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Curso de Formação de Técnicos de Operação Jr do Abastecimento

2ª edição

Química Aplicada

Geral e Inorgânica

Índice METODOLOGIA CIENTÍFICA 06

(a) Observação e dados 06 (b) Leis 07

(c) Hipóteses e teorias 08 A MATÉRIA 10

(a) Volume, massa e inércia 10 (b) Estados da matéria 1

(c) Átomos e moléculas 13 (d) A distribuição eletrônica 19 (e) Classificação da matéria 23 TABELA PERIÓDICA 28 LIGAÇÕES QUÍMICAS 31

(a) Ligação iônica 3 (a.1) Substância iônica 34 (b) Ligação covalente 36

(b.1) Polaridade das ligações covalentes 39 (b.2) Substâncias moleculares e covalentes 41 (c) Ligações metálicas 43

(d) Número de oxidação 4 GASES 47

(a) Lei de Boyle-Mariotte: relação pressão x volume 47 (b) Lei de Charles: relação temperatura x volume 48 (c) Lei de Gay-Lussac das combinações dos volumes 48 (d) Equação de estado de um gás ideal 49 (d.1) Gases ideais x gases reais 50 (e) Propriedades de um gás 51 (e.1) Volume molar 52 (e.2) Densidade 52 (e.3) Lei de Dalton das pressões parciais para mistura de gases 5 (e.4) Difusão de um gás 5 (f) Mistura de gases 56 LÍQUIDOS 58 (a) Equilíbrio líquido-vapor 58 (b) Equilíbrio líquido-sólido 61 (c) Densidade relativa dos líquidos 62 SOLUÇÕES 63 (a) Concentração das soluções 64 (a.1) Concentração comum 64 (a.2) Concentração molar 65 (a.3) Molalidade 65 (a.4) Fração e percentagem molar 6 (a.5) Fração mássica 67 (a.6) Parte por milhão – ppm 67 (b) Densidade de misturas 67 (c) Solubilidade 68 (d) Propriedades coligativas 70 (d.1) Redução da pressão de vapor 71

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Índice (d.2) Elevação do ponto de ebulição – ebuliometria 74

(d.3) Diminuição do ponto de congelamento – crioscopia 74 (d.4) Pressão osmótica 74 (e) Fracionamento de Misturas 75 (e.1) Fracionamento de misturas heterogêneas 75 (e.2) Fracionamento de misturas homogêneas 7 FUNÇÕES INORGÂNICAS 79 (a) Ácidos e bases 82 (a.1) Classificação dos ácidos 86 (a.2) Nomenclatura dos ácidos 8 (a.3) Principais ácidos utilizados em uma refinaria 91 (a.4) Nomenclatura das bases 91 (a.5) Classificação das bases 92 (a.6) Principais bases utilizadas em uma refinaria 93 (a.7) Reações ácido-base 93 (a.8) Ação sobre indicadores 94 (b) Sais 94 (b.1) Nomenclatura dos sais 94 (b.2) Classificação dos sais 95 (b.3) Principais sais utilizados em refinarias 96 (c) Óxidos 96 (c.1) Nomenclatura dos óxidos 97 (c.2) Classificação dos óxidos 98 REAÇÕES QUÍMICAS 100 (a) A equação química 100 (a) Classificação das reações químicas 102 (b.1) Reação de oxirredução 102 (b.2) Reação de análise ou decomposição 103 (b.3) Reação de síntese ou composição 104 (b.4) Reação de deslocamento ou simples troca 104 (b.5) Reação de dupla troca 106 (b.6) Reação ácido-base 108 (b.7) Reação exotérmica e endotérmica 108 (b.8) Espontaneidade de uma reação 109 CINÉTICA QUÍMICA 1 (a) Influência da concentração na velocidade de reação 1 (b) Influência da temperatura na velocidade de reação 115 (c) Influência do catalisador na velocidade de reação 116 CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO 117 EQUILÍBRIO QUÍMICO 119 (a) Deslocamento do equilíbrio químico 119 (b) Constante de equilíbrio 122 (c) Equilíbrio iônico em solução aquosa 123 (c.1) Produto iônico da água 124 (c.2) A escala de pH – potencial hidrogeniônico 125 (c.3) Solução tampão 127

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Índice

(f)Bromo 140

ELETROQUÍMICA 128 (a) Pilhas ou células galvânicas 128 (b) Potencial–padrão de eletrodo 132 (c) Células eletrolíticas 135 ALGUNS ELEMENTOS IMPORTANTES E SEUS COMPOSTOS 136 (a) Hidrogênio 136 (b) Oxigênio 137 (c) Flúor 138 (d) Cloro 139 (e) Iodo 140 (g) Enxofre 140 (h) Nitrogênio 142 (i) Fósforo 143 (j) Alumínio 143 (l) Ferro 144 (m) Cobre 144 (n) Cromo 144 (o) Vanádio 145 (p) Titânio 145 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 146 ANEXO A 147 ANEXO B 152

METODOLOGIA CIENTÍFICA Tabela 1 - Dados experimentais para a formulação da Lei de Charles 07 A MATÉRIA Tabela 1 - Distribuição dos elétrons 20 Tabela 2 - Componentes e fases de alguns sistemas 27 TABELA PERIÓDICA Tabela 1 - Nomes dos grupos dos elementos representativos 30 LIGAÇÕES QUÍMICAS

Tabela 1 - Nox de alguns elementos 46 SOLUÇÕES

Tabela 1 - Exemplos de soluções 63 FUNÇÕES INORGÂNICAS Tabela 1 - Classificação quanto ao nº. de hidrogênios ionizáveis 87 Tabela 2 - Indicadores ácido-base 94 CINÉTICA QUÍMICA Tabela 1 - Cinética de reação 112 ELETROQUÍMICA Tabela 1 - Potenciais-padrão de eletrodo 133

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Índice

METODOLOGIA CIENTÍFICA Figura 1 - Esquema de desenvolvimento de um método científico 09 A MATÉRIA Figura 1 - Estrutura didática do átomo 14 Figura 2 - Eletrosfera e níveis atômicos 19 Figura 3 - Distribuição eletrônica 20 Figura 4 - Camada e elétron de valência do átomo de potássio (K) 21 Figura 5 - Clasificação da matéria 23 Figura 6 - Eletrólise da água 24 Figura 7 - Formas alotrópicas do carbono 25

Figura 8 - Gás liquefeito de petróleo (GLP), uma mistura de C3H8 e C4H10 26 TABELA PERIÓDICA

Figura 1 - Classificação periódica dos elementos 28 Figura 2 - Subnível mais energético de cada grupo da tabela periódica 29 LIGAÇÕES QUÍMICAS Figura 1 - Formação do sólido iônico 35 Figura 2 - Estrutura do NaCl 36 Figura 3 - Nuvem eletrônica em estrutura metálica 4 LÍQUIDOS Figura 1 - Gráfico de pressão de vapor para o éter dietílico, etanol e água 59 SOLUÇÕES Figura 1 - Variação da solubilidade com a temperatura 68 Figura 2 - Redução da pressão de vapor 71

Figura 3 - Pressão de vapor – (a) parcial para a substância 1; (b) parcial para a substância 2; e (c) total da solução 73

Figura 4 - Aparelhagem de laboratório para destilação fracionada 78 FUNÇÕES INORGÂNICAS Figura 1 - Ensaio de condutibilidade elétrica de soluções 80 REAÇÕES QUÍMICAS Figura 1 - Ordem de reatividade de metais e não-metais 105 CINÉTICA QUÍMICA Figura 1 - Cálculo da velocidade instantânea de uma reação 113 Figura 2 - Energia de ativação 115 EQUILÍBRIO QUÍMICO Figura 1 - Escalas de pH e pOH 126 ELETROQUÍMICA Figura 1 - Corrosão do ferro da esponja de aço 129 Figura 2 - Pilha ou célula galvânica de zinco/cobre 131

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[Metodologia científica

Todos os processos de desenvolvimento científico (e conseqüentemente tecnológico) são em sua grande maioria concebidos à luz do método científico. O método científico, como o próprio nome enaltece, é constituído de procedimentos rigorosos de observação e registro de dados, a partir dos quais hipóteses, teorias e leis são definidas, comprovadas, publicadas e utilizadas em busca do avanço da humanidade.

(a) Observação e dados

O processo do método científico tem início a partir da observação de algum fenômeno. Embora essas observações sejam algumas vezes acidentais, elas devem ser feitas sob condições rigorosamente controladas para terem validade dentro do método científico. Essas obser vações podem ser de cunho qualitativo ou quantitativo. As observações qualitativas não estão em busca de números ou quantidades, mas buscam observar outros aspectos, tais como cor, odor, liberação ou absorção de calor, reatividade ou não. Por exemplo, a química analítica qualitativa utiliza a caracterização de substâncias através da cor que elas apresentam após reagirem com substâncias já conhecidas. Por sua vez, as observações e testes quantitativos procuram quantificar com números os fenômenos observados. Pode- se, então, utilizar um instrumento para obter o valor numérico do comprimento de onda refletido por uma superfície que apresente uma cor e, dessa maneira, determinar exatamente (quantitativamente) a cor desta superfície.

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A seqüência do método científico se dá com os registros das observações, os quais são chamados de dados. É através dos dados que se pode definir uma lei ou basear a formulação de uma teoria. Os dados das observações quantitativas são freqüentemente dispostos em tabelas numéricas e podem também ser representados por relações matemáticas e gráficos. Para a ob- tenção de equações matemáticas, normalmente se lançam os dados tabela- dos em um gráfico, com base na curva traçada, obtém-se a equação utili- zando-se algum método matemático (geralmente métodos numéricos).

(b) Leis

A análise dos dados pode indicar uma relação intrínseca entre eles, que se revela através de uma tendência ou uma constante que os relaciona. Essas relações entre os dados são descritas como leis. Vamos tomar como exemplo a Lei de Charles. De acordo com essa lei, o volume de um gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta, sob pressão constante. Em outras palavras, um aumento na temperatura provoca um aumento no volume do gás, de acordo com uma constante. Observe a Tabela 1. Nessa tabela estão registrados os dados observados em sucessivos experimentos realizados com um gás, semelhantemente ao experimento de Charles. Nesse experimento, mostra-se que variando a temperatura de um gás contido em um recipiente, o volume que este gás ocupa é proporcional a essa variação de temperatura.

Tabela 1 – Dados experimentais para a formulção da Lei de Charles Experimento Temperatura (K) Volume (L) Temperatura/Volume (K/L)

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A razão entre a temperatura do gás e o volume ocupado por este gás é uma constante. Este mesmo experimento, realizado para outros gases, também mostrou que a razão mantinha-se constante. Essa conclusão sobre a relação entre os dados observados está enunciada sob a Lei de Charles.

(c) Hipóteses e teorias

Após a observação e registro de dados científicos, pode-se então procurar a relação entre eles e enunciar-se uma lei que descreva esse fenômeno. Entre- tanto, a lei não explica por que os eventos ocorrem dessa maneira. Então, o levantamento de hipóteses (tentativas de respostas ou previsões) é feito para explicar “Por quê?”, “Como?”, “Qual a razão desse resultado?”, observado para esse fenômeno. As respostas que se sustentam após vários experimentos são chamadas de teorias.

O sucesso de uma teoria reside no fato de ela conseguir prever, com certa confiabilidade, resultados de diferentes experimentos sob a mesma ótica para a qual foi desenvolvida. Caso os novos experimentos concordem com os resultados previamente prescritos pela teoria, esta é aceita e torna-se ainda mais confiável. Caso os resultados práticos observados não estejam de acordo com a teoria, esta é modificada para conseguir explicar os novos resultados ou então é inteiramente abandonada, sendo necessário o desenvolvimento de uma nova teoria.

A teoria, então, é constituída de um modelo, que busca primeiramente explicar os dados observados e posteriormente prever novos resultados. Dessa maneira, o método científico constitui-se de um processo lógico de descrição e compreensão da natureza, e o Homem, através da Química, Física e outras ciências, segue sua evolução. Temos, então, um ciclo fechado, como mostra a Figura 1, que apresenta as relações entre observações, dados, leis, teorias propostas e novos experimentos. Devemos considerar, no entanto, que por mais bem-sucedido e consistente que seja um modelo teórico, ele é apenas a descrição idealizada do fenômeno,

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QualificAbast 10 tendo sido formulado por pessoas, em uma determinada época, e não des- creve perfeitamente a realidade. Portanto, dependendo do avanço tecnológico, teorias que antes pareciam ilustrar a realidade podem ser superadas.

Figura 1 – Esquema de desenvolvimento de um método científico

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[A matéria

A matéria pode ser definida como tudo aquilo que ocupa lugar no espaço e que possui massa. Então, tudo que tenha volume e massa, por menores que sejam, é definido como matéria.

(a) Volume, massa e inércia

O conceito de massa é um pouco mais complexo que o conceito de volume. Volume, como bem sabemos, é o lugar geométrico que um corpo ocupa no espaço e pode ser definido em função dos eixos de coordenadas cartesianas.

A massa de um corpo exprime a capacidade deste mesmo corpo em se manter no estado de inércia. Inércia é a resistência de um corpo em modificar seu estado de repouso ou movimento uniforme na presença de uma força aplicada sobre si. Um objeto em repouso e um objeto em movimento com determinada velocidade e direção tendem a permanecer nessas condições indefinidamente. Desse modo, dois corpos com massas diferentes serão perturbados de maneira diferente (atingirão velocidades e alcance distintos) se sobre eles for aplicada uma força de igual intensidade e direção.

Através da observação, o célebre físico Isaac Newton descobriu que a força aplicada sobre um corpo é proporcional à aceleração experimentada por este corpo, tendo como constante de proporcionalidade a sua massa. Assim,

F = m.a onde m é a massa kg, a é a aceleração m/s2 e F é a força em N.

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A massa de um objeto é determinada através de instrumentos de medição que comparam o objeto a ser pesado (o termo pesado é erroneamente utilizado e a seguir será explicado o porquê) com um outro objeto ou conjunto de objetos com a massa já conhecida (um padrão). Esses instrumentos são as balanças, que são usadas em laboratórios (onde é necessário medir massas tão pequenas, que até a gordura presente nos dedos do analista, se em contato com o recipiente que contém o material a ser pesado, interfere no valor real), em indústrias (onde são necessários medir toneladas de materiais), passando pelo nosso dia-a-dia, quando, por exemplo, compramos batatas em um supermercado.

Como citado anteriormente, o conceito de massa ao longo dos tempos tem sido erroneamente confundido com o conceito de peso. Peso é a medida da força com que uma massa atrai a outra. Por exemplo, no planeta Terra, o peso de um objeto é a intensidade com que a força gravitacional da Terra atrai o objeto. O peso de um corpo depende então da massa do objeto a ser atraído, da massa da Terra e da distância que este corpo se encontra do centro da Terra. Um corpo tem no nível do mar um peso maior do que se estivesse no topo da mais alta montanha do mundo, o Monte Everest. Porém, a massa do corpo é a mesma. Dessa maneira, fica claro que os conceitos de massa e peso são diferentes e devem ser distinguidos de modo que quando essas grandezas forem mencionadas em um artigo ou na aprendizagem de um novo conceito, sejam compreendidas no seu sentido científico e não no sentido coloquial.

(b) Estados da matéria

As propriedades físicas dos corpos permitem que sejam definidos três estados físicos da matéria. Esses estados dependem basicamente das condições de temperatura e pressão sob as quais o corpo está submetido.

Sólidos: possuem forma e volume próprios, pois as moléculas que os constituem estão fortemente unidas por forças intermoleculares, organizadas na grande maioria dos sólidos em retículos cristalinos. Alterações na pressão e temperatura

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(desde que não haja transformação de estado físico) provocam pequenas modi- ficações de contração ou expansão, podendo ser em muitos casos desprezadas, dependendo da aplicação. Um sólido apresenta uma estrutura extremamente compacta, na qual as partículas estão fortemente ligadas.

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