BC0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA HIPÓTESE ATÔMICA. Hueder Paulo Moisés de Oliveira.

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1 BC0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA HIPÓTESE ATÔMICA Hueder Paulo Moisés de Oliveira 1

2 Calendário Semana Aulas expositivas 1 07/06 Introdução ao curso (Informações sobre provas, conceitos); Macro ao micro; Teoria atômica. 2 11/06 Teoria atômica (continuação). 14/06 Hipótese atômica; Equações químicas; Substâncias químicas 3 21/06 Comportamento dos gases; 2

3 Calendário Semana 4 25/06 Aulas expositivas Evidências do elétron. 28/06 Revisão de ondas; Radiatividade; Modelos atômicos. 5 05/07 Dualidade onda-partícula; Função de onda; 3

4 Calendário Semana 6 09/07 Aulas expositivas Orbitais atômicos; Spin do elétron, princípio da exclusão de Pauli e regras de seleção; 12/07 Prova /07 Átomos multi-eletrônicos; Distribuição eletrônica; Tabela periódica. 8 23/07 Ligações químicas (Parte I). 26/08 Interações Moleculares; 4

5 Calendário Semana Aulas expositivas 9 02/08 Ligações Químicas (Parte II): TLV e TOM /08 Prova 2 09/08 Prova Substitutiva 11 16/08 REC 5

6 Método Científico: Revisão 6

7 Precisão e Exatidão de Medidas Experimentais A incerteza na medida 1. Todas as medidas científicas estão sujeitas a erro; 2. Esses erros são refletidos no número de algarismos informados para a medida. Precisão e exatidão 1. As medidas que estão próximas do valor correto são exatas; 2. As medidas que estão próximas entre si são precisas. 7

8 Estados da Matéria 8

9 Hipótese Atômica O conceito de átomo antecede a ciência moderna: Origem na antiga Grécia; Discussão da divisibilidade de matéria; A partir do século XVII avanços da ciência na explicação de fenômenos naturais metodologia científica. 9

10 Hipótese na Antiquidade No séc. V e III a.c., conjecturou-se que a matéria seria composta de partículas minúsculas e indestrutíveis que caminham no vazio (vácuo). O filósofo grego Demócrito no século VI a. c. propôs a hipótese de que a matéria é composta de átomos, partículas muito pequenas, indivisíveis, indistingüíveis e eternas. As diferentes propriedades da matéria viriam dos diferentes tipos de arranjos que essas partículas fariam para compor o objeto. Demócrito (460 a.c-370 a.c) Leucipo Epicuro (341 a.c-270 a.c) Os átomos de várias formas 10

11 Conceito de Elementos Até o século XVII prevaleceu a ideia dos 4 elementos primordiais: Água; Fogo; Terra; Ar. Folha de papel: terra, pois a folha cai caso seja solta. Um pouco de água, o que a torna maleável. E, de fogo, pois sua cor é branca. 11

12 Conceito de Elementos Boyle define elementos como sendo certos corpos não formados por quaisquer outros corpos, ou seja, são ingredientes dos quais todos os corpos são feitos. Robert Boyle ( ) 12

13 Origens da Teoria Atômica e da Química Evolução da química: estudos qualitativos ciência exata, estudos quantitativos. Séc. XVIII: contribuição de Lavoisier para a sistematização e quantificação da química. Um elemento químico é a menor porção de uma substância que ainda apresenta as mesmas propriedades químicas e não pode ser subdividido e outros elementos. Antoine Lavoisier ( ) 13

14 Modelo Atômico de Dalton 1803: Lei dos Gases Lei de Dalton A pressão total de uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais dos gases que a constituem. P P P P total John Dalton ( ) Quantidade de gás absorvido pela água Gás 1/1 3 = 1 H 2 CO 3, H 2 S, N 2 O 1/2 3 = 1/8 C 2 H 4 1/3 3 = 1/27 O 2, N 2 Absorption of gases by water and others liquids 1/4 3 = 1/64 H 2, CO 2 14

15 Modelo Atômico de Dalton 1808: Lei de Dalton Se a massa m de uma substância química S pode combinar-se com as massas m 1, m 2, m 3 etc. de uma substância S, dando origem a compostos distintos, as massas da substância S estarão entre si numa relação de números inteiros e simples. New system of chemical philosophy 15

16 Modelo Atômico de Dalton Os átomos são partículas reais, descontínuas e indivisíveis de matéria, e permanecem inalterados nas reações químicas; Todos os átomos de um mesmo elemento apresentam as mesmas propriedades. Átomos de diferentes elementos químicos têm propriedades químicas diferentes; O peso do composto é igual à soma dos pesos dos átomos dos elementos que o constituem. Durante uma reação química, nenhum átomo de determinado elemento desaparece ou se transforma em um átomo de outro elemento. Os átomos apenas se reagrupam (lei da conservação de massas); Formam-se substâncias compostas quando se combinam átomos distintos de mais de um elemento. Num dado composto químico, os números relativos de átomos de cada elemento são definidos e constantes e podem expressar-se como inteiros ou frações simples (lei das proporções definidas e múltiplas). 16

17 Bases Experimentais para a Teoria Atômica 1) Lei da conservação das massas; 2) Lei das proporções definidas; 3) Lei das proporções múltiplas; 4) Lei das Combinações Volumétricas. 17

18 Lei da Conservação das massas A massa total é a mesma antes e após uma reação química Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma. CH O 2 CO H 2 O A conservação de massas é compatível com a ideia de que a matéria é composta por unidades básicas (átomos), que não são criados e nem destruídos durante uma transformação química, e sim apenas rearranjados. 18

19 Lei das Proporções Definidas Todas as amostras puras de um dado composto, independente de suas origens, contêm as mesmas massas relativas de cada componente elementar. proporções em termos de massa na água: 11,1 % de hidrogênio + 88,9 % de oxigênio O fato de as composições das substâncias serem bem definidas é compatível com a ideia de que elas são compostas por átomos de diferentes tipos. Diferentes átomos combinam-se em proporções definidas e cada tipo de átomo possui uma massa característica. 19

20 Lei das Proporções Múltiplas Se dois elementos formam mais de um composto, então os diferentes pesos de um deles que se combinam com o mesmo peso do outro guardam entre si uma razão de números inteiros simples. Ex.: oxigênio e enxofre formam dois compostos binários... composto 1: m O(comp 1) / m S = 1 composto 2: m O(comp 2) / m S = 1,5 m O(comp 1) /m O(comp 2) = 2/3... de fato, os compostos são SO 2 e SO 3, respectivamente. 20

21 Lei das Combinações Volumétricas Lei de Gay-Lussac: À pressão e temperatura constantes, os volumes de gases que se combinam quimicamente guardam entre si proporções simples. 1m³ de gás hidrogênio + 1m³ de gás oxigênio = 2m³ de vapor de água Louis Joseph Gay- Lussac ( ) 1m³ de gás nitrogênio + 3 m³ de gás hidrogênio 1m³ de gás hidrogênio + 1m³ de gás cloro = 2m³ de vapor de amônia = 2m³ de cloreto de hidrogênio 21

22 Hipótese de Avogadro (1811) Tem que ser admitido que uma relação muito simples também existe entre os volumes de substâncias gasosas e o número de moléculas simples ou compostas que as constituem. A primeira hipótese a se apresentar em relação a isso, e aparentemente a única admissível, é a suposição de que o número de moléculas integrantes em qualquer gás é sempre o mesmo para volumes iguais ou é sempre proporcional ao volume. Amedeo Avogadro ( ) Avogadro, A. Citado em Partington, J.R. A History of Chemistry: London: MacMillan, 1964, v. 4, p

23 Lei dos Gases (tema da próxima aula...) Lei de Boyle: Lei de Charles: Lei de Avogadro: Podemos combiná-las em uma lei geral dos gases: 23

24 Quantidade de Matéria e Conceito de Mol 1 mol de átomos = 6, átomos constante de Avogadro (número de átomos presentes em 12 g de 12 C) Unidades Básicas do Sistema Internacional 24

25 Quantidade de Matéria e Conceito de Mol Espectrometria de massas Massa do carbono-12 igual a 1,99265x Portanto, o número de átomos presentes em 12 g de carbono-12 é: 1 mol de qualquer elemento, íons, ou moléculas, contém cada um 6,0221x10 23 átomos, íons e moléculas, respectivamente. 25

26 1 Mol de Átomos de Diversos Elementos 1 mol de átomos = 6, átomos C 12 g S 32 g Cu 64 g Pb 207 g Hg 201 g Número de grãos de areia numa quadra de vôlei de praia: ~

27 Reação Química Processo no qual uma ou mais substâncias se convertem em outras substâncias. Evidências: Formação de um gás a partir de líquidos ou sólidos; Formação de um sólido a partir de líquidos ou gases; Mudança de cor; Aparecimento de um cheiro característico; Variação de temperatura; Aparecimento de uma chama; Desaparecimento das substâncias iniciais. 27

28 Equações Químicas hidrogênio + oxigênio água 1 passo: representação de átomos e moléculas envolvidos na reação H + O H 2 O H 2 + O 2 H 2 O INCORRETO: as substâncias hidrogênio e oxigênio não são formadas por átomos isolados, e sim por moléculas diatômicas CORRETO: porém ainda incompleto (falta o balanceamento) 28

29 Equações Químicas hidrogênio + oxigênio água 2 passo: balanceamento da equação (encontrar a proporção entre os componentes, de modo que nenhum átomo seja criado nem destruído durante a reação química) H 2 + O 2 H 2 O 2 2 H 2 + O 2 2 H 2 O INCORRETO: H 2 O 2 representa a substância peróxido de hidrogênio, e não água H 2 + ½ O 2 H 2 O CORRETOS H 2 O 2 2 H 2 O 29

30 Estequiometria Relações de massa entre os componentes de uma reação química: CH O 2 CO H 2 O 1 mol 2 mol 1 mol 2 mol 16 g 2 32 g 44 g 2 18 g massa dos reagentes: 80 g massa dos produtos: 80 g LEI DA CONSERVAÇÃO DE MASSAS 30

31 Estequiometria Exemplo: Se forem reagidos 0,25 mol de gás oxigênio (O 2 ) com o gás hidrogênio (H 2 ), quantos mols de água (H 2 O) serão produzidos pelo ônibus espacial? 31

32 Estequiometria Resolução: A reação química dada é a seguinte: H 2(g) + O 2(g) H 2 O (l) Como pela lei da conservação de massas a quantidade de produtos deve ser igual a de reagentes, precisamos balancear a equação: 2H 2(g) + 1O 2(g) 2H 2 O (l) Pela reação química, podemos estabelecer a relação molar de O 2 para H 2 O: 1 mol de O 2 2 mol de H 2 O Agora basta encontrarmos quantos mols de H 2 O são produzidos com 0,25 mol de O 2 : 1 mol de O 2 2 mol de H 2 O 0,25 mol de O 2 x mol de H 2 O x = 0,5 mol de H 2 O 32

33 Estequiometria Exercício: (a) Que massa de óxido de ferro (III), Fe 2 O 3, presente no minério de ferro é necessário para produzir 10 g de ferro (Fe) ao ser reduzida por monóxido de carbono (CO) ao metal ferro e ao gás dióxido de carbono (CO 2 ) em um alto forno? (b) O dióxido de carbono produzido também deve ser monitorado para proteção do ambiente. Que massa de dióxido de carbono é liberada na produção de 10 g de ferro? Massas molares: Fe (56 g/mol), C (12 g/mol), O (16 g/mol). Resposta: 14,28 g de Fe 2 O 3. 33

34 Elemento Químico: Conceito IUPAC 1. Espécie de átomos, todos os átomos com o mesmo número de prótons no núcleo; 2. A substância química pura constituída por átomos com o mesmo número de prótons no núcleo. Às vezes, este conceito é chamado de substância elementar, distinta do conceito de elemento químico tal como definido no ítem 1. Usualmente, o termo elemento químico é usado para ambos os conceitos. 34

35 Substância Química Matéria de composição constante, caracterizada pelas entidades (moléculas, unidades de fórmula, átomos) de que é constituída. Propriedades físicas, como densidade, índice de refração, condutividade elétrica, ponto de fusão, etc caracterizam a substância química. Substâncias simples: formadas por átomos do mesmo elemento. 35

36 Substância Química Lei de Proust "Uma determinada substância composta é formada por substâncias mais simples, unidas sempre na mesma proporção em massa". Marcel Proust ( ) Substâncias compostas: formadas por dois ou mais elementos. 36

37 Mistura Formada por duas ou mais substâncias, cada uma delas sendo denominada componente. Como as misturas apresentam composição variável, têm propriedades como ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade diferentes daquelas apresentadas pelas substâncias quando estudadas separadamente. 37

38 Mistura Composição do ar: gás nitrogênio (N 2 ) = 78%; gás oxigênio (O 2 ) = 21%; gás argônio (Ar) = 1%; gás carbônico (CO 2 ) = 0,03%. Imagens: Química volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform. 38

39 Tipos de Misturas Fase: cada uma das porções que apresenta aspecto visual homogêneo (uniforme), o qual pode ser contínuo ou não, mesmo quando observado ao microscópio comum. 39

40 Tipos de Misturas Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase As misturas homogêneas são chamadas soluções; Alguns exemplos: água de torneira, vinagre, ar, álcool hidratado, pinga, gasolina, soro caseiro, soro fisiológico e algumas ligas metálicas; Além dessas, todas as misturas de quaisquer gases são sempre misturas homogêneas. 40

41 Tipos de Misturas Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases Alguns exemplos: água e óleo, areia, granito, madeira, sangue, leite, água com gás; As misturas formadas por n sólidos apresentam n fases, desde que estes sólidos não formem uma liga ou um cristal misto. Imagens: Química volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform. 41

42 Soluções versus Emulsões açúcar + água: moléculas individuais dispersas no solvente tamanho das partículas: ordem de 0,1 1 nm (moléculas pequenas) óleo + sabão + água: aglomerados de moléculas de óleo (pequenas gotas) dispersas em água tamanho das gotas: ordem de 50 nm 1 m 42

43 Efeito Tyndall EMULSÃO SOLUÇÃO 43

44 Efeito Tyndall espalhamento de luz John Tyndall ( ) 44

45 Desafio: A ferrugem é uma mistura de dois compostos de ferro. Em uma peça de ferrugem foram analisados esses dois compostos e verificou-se dois arranjos possíveis de ferro, oxigênio e hidrogênio: (1) com 52.12% de ferro, 45.04% de oxigênio e 2.84% de hidrogênio; (2) com 62.20% de ferro, 35.73% de oxigênio e 2.25% de hidrogênio (porcentagens de massa!). Identifique os compostos químicos e, como esses dados estão relacionados com a lei das proporções múltiplas? Massas molares em g/mol: Fe (56); O (16), H (1) 45