chalita Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas – CENP Coordenadora: Sonia Maria Silva UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Reitor: Adolpho José Melfi Pró-Reitora de Graduação Sonia Teresinha de Sousa Penin Pró-Reitor de Cultura e Extensão Universitária Adilson Avansi Abreu FUNDAÇÃO DE APOIO À FACULDADE DE EDUCAÇÃO – FAFE Presidente do Conselho Curador: Selma Garrido Pimenta Diretoria Administrativa: Anna Maria Pessoa de Carvalho Diretoria Financeira: Sílvia Luzia Frateschi Trivelato PROGRAMA PRÓ-UNIVERSITÁRIO Coordenadora Geral: Eleny Mitrulis Vice-coordenadora Geral: Sonia Maria Vanzella Castellar Coordenadora Pedagógica: Helena Coharik Chamlian Coordenadores de Área Biologia: Paulo Takeo Sano – Lyria Mori Física: Maurício Pietrocola – Nobuko Ueta Geografia: Sonia Maria Vanzella Castellar – Elvio Rodrigues Martins História: Kátia Maria Abud – Raquel Glezer Língua Inglesa: Anna Maria Carmagnani – Walkyria Monte Mór Língua Portuguesa: Maria Lúcia Victório de Oliveira Andrade – Neide Luzia de Rezende – Valdir Heitor Barzotto Matemática: Antônio Carlos Brolezzi – Elvia Mureb Sallum – Martha S. Monteiro Química: Maria Eunice Ribeiro Marcondes – Marcelo Giordan Produção Editorial Dreampix Comunicação Revisão, diagramação, capa e projeto gráfico: André Jun Nishizawa, Eduardo Higa Sokei, Mariana Pimenta Coan, Mario Guimarães Mucida e Wagner Shimabukuro Carta da Secretaria de Estado da Educação Caro aluno, Com a efetiva expansão e a crescente melhoria do ensino médio estadual, os desafios vivenciados por todos os jovens matriculados nas escolas da rede estadual de ensino, no momento de ingressar nas universidades públicas, vêm se inserindo, ao longo dos anos, num contexto aparentemente contraditório. Se de um lado nota-se um gradual aumento no percentual dos jovens aprovados nos exames vestibulares da Fuvest — o que, indubitavelmente, comprova a qualidade dos estudos públicos oferecidos —, de outro mostra quão desiguais têm sido as condições apresentadas pelos alunos ao concluírem a última etapa da educação básica. Diante dessa realidade, e com o objetivo de assegurar a esses alunos o patamar de formação básica necessário ao restabelecimento da igualdade de direitos demandados pela continuidade de estudos em nível superior, a Secretaria de Estado da Educação assumiu, em 2004, o compromisso de abrir, no programa denominado Pró-Universitário, 5.000 vagas para alunos matriculados na terceira série do curso regular do ensino médio. É uma proposta de trabalho que busca ampliar e diversificar as oportunidades de aprendizagem de novos conhecimentos e conteúdos de modo a instrumentalizar o aluno para uma efetiva inserção no mundo acadêmico. Tal proposta pedagógica buscará contemplar as diferentes disciplinas do currículo do ensino médio mediante material didático especialmente construído para esse fim. O Programa não só quer encorajar você, aluno da escola pública, a participar do exame seletivo de ingresso no ensino público superior, como espera se constituir em um efetivo canal interativo entre a escola de ensino médio e a universidade. Num processo de contribuições mútuas, rico e diversificado em subsídios, essa parceria poderá, no caso da estadual paulista, contribuir para o aperfeiçoamento de seu currículo, organização e formação de docentes. Prof. Sonia Maria Silva Coordenadora da Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas Apresentação da área A Química tem sido vista como vilã por muitos dos segmentos sociais que a desconhecem. Enquanto ciência, ela contribui para compreendermos as pro- priedades dos materiais, suas transformações e suas estruturas em um nível de organização inacessível aos nossos sentidos. Já os químicos, desempenham um papel importante na construção do conhecimento sobre processos e pro- dutos que servem ao bem estar das pessoas. Alimentos, roupas, medicamen- tos, habitações são alguns exemplos de segmentos da indústria e da agropecuária, nos quais o conhecimento químico é fundamental. É fato também que os impactos causados pelas atividades humanas no meio ambiente têm sido cada vez mais graves. O aumento do efeito estufa e a redução da camada de ozônio são exemplos de atividades que dependem da transformação dos materiais. Ainda assim, a Química não é a responsável por esses fenômenos indesejáveis. O conhecimento produzido pelos químicos é um dos instrumentos determinantes para aprofundar ou diminuir os impactos causados pelas atividades humanas no meio ambiente. Saber aplicar esses conhecimentos a partir de critérios e valores definidos pela sociedade é um dos principais instrumentos para tomar decisões sobre o controle dessas ativi- dades e também para equacionar a complexa relação bem-estar social e meio ambiente. Os conhecimentos abordados nesse Programa fornecem uma visão geral da fenomenologia das transformações químicas, suas interpretações em ter- mos de modelos microscópicos e suas representações simbólicas. Conhecer as transformações significa também saber utilizá-las para nosso próprio bem- estar. Assim, é importante conhecer aspectos quantitativos das transforma- ções para evitar desperdícios, utilizar racionalmente a energia envolvida no processo, controlar a rapidez da transformação e seu rendimento. Estudar as propriedades das substâncias e interpretá-las em termos dos modelos de liga- ção química também contribui para evitar riscos à saúde e à contaminação ambiental e para compreender os processos de produção de novos materiais e medicamentos. Defendemos o estudo da Química que não seja memorístico. Como alter- nativa, convidamos você a compreender processos químicos e estabelecer relações entre o conhecimento científico, suas aplicações e implicações so- ciais, econômicas, ambientais e políticas. Apresentação do módulo Sabemos que as transformações químicas envolvem energia. Assim como podemos prever as quantidades de reagentes e produtos que participam de uma reação, podemos prever também a quantidade de energia liberada ou absorvida numa transformação química. Além de energia térmica – que você já conhece das reações de combustão – as transformações podem fornecer energia elétrica, como nas pilhas elétri- cas. Podem também ser provocadas pela energia elétrica, como é o caso da obtenção de alguns metais pelo processo da eletrólise. Pode-se, ainda, obter energia a partir de processos que ocorrem no núcleo de alguns átomos. Neste módulo, você vai aprofundar seus conhecimentos sobre essas fon- tes de energia, além de aprender a fazer previsões e propor explicações sobre a origem e as diferentes manifestações da energia em processos químicos. Com esse conhecimento, você será capaz de entender muitos dos fatos presentes em nosso dia-a-dia, como o funcionamento de usinas termoelétricas e nucleares, das pilhas elétricas, comparar o poder calorífico de combustíveis, e terá conhecimento para se posicionar frente a questões energéticas. São propostos questões e exercícios ao longo do texto para que você vá interagindo com o conhecimento já adquirido e ampliando-o com novos co- nhecimentos. São apresentados também exercícios complementares para que você possa aplicar seu conhecimento em situações novas. Este módulo é composto por 5 unidades: Unidade 1 – Transformações Químicas e Energia Unidade 2 – Transformações Químicas e Energia Térmica Unidade 3 – Transformações Químicas e Energia Elétrica Unidade 4 – A Energia Nuclear Unidade 5 – Exercícios Complementares   1827), físico, ambos italianos. Volta descobriu que a corrente elétrica poderia se manifestar na interação de metais e soluções, construindo, em 1800, uma pilha. Michael Faraday (1791-1867), mais tarde, verifica relações de proporcio- nalidade entre quantidade de matéria e corrente elétrica. Dos estudos de Faraday e de outros cientistas, pôde-se concluir que as transformações poderiam gerar corrente elétrica e esta poderia gerar transformações. Atualmente, o grande uso das transformações químicas que geram ener- gia elétrica é na fabricação de diversos tipos de pilhas e baterias. Muitos pro- dutos, como os metais, são obtidos a partir de transformações que consomem energia elétrica. A energia nuclear passa a ser difundida após o final da Segunda Grande Guerra, pretensamente como substituta às fontes não renováveis. É possível obter energia elétrica a partir de transformações nucleares. No entanto, pro- blemas decorrentes dessa fonte de “energia do futuro”, como proliferação de armas, problemas ambientais, a questão do lixo atômico e os riscos de aciden- tes, ainda não foram equacionados. Algumas fontes de energia no Brasil podem ser observadas na tabela 1. Fontes de Energia Não renovável Petróleo Carvão Gás Natural Urânio Refinaria Siderurgia Gasômetro enriquecido GLP carvão metalúrgico gás Querosene carvão-vapor Gasolina Diesel Termoelétrica Öleo combustível ELETRICIDADE Renovável Lenha Cana Biomassa Sol, Vento, Mar Quedas d´água Carvoaria Destilaria Biodigestor Hidrelétrica Carvão vegetal Álcool Biogás Lenha Bagaço Tabela 1 Ao aquecer o sistema sua temperatura aumenta; portanto, o sistema recebe “algo”. Ao se resfriar, o sistema entrega “algo”. Este “algo” foi chamado calor. Galileu (1613) admitia o calor como matéria. Esta matéria é extraordinária, é capaz de penetrar em todo corpo e sair dele. A substância (corpo ou fluido) termógena não é gerada nem destruída e sim redistribuída entre os corpos. Ao aumentar a quantidade de fluido termógeno ou calorígeno no corpo, a temperatura aumenta; diminuindo-a a temperatura também diminui. Quando não existe praticamente subs- tância termógena, a temperatura atinge o valor mínimo possível, ou seja, o zero absoluto. F. Bacon (1620), baseando-se na observação de que um pedaço de ferro se aque- ce quando submetido a fortes golpes de um martelo (fato conhecido por qualquer ferreiro) e também no fato de ser possível gerar fogo por atrito, concluiu: o calor é o resultado do movimento das partículas que constituem um corpo e a temperatura é determinada pela velocidade com que estas partículas se movimentam. (KRICHEYSKI, I. R., PETRIANOV, I. V. Termodinámica para muchos. Moscou: Edi- torial MIR, 1980) (tradução nossa) Desde que o homem primitivo aprendeu a utilizar o fogo para o seu bene- ficio (aquecer-se, defender-se, cozinhar alimentos), a obtenção de energia a partir de transformações químicas, em especial as combustões, tem exercido papel fundamental nas sociedades. Durante muitos séculos, a combustão da madeira e de outros materiais como óleos e gorduras foi utilizada como fonte de energia. Álcool, gasolina, óleo diesel, lenha, carvão mineral, gás liquefeito de petróleo e querosene são exemplos de combustíveis atualmente utilizados em diferentes setores de ati- vidades do homem. Nossa própria vida depende da energia proveniente da combustão da glicose em nossas células. Foguetes são colocados em órbita terrestre graças à combustão de materiais apropriados, como o gás hidrogê- nio. Também nas usinas termelétricas, o calor produzido em combustões é transformado em energia elétrica. Muitas interpretações têm sido propostas para as manifestações de ener- gia, como luz e calor, observadas nas transformações químicas e em especial nas combustões, como a teoria do flogístico e a idéia sobre o calórico admiti- da por Lavoisier e Dalton. Nenhuma dessas teorias, no entanto, esclareceu a origem do calor, de onde ele vem, porque se manifesta. Organizadores Maria Eunice Ribeiro Marcondes Marcelo Giordan Elaboradores Isaura Maria Gonçalves Vidotti Yvone Mussa Esperidião Unidade 2 Transformações químicas e energia térmica   TRANSFORMAÇÕES EXOTÉRMICAS E ENDOTÉRMICAS Considere as informações sobre algumas transformações químicas, conti- das na tabela a seguir. Transformação 2 Mg (s) + O 2 (g) → 2 MgO (s) C 2 H 6 O (l) +3 O 2 (g) → 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O (l) Fe 2 O 3 (s) +3 CO (g) → 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g) 6 H 2 O (l) + 6 CO 2 (g) → C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) N 2 (g) + 3 H 2 (g) → 2 NH 3 (g) Condições para ocorrer a reação Os reagentes recebem ener- gia inicial de uma chama ou de uma faísca elétrica. Os reagentes recebem ener- gia inicial de uma chama ou de uma faísca elétrica. Fornecimento contínuo de calor. A reação ocorre através da absorção de luz solar – ener- gia radiante. A reação ocorre a cerca de 500°C e sob pressão de 200 a 300 atm. Envolve energia? A reação se desenvolve com produção de luz e 1204 kJ de energia, na forma de calor, por 2 mols de Mg. Apesar da energia inicial, a reação se desenvolve com produção de 2800 kJ/ mol de glicose, na forma de calor. A reação absorve 128,4 kJ de energia na forma de calor por mol de Fe 2 O 3 con- sumido. São formados no interior das células ve- getais, hidratos de carbono e gás oxigê- nio, com absorção de 2800 kJ de calor. A reação ocorre com absorção de 46 kJ de energia por 2 mol de amônia. Os dados tabelados mostram que as transformações químicas são sempre acompanhadas de efeitos energéticos, podendo ocorrer com produção ou ab- sorção de energia. Reações que produzem energia são chamadas exotérmicas e as que a ab- sorvem são chamadas endotérmicas. A combustão do etanol (C 2 H 6 O) e a oxi- dação do metal magnésio são exemplos de transformações exotérmicas, pois se realizam com liberação de energia, na forma de luz e calor. Por outro lado, a obtenção de metais como o ferro e a fotossíntese são exemplos de transfor- mações endotérmicas, pois se realizam com fornecimento contínuo de ener- gia. O calor associado a uma transformação química é chamado calor de rea- ção e recebe o nome da transformação ao qual corresponde. Se a transfor- mação envolve a formação de uma substância, ele é chamado calor de formação.Se envolver a combustão, é chamado calor de combustão etc. A quantidade de calor mobilizada numa transformação química pode ser incluída na equação que a representa, como um reagente, no caso de absor- ção de calor, ou como produto, no caso de liberação de calor. Essa quantidade de calor relaciona-se proporcionalmente às massas dos reagentes e produtos envolvidos nessa transformação. Atividade Levando em conta essas idéias, represente as transformações citadas na tabela incluindo a energia – ou como reagente ou como produto –, conside- rando também que a energia relaciona-se proporcionalmente às massas dos reagentes e produtos envolvidos. O que representam os valores de energia incluídos nas equações escritas?    A eficiência de um combustível é geralmente avaliada em relação à quanti- dade de calor que ele é capaz de produzir. A quantidade de calor produzida por unidade de massa (ou de volume) do material combustível é referida como seu poder calorífico, que pode ser expresso em kcal/kg, em kJ/kg ou em kJ/mol. Pode-se considerar as combustões como transformações químicas que envol- vem a queima de um material combustível em presença de oxigênio, sendo fre- qüentemente utilizadas com o objetivo de obter energia na forma de calor. Nesse sentido, pode-se então dizer que os combustíveis são “geradores de calor”. Considerando que os combustíveis são “potencialmente” capazes de liberar energia por combustão, deve-se pensar que eles têm armazenado um certo “con- teúdo de energia”, que se manifesta na forma de calor e luz quando ocorre a combustão. Sendo assim, nas transformações exotérmicas, parte da energia que estava armazenada nos reagentes ficou armazenada nos produtos e parte foi liberada para o ambiente. Nesses casos, quando os reagentes se transformam nos produtos, o conteúdo de energia do sistema decresce, pois calor é remetido para o ambiente. Por raciocínio análogo, pode-se concluir também que nas trans- formações endotérmicas o conteúdo de energia do sistema cresce. Sendo assim, pode-se representar as transformações exotérmicas e as endotérmicas por dia- gramas, como os mostrados a seguir e tomados como exemplo. Faça agora você 1. a) A queima de 2,8 g do gás etileno, C 2 H 6 , faz a temperatura de um calorímetro subir 10,7°C. Sabendo que para variar em 1oC a temperatura do calorímetro são necessárias 3,1 kcal, determine o calor de combustão desse gás, expressando-o em kJ/mol. b) Considerando que os produtos da combustão são CO 2 e H 2 O, represente a combustão desse gás por meio de uma equação e por meio de um diagrama. 2. Represente por um diagrama a formação do NO 2 , a partir dos gases nitrogênio e oxigênio. 33,2 kJ + ½ N 2 (g) + O 2 (g) → NO 2 (g) Quem tem maior conteúdo de energia, reagentes ou produtos? DE ONDE VEM A ENERGIA QUE SE MANIFESTA NAS TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS? Considere que a cera da vela é representada pela fórmula C 20 H 42 . Deter- minou-se experimentalmente o calor de solidificação da cera, encontrando- se o valor 49,5 kJ/mol. Determinou-se também por meios adequados o calor de combustão da cera, tendo-se encontrado o valor 9562,0 kJ/mol. Compa- rando os valores encontrados, verificamos que Q Solidificação << Q Combustão – 49,5 kJ << 9562 kJ. Por que o calor de solidificação é tão menor que o calor de combustão?   Uma possível explicação é considerar que na solidificação ocorrem atrações entre as moléculas, que resultam na formação de ligações intermoleculares. A energia liberada na solidificação estava armazenada nessas ligações. Sendo a combustão uma transformação química, ao se admitir que ela envolve um rearranjo de átomos, estamos supondo que ela resulta do rompi- mento de ligações entre os átomos (forças atrativas entre os átomos), que constituem as partículas de cera, e formação de novas ligações nos produtos. O saldo energético entre esses processos corresponde ao calor liberado na combustão. Portanto, o calor que se manifesta nas transformações químicas tem sua origem nas ligações que constituem as partículas das substâncias. Energia de ligação A quantidade de energia necessária para romper um mol de ligações a 25°C e 1 atm é chamada energia de ligação. Essa mesma quantidade é libera- da na formação de um mol de ligações. A ruptura de ligações é um processo endotérmico (é preciso fornecer ener- gia para que isso aconteça) e a formação de ligações é processo exotérmico. Na partícula H 2 , existe uma “ligação” entre os dois átomos de hidrogênio. Quando suficientemente aquecido, o hidrogênio gasoso (H 2 ) é transformado em 2 mols de átomos isolados. Assim: 436 kJ + H-H (g) → 2 H (g) 1 mol de moléculas de hidrogênio dois mols de átomos de hidrogênio Conclui-se, então, que a ligação entre dois átomos de hidrogênio, repre- sentada por H-H, está associada a um valor de energia equivalente a 436 kJ, que é o valor da energia de ligação H-H. Os valores das energias de ligação podem ser determinados experimental- mente. Eles dependem da temperatura e da pressão em que a reação ocorre. Por essa razão, os dados de energia de ligação especificam a temperatura e a pressão em que foram determinados. Considerando que 1 mol de metano (CH 4 ) contém quatro mols de ligações C-H, calcule o valor da energia de ligação C-H no metano, em kJ/mol, saben- do que são necessários 1660 kJ de energia para atomizá-lo (romper as liga- ções entre os átomos), segundo a equação: 1660 kJ + → C (g) + 4 H (g) Alguns valores de energia de ligação, em kJ/mol, são dados a seguir: E (O-H) = 464; E (O=O) = 498; E (C=C) = 598; E (C-O) = 360; E (C=O) = 805. Faça agora você 1. Conhecendo o valor da energia de ligação C-H, calcule o valor da ener- gia associada à ligação C-C no etano.    2840 kJ + (g) → 2 C (g) + 6 H (g) 2. Determine a energia necessária para atomizar um mol de moléculas de metanol (romper as ligações entre os átomos), de acordo com a equação: (g) → C (g) + 4 H (g) + O (g) PARA QUE SERVE O CONHECIMENTO DAS ENERGIAS DE LIGAÇÃO? Uma das utilidades do conhecimento das energias de ligação é compreen- der a estrutura das substâncias. Assim, benzeno (C 6 H 6 ) é uma substância líqui- da, inflamável, pouco reativa e tóxica que, se inalada, pode causar a morte. Em 1865, a estrutura dessa substância foi proposta por August Kekulé. Segundo ele, o benzeno poderia ser representado pela seguinte fórmula estrutural. Nota-se que nesta estrutura os átomos de carbono se ligam alternadamente por ligações simples e duplas. Como verificar se esta estrutura é realmente a do benzeno? O seguinte procedimento permite encontrar a resposta para essa questão: Ciclohexeno, um hidrocarboneto que contém uma ligação C=C, pode se transformar em ciclohexano quando reage com hidrogênio gasoso. + H-H (g) → + 120 kJ Essa transformação sugere que, se o benzeno for hidrogenado, tendo ele três ligações duplas, deveriam ser produzidos: 3 mol de ligações x 120 kJ/mol de ligações = 360 kJ.   Na transformação de formação da água H 2 (g) + ½ O 2 (g) → H 2 O (g) o valor da entalpia da transformação é ∆H f = H Produtos - H reagentes = H água - (H hidrogênio + H oxigênio ) = - 242 kJ (a 25 oC e 1 atm.). (obs.: H = entalpia de formação) Faça agora você 1. (Fuvest) A entalpia de combustão da grafite a gás carbônico é – 94 kcal/ mol. A do monóxido de carbono gasoso a gás carbônico é – 68 kcal/mol. Desses dados, pode-se concluir que a entalpia de combustão da graf ite a monóxido de carbono gasoso, expressa em kcal/mol, vale: a) + 13 b) + 26 c) – 13 d) – 26 e) – 162 O CALOR MOBILIZADO NUMA TRANSFORMAÇÃO QUÍMICA REALIZADA NUMA ÚNICA ETAPA É DIFERENTE DO CALOR TOTAL MOBILIZADO QUANDO A TRANSFORMAÇÃO SE PROCESSA EM VÁRIAS ETAPAS? O homem gasta continuamente energia para manter a temperatura do seu corpo e executar as funções vitais, como respirar, fazer circular o sangue ou mover-se de um lado para outro. Essa energia tem como fonte a glicose prove- niente dos alimentos e o oxigênio do ar inspirado. Na queima de um mol de glicose, são produzidos 2814 kJ de energia. Essa queima pode se dar numa única etapa como mostra a equação C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O No entanto, a combustão da glicose no organismo ocorre numa sucessão de mais de 20 etapas. Considere que ela envolva apenas as etapas relacionadas a seguir: Etapa I C 6 H 12 O 6 → 2 C 3 H 6 O 3 ∆H= - 88 kJ glicose ácido lático Etapa II 2 C 3 H 6 O 3 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O ∆H= - 2726 kJ Pode-se perceber que a energia liberada na formação de 2 mols de ácido lático (etapa I) é consumida na etapa II (combustão de 2 mols de ácido lático). Isso equivale a somar as equações escritas, e também os valores dos ∆H. ∆H = - 2814 kJ/mol de glicose Encontra-se, dessa forma, o valor da energia associada à combustão de 1 mol de glicose, como se essa transformação tivesse ocorrido numa única etapa. “Quando uma transformação química pode ser expressa como a soma de uma série de transformações intermediárias, seu ∆H corresponde à soma dos ∆H das transformações que constituem as etapas intermediárias”. Ou então: “O efeito energético que acompanha uma transformação independe dos es- tados intermediários, só depende dos estados inicial e final”. Esta afirmação é conhecida como lei de Hess, e é de fato um dos princípios mais importantes e úteis da Química. Esta lei possibilita a determinação teórica do ∆H de uma trans- formação, sem mesmo processá-la experimentalmente, desde que seja possível    considerá-la como a soma de transformações intermediárias sucessivas, cujos ∆H sejam conhecidos. Foi assim que os biólogos puderam esclarecer a dinâmi- ca da digestão nos seres vivos, processando por etapas, fora do ser vivo, rea- ções complexas, cujos ∆H são impossíveis de serem determinados diretamente. Considere a energia envolvida na metalurgia do ferro como ilustração dessa lei, também chamada lei da aditividade dos calores de reação. O processamento do minério pode ser representado pela seguinte equação global: (1) Fe 2 O 3 (s) + 3 C (s) + 3/2 O 2 (g) → 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g) + energia. Minério de ferro, carvão e calcário transformam-se em ferro-gusa e escó- ria, sendo este processo um exemplo de transformação que envolve transfor- mações intermediárias sucessivas, em que os produtos de uma são os reagentes de outra, umas endo outras exotérmicas. Conhecendo-se os calores das etapas intermediárias, é possível avaliar quanta energia é mobilizada no processo global. Algumas etapas são: (2) C (s) + ½ O 2 (g) → CO (g) ∆Η = - 112,3 kJ (3) 3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) → 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) ∆Η = + 401,3 kJ (300°C) (4) Fe 3 O 4 (s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO 2 (g) ∆Η = + 33,4 kJ (600°C) (5) FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO 2 (g) ∆Η = - 13,8 kJ (600°C) O Fe 3 O 4 produzido em (3) é consumido em (4) e o FeO produzido em (4) é consumido em (5); representa-se o consumo desses produtos somando-se as equações como se fossem equações algébricas, de modo a eliminar os tais produtos intermediários e obter a equação global (1). Para isso, os coeficien- tes dos produtos intermediários devem ser igualados. Sendo assim, deve-se multiplicar a equação (4) por 2; a equação (5) por 6 e a equação (2) por 9, pois esse é o total de mols de CO consumido na transformação. Como existe re- lação de proporcionalidade entre o calor envolvido e a quantidade de matéria de reagentes e produtos, também se deve multiplicar os valores dos rH pelos respectivos fatores. Assim: 9 C (s) + 9/2 O 2 (g) → 9 CO (g) ∆Η = - 1010,7 kJ 3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) → 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) ∆Η = + 401,3 kJ 2 Fe 3 O 4 (s) + 2 CO (g) → 6 FeO (s) + 2 CO 2 (g) ∆Η = + 66,8 kJ 6 FeO (s) + 6 CO (g) → 6 Fe (s) + 6 CO 2 (g) ∆Η = - 82,8 kJ Equação global encontrada: 3 Fe 2 O 3 (s) + 9 C (s) + 9/2 O 2 (g) → 6 Fe (s) + 9 CO 2 (g) Σ∆H = - 625,4 kJ 1. Qual o valor do ∆Η por mol de ferro produzido? A grandeza desse valor de energia explica o calor sentido nas proximida- des do alto-forno. Considere os seguintes fatos: · Um rádio pode funcionar perfeitamente com 4 pilhas de 1,5 V, do tipo A · Um automóvel deixa de funcionar se a bateria elétrica “arrear” Você já pensou como funcionam e de que modo são formadas as pilhas e baterias elétricas que fornecem energia para tantas finalidades? Você sabe que são transformações químicas que geram a energia elétrica nas pilhas e baterias? Já estudamos as transformações que geram energia térmica e que dela necessitam para se processar – as transformações exotérmicas e as endotér- micas. Da mesma forma, há transformações químicas que geram energia elé- trica e outras que ocorrem a partir desta. Essas transformações químicas rece- bem o nome de reações de óxido-redução. Para entender o processo de óxido-redução vamos considerar a reação de queima do magnésio: Uma fita de magnésio apresenta brilho metálico e cor prateada. Ao ser queimada em uma chama, na presença de oxigênio do ar, se forma um sólido branco, o óxido de magnésio, MgO. Mg (s) + ½ O 2 (g) → MgO (s) (1) Dizemos que houve oxidação do magnésio e redução do oxigênio. O QUE É OXIDAÇÃO E O QUE É REDUÇÃO? As reações de oxidação-redução têm esse nome porque, historicamente, este foi o nome dado às reações que envolviam a combinação entre o oxigê- nio e outro elemento. As reações de oxidação-redução, hoje em dia, são as que envolvem troca de elétrons entre diferentes espécies químicas. O magnésio, por exemplo, é um metal que, ao se combinar formando o composto iônico MgO, perde dois elétrons. Este processo é chamado de oxidação (lembre-se do modelo de li- gação iônica!). O oxigênio, elemento mais eletronegativo, ganha os dois elé- trons doados pelo magnésio, processo esse chamado de redução. Com este conceito, você é capaz de entender outras reações de oxidação- redução que ocorrem ao seu redor. Organizadores Maria Eunice Ribeiro Marcondes Marcelo Giordan Elaboradores Maria Eunice Ribeiro Marcondes Silvia Maria Leite Agostinho Unidade 3 Transformações químicas e energia elétrica    VERIFICANDO A PROPORÇÃO ENTRE REAGENTES E PRODUTOS Muitas equações de óxido-redução envolvem espécies iônicas em solução (cátions e/ou ânions). É possível, neste caso, para melhor entendimento do processo, representá-lo na forma de duas semi-equações, uma de oxidação e a outra de redução. Tomemos o exemplo da reação entre zinco metálico e os íons de cobre. Esta transferência pode ser representada da seguinte forma: Semi-equação de oxidação: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 e- Semi-equação de redução: Cu2+ (aq) + 2 e- → Cu (s) Pode-se escrever a equação da transformação somando-se as semi-equações: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 e- Cu2+ (aq) + 2 e- → Cu (s) Equação global balanceada: Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s) Como você pode verificar, na representação da equação balanceada há con- servação da quantidade de átomos e também de cargas e do número de elétrons. Considere a reação que ocorre entre o metal zinco e uma solução de ácido: Zn (s) + H+ (aq) → Zn2+ (aq) + H 2 (g) Esta é uma reação de óxido-redução; façamos o balanceamento por meio das semi-equações: oxidação: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 e- redução: H+ (aq) + e- → ½ H 2 (g) Para que se tenha o mesmo número de elétrons envolvidos, reescrevemos a reação de redução da seguinte forma: 2 H+ (aq) + 2 e- → H 2 (g) Somando as duas semi-equações, esse processo pode ser representado por: 2 H+ (aq) + 2 e- → H 2 (g) Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 e- Zn (s) + 2 H+ (aq) → Zn2+ (aq) + H 2 (g) A linguagem das semi-equações iônicas é importante por várias razões: → fica evidente a troca de elétrons entre as espécies; → o balanceamento da equação global fica mais fácil; → percebe-se que as semi-reações, sendo tratadas separadamente, podem facilitar o entendimento de outros processos; isto é, são gerais. Faça agora você 1. Faça o balanceamento das equações que representam os seguintes pro- cessos: a) reação do metal chumbo com solução de íons prata (por exemplo, solu- ção de AgNO 3 ); b) reação entre metal sódio e água (cuidado, altamente exotérmica).   TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS QUE GERAM ENERGIA ELÉTRICA Reações espontâneas de óxido-redução Você verificou que existem inúmeras reações de óxido-redução que ocor- rem espontaneamente na natureza. A reação entre o zinco e os íons de cobre (equação 1) é um exemplo. Quando o contato entre o oxidante e o redutor é direto, a troca de elétrons resulta na corrosão do zinco. O que acontece se os elétrons cedidos pelo zinco forem levados a percorrer um fio condutor elé- trico e, em outro local do sistema, forem transportados aos íons de cobre? Este é o princípio do funcionamento de uma pilha. A passagem dos elétrons a- través de um circuito externo pode ser aproveitada, por exemplo, para acen- der uma lâmpada, fazer funcionar um cartão musical e assim por diante. A figura 2 ilustra o sistema assim construído. Em dois recipientes distintos foram colocadas soluções de sulfato de zinco e sulfato de cobre. Entre os dois compartimentos é colocado um tubo de vidro contendo uma solução de cloreto de po- tássio e algodão nas duas extremidades, que é cha- mado de “ponte salina”. Os terminais imersos deste tubo fazem uma conexão elétrica (através de íons) entre os dois recipientes. No compartimento A é imersa uma placa de zinco, enquanto no compartimento B é imersa uma placa de cobre. As placas de zinco e de cobre são interligadas com emprego de jacarés e de fios de cobre, colocando-se no caminho uma resistência elétrica. Se esta resistência elétrica corresponder a uma lâmpada de baixa po- tência, você vai observar que ela se acende e vai constatar a geração de ener- gia elétrica. Assim funciona a pilha conhecida como “Pilha de Daniel”. Como funciona essa pilha? Embora os dois reagentes estejam em compartimentos separados, a rea- ção que ocorre é a mesma que foi estudada anteriormente: o zinco é oxidado a íons Zn2+, perdendo elétrons que são levados pelo fio, passando pela lâmpa- da, e chegam ao compartimento B, onde são transferidos aos íons de cobre, que são reduzidos a cobre metálico. Assim, podemos escrever a equação que representa essa transformação: Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s) Os íons Zn2+ são solúveis, passando para a solução. Porém, isto causaria um excesso de cargas positivas na solução, acarretando na não continuidade da reação. A ponte salina, assim, fornece íons de carga negativa (no exemplo acima, íons cloreto, Cl-), que garantirão a eletroneutralidade da solução. No compartimento B, íons Cu2+ (aq) reagem formando Cu (s) que se de- posita na lâmina. O que acontece com o balanço de cargas na solução? Qual é o papel da ponte salina neste caso? Por que o sistema químico gerou energia elétrica? Se a lâmpada do circui- to externo for substituída por um voltímetro, vamos verificar que existe uma diferença de potencial. No caso da pilha de Daniel, ela é igual a 1,1 V quando as concentrações de Zn2+ e Cu2+ são iguais a 1,0 mol.L-1. Você viu que quando se constrói a pilha, os processos de oxidação e de redução passam a ocorrer em locais distintos. Chama-se de ânodo o local em que ocorre a oxidação e de cátodo o local em que ocorre a redução. Na lin- Figura 2 – Pilha de Daniel.    guagem eletroquímica, a palavra local pode ser substituída por eletrodo. Ele- trodo é uma associação de um condutor eletrônico (o metal zinco, por exem- plo) e um condutor iônico (o íon de zinco, por exemplo). Entre estes conduto- res existe uma interface em que podem ocorrer transformações de oxidação ou de redução. Na interface zinco-íons de zinco se observa a semi-reação de oxidação, descrita pela semi-equação: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 e- Na outra interface, se observa a semi-reação de redução, descrita pela semi-equação: Cu2+ (aq) + 2 e- → Cu (s) O ânodo, na pilha (nos sistemas que geram energia elétrica), é o pólo negativo (aquele que libera elétrons para o circuito externo). O cátodo, onde ocorre a redução, é o pólo positivo, aquele que recebe os elétrons que provê- em do fio externo. A existência de uma interface metal-íon metálico é responsável por uma diferença de potencial a que se dá o nome de Potencial de Eletrodo. Este potencial tem um valor que depende do caráter mais espontâneo ou menos espontâneo da semi-reação, ocorrendo no sentido da oxidação ou da redução. Existem metais mais ativos, que são oxidados mais facilmente (zinco é um exemplo) e existem metais menos ativos, mais nobres, cujos íons são reduzi- dos mais facilmente (íons de cobre II é um exemplo). Uma tabela de poten- ciais com a semi-reação descrita pela semi-equação H+ (aq) + 1 e- → ½ H 2 (g) foi construída e atribuiu-se a esta semi-reação o valor zero de potencial numa escala relativa de valores. Tabela 2 – Potenciais de redução padrão de diversas semi-reações Potenciais – Padrões de Redução (T = 298,16 K) Reações de redução Eº (volts) F 2 (g) + 2 e- H 2 O 2 (l) + 2 H+ (aq) + 2 e- MnO 4 - (aq) + 4 H+ (aq) + 3 e- PbO 2 (s) + HSO 4 - (aq) + H+ (aq) + 2 e- 2 HOCl (aq) + 2 H+ (aq) + 2 e- MnO 4 - (aq) + 8 H+ (aq) + 5 e- Cl 2 (g) + 2 e- Cr 2 O 7 2- (aq) + 14 H+ (aq) + 6 e- MnO 2 (s) + 4 H+ (aq) + 2 e- O 2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e- Br 2 (l) + 2 e- HONO (aq) + H+ (aq) + e- HNO 3 (aq) + 3 H+ (aq) + 3 e- Ag+ (aq) + e- Fe3+ (aq) + e- Fe(OH) 3 (s) + e- I 3 - (aq) + 2 e- Cu+ (aq) + e- 2 F- (aq) 2 H 2 O (l) MnO 2 (s) + 2 H 2 O (l) PbSO 4 (s) + H 2 O (l) Cl 2 (g) + 2 H 2 O (l) Mn2+ (aq) + 4 H 2 O (l) 2 Cl- (aq) 2 Cr3+ (aq) + 7 H 2 O (l) Mn2+ (aq) + 2 H 2 O (l) 2 H 2 O (l) 2 Br- (aq) NO (g) + H 2 O (l) NO (g) + 2 H 2 O (l) Ag (s) Fe2+ (aq) Fe(OH) 2 (s) + OH- (aq) 3 I- (aq) Cu (s) + 2,65 + 1,77 + 1,695 + 1,685 + 1,63 + 1,51 + 1,3595 + 1,33 + 1,23 + 1,229 +1,0652 + 1,00 +0,96 +0,7991 +0,771 +0,56 +0,536 +0,521 → → → → → → → → → → → → → → → → → →   As baterias de automóveis também são pilhas eletroquímicas. Faça agora você 1. Considere uma pilha constituída pelas semi-pilhas: Mg/MgSO 4 e Cu/ CuSO 4 . Sabe-se que o metal magnésio tem maior tendência de se oxidar que o cobre, podendo-se representar essa célula eletrolítica como Mg, Mg2+/Cu2+, Cu. Nesse processo: - que metal perde elétrons? - que espécie recebe elétrons? - que espécie sofre oxidação? - que espécie sofre redução? - escreva a semi-equação de oxidação - escreva a semi-equação de redução - qual o sentido de movimento dos elétrons na parte externa do circuito? - qual o sentido de movimento dos íons positivos na ponte salina? - qual o cátodo (pólo positivo)? - qual o ânodo (pólo negativo)? 2. (UFSC) Dadas as semi-reações: 2 Fe3+ (aq) + 2 e- → 2 Fe2+ (aq) Eo red = + 0,77 V Cl 2 (g) + 2 e- → 2 Cl- (aq) Eo red = + 1,36 V Calcule o potencial para a reação: 2 Fe2+ (aq) + Cl 2 (g) → 2 Fe3+ (aq) + 2 Cl- (aq) e diga se ela é espontânea ou não, assinalando a opção correta. a) –0,59 V e a reação não é espontânea. b) 0,59 V e a reação não é espontânea. c) 0,59 V e a reação é espontânea. d) –2,13 V e a reação não é espontânea. e) 2,13 V e a reação é espontânea. 3. (PUC-MG) Considere as equações incompletas e os dados da tabela a seguir: Pb (s) + Mg2+ (aq) → Br- (aq) + Fe2+ (aq) → Pb2+ (aq) + Ni (s) → Zn (s) + Ag+ (aq) → Potenciais-padrão de redução Elemento Pb Mg Br Fe Ni Zn Ag Valor Eo (V) -0,13 -2,36 1,07 -0,44 -0,25 -0,76 0,80    As reações que podem ocorrer espontaneamente são: a) I e II b) I e IV c) I, III, IV d) III e IV e) II e III TRANSFORMAÇÕES QUE OCORREM COM CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA – ELETRÓLISE As reações de óxido-redução espontâneas podem gerar energia elétrica, como acontece nas pilhas. Será que é possível provocar transformações quí- micas de óxido-redução que não ocorreriam espontaneamente? Na Figura 3 tem-se a pilha de Daniel ligada a um tubo em U contendo solução aquosa de iodeto de potássio e bastões de grafite imersos. As duas células são ligadas por fios e jacarés. Após alguns minutos, pode ser notada a ocorrência de várias transformações na célula B. Na interface I, a adição de gotas de fenolftaleína mostra uma cor ver- melha (ou rósea) no contorno do grafite. Na interface II, a solução antes incolor adquire cor amarela. Sabendo-se que a pilha de Daniel gera energia e conhecendo-se qual o ânodo (eletrodo da oxidação) e qual o cátodo (eletrodo de redução) da mesma, pode- mos interpretar o que acontece na célula B. A cor rósea indica a formação de uma solução de caráter alcalino na vizi- nhança da interface I. Esse fato pode ser explicado considerando-se a reação de redução da água, a partir dos elétrons provenientes do eletrodo de zinco, de acordo com a seguinte equação: 2 H 2 O (l) + 2 e- → H 2 (g)+ 2 OH- (aq) A cor amarela na interface II é uma evidência da formação de I 2 , que em solução aquosa apresenta essa cor. Ocorre, portanto, a oxidação do iodeto a iodo, que pode ser representada pela semi-equação: 2 I- (aq) → I 2 (aq)+ 2 e- Os elétrons produzidos são utilizados na redução dos íons Cu2+ da pilha de Daniel. Verifique você mesmo, comparando os potenciais de redução padrão, se as reações que ocorrem no comparti- mento B são espontâneas ou não espontâneas. Processos de óxido-redução que ocorrem às custas de uma energia elétrica fornecida por um sistema exter- no recebem o nome de eletrólise, que significa “decom- posição pela passagem da corrente elétrica”. A eletrólise encontra muitas aplicações industriais, como na fabricação de produtos provenientes da água do mar. O esquema ao lado mostra os produtos obtidos a partir do cloreto de sódio. Figura 3 - Pilha de Daniel conectada a um tubo em U.   A partir da salmoura obtêm-se, por eletrólise, o gás cloro, o gás hidrogê- nio e uma solução de hidróxido de sódio: 2 Cl- (aq) → Cl 2 (g) + 2 e- 2 H 2 O (l) + 2 e- → H 2 (g) + 2 OH- (aq) O cloreto de sódio quando aquecido se funde, sendo possível sofrer eletrólise quando se passa uma corrente elétrica no líquido. Obtém-se, além de cloro, o metal sódio. Escreva as equações que representam a oxidação e a redução que aconte- cem nesse processo, bem como a equação global. A água também pode sofrer eletrólise. Entretanto, ela não é boa condutora de corrente elétrica. Como se pode fazer para que o processo de eletrólise da água seja efici- ente? Considere, por exemplo, a adição à água de uma substância que condu- za facilmente a corrente (um eletrólito), mas que não apresente reação, isto é, que não sofra eletrólise nas mesmas condições da água. O que você acha: o processo seria mais eficiente? Na prática, é comum, para se fazer a eletrólise da água, a adição de ácido sulfúrico, de forma a obter uma solução aquosa diluída. São utilizados eletro- dos de platina, que permanecem inalterados durante o processo. Dessa forma, são obtidos os gases hidrogênio e oxigênio: Redução dos íons H+ da solução ácida, de acordo com a semi-equação: 2 H+ (aq) + 2 e- → H 2 (g) Oxidação da água gerando oxigênio, de acordo com a semi-equação: H 2 O (l) → ½ O 2 (g) + 2 e- + 2 H+ (aq) Escreva a equação que representa o processo global de eletrólise da água. Cloro Substância que à tempe- ratura ambiente (25ºC) encontra-se na forma de um gás, mais denso que o ar, e apresenta cor esverdeada. Usos: - desinfecção de água (tratamento de água), - produção de plásticos, tipo PVC, - branqueador em in- dústria têxtil e papel e celulose etc. Hidrogênio O hidrogênio, à tempe- ratura ambiente, é gás inodoro, insípido, pouco solúvel em água e pou- co denso. Usos: - em soldas especiais, - em balões e dirigíveis, até mesmo em transpor- te de pessoas, mas foi abandonado depois de um grave acidente com o dirigível Hindenburg (1937), - combustível de fogue- tes espaciais e provável uso em outros veículos etc.    caracteriza um elemento é seu número atômico, ou seja, a quantidade de prótons, não se tem mais carbono, e sim nitrogênio (Z = 7). Ocorreu uma transmutação nuclear, isto é, o carbono se converteu em nitrogênio. Como já mencionado, nesse processo de decaimento radioativo são de- tectadas radiações de carga negativa, identificadas como sendo elétrons. Esse tipo de processo, em que elétrons são ejetados do núcleo, é chamado de decaimento β (letra do alfabeto grego, beta), que pode ser representado por: n → p + β ou, mais detalhadamente: Podemos escrever a equação química que representa o decaimento do car- bono-14: ou Considere agora um dos isótopos de elemento hidrogênio, o hidrogênio– 3, chamado de trítio. Sabe-se que o trítio decai por emissão de radiação β, convertendo-se em hélio–3, que é um isótopo estável do elemento hélio. A equação que representa esse processo de decaimento é: A emissão de um elétron a partir do núcleo de trítio tem como conse- qüência o aumento de um próton e a conservação do número de massa. Vamos considerar o decaimento do urânio–238, com formação de tório– 234. Nesse processo, são detectadas partículas carregadas positivamente. Es- sas partículas foram chamadas por Rutherford de partículas α (letra alfa, do alfabeto grego). Sabendo que as partículas α são constituídas por dois prótons e dois nêu- trons, calcule o número de massa da partícula α. Fazendo uma comparação da quantidade de prótons e nêutrons de cada um dos nuclídeos tem-se: Prótons Nêutrons 92 146 90 144 A equação que representa esse processo de decaimento pode ser escrita da seguinte forma:   Compare a partícula α com o núcleo do elemento hélio. Um outro exemplo de decaimento por emissão de partículas α é o que acontece com o elemento radio–226. O rádio (Ra) tem número atômico 88, se transmutando no elemento radônio (Rn), cujo número atômico é 86. Escreva a equação que representa o decaimento do radio-226 por emissão de partículas α. O terceiro tipo de radiação detectada nas experiências de Rutherford foi chamada de radiação γ (letra gama do alfabeto grego). Esse tipo de radiação não sofre efeito de um campo elétrico externo, indicando que não possui car- ga. A radiação γ é uma forma de radiação eletromagnética de alta energia, que é emitida nos decaimentos nucleares, não tendo massa e não apresentando carga elétrica. Faça agora você 1. O elemento sofre decaimento radioativo por emissão de partícula β. Que elemento é formado nesse processo? 2. Escreva a equação que representa a transmutação do netúnio–237 (Np, Z = 93) em protactínio (Pa, Z = 91) por emissão de partícula α. Com os estudos sobre a radioatividade, o conhecimento do homem sobre a estrutura da matéria se ampliou. As transformações químicas podiam ser explicadas em termos de rearranjo de átomos, de quebra e formação de li- gações, ligações estas formadas por atrações eletrostáticas entre os elétrons dos elementos que constituem a substância. Um outro tipo de transformação, a transmutação natural, passou a ser conhecida e entendida através do conhe- cimento do núcleo atômico. O núcleo, formado por prótons e nêutrons, pode emitir partículas, transformando-se em outro elemento. Mas será que as transmutações poderiam ser provocadas artificialmente? Em 1933, um ano após o descobrimento do nêutron, os cientistas Frederic Joliot e Irene Curie Joliot produziram o primeiro elemento radioativo artifici- almente, bombardeando boro–10 com partículas α: Nesse processo, foi detectada a emissão de uma partícula com massa se- melhante à do elétron, mas com desvio contrário quando submetida a um campo elétrico. Essa partícula, tem carga positiva e foi chamada de pósitron. GERANDO ENERGIA ATRAVÉS DE REAÇÕES NUCLEARES O aproveitamento da energia nuclear na geração de energia elétrica, como é feito hoje em dia, foi resultado de muitos estudos que procuravam entender e controlar o comportamento dos núcleos e suas interações com as radiações. Considere como a energia é gerada numa usina nuclear: Elementos trans- urânicos Dos 111 elementos co- nhecidos atualmente, so- mente os elementos até o amerício (Z = 95) exis- tem na natureza (exceto o Tc, Pm, At e Fr). Os ele- mentos transurânicos são todos sintéticos.    Fonte: <www.energiatomica.hpg.ig.com.br/sun.gif> Numa usina nuclear, a reação nuclear gera energia, que é utilizada para vapo- rizar água. O vapor d’água movimenta uma turbina, gerando energia elétrica. Atividades Compare a usina nuclear com uma termelétrica. Qual a reação nuclear envolvida nesse processo? O combustível nuclear é o urânio–238 “enriquecido”, cujo núcleo, quando bombardeado com nêu- trons, sofre uma clivagem em núcleos de menor número atômico, gerando também nêutrons e energia. Esse tipo de reação foi conhecida em 1938, com os estudos de Otto Hahn e Fritz Strassmann, cientistas alemães que trabalha- vam em pesquisas sobre a radioatividade. Nesse ano, Hahn e Strassmann isolaram um isótopo de bário (Z = 56) ao bombardearem um átomo de urânio com nêutrons. Esta descoberta era inédita, e os pesquisadores não sabiam como explicá-la. O entendimento de tal transfor- mação foi possível com os estudos de Lise Meitner, uma pesquisadora alemã, que concluiu que o átomo de urânio se clivava em dois outros átomos de menor número de prótons. Reações desse tipo são chamadas de fissão nuclear. Os estudos mostraram que o isótopo U-235 sofre fissão mais eficiente- mente. Porém, mais de 99% do urânio encontrado na natureza é do isótopo U- 238. Assim, foram desenvolvidas técnicas para separar o isótopo U-235 do U- 238, processo esse chamado de enriquecimento do urânio. O processo de fissão nuclear pode ser descrito pela equação: Compare a energia liberada nessa transformação com a liberada na queima do álcool combustível ou da gasolina. Urânio - ocorrência na natureza UO 2 - pechblenda; U 3 O 8 - uranita; Cu(UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 .8H 2 O - mica de urânio; K 2 (UO 2 ) (VO 4 ) 2 .3H 2 O - carnalita O Brasil possui a sexta maior reserva de urânio do mundo, com cerca de 309000 t de U 3 O 8 nos Estados do Ceará (142000 t), da Bahia (93200 t), Paraná e Minas Gerais, entre outras ocorrências. (Fonte: www.ambientebrasil. com.br/.../energia/ nuclear)   3. (Fuvest) Quando nêutrons atingem núcleos de átomos de nitrogênio com número de massa 14, há formação de átomos de carbono com o mesmo número de massa que o dos núcleos bombardeados. Qual é a equação nuclear completa dessa reação? (Z - C: 6, N: 7) RISCOS NO USO DA ENERGIA NUCLEAR Atualmente, os processos mais usados para se obter energia elétrica no mundo são: usinas hidrelétricas (uso da força da água represada para mover turbinas); usinas termoelétricas (uso de combustíveis fósseis para produzir vapor que move turbinas) e usinas nucleares (uso semelhante ao das termo- elétricas, mas que utilizam como combustível materiais radioativos liberando energia por fissão nuclear). Todos esses processos apresentam vantagens e desvantagens ao gerar energia elétrica. Geralmente, as desvantagens se rela- cionam a problemas ambientais como inundação de enormes áreas (hidrelé- tricas), produção de gases poluentes (termoelétricas) e armazenamento de “lixo atômico” (nucleares). Ao utilizarmos energia nuclear, também há riscos de contaminação do ambiente por material radioativo, tanto devido a problemas no transporte e manipulação do combustível nuclear, quanto a acidentes em usinas nucleares. Ainda há os resíduos radioativos que se formam na fissão, cujo destino não está resolvido até hoje. Um dos mais graves acidentes recentes de que se tem notícia foi o ocor- rido na usina de Chernobyl (Ucrânia), onde o reator contendo o combustível nuclear (urânio enriquecido U-235) explodiu, liberando na atmosfera uma nuvem radioativa que afetou uma grande área e, devido aos ventos, pode ser detectada em vários pontos do nosso planeta. O que mais se teme nesse tipo de acidente não são apenas os efeitos imediatos que essa radiação pode pro- vocar nos seres vivos, mas também o fato de que ela atua de forma invisível e durante muitos anos. Por que a duração dos efeitos da radiação pode ser de muitos anos? Os efeitos do lançamento de produtos radioativos da fissão nuclear na atmosfera duram muitos anos porque a transformação em material não radioativo pode ser muito demorada, e assim eles continuam a emitir ra- diação. Para se conhecer o tempo em que um material radioativo se desin- tegra, é comum se utilizar o tempo de “meia-vida” – tempo em que sua radiação cai à metade. Portanto, dependendo da quantidade de material lançado, a radiação emitida pode levar dezenas e até centenas de anos para se apresentar numa faixa que não provoque tantos danos. Esse tem- po de meia-vida pode ser entendido também como o tempo necessário para desintegrar a metade dos átomos radioativos existentes em uma dada amostra. A tabela ao lado mostra o tempo de meia-vida de alguns isótopos radioativos. Após o acidente de Chernobyl, foram detectados, por toda a Europa, mui- tos nuclídeos radioativos. Por exemplo, o estrôncio-90, que emite radiação β, foi detectado em baixa concentração. Esse nuclídeo tem características seme- lhantes às do cálcio, e por isso poderia se instalar nos ossos, causando muitos danos. Além deste, foram detectados iodo-131, césio-134, césio-137, telúrio- 132, entre outros. A Rosa de Hiro- shima VINÍCIUS DE MORAES Pensem nas crianças Mudas telepáticas Pensem nas meninas Cegas inexatas Pensem nas mulheres Rotas alteradas Pensem nas feridas Como rosas cálidas Mas oh não se esqueçam Da rosa da rosa Da rosa de Hiroshima A rosa hereditária A rosa radioativa Estúpida e inválida A rosa com cirrose A anti-rosa atômica Sem cor sem perfume Sem rosa sem nada. Meia-vida 4,5 x 109 anos 7,1 x 108 anos 30 anos 2,06 anos 5,26 anos 8 anos 28,1 anos 2,3 meses 3,0 segundos 18 meses 10,6 dias Isótopo    O iodo-131, que emite radiação γ na sua desintegração, foi o elemento que causou a curto prazo maior preocupação aos europeus, não só por sua meia-vida, mas também pela quantidade depositada. Este elemento, ao ser ingerido ou inalado, afeta a tireóide, podendo provocar uma radioatividade nesse órgão 100 vezes maior do que em qualquer outro órgão. O problema foi minimizado com a distribuição e o consumo de tabletes contendo iodo não radioativo, para saturar a tireóide, evitando sua absorção. Outros elementos preocupantes foram o césio-137 e o césio-134, que emi- tem radiação γ e, devido a sua vida mais longa e propriedades químicas seme- lhantes ao do potássio, poderiam se distribuir pelos músculos de todo o corpo. O Brasil também teve um sério acidente nuclear envolvendo o césio-137. Aconteceu em setembro de 1987, na cidade de Goiânia. Esse acidente se ini- ciou quando dois sucateiros encontraram uma cápsula de césio (utilizada no tratamento de câncer) abandonada no antigo prédio do Instituto Goiano de Ra- dioterapia e a levaram para ser vendida a um ferro-velho. No ferro-velho, as pessoas por curiosidade violaram a blindagem dessa cápsula e liberaram cerca de 19 g de cloreto de césio em pó, iniciando então a contaminação. Essa conta- minação afetou 249 pessoas, das quais 49 foram internadas. Destas, 21 tiveram tratamento médico intensivo, 10 ficaram em estado grave, uma teve o antebraço amputado e quatro morreram. Além disso, gerou-se no acidente cerca de 13 toneladas de lixo radioativo, que deverá ficar armazenado por pelo menos 300 anos, tempo necessário para o césio-137 decair dez meias-vidas e sua atividade radioativa atingir um valor próximo ao da radiação de fundo. USOS DE RADIOISÓTOPOS O ser humano vem usando os radioisótopos não só na produção de ener- gia, mas também para outros fins, tanto em pesquisa básica como em apli- cações tecnológicas. A seguir, temos alguns exemplos desse uso. Irradiação de alimentos A irradiação é uma técnica utilizada para conservar alimentos, redu- zindo as perdas devido a processos fisiológicos (brotamento, maturação e envelhecimento) e eliminando ou reduzindo microorganismos, para- sitas e pragas, sem prejudicar o alimento. Essa irradiação é feita, atual- mente, com equipamentos de cobalto-60 que emitem radiação γ ; ou seja, os alimentos são submetidos a essa radiação ionizante de forma contro- lada e por tempo limitado. Esse processo pode ser aplicado no alimento já embalado ou a granel. Essa radiação pode impedir a multiplicação de microorganismos que podem causar a deterioração dos alimentos, como bactérias e fungos, por meio da alteração de sua estrutura molecular. Também pode inibir a maturação de frutas e legumes, através de alterações nos processos fisiológicos dos tecidos da planta. Geral- mente, nesse processo há mínimas alterações químicas nos alimentos e nenhu- ma dessas alterações conhecidas são nocivas ou perigosas, tendo então a apro- vação da Organização Mundial da Saúde (OMS). De acordo com o CENA (Centro de Energia Nuclear na Agricultura/USP – Campus Piracicaba) há inúmeras van- tagens em irradiar alimentos sobre os métodos tradicionais de conservação de alimentos como apresentado a seguir. “– É um processo a frio que pode descontaminar alimentos congelados sem causar efeitos indesejáveis em sua propriedades organoléticas e físico-químicas. Atividade é o número de desintegrações nuclea- res de seus átomos por unidade de tempo. Uma das unidades que me- dem a atividade deno- mina-se curie (Ci), home- nagem a Madame Curie, descobridora do ele- mento rádio. Mas a uni- dade mais recente é o becquerel (Bq) que sig- nifica uma desintegração por segundo. 1 Ci = 3,7 . 1010 Bq Radiação de fundo é a radiação proveniente de substâncias que contém elementos como urânio, tório, rádio, polônio, radônio que podem ser encontradas natural- mente em diferentes quantidades em rochas, nas praias, nas águas do mar e rios e até mesmo na atmosfera. Cebolas irradiadas há seis meses (direita) e cebolas não irradiadas (esquerda) Fonte: <http://www.cena. u s p . b r / i r r a d i a c a o / irradiacaoalimentos.htm>   – Como a radiação tem elevado poder de penetração, o processo pode ser usado para tratar uma grande variedade de alimentos, numa considerável faixa de tamanhos e formas, com pouca ou nenhuma manipulação ou processamento. – Pode facilitar a distribuição e venda de frutas frescas, vegetais e carnes pelo aumento da vida útil desses produtos, sem alterar a sua qualidade. – Pode substituir os tratamentos químicos que deixam resíduos nos alimentos. – No caso de produtos avícolas, a irradiação oferece um método de custo efetivo para garantir ao consumidor proteção contra doenças transmitidas por alimentos, principalmente salmonelose e campilobacteriose. – Não aumenta a temperatura do alimento (pasteurização a frio). – Possibilidade de tratamento do alimento em embalagens que temem ca- lor e água. – Diminui o tempo de cozimento de certos alimentos, principalmente de- sidratados. – Permite atingir organismos (ovos e larvas de insetos, vermes etc.) dentro dos alimentos.” Fonte: <http://www.cena.usp.br/irradiacao/efeitos.htm> Datação Para estimar a idade do nosso planeta, utiliza-se um método de comparação das quantidades de urânio e chumbo presentes em minérios de urânio, que se presume existirem desde a formação da Terra. Esse processo se baseia no fato de o chumbo (Pb-206) presente nesses minérios ser formado pelo decaimento do isótopo urânio-238 através de várias emissões radioativas. Portanto, por essa análise, a idade da Terra parece ser de aproximadamente 2,8 . 109 anos. Assim como a meia-vida do urânio é utilizada para determinar a idade da Terra, a idade de fósseis pode ser verificada pela determinação da quantidade de isótopo carbono-14. Na natureza existem três isótopos do carbono, nas seguintes proporções: – cerca de 98,9% (não radioativo) – cerca de 1,1% (não radioativo) – cerca de 0,000001% ou 10 partes por bilhão (radioativo) O carbono-14 é formado na alta atmosfera devido a choques de nêutrons provenientes dos raios cósmicos com o nitrogênio do ar. Ele se desintegra emitindo radiação β, devolvendo o nitrogênio-14. A formação e a desinte- gração do carbono ocorrem na atmosfera quase com a mesma velocidade, mantendo então uma porcentagem constante desse elemento na atmosfera. Esse carbono-14 é incorporado pelas plantas, através do CO 2 atmosférico, para a realização da fotossíntese e, através das cadeias alimentares, vão sendo incorporados por outros seres vivos. Com isso, a proporção desse elemento permanece constante na atmosfera e em todos os seres vivos. Quando uma planta ou animal morre, pára de incorporar o elemento carbono e, portanto, a quantidade de carbono-14 começa a diminuir, caindo à metade a cada 5730 anos (tempo de meia-vida do carbono-14). Por isso, para se determinar a ida- de de um fóssil, encontra-se o teor de carbono-14 nele presente e, a partir da Unidade 5 Exercícios complementares 1. Analise as equações escritas a seguir. Indique quais representam pro- cessos endotérmicos. I- N 2 (g) + 3 H 2 (g) → 2 NH 3 (g) ∆H = - 92 kJ II- Cl 2 (g) → 2 Cl (g) ∆H = + 58 kJ III- H 2 O (g) + 286 kJ → H 2 (g) + ½ O 2 (g) IV- 2 H (g) → H 2 (g) + 436 kJ V- CaO (s) + H 2 O (l) → Ca(OH) 2 (s) + 65,2 kcal 2. Considere as informações da tabela Combustível Álcool Gasolina Poder calorífico (kJ/kg) 27200 40500 Densidade (kg/L) 0,80 0,70 Volatilidade menos volátil mais volátil Disponibilidade Obtido de cana de açúcar, recurso renovável Obtido do petróleo, recurso não renovável P r e ç o (R$) 0,99/L 2,09/L Consumo Menos eco- nômico Mais econô- mico a) O tanque de um carro tem 60 L de capacidade. Quantos litros de álcool combustível devem ser queimados para produzir a mesma quantidade de ener- gia que 60 L de gasolina? b) Além do poder calorífico, outros aspectos devem ser levados em conta para avaliar a eficiência de um combustível: a disponibilidade, o preço por litro, a volatilidade e o consumo. Tendo isso em vista, qual dos combustíveis é o mais eficiente, álcool ou gasolina? 3. São dadas as equações: 285 kJ + H 2 O (l) → H 2 (g) + ½ O 2 (g) 242 kJ + H 2 O (g) → H 2 (g) + ½ O 2 (g) Qual a quantidade de energia envolvida na transformação H 2 O (l) → H 2 O (g)? E na transformação H 2 O (g) → H 2 O (l)? Classifique as transformações citadas em endo ou exotérmicas.   4. A bactéria Acetobacter obtém energia para seu crescimento transfor- mando o etanol em acetaldeído e este em ácido acético. C 2 H 5 OH (l) + 1/2 O 2 (g) → CH 3 CHO (l) + H 2 O (l) ∆H= - 174 kJ/mol de C 2 H 5 OH CH 3 CHO (l) + 1/2 O 2 (g) → H 3 CCOOH (l) ∆H= - 318 kJ/mol de CH 3 CHO H 3 CCOOH(l) + 2O 2 (g) → 2CO 2 (g) + 2H 2 O (l) ∆H= +876 kJ/mol de H 3 CCOOH Quanta energia é mobilizada na transformação C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2 (g) → 2 CO 2 (g) + 3H 2 O (l) ∆H= ? 5. (UFMG) Metano, o principal componente do gás natural, é um impor- tante combustível industrial. A equação balanceada de sua combustão é: + 2 O=O → O=C=O + 2 Considerem-se, ainda, as seguintes energias de ligação, em kJ mol-1: E (C-H) = 416; E (C=O) = 805; E (O=O) = 498; E (O-H) = 464 Utilizando-se os dados anteriores, pode-se estimar que a entalpia de com- bustão do metano, em kJ mol-1, é: a) –2660 b) –806 c) –122 d) 122 e) 806 6. (Fuvest) Na corrosão do ferro ocorre a reação representada por: 2 Fe (s) + 3/2 O 2 (g) + x H 2 O (l) → Fe 2 O 3 . x H 2 O (aq) Nessa reação, há redução do: a) Fe, somente. b) O, somente. c) H, somente. d) Fe e do O. e) O e do H. 7. (Fuvest) A ação oxidante da atmosfera faz surgir Fe3+ em soluções onde se deseja ter apenas cátions Fe2+. Um modo conveniente de manter soluções de Fe2+ livres dessa contaminação consiste em adicionar às mesmas: a) Ag+ b) Zn2+ c) Ag d) Zn e) Fe (dados: consultar tabela 2 deste módulo, páginas 27 e 28) 8. (Unicamp - SP) O desenho abaixo representa o corte de uma pilha de manganês. Figura 1: Pilha de manganês As reações que ocorrem durante o funcionamento da pilha são: 2 MnO 2 (s) + 2 NH 4 + (aq) + 2 e- → Mn 2 O 3 (s) + 2 NH 3 (aq) + H 2 O (l) Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 e-    a) Qual é o oxidante nessa reação? b) Cite uma substância cuja quantidade diminui e uma cuja quantidade aumenta quando a pilha está funcionando. 9. (Vunesp) O íon magnésio está presente na água do mar em quantidade apreciável, o íon Mg2+ é precipitado da água do mar como hidróxido, que é convertido a cloreto por tratamento com ácido clorídrico. Após evaporação da água, o cloreto de magnésio é fundido e submetido à eletrólise. a) Escreva as equações de todas as reações que ocorrem. b) Quais os produtos da eletrólise e seus estados físicos? 10. Deseja-se distinguir, experimentalmente, o estanho do zinco. Para tal, foram feitos três experimentos: I. Determinou-se a densidade de um dos metais, a 20ºC, com margem de erro de 3%, e achou-se o valor 7,2 g/cm3 II. Colocou-se, separadamente, cada um dos metais em uma solução aquosa de ácido clorídrico, de concentração 1 mol/L. III. Colocou-se, separadamente, cada um dos metais em uma solução aquo- sa de sulfato ferroso, de concentração 1 mol/L. Para cada um dos experimentos, com base nos dados fornecidos, explique se foi possível ou não distinguir um metal do outro. Dados: Metal Densidade a 20ºC Eo red (Me2+/Me) (Me) (g/cm3) (V) Sn 7,29 -0,14 Zn 7,14 -0,76 Fe - -0,44 11. (Fuvest) O minério caliche, cujo principal componente é o salitre do Chile, contém cerca de 0,1%, em massa, de iodato de sódio (NaIO 3 ). A subs- tância simples I 2 pode ser obtida em um processo que envolve a redução des- se iodato com hidrogenossulfito de sódio (NaHSO 3 ), em meio aquoso. Nessa redução também são produzidos íons sulfato, íons H+ e água. a) Escreva a equação iônica balanceada que representa a formação de iodo nessa solução aquosa, indicando o oxidante e o redutor. b) Calcule a massa de caliche necessária para preparar 10,0 kg de iodo, pelo método acima descrito, considerando que todo o iodato é transformado em iodo. Dados: massas molares (g/mol) NaIO 3 - 198 I 2 - 254 12. (Fuvest) Quais as semelhanças e diferenças entre os isótopos de césio (estável) e (radioativo), com relação ao número de prótons, nêu- trons e elétrons?
Docsity logo



Copyright © 2024 Ladybird Srl - Via Leonardo da Vinci 16, 10126, Torino, Italy - VAT 10816460017 - All rights reserved