Capitulo 4 
Rea~5es em solu~5es 
aquosas e estequiometria 
de solu~5es 
Praticamente dois ter~os de nosso planeta SaDcober...
dade de cloreto de s6dio (NaCl) e dissolvida em grande quantidade de agua; 
par exemplo, a agua e 0 solvente, e 0 cloreto ...
Figura 4.3 (a) Dissolur;ao de um composto ianico. Quando um composto ianico se dissolve em agua, as moleculas de H20 
sepa...
HCl)sao eletr6litos fortes. Os eletr6litos fracos sao os solutos que existem em 
solu<;ao,na maio ria das vezes, na forma ...
Figura 4.4 A adi~ao de uma solu~ao incolorde iodeto de potassio (KI)a uma solu~aoincolor de nitrato de chumbo 
(Pb(N03)2) ...
A Tabela 4.1 resume as regras de solubilidade para compostos i6nicos comuns. Ela esta organizada de acordo com 
o anion no...
Rea~oes de dupla troca (metateses) 1 
Observe na Equa<;ao 4.5 que os cations nos dois reagentes trocam anions - 0 Mgz+ ter...
Uma equa<;ao ionica simplificada inclui apenas os ions e moleculas envolvidos diretamente na rea<;ao. A carga 
na rea<;ao ...
Figura 4.5 Algunsacidos 
(esquerda) e bases (direita) comuns 
encontrados em produtos 
domesticos. 
ANIMAS:0ES 
Introduc;a...
Em segundo lugar, tres dos acidos mais fortes resultam da combina<;ao de urn Momo de hidrogenio e urn Momo de 
halogenio. ...
relacionados na Tabela 4.2 e sac acidos fracos. NH3 e a Unicabase fraca que abordaremos neste capitulo. (Existem 
composto...
HCl(aq) + NaOH(aq) ~ HP(l) + NaCl(aq) 
(,kido) (base) (agua) (sal) 
A agua e 0 sal de cozinha, NaCl, saDos produtos da rea...
Solu~ao 
Analise: dadas as f6rmulas quimicas para urn acido e urna base, pede-se escrever a equac;ao quimica balanceada e ...
Equa9iio molecular: 
HCl(aq) + NaHC03(aq) ~ NaCl(aq) + HzO(l) + CO2(g) 
Equa9iio ionica simplificada: 
H+(aq) + HC03-(aq) ...
Figura 4.11 A corrosao nos 
terminais de uma bateria, causada 
pelo ataque ao metal, provocada 
pelo acido sulfurico. 
imp...
(a) 0 numero de oxida(ao do oxigenio normalmente e -2 tanto em com-postos 
ionicos como moleculares. A principal exce<;aoe...
Figura 4.13 Muitos metais, 
como 0 magnesio mostrado aqui, 
reagem com acidos para formar 
gas hidrogenio. As bolhas SaD 
...
Quando urn metal e oxidado, ele parece ser destruido a medida que reage para formar varios compostos. A oxida- 
~aoextensi...
Figura 4.14 Quando 0 cobre metalico e colocado em uma solw,:ao de nitrato de prata (a), ocorre uma rear,:ao redox, 
forman...
o DurOe conhecido desde os registros mais antigos da 
existencia humana. Ao longo da Hist6ria, as pessoas tern 
apreciado ...
Capitulo 10 
Gases 
Nos ultimos capftulos, aprendemos sobre estruturas eletronicas 
dosMomos e a maneira como estes se com...
ve que todos esses gases sao compostos unicamente de elementos nao-metalicos. Alem disso, todos tern f6rmulas 
moleculares...
Pressao atmosferica e 0 bar6metro 
Voce,eu, as cocos e as moleculas de nitrogenio, todos sofrem for<;aatrativa que nos imp...
Vacuo~ 
Hg 
Pressao 
atmosferica 
Figura 10.2 Bar6metro de 
mercurio. A pressao da atmosfera 
na superficie do mercurio 
(...
masvezes, um dispositivo chama do manometro. Um manometro opera baseado em um principio similar ao baro-metro, 
como mostr...
o cora<;aohumano bombeia sangue para as outras partes 
do corpo pelas arh~rias,e 0 sangue retorna ao cora<;aopelas 
veias....
Pressao 
atmosferica 
Pressao 
atmosferica 
Figura 10.6 Ilustrac;ao do 
experimento de Boyle. Em (a) 0 
volume de gas pres...
Figura 10.8 A medida que 
nitrogenio liquido (-196°C) e 
derramado sobre um balao, 0 gas no 
balao e resfriado e seu volum...
Dois volumes 
de hidrogenio 
Urn volume 
de oxigenio 
Dois volumes de 
vapor de agua 
Volume 22,4 L 22,4 L 22,4 L 
Pressao...
Resolu~ao: (a) Aquecer 0 gas man tendo a posi<;aodo pistao nao provocara varia<;aono numero de molt~culaspor uni-dade 
gas...
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  1. 1. Capitulo 4 Rea~5es em solu~5es aquosas e estequiometria de solu~5es Praticamente dois ter~os de nosso planeta SaDcobertos por agua, a substancia mais abundante no organismo. Sendo a agua tao comum, temos a tendencia de considerar triviais suas propriedades quimicas e fisicas. Entretan-to, veremos repetidamente por todo 0 livro que ela possui muitas propriedades nao-usuais, essenciais a vida na Terra. Uma das propriedades mais importantes da agua e a capacidade de disso-lw; ao de grande variedade de substancias. Por essa razao, a agua, na natureza, quer seja a mais pura agua potavel de uma torneira ou de uma fonte limpida da montanha, con tern invariavelmente vasto numero de substancias dissolvi-das. As solw;6es nas quais a agua e 0 solvente SaDchamadas soluoes aquosas. Muitas das rea<;:6esquimicas que ocorrem em nos e ao nosso redor envol-vem substancias dissolvidas em agua. Os nutrientes dissolvidos no sangue SaD transportados para as celulas, onde participam de rea<;:6esque ajudam a nos manter vivos. As pe<;:asdos auto move is enferrujam quando ficam em contato frequente com solu<;:6esaquosas que contem varias substancias dissolvidas. Cavernas maravilhosas de calcario (Figura 4.1) SaDformadas pela a<;:aode dis-solu<;: aoda agua subterranea que con tern dioxido de carbono, CO2(aq): Vimos no Capitulo 3 alguns exemplos de tipos de rea<;:6esquimicas e como estas SaDdescritas. Neste capitulo continuaremos examinando essas rea<;:6es nos atendo as solu<;:6esaquosas. Grande parte das rea<;:6esquimicas imp or tan-tes ocorre em solu<;:6esaquosas, sendo necessario entender 0 vocabulario e os conceitos usados para descrever e compreender esse assunto. Alem disso, am-pliaremos os conceitos de estequiometria aprendidos no Capitulo 3 abordan-do a forma de expressar as concentra<;:6esde solu<;:6ese de usa-las. 4.1 Propriedades gerais das solu~6es aquosas So]uriio e uma mistura homo gene a de uma ou mais substancias. Clml> (Se- <;:ao1.2) A substancia presente em maior quantidade e normalmente chama-da solvente. As outras substancias na solu<;:aoSaDconhecidas como solutos, e dizemos que elas estao dissolvidas no solvente. Quando uma pequena quanti- • Come<;amos examinando a natu-reza das substancias dissolvidas em agua, se existem em agua na forma de ions, de moleculas au de uma mistura das duas. Essa informa<;ao e necessaria para que se entenda a natureza dos rea-gentes em solu<;oes aquosas. • Tres tipos principais de proces-sos ocorrem em solu<;ao aquosa: rea<;oes de precipita<;ao, de aci-do- base e de oxirredu<;ao. • Rearoes de precipitarao sao aque-las nas quais rea gentes soluveis geram urn produto insoluvel. • Rearoes acido-base sao aquelas em que ions H+ sao transferidos en-tre os reagentes. • Rearoes de oxirredurao sao aque-las nas quais eletrons sao trans-feridos entre os rea gentes. • Rea<;oes entre ions podem ser representadas por equaroes ionicas que mostram, por exemplo, como os ions podem se combinar para formar precipitados, ou como sao removidos da solw;ao ou mudam de alguma outra maneira. • Depois de examinar os tipos comuns de rea<;oes quimicas e como estas sao reconhecidas e descritas, abordaremos como as cOl1centraroes de solu<;oes podem ser expressas. • Concluimos 0 capitulo exami-nando como os conceitos de este-quiometria e concentra<;ao po-dem ser usados para determinar as quantidades e concentra<;oes de varias substancias.
  2. 2. dade de cloreto de s6dio (NaCl) e dissolvida em grande quantidade de agua; par exemplo, a agua e 0 solvente, e 0 cloreto de s6dio, 0 soluto. Propriedades eletroliticas Imagine-se preparando duas solw;:6es aquosas - uma dissolvendo uma cather de cha de sal de cozinha (clore to de s6dio) em uma xicara de agua, e ou-tra dissolvendo uma collier de a<;:ucar refinado (sacarose) em uma xicara de agua. Ambas as solu<;:6es sac limpidas e incolores. Em que elas diferem? Vma diferen<;:a,que nao e imediatamente 6bvia, e a respeito de suas condutividades eletricas: a solu<;:ao de sal e boa condutora de eletricidade, enquanto a solu<;:ao de ac;:ucarnao e. Pode-se determinar se uma solu<;:ao conduz ou nao eletricidade usando-se urn dispositivo como 0 mostrado na Figura 4.2. Para acender a lampada, a cor-rente eletrica deve fluir entre os dois eletrodos imersos na solu<;:ao. Apesar de a agua por si s6 nao ser urn born condutor de eletricidade, a presen<;:a de ions faz comque as solu<;:6es aquosas sejam bons condutores. Os ions transportam car-ga eletrica de urn eletrodo para outro, fechando 0 circuito. Portanto, a conduti-vidade das solu<;:6es de NaCl indica a presen<;:a de ions na solu<;:ao, e a falta de condutividade da sacarose, a ausencia de ions. Quando NaCl se dissolve em agua, a solu<;:ao contem ions Na+ e Cr, cada urn rodeado por moleculas de agua. Quando a sac arose (C12H220n) se dissolve em agua, a solu<;:ao contem apenas moleculas neutras de sac arose rodeadas por moleculas de agua. Uma substancia (como NaCl) cujas soluc;:6es aquosas contem ions e cha-mada eletr6lito. Vma substancia (como C12H22011) que nao forma ions em solu<;:aoe chamada nao-eletr6lito. A diferen<;:a entre NaCl e C12H22011 deve-se em grande parte ao fato de 0 NaCI ser i6nico, enquanto C12H22011 e molecular. Figura 4.1 Quando 0 CO2 se dissolve em agua, a soluc;:ao resultante e ligeiramente acida. As cavernas de calcario sac formadas pela ac;:aode dissoluc;:ao dessa soluc;:aoacida agindo no CaC03 do calcario. MODElOS 3-D C1oreto de s6dio, Sacarose ANIMA<;:AO Eletr61itos e nao-eletr6litos Figura4.2 Dispositivo para detectar Ions em soluc;:ao.A capacidade de uma soluc;:aopara conduzir eletricidade depende do numerode Ions que ela contem. (a) Uma soluc;:aode nao-eletr6litos nao contem Ions e a lampada nao acende. (b e c) Uma soluc;:aode eletr61itos contem Ions que servem como transportadores de carga e fazem com que a luz acenda. Se a soluc;:ao contem poucos Ions, a lampada apresenta brilho traco, como em (b). Se a soluc;:aocontem muitos Ions, a lampada brilha intensamente, como em (c).
  3. 3. Figura 4.3 (a) Dissolur;ao de um composto ianico. Quando um composto ianico se dissolve em agua, as moleculas de H20 separam, circulam e dispersam os ions no liquido. (b) 0 metanol, CH30H, um composto molecular, dissolve-se sem formar ions. As moleculas do metanol podem ser encontradas nas esferas pretas, que representam os Momos de carbono. Tanto no item (a) como no (b), as moleculas de agua foram afastadas para que as particulas do soluto sejam vistas mais nitidamente. Compostos i6nicos em agua Lembre-se da Se~ao2.7 e, principalmente, da Figura 2.23- 0 NaCl consti-tui- se de urn arranjo ordenado de ions Na+ e cr. Quando NaCl se dissolve em agua, cada ion se separa da estrutura cristalina e se dispersa por toda a solu- ~ao, como mostrado na Figura 4.3 (a).°s6lido ionico dissocia-se em seus ions constituintes it medid a que se dissolve. ANIMA<;:Ao Dissolu~ao do NaCI em agua A agua e urn solvente muito eficaz para compostos i6nicos. Apesar de ser uma molecula eletricamente neutra, urn dos lados da molecula (0 Momo de 0) e rico em eletrons e possui carga parcial negativa. °outro lado (os ato-mos de H) tern carga parcial positiva. Os ions positivos (cations) sao atraidos pelo lado negativo de H20, e os ions negativos (anions) sao atraidos pelo lado positivo. A medida que urn composto ionico se dissolve, os ions ficam rodeados de moleculas de H20 como mostrado na Figura 4.3 (a). Esse processo ajuda a estabilizar os ions em solu~ao e previne que cations e anions se combinem novamente. Alem disso, como os ions e suas camadas circundantes de moleculas de agua podem se mover livremente, os ions tornam-se uniformemente dispersos por toda a solu~ao. Em geral podemos preyer a natureza dos ions presentes em uma solu~ao de urn composto ionico a partir do nome quimico da substancia. Sulfato de s6dio (Na2S04), por exemplo, dissocia-se em ions s6dio (Na+) e ions sulfato (Sot). Vocedeve ter em mente as f6rmulas e as cargas dos ions comuns (Tabelas 2.4e 2.5)para entender as formas nas quais urn composto ionico existe em solu~ao aquosa. Compostos moleculares em agua Quando urn composto molecular se dissolve em agua, a solu~ao normalmente comp6e-se de moleculas intac-tas dispersas pela solu~ao. Consequentemente, a maioria dos compostos moleculares sao nao-eletr6litos. Por exemplo, uma solu~ao de metanol (CH30H) em agua e inteira de moleculas de CH30H dispersas por toda a agua [Figura 4.3 (b)]. Entretanto, existem algumas substancias moleculares cujas solu~6es aquosas contem ions. A mais importante destas sao os acidos. Por exemplo, quando HCl(g) se dissolve em agua para formar acido cloridrico, HCl(aq), ele io-niza- se ou separa-se em ions H+(aq) e Cr(aq). Eletrolitos fortes e fracos Ha duas categorias de eletr6litos, fortes e fracos, que diferem na extensao de condu~ao de eletricidade. Os eletr6litos fortes sao os solutos que existem em solu~ao totalmente ou quase total como ions. Essencialmente todos os com-postos i6nicos soluveis (como NaCl) e alguns compostos moleculares (como FllME Eletrolitos fortes e fracos
  4. 4. HCl)sao eletr6litos fortes. Os eletr6litos fracos sao os solutos que existem em solu<;ao,na maio ria das vezes, na forma de moh~culas com apenas uma peque-na fra<;aona forma de ions. Por exemplo, em uma solu<;ao de acido acetico (HC2H302)a maio ria do soluto esta presente como moleculas de HC2H302. Apenas urna pequena fra<;aode HC2H302 esta presente como ions H+(aq) e C2H302-(aq). MODElOS 3-D Hel, Acido acetico Devemos ter muito cuidado para nao confundir a extensao na qual urn eletr6lito se dissolve com sua classifica- ~aocomo forte ou fraco. Por exemplo, HC2H302 e extremamente soluvel em agua, mas e urn eletr6lito fraco. o Ba(OH)2'por outro lade, nao e muito soluvel, mas a quantidade de substancia que se dissolve dissocia-se quase completamente, portanto 0 Ba(OH)2 e urn eletr6lito forte. Quando urn eletr6lito £raco,como 0 acido acetico, ioniza-se em solu<;ao,escrevemos a rea<;aoda seguinte maneira: A seta dupla significa que a rea<;aopode ocorrer em ambos os sentidos. Em determinado momenta, algumas senovamente para formar HC2H302.°balan<;oentre esses process os opostos determina os numeros relativos moh~culasde HC2H302 sao ionizadas para formar H+ e C2H302-.Ao mesmo tempo, os ions H+ e C2H302-combi-nam- deions e moleculas neutras. Ele tambem produz urn estado de equilibrio quimico que varia de urn eletr6lito £raco para outro. °equilibrio quimico e extremamente importante e dedicaremos os capitulos 15 a 17 para examina-lo emdetalhes. Os quimicos us am a seta dupla para representar a ioniza<;ao de eletr6litos fracos e uma seta unica para ioniza- ~aode eletr6litos fortes. Uma vez que 0 HCl e urn eletr6lito forte, escrevemos a equa<;ao para a ioniza<;ao do HCI comosegue: Aseta Unica indica que os ions H+e cr nao tern tendencia de se combinar novamente em agua para formar mo-leculas de HCl. as se<;6esposteriores come<;amos a olhar com mais detalhes como podemos usar a composi<;ao de urn com-posta para preyer se ele e urn eletr6lito forte, se e fraco ou urn nao-eletr61ito. Para 0 momento, e importante lem-brar apenas que compostos ionicos soluveis SaD eletr6litos fortes. Identificamos os compostos ionicos como sendo os constituidos de metais e nao-metais (como NaCl, FeS04 e Al(N03)3)' ou compostos contendo 0 ion amonio, NH/ (comoNH4Br e (NH4)2C03)' COMO FAlER 4.1 °diagrama a direita representa uma solu<;aode urn dos seguintes compostos: MgC12K, ClouK2S04. Qual solu<;aoemais bemrepresentada pelo diagrama? Solu~ao °diagrama mostra duas vezes mais cations que anions, consistente com a formula K,S04' PRATIQUE Sevoce tivesse que desenhar urn diagrama (como0mostrado a direita) repre-sentando as solu<;6esaquosas de cada urn dos seguintes compostos ianicos, quantos anions voce mostraria se 0 diagrama tivesse seis cations? (a) NiS04; (b)Ca(N03)2; (c)Na3P04; (d)A12(S04h. Respostas: (a) 6; (b) 12; (c) 2; (d) 9. 4.2 Rea~6es de precipita~ao AFigura 4.4 mostra duas solu<;6eslimpidas sendo misturadas, uma contendo nitrato de chumbo (Pb(N03)2) e a outra, iodeto de potassio (KI).A rea<;aoentre esses dois solutos da origem a urn produto amarelo insoluvel. As rea- ~6esque resultam na forma<;ao de urn produto insoluvel sac conhecidas como rea<;6es de precipita<;ao. Urn preci-pitado e urn s6lido insoluvel formado por uma rea<;aoem solu<;ao.Na Figura 4.40 precipitado e iodeto de chumbo (PbI2),urn composto que tern solubilidade muito baixa em agua:
  5. 5. Figura 4.4 A adi~ao de uma solu~ao incolorde iodeto de potassio (KI)a uma solu~aoincolor de nitrato de chumbo (Pb(N03)2) produz um precipitado amarelo de iodeto de chumbo (PbI2) que se assenta lentamente no fundo do bequer. ° FILME outro produto dessa rea~ao, nitrato de potassio, permanece em solu~ao. Rea~5esde precipita~ao As rea~6es de precipita~ao ocorrem quando certos pares de ions de cargas contrarias se atraem tao fortemente que formam um s6lido i8nico insoluvel. Para determinar se certas combina~6es de ions formam compostos insoluveis, devemos levar em conta algumas diretrizes ou regras que dizem respeito as solubilidades de compostos ionicos comuns. Regras de solubilidades para compostos ionicos Solubilidade de uma substancia e a quantidade dessa substancia que pode ser dissolvida em certas quantidade de solvente. Apenas 1,2 x 10-3 mol de PbI2 dissolve-se em urn litro de agua a 25°C. Em nossos estudos, qualquer substancia com solubilidade menor que 0,01 mol/L sera considerada insolUvel. Nesses casos, a atra~ao entre os ions de cargas contrarias no solido e muito grande para a molecula de agua separa-Ios por uma extensao consideravel, e a substancia permanece nao dissolvida na totalidade .. Infelizmente nao existem regras baseadas em propriedades fisicas simples tais como cargas ionicas para nos guiar na determina~ao de urn composto ionico em particular ser soluvel ou nao. Entretanto, observa~6es experi-menta is tern nos levado a regras para previsao da solubilidade de compostos ionicos. Por exemplo, os experirnen-tos mostram que todos os compostos ionicos comuns que contem 0 anion nitrato, N03-, sao soluveis em agua.
  6. 6. A Tabela 4.1 resume as regras de solubilidade para compostos i6nicos comuns. Ela esta organizada de acordo com o anion no composto, mas revela muitos principios importantes sobre cations. Observe que todos os compostos i8ni- CDS comuns de ions de metais alcalinos (grupo lA da tabela peri6dica) e de ions am8nio (NH4 +) sao soluveis em agua. TABELA 4.1 Regras de solubilidade em agua para compostos i6nicos comuns N03- C2H302- cr Br- :r sot Nenhuma Nenhuma Compostos de Ag+,Hgt e Pb2+ Compostos de Ag+,Hgt e Pb2+ Compostos de Ag+, Hgt e Pb2+ Compostos de sl+, Ba2+,Hg/+ e Pb2+ Compostos iOnicos insoluveis cot pot Off Exce~oes importantes Compostos de NH/ dos cations de metais alcalinos e ci+, Sl+e Ba2+ Compostos de NH4 +e dos cMions de metais alcalinos Compostos de NH4 +e dos cMions de metais alcalinos Compostos dos cMions de metais alcalinos e Ca2+, Sl+e Ba2+ COMO FAZER4.2 Classifique os seguintes compostos ionicos como soluveis ou insoluveis em agua: (a) carbonato de s6dio ( a2C03); (b) sulfa to de chumbo (PbS04). Solu~ao Analise: dados os nomes e f6rmulas de dois compostos ionicos, pede-se determinar se eles serao soluveis ou insoluve-is em agua. Planejamento: podemos usar a Tabela 4.1 para responder a pergunta, mas precisamos prestar aten~ao nos anions de cada composto porque a tabela e organizada por anions. Resolu~ao: (a) De acordo com a Tabela 4.1, a maioria dos carbonatos e insoluvel, mas carbonatos de cations de metais alcalinos (como 0 ion s6dio) sac uma exce~ao a regra; portanto, sac soluveis. Na2C03 e soluvel em agua. (b) A Tabela 4.1 indica que apesar de a maioria dos sulfatos ser soluvel, 0 sulfato de Pb'· e uma exceao. PbS04 e in-soluvel em agua. PRATIQUE Classifique os seguintes compostos como soluveis ou insoluveis em agua: (a) hidr6xido de cobalto(II); (b) nitrato de bario; (c) fosfato de amonio. Resposta: (a) insoluvel; (b) soluvel; (c) soluvel. Para determinar se urn precipitado e formado quando misturamos solw;:6es aquosas de dois eletr6litos fortes, devemos (1) observar os Ions presentes nos rea gentes, (2) considerar as posslveis combina<;6es de cations e anions e (3)usar a Tabela 4.1 para determinar se alguma dessas combina<;6es e insoluvel. Por exemplo, se formara urn precipi-tado quando solu<;6es de Mg(N03)2 e NaOH sac misturadas? Como tanto 0 Mg(N03)2 quanto 0 NaOH sac compos-tos i6nicos soluveis, ambos sac eletr6litos fortes. A rnistura de Mg(N03Maq) e de NaOH(aq) primeiro produz urna solu<;aocontendo os Ions Mg2+,N03-, Na+ e Off. Algum dos cations vai interagir com algurn dos anions para formar urn composto insoluvel? Alem dos reagentes, as outras possibilidades de intera<;ao sac Mg2+ com Off e Na+ com N03-. Pela Tabela 4.1 vemos que Mg(OH)2 e insoluvel e formara urn precipitado; entretanto, NaN03 e soltivel, logo Na+ e N03- permanecerao em solu<;ao. A equa<;ao balanceada para a rea<;ao de precipita<;ao e:
  7. 7. Rea~oes de dupla troca (metateses) 1 Observe na Equa<;ao 4.5 que os cations nos dois reagentes trocam anions - 0 Mgz+ termina com 0 Off e 0 Na+ termina com 0 N03-. As formulas quimicas dos produtos saG baseadas nas cargas dos ions - saG necessarios dois ions Off para produzir urn composto neutro com 0 Mgz+ e um N03- para produzir um composto neutro com 0 Na+. <Wl:) (Se<;ao 2.7) A equa<;ao so pode ser balanceada depois da determina<;ao das formulas quimicas dos produtos. As rea<;6es nas quais ions positivos e negativos parecem trocar contra-ions obedecem a seguinte equa<;ao geral: Tais rea<;6es san conhecidas como reac;:oes de dupla troca, ou reac;:oes de metatese. Rea<;6es de precipita<;ao obedecem a esse padrao, bem como muitas rea<;6es acido-base, como veremos na Se<;ao 4.3. COMO FAZER 4.3 (a) Determine qual 0 precipitado que se forma quando as solw;6es de BaClz e KZS04 sao misturadas. (b) Escreva a equac;ao quimica balanceada para a reac;ao. Solu~ao Analise: dados dois rea gentes i6nicos, pede-se determinar 0 produto insoluvel que eles formam. Planejamento: precisamos anotar os ions presentes nos rea gentes e trocar os anions entre os dois cations. Depois de escritas as formulas quimicas para esses produtos, podemos usar a Tabela 4.1 para determinar qual e insoluvel em agua. Conhecer os produtos tambem nos permite escrever a equac;ao balanceada para a reac;ao. Resolu~ao: (a) Os reagentes contem os ions Baz+,cr,K+e sot. Se trocamos os anions teremos BaS04 e KCl. De acordo com a Tabela 4.1, a maioria dos compostos de sot e soluvel, mas a de Baz+nao e. Logo, BaS04 e insoluvel e precipitara da soluc;ao. 0 KCl, ao contrario, e soluvel. (b) Do item (a) sabemos as formulas quimicas dos produtos, BaS04 e KCI. A equac;ao balanceada mostrando as fases e BaClz(aq) + KzSOiaq) ~ BaS04(s) + 2KCl(aq) PRATIQUE (a) Qual 0 composto que precipita quando as soluc;6es de FeZ(S04)3e LiOH saDmisturadas? (b) Escreva uma equac;ao balanceada para a reac;ao. (c) Misturando as soluc;6es de Ba(N03)z e KOH, havera formac;ao de precipitado? Respostas: (a) Fe(OH)3; (b) FeZ(S04Maq) + 6LiOH(aq) ~ 2Fe(OHMs) + 3LizSOiaq); (c) nao (ambos os produtos possiveis saDsoluveis em agua). Equa~oes ionicas Ao escrever equa<;6es quimicas para rea<;6es em solu<;ao aquosa, e uti! indicar explicitamente se as substancias dissolvidas estao presentes na maior parte como ions ou como moleculas. Vamos considerar a rea<;ao de precipita- <;aoentre Pb(N03)z e 2KI, mostrada anteriormente na Figura 4.4: Pb(N03Maq) + 2KI(aq) ~ PbIz(s) + 2KN03(aq) Uma equa<;ao escrita dessa forma, mostrando as formulas quimicas completas dos rea gentes e produtos, e cha-mada equac;:ao molecular porque mostra as formulas quimicas dos reagentes e produtos sem indicar seu carMer ionico. Como Pb(N03)z, KI e KN03 san todos compostos ionicos soluveis e, portanto, eletrolitos fortes, podemos escrever a equa<;ao quimica para indicar explicitamente os ions que estao em solu<;ao: Uma equa<;ao escrita dessa forma, com todos os eletrolitos fortes soluveis mostrados como ions, e conhecida como equac;:ao ionica completa. Observe que os K+(aq) e N03 -(aq) aparecem dos dois lados da Equa<;ao 4.7. Os ions que aparecem em formas iden-ticas, juntos tanto dos reagentes quanta dos produtos de uma rea<;ao ionica completa, saG chamados ions espectado-res. Eles estao presentes, mas nao tem papel dire to na rea<;ao. Quando os ions espectadores san omitidos na eqaa<;ao (eles cancelam-se como grandezas algebricas), dizemosque temos a equac;:ao ionica simplificada: Pb2+(aq) + 2l(aq) ~ PbI2(s) [4.8]
  8. 8. Uma equa<;ao ionica simplificada inclui apenas os ions e moleculas envolvidos diretamente na rea<;ao. A carga na rea<;ao e conservada; logo, a soma das cargas dos ions deve ser a mesma em ambos os lados de uma equa<;ao io-nica simplificada e balanceada. Nesse caso, somando a carga 2+ do cation com as duas car gas 1- dos anions, obte-mas zero, a carga do produto eletricamente neutro. Se todos os ions em uma equa~ao i8nica completa sao espectadores, naoocorre rea~ao. As equa<;oes ionicas simplificadas sao muito utilizadas para ilustrar as similaridades entre urn grande numero de rea<;oes envolvendo eletr6litos. Por exemplo, a Equa<;ao 4.8 expressa a caracteristica essencial de uma rea<;ao de precipita<;ao entre quaisquer eletr6litos fortes contendo Pb2 + e r: os ions Pb2+(aq) e naq) combinam-se para formar urn precipitado de PbI2. Portanto, uma equa<;ao ionica simplificada demonstra que mais de urn conjunto de rea-gentes pode levar it me sma rea<;ao simplificada. A equa<;ao completa, porem, identifica os reagentes rea is que par-ticipam da rea<;ao. As equa<;oes ionic as simplificadas tambem indicam que 0 comportamento de uma solu<;ao de eletr6lito depende dos varios tipos de ions que ela contem. Salu<;oesaquosas de KI e MgI2, por exemplo, compartilham varias similarida-des quimicas porque ambas contem ions r. Cada especie de ion tern suas pr6- prias caracteristicas que diferem muito das dos atomos que the deram origem. Os seguintes passos resumem 0 procedimento para escrever equa<;oes io-nicas simplificadas: 1. Escreva a equa<;ao molecular balanceada para a rea<;ao. 2. Reescreva a equa<;ao para mostrar os ions que se formam em solu<;ao quando cada eletr6lito forte soluvel se dissocia ou se ioniza nos seus ions constituintes. Apenas eletr6litos fortes dissolvidos em solu~ao aquosa SaD es-critos na forma i8nica. 3. Identifique e cancele os ions espectadores. ATIVIDADE Escrevendo reac;:6es i6nicas sim plificadas COMO FAZER 4.4 Escreva a equac;:aoionic a simplificada para a reac;:aode precipitac;:ao que ocorre quando as soluc;:6esde clore to de calcio e carbonato de s6dio saDmisturadas. Solu~ao Analise: objetivo e escrever uma equac;:aoionica simplificada para uma reac;:aode precipitac;:ao, dados os nomes dos re-agentes presentes na soluc;:ao. Planejamento: precisamos primeiro escrever as f6rmulas quimicas dos reagentes e produtos para determinar quais saDos produtos insoluveis. Escrevemos e balanceamos a equac;:aomolecular. Em seguida, escrevemos cada eletr6lito forte soluvel como ions separados para obter a equac;:aoionica completa. Finalmente, eliminamos os ions espectadores para obter a equac;:aoionic a simplificada. Resolu~ao: 0 clore to de calcio e composto de ions calcio, Ca2 aquosa da substancia e CaCl2(aq). °carbonato de 'calcio e composto de ions Na + e ions cot; portanto uma soluc;:ao do composto e Na2C03(aq). Nas equac;:6esmoleculares de reac;:6esde precipitac;:ao, anions e cations parecem trocar de contra-ions. Assim, colocamos Ca2 +, e ions cloreto, cr; conseqiientemente uma soluc;:ao + e cot juntos para dar CaCOy e Na + e cr juntos para dar NaCl. De acordo com as regras de solubilidade na Tabela 4.1, CaC03 e insoluvel e NaCl, soluvel. A equac;:aobalanceada e CaCl2(aq) + Na2C03(aq) ----c> CaC03(s) + 2NaCl(aq) Em uma equac;:aoionica completa, apenas os eletr6litos fortes soluveis (como compostos ionic os soluveis) saDescri-tos como ions separados. Como a designac;:ao (aq) lembra-nos, CaCl2, Na2C03 e NaCl estao todos dissolvidos em solu-c;: ao.Alem disso, saDeletr6litos fortes. CaC03 e urn composto ionico, mas nao e soluvel. Nao escrevemos a f6rmula de nenhum composto insoluvel na forma de seus ions componentes. Portanto, a equac;:aoionica completa e Ca2+(aq) + 2 Cqaq) + 2Na+(aq) + COt(aq) ----c> CaC03(s) + 2 Na+(aq) + 2Cqaq) cr e Na+ saD ions espectadores. Cancelando-os, obtemos a seguinte equac;:aoionic a simplificada: Ca2+(aq) + COt(aq) ----c> CaC03(s) Conferencia: podemos conferir 0 resultado vendo se tanto os elementos quanta a carga eletrica estao balanceados. Cada lado tern 1 Ca, 1 C e 3 0, e a carga liquida em cada lado e igual a O. Comentario: se nenhum dos ions em uma equac;:aoe removido da soluc;:aoou modificado de algum modo, todos serao ions espectadores e a reac;:aonao ocorrera. PRATIQUE Escreva a equac;:aoionic a balanceada para a reac;:aode precipitac;:ao que ocorre quando as soluc;:6esaquosas de nitrato de prata e fosfato de potassio saDmisturadas. Resposta: 3Ag+(aq) + POt(aq) ----c> Ag3P04(S)
  9. 9. Figura 4.5 Algunsacidos (esquerda) e bases (direita) comuns encontrados em produtos domesticos. ANIMAS:0ES Introduc;ao aos acidos aquosos, Introduc;ao as bases aquosas Figura 4.6 Uma molecula de Hp age como doadora de pr6ton (acido), e NH3, como receptor de pr6tons (base). Apenas uma parte do NH3 reage com H20; NH3 e urn eletr61itofraco. 4.3 Rea~6es acido-base Muitos <icidos e bases sac substancias industriais e domesticas (Figura 4.5), alguns deles importantes componentes dos liquidos bio16gicos. °<icido clorldrico, por exemplo, e nao s6 urn importante produto quimico industrial, mas tambem 0 principal constituinte do sueo gastrico do estomago. Os <icidos e bases sac eletr6litos comuns. Acidos Acidos sac substancias que se ionizam em solw;6es aquosas para formar ions hidrogenio, aumentando a concentra<;ao de ions H+(aq). Uma vez que 0 Momo de hidrogenio possui apenas urn eletron, H+e simplesmente urn pr6ton. Portanto, os <icidossac comumente chamados doadores de pr6tons. Os mode-los moleculares de tres <icidos comuns, HCt HN03 e HC2H302, estao mostra-dos na margem. As moleculas de diferentes <icidospodem ser ionizadas, produzindo dife-rentes numeros de ions H+. Tanto HCl como HN03 sac <icidosmonopr6ticos, as quais produzem urn H+por molecula de <icido.°<icidosulfurico, H2S04, e urn <icidodipr6tico, 0 que produz dois H+ por molecula de <icido.A ioniza<;ao do H2S04 e outros <icidos dipr6ticos acontecem em duas etapas: H2S04(aq) --'» H+(aq) + HS04-(aq) HS04-(aq) ~ H+(aq) + SOt(aq) [4.9] [4.10] Apesar de H2S04 ser urn eletr6lito forte, apenas a primeira ioniza<;ao e completa. Portanto, solu<;6es aquosas de <icidosulfurico con tern uma mistura de H+(aq), HS04'(aq) e SOt(aq). Bases Bases sac substancias que aceitam (rea gem com) ions H+. Elas produzem ions hidr6xido (OH-) quando dissolvidos em <igua.Compostos ionicos de hi-dr6xidos, como NaOH, KOH e Ca(OH)2' estao entre as bases mais comuns. Quando dissolvidos em <igua, dissociam-se em seus ions componentes, intro-duzindo ions Off na solu<;ao. Compostos que nao contem ions OH' podem tambem ser bases. Par exemplo, a amonia (NH3) e uma base comum. Quando adicionada a <igua,acei-ta urn ion H+ da molecula de agua e, consequentemente, produz urn ion OH- (Figura 4.6): Como apenas uma pequena fra<;aode NH3 (aproximadamente 1%) forma ions NH4 +e Off, a amonia e urn eletr6lito fraco. Acidos e bases fortes e fracos Os <icidose bases que sac eletr6litos fortes (completamente ionizados em solu<;ao) sao chamados acidos fortes e bases fortes. Os que sac eletr6litos fra-cos (parcialmente ionizados) sac chamados cicidos fracos e bases fracas. Os <icidos fortes sac mais reativos do que os fracos quando a reatividade de-pende tao·somente da concentra<;ao de H+(aq). Entretanto, a reatividade de urn <icidopode depender tanto do anion quanta do H+(aq). Por exemplo, <icido fluorldrico (HF) e urn <icidofraco (apenas parcialmente ionizado em solu<;ao aquosa), mas e muito reativo e ataca vigorosamente muitas substancias, inclu-sive 0 vidro. Essa reatividade deve-se a a<;aocombinada de H+(aq) e F(aq). A Tabela 4.2 relaciona os <icidos e bases fortes mais comuns. Voce deve memoriza-los. A me did a que examinar a tabela, observe primeiro que alguns dos acidos mais comuns, como por exemplo HCt HN03 e H2S04, sao fortes.
  10. 10. Em segundo lugar, tres dos acidos mais fortes resultam da combina<;ao de urn Momo de hidrogenio e urn Momo de halogenio. (Entre tanto, HF e urn acido fraco.) Em terceiro, a lista de acidos fortes e muito pequena. A maioria dos acidos e fraca. Em quarto lugar, as Unicas bases fortes comuns sao os hidr6xidos de Li+,Na+, K+, Rb+e Cs+(os metais alcalinos,grupo lA) e os hidr6xidos de Ca2+, Sr2+e Bi+ (os metais alcalinos terrosos mais pesados, grupo 2A). Esses sao os hidr6xidos metalicos soluveis mais comuns. A maioria dos outros hidr6xidos metalicos e insoluvel em agua.A base fraca mais comum e NH3, que reage com agua para formar ions Off (Equa<;ao 4.11). TABELA 4.2 Acidos e bases fortes comuns Cloridrico, HCl Bromidrico, HBr Iodidrico, HI Cl6rico,HCl03 Percl6rico, HCl04 Nitrico, HN03 Sulfurico, H2S04 Hidr6xidos dos metais do grupo lA (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH) Hidr6xidos dos metais mais pesados do grupo 2A (Ca(OH)2' Sr(OH)2' Ba(OH)2) COMO FAZER 4.5 Os seguintes diagramas representam solw;6es aquosas de tn2s acidos (HX, BY e HZ) com as moleculas de agua omiti-das por quest6es de clareza. Coloque-os em ordem decrescente de forc:;aacida. Solu~ao °acido mais forte e 0 que apresenta mai..sions H+e menos moleculas de acido nao dissociadas em soluc:;ao. Naturalmente, a ordem e HY > HZ > HX. HY e urn acido forte porque esta totalmente ionizado (nao existem moleculas de HY em soluc:;ao),enquanto os outros, HX e HY, sac acid os fracos, cujas soluc:;6esconsistem de uma mistura de moleculas e ions. PRATIQUE Imagine urn diagrama mostrando dez ions Na +e dez ions Off. Se essa soluc:;aofosse misturada com a de BY mostrada na figura acima, como seria 0 diagrama que representa a soluc:;aodepois de uma possivel reac:;ao?(Os ions H+reagirao com os ions Off para formar H20.) Resposta: 0 diagrama final mostrara dez ions Na+, dois ions Off, oito ions Y- e oito moleculas de H20. Identificando eletrolitos fortes e fracos Selembrarmos dos acidos e bases fortes comuns (Tabela 4.2) e tambem de queNH3 e uma base fraca, podemos fazer previs6es razoaveis sobre 0 com-portamento eletrolitico de urn grande numero de substancias soluveis em agua.A Tabela 4.3 resume nossas observa<;6es sobre eletr6litos. Para classifi-caruma ATiVIDADE Acidos fortes substancia soluvel como eletr6lito forte, eletr6lito £raco ou nao-eletr6lito, basta olhar a primeira coluna da tabelade cima para baixo e, depois, a linha correspondente. Primeiro nos perguntamos se a substancia e i6nica ou molecular. Se for i6nica, e urn eletr6lito forte. Se for molecular, perguntamos se e urn acido. Se e urn acido, confia-mosna lista memorizada da Tabela 4.2 para determinar se e urn eletr6lito forte ou fraco. Se urn acido nao esta rela-cionado na Tabela 4.2, provavelmente e urn eletr6lito fraco. Por exemplo, H3P04, H2S03 e HC7Hs02 nao estao
  11. 11. relacionados na Tabela 4.2 e sac acidos fracos. NH3 e a Unicabase fraca que abordaremos neste capitulo. (Existem compostos chamados aminas que sac relacionados com NH3e tambem sac bases moleculares, mas nao serao abor-dados antes do Capitulo 16.) Finalmente, qualquer subsHincia molecular que encontrarmos, neste capitulo, que nao seja acido ou NH3 fatalmente sera urn nao-eletr6lito. TABELA4.3 Resumo do comportamento eletrolftico de compostos i6nicos soluveis e moleculares comuns Eletr6lito forte Eletr6lito fraco Nao-eletr6lito IOnico Todos enhum Nenhum Molecular Acidos fortes Acidos fracos (H...) (ver Tabela 4.2) Bases fracas (NH3) Todos os outros compostos COMO FAZER4.6 Classifique cada uma das seguintes substancias dissolvidas como eletr6lito forte, eletr6lito fraco ou nao-eletr6lito: CaCl2, HN03, C2HsOH (etanol), HCH02 (acido f6rmico) e KOH. Solu~ao Analise: dadas varias f6rmulas quimicas, pede-se classificar cada uma das substancias como eletr6lito forte, eletr6lito fraco ou nao-eletr6lito. Planejamento: 0 caminho que escolhemos esta detalhado na Tabela 4.3. Podemos determinar se uma subsUincia e i6- nica ou molecular baseados em sua composi<;ao. Como vimos na Se<;ao2.7, a maior parte dos compostos ionic os que encontramos no texto e constituida tanto de metal como de nao-metal, enquanto a maioria dos compostos molecula-res e constituida apenas por nao-metais. Resolu~ao: dois compostos se encaixam nesse criterio para compostos ionicos: CaCl2 e KOH. Ambos sac eletr6litos fortes. Os tres compostos restantes sac moleculares. Dois, HN03 e HCH02, sac acidos. °acido nitrico, HN03, e urn <icidoforte comum (eletr6lito forte), como mostrado na Tabela 4.2. Como a maioria dos acidos e fraca, a melhor supo-si<; aoseria de que HCH02 e urn acido fraco (eletr6lito fraco). Isso esta correto. °composto molecular que resta, C2HsOH, nao e acido nem base; portanto, e nao-eletr6Iito. Comentario: apesar de C2HsOH ter urn grupo OH, ele nao e urn hidr6xido metalico; logo, nao e uma base. E, mais acertadamente, membro de uma classe de compostos organicos que tern liga<;6es C-OH conhecida como alco6is. CXD (Se<;ao2.9). PRATIQUE Considere as solu<;6es nas quais 0,1 mol de cada urn dos seguintes compostos e dissolvido em 1 L de agua: Ca(N03)2 (nitrato de calcio), C6H1206 (glicose), NaC2H302 (acetato de s6dio) e HC2HP2 (acido acetico). Coloque as solu<;6esem ordem crescente de condutividade eletrica, baseado no principio de que quanta maior 0 mimero de ions em solu<;ao, maior a condutividade. Resposta: C6H1206 (nao-eletr6Iito) < HC2H302 (eletr6lito fraco, existindo principalmente na forma de moleculas com poucos ions) < NaC2Hp2 (eletr6lito forte que fornece dois ions, Na + e C2H302-) < Ca(N03h (eletr6lito forte que fornece tres ions, Ca2+ e 2N03-) Rea~oes de neutraliza~ao e sais As solu<;6esde acidos e bases tern propriedades muito diferentes. as acidos tern sabor azedo, enquanto as ba-ses, sabor amargo2 . as acidos podem mudar a cor de certos corantes de maneira peculiar, diferentemente do efeito de uma base (Figura 4.7). a corante conhecido como tornassol, por exemplo, muda de azul para vermelho na pre-sen<; ade urn acido, e de vermelho para azul na presen<;ade uma base. Alem disso, solu<;6esacidas e basicas dife-rem nas propriedades quimicas em varios aspectos, que exploraremos neste e em capitulos posteriores. Quando uma solu<;ao de urn acido e a de uma base sac misturadas, ocorre uma reaao de neutralizaao. as produtos da rea<;aonao tern caracteristicas de solu<;6esacidas nem de solu<;6esbasicas. Por exemplo, quando 0 acido cloridrico e misturado a uma solu<;aode hidr6xido de s6dio, a seguinte rea<;aoocorre: 2 Provar solw;6es quimicas nao e uma boa prMica. Entretanto, todos n6s ja experimentamos acidos, como por exemplo acido asc6rbico (vitamina C), acido acetilsalicilico (aspirina), e acido citrico (em frutas citricas), e estamos acostumados com seu sabor azedo caracteristico. Sab6es, que sac basicos, tern 0 sabor amargo caracteristico das solw;6es de base.
  12. 12. HCl(aq) + NaOH(aq) ~ HP(l) + NaCl(aq) (,kido) (base) (agua) (sal) A agua e 0 sal de cozinha, NaCl, saDos produtos da rea<;ao.Por analogia a essarea<;ao,0 termo sal significa qualquer composto i6nico cujo cation vem de uma base (por exemplo, Na+ de NaOH) e cujo anion vem de urn acido (por exemplo,cr de HCl). Em geral, uma rea(iio de neutraliza(iio entre um acido e um hidr6xido metalico produz agua e sal. Uma vez que HCI, NaOH e NaCl saD todos eletr6litos fortes soluveis, a equa<;ao i6nica completa associada com a Equa<;ao 4.12 e .-,1 .. Figura 4.7 0 indicador acido-base azul de bromotimol e azul em soluc;:6esbasicas e amarelo em soluc;:6esacidas. 0 frasco da esquerda mostra 0 indicador na presenc;:a de uma base, amenia aquosa (rotulado como hidr6xido de amenia). 0 frasco da direita mostra 0 indicador em presenc;:ade acido clorfdrico, HCI. A Equa<;ao 4.14 resume a caracteristica principal da rea<;ao de neutraliza- C;:30 entre urn acido forte e uma base forte: os ions H+(aq) e OH-(aq) combi-nam- se para formar H20. A Figura 4.8 mostra a rea<;aoentre 0 acido cloridrico e outra base, Mg(OH)2' 0 qual e insoluvel em agua. Uma suspensao branca leitosa de Mg(OH)2' chamada leite de magnesia, pode ser vista dissolvendo-se a medida que a reaC;:3doe neutraliza<;ao ocorre: Equa(iiomolecular: Equa(iioi8nica simplificada: Mg(OHMs) + 2HCl(aq) ~ MgCI2(aq) + 2HP(l) Mg(OHMs) + 2H+(aq) ~ Mg2+(aq) + 2Hp(l) [4.15] [4.16] Observe que os ions OH- (dessa vez em urn reagente solido) e os ions H+combinam-se para formar H20.Uma vezque os ions trocam de contra-ions, as rea<;oesde neutraliza<;ao entre acidos e hidroxidos metalicos saDtambem reac;:oesde metatese. Figura4.8 (a) 0 leite de magnesia e uma suspensao de hidr6xido de magnesio, Mg(OH)is), em agua. (b) 0 hidr6xido de magnesio dissolve-se com a adic;:aode acido clorfdrico, HCI(aq). (c) A soluc;:aotransparente final contem MgCI2(aq), mostrado na Equac;:ao4.15. COMO FAZER 4.7 (a) Escreva uma equa<;ao quimica completa e balanceada para a rea<;ao entre solu<;6es aquosas de <icido acetico (HC2HPz) e hidr6xido de bario (Ba(OH)z)' (b) Escreva a equa<;ao ienica simplificada para essa rea<;ao.
  13. 13. Solu~ao Analise: dadas as f6rmulas quimicas para urn acido e urna base, pede-se escrever a equac;ao quimica balanceada e a equac;ao quimica simplificada para sua reac;ao de neutralizac;ao. Planejamento: como a Equac;ao 4.12 e a frase em italico que a segue indicam, reac;6es de neutralizac;ao formam dais produtos, H20 e urn sal. Examinemos 0 cation da base e 0 anion do acido para determinar a composic;ao do sal. Resolu{:ao: (a) °sal contera 0 cation da base (Ba2+)e 0 anion do acido (C2H302-). Portanto, a f6rmula do sal e Ba(C2H302)2'De acordo com as regras de solubilidade na Tabela 4.1, esse composto e soltivel. A equac;ao nao-balanceada para a reac;ao de neutralizac;ao e: HC2Hp2(aq) + Ba(OHMaq) ~ Hp(l) + Ba(C2Hp2Maq) Para balancear a equac;ao, devemos fornecer duas moleculas de HC2H302 para produzir dois ions C2H302- e prover dois ions H+ necessarios para combinar com os dois ions OI-r da base. A equac;ao balanceada e: 2HC2Hp2(aq) + Ba(OHMaq) ~ 2Hp(l) + Ba(C2Hp2Maq) (b) Para escrever a equac;ao ionica, devemos determinar se cada composto soluvel em soluc;6es aquosas e urn eletr6lito forte ou nao. °HC2HP2 e urn eletr6lito £raco (acido £raco), Ba(OHh e urn eletr6lito forte e Ba(C2H302)2tambem e urn eletr6lito forte. Portanto, a equac;ao ionica completa e: 2HC2Hp2(aq) + Ba2+(aq)+ 20I-r(aq) ~ 2HP(l) + Ba2+(aq)+ 2C2Hp2-(aq) Eliminando os ions espectadores, obtem-se: 2HC2Hp2(aq) + 20I-r(aq) ~ 2Hp(l) + 2C2Hp2-(aq) Simplificando os coeficientes, obtemos a equac;ao ionic a simplificada: HC2Hp2(aq) + OI-r(aq) ~ HP(l) + C2HP2-(aq) Conferencia: podemos determinar se a equac;ao molecular esta corretamente balanceada contando 0 numero de Ma-mos de cada tipo em ambos os lados da seta. (Existem dez H, seis 0, quatro C e urn Ba de cada lado.) Geralmente e mais facHconferir as equac;6es contando grupos: existem dois grupos C2H302, bem como urn Ba e quatro Momos de H adicionais e 2 Momos de °adicionais de cada lado da equac;ao. A equac;ao ionica simplificada confere porque os nu-meros de elementos de cada tipo e as cargas liquidas saD as mesmas em ambos os lados da equac;ao. PRATIQUE (a) Escreva uma equac;ao balanceada para a reac;ao de acido carbonico (H2C03) e hidr6xido de potassio (KOH). (b) Escreva a equac;ao ionica simplificada para essa reac;ao. Resposta: (a) H2C03(aq) + 2KOH(aq) ~ 2HP(l) + K2C03(aq); (b) H2C03(aq) + 20I-r(aq) ~ 2Hp(l) + COt(aq) (H2C03 e urn eletr6lito £raco, enquanto KOH e K2C03 sao eletr6litos fortes). Rea~oes acido-base com forma~ao de gas Existem muitas bases alem do OIr que rea gem com 0 H+ para formar compostos moleculares. Duas destas, para formar gases que tern baixas solubilidades em agua. °sulfeto de hidrogenio (H2S), a substancia que cia que podem ser encontradas em laboratorio, sac 0 ion sulfeto e 0 ion carbona to. Esses dois anions rea gem com aci-dos aos ovos podres seu cheiro putrido, forma-se quando urn acido como HCl(aq) reage com urn sulfeto metalico como Na2S: Equafiio molecular: 2HCl(aq) + Na2S(aq) ~ H2S(g) + 2NaCl(aq) Equafiio i8nica balanceada: 2H+(aq) + S2-(aq) ~ H2S(g) [4.17] [4.18] Os carbonatos e os bicarbonatos reagem com acidos para formar gas CO2, A rea<;ao de cot ou HC03- com urn acido produz primeiro 0 acido carbonico (H2C03). Por exemplo, quando acido cloridrico e adicionado ao bicarba-nato de sodio, ocorre a seguinte rea<;ao: °acido carbonico e instavel; se presente em solu<;ao em concentra<;oes suficientes, decompoe-se para formar CO2' que escapa da solu<;ao como urn gas. A decomposi<;ao de H2C03 produz bolhas de gas CO2, como mostrado na Figura 4.9. A rea<;ao total esta resu-mida nas seguintes equa<;oes:
  14. 14. Equa9iio molecular: HCl(aq) + NaHC03(aq) ~ NaCl(aq) + HzO(l) + CO2(g) Equa9iio ionica simplificada: H+(aq) + HC03-(aq) ~ HzO(l) + CO2(g) Tanto NaHC03 quanta Na2C03 saD usados como neutralizadores acidos em derramamentos de acidos. °sal bicarbonato ou carbona to e adicionado ate que a efervescencia causada pela forma<;ao do CO(g) pare. Algumas vezes 2 bicarbonato de s6dio e usado como antiacido para aliviar disturbios estoma-cais. Nesse caso, 0 HC03- reage com 0 acido do estomago para formar CO2(g). A efervescencia que ocorre quando comprimidos de Alka-Seltzer® saD adicio-nados a agua deve-se a rea<;ao de bicarbonato de s6dio e acido citrico. °estomago produz acidos para ajudar na cligesU'iodos ali-rnentos. Esses acidos, os quais incluem acido clorfdrico, con-tern aproximadamente 0,1 mol de H+ por litro de solw;ao. o estomago e 0 trato digestivo sac normalmente protegidos dos efeitos corrosivos do acido estomacal por urn revestimen-to mucoso. Entretanto, podem se desenvolver buracos nesse revestimento, permitindo que 0 acido ataque 0 tecido subja-cente, causando les6es dolorosas. Esses buracos, conhecidos comoulceras, podem ser causados pela secreC;aode acido em excessoou par urna fraqueza do revestimento digestivo. Estu-dos recentes indicarn, entretanto, que muitas Ulceras sac cau- Figura 4.10 Anti,kidos e inibidores acidos sac medicamentos comuns que podem ser vendidos sem prescri~aomedica. Tagamet HB®e Pepcid AC®sac inibidores de acidos e os demais produtos sac antiacidos. 4.4 Rea~6esde oxirredu~ao Figura 4.9 Os carbonatos reagem com acidos para formar 0 gas dioxido de carbono. Aqui 0 NaHC03 (solido branco) reage com acido c1oridrico;as bolhas contem CO2, sadas por infecc;6esbacterianas. Entre 10 e 20% dos norte-arne-ricanos sofrem de Ulcera em algum perfodo de suas vidas e muitos outros experimentarn indigest6es ocasionais ou azia devido ao usa ocasional de acidos digestivos. Podemos tratar 0 problema do excesso de acido estomacal de dois modos simples: (1) removendo 0 excesso de acido ou (2) diminuindo a produC;aode acido. As substancias que removem o excesso de acido sac chamadas antiacidos, enquanto as que di-minuem a produC;aode acidos sac charnadas inibidores de acidos. A Figura 4.10 mostra varios medicarnentos comuns dos dois ti-pos que podem ser vendidos sem receita medica. Os antiacidos sac bases simples que neutralizam acidos. Sua capacidade de neutralizaC;ao se deve aos fons hidr6xi-do, carbonato ou bicarbonato que eles contem. A Tabela 4.4 relaciona os prindpios ativos de alguns antiacidos. A mais nova geraC;ao de medicamentos contra ulcera, como Tagamet® e Zantac®, e inibidora de acidos. Eles agem nas celulas produtoras de acido no revestimento do estoma-go. Desse modo, os medicamentos que controlam 0 acido nao podem ser vendidos sem prescriC;aomedica. TABELA4.4 Alguns antiacidos comuns Agentes neutralizadores de acidos Alka-Seltzer® Amphojel® Di-Gel® Leite de magnesia Maalox® Mylanta® Rolaids® Tums® NaHC03 AI(OHh Mg(OH)2 e CaC03 Mg(OH)2 Mg(OH)2 e AI(OH)3 Mg(OH)2 e AI(OH)3 NaAI(OH)2C03 CaC03 Em rea<;6es de precipita<;ao, cations e anions se unem para formar urn composto ionico insoluvel. Em rea<;6es de neutraliza<;ao, fons H+ e fons OH- se unem para formar moleculas de H20. Consideremos agora urn terceiro tipo
  15. 15. Figura 4.11 A corrosao nos terminais de uma bateria, causada pelo ataque ao metal, provocada pelo acido sulfurico. importante de rea~ao na qual eh?trons saG transferidos entre reagentes. Essas rea~6es saG chamadas rea~oes de oxirredu~ao, ou redox. Oxidas;ao e redus;ao A corrosao do ferro (ferrugem) e de outros meta is, como terminais de bate-ria automotiva, saG processos comuns. °que chamamos de corrosdo e a conver-saG de urn metal em composto metalico por uma rea~ao entre 0 metal e alguma subsHincia em seu ambiente. Ferrugem envolve a rea~ao do oxigenio com 0 ferro na presen~a de agua. A corrosao mostrada na Figura 4.11 resulta da rea- ~ao do acido da bateria (HzS04) com 0 metal da bra~adeira. Quando urn metal sofre corrosao, ele perde eletrons e forma dtions. Por exemplo, 0 dlcio e atacado vigorosamente por acidos para formar ions calcio (Caz+): Ca(s) + 2H+(aq) ~ Caz+(aq) + Hz(g) [4.23] Quando urn atomo, ion ou molecula se torna mais positivamente carrega-do (isto e, quando perde eletrons), dizemos que ele foi oxidado. A perda de ele-trans par uma substancia e chamada oxida~ao. Portanto, Ca, que nao tern carga, e oxidado (sofre oxida~ao) na Equa~ao 4.23, formando Caz +. °termo oxida~ao e usado porque as primeiras rea~6es desse tipo a ser ANIMA~OES Reac;6es de Oxirreduc;ao: parte I, Reac;6es de Oxirreduc;ao: parte 1 completamente estudadas foram rea~6es com oxigenio. Muitos meta is rea gem diretamente com 0 Oz no ar para formar 6xidos metalicos. Nessas rea~6es, 0 metal perde eletrons para 0 oxigenio, formando urn composto ionico de ion metalico e ion 6xido. Por exemplo, quando 0 dlcio metalico e exposto ao ar, a superficie metalica brilhante do metal emba~a a me did a que CaO se forma: Substancia Substancia oxida reduz (perde (ganha eletron) eletron) Figura 4.12 A oXidac;:aoe a perda de eletrons pela substancia; a reduc;:aoe 0 ganho de eletrons por ela. A oXidac;:aode uma substancia sempre e acompanhada pela reduc;:aode outra. Conforme Ca vai sendo oxidado na Equa~ao 4.24, 0 oxigenio e transforma-do da forma 0z neutro para dois ions OZ-.Quando urn atomo, ion ou molecula se torna mais negativamente carregado (ganha eletrons), dizemos que ele e re-duzido. 0 ganho de eletrons par uma substancia e chama do redu~ao. Quando urn reagente perde eletrons, outro tern de ganha-Ios; a oxida~ao de uma substancia e sempre acompanhada pela redu~ao de outra, ja que eletrons saG transferidos entre elas, como mostrado na Figura 4.12. Numeros de oxidas;ao Antes que possamos identificar devidamente uma rea~ao de oxirredu~ao, devemos obter uma forma de nos manter informados sobre os eletrons ganhos pela substancia reduzida e sobre os perdidos pela substancia oxidada. °con-ceito de numeros de oxida~ao (tambem chamado estados de oxida{:do) foi desen-volvido rea~6es. °mimero de oxida~ao de urn atomo em uma substancia e a carga real visando ser uma maneira simples de informa~ao sobre os eletrons em do atomo se ele for urn ion monoatomico; de outra forma, e a carga hipotetica assinalada ao atomo usando urn con-junto de regras. A oxida~ao ocorre quando ha aumento no numero de oxida~ao; a redu~ao, quando ha diminui~ao no numero de oxida~ao. Usamos as seguintes regras para assinalar numeros de oxida~ao: 1. Para um Mama na sua forma elementar a numero de oxida{:do e sempre zero. Assim, cada atomo de H na molecu-la de Hz tern urn numero de oxida~ao igual a 0, e cada atomo de P na mole cuI a de P4 tern urn numero de oxi-da~ ao igual a O. 2. Para qualquer ion monoat8mico a numero de oxida{:do e igual a carga do ion. Dessa forma, K+ tern numero de oxi-da~ ao de +1, Sz- tern urn estado de oxida~ao de -2 e assim por diante. Os ions dos metais alcalinos (grupo lA) sempre tern carga 1+ em seus compostos. Do mesmo modo, os metais alcalinos terrosos (grupo 2A) sac sempre +2 e 0 aluminio (grupo 3A) e sempre +3 em seus compostos. (Ao escrever numeros de oxida~ao, colocaremos 0 sinal antes do numero para distingui-Ios das cargas eletronicas reais, que acompanhara 0 numero primeiro.) 3. Geralmente os nao-metais tern numero de oxida~ao negativo, apesar de algumas vezes serem positivos:
  16. 16. (a) 0 numero de oxida(ao do oxigenio normalmente e -2 tanto em com-postos ionicos como moleculares. A principal exce<;aoe nos compos-tos chamados per6xidos, que contem 0 ion ot, dando a cada oxi- . genio um numero de oxida<;ao -1. ATIVIDADE Numeros de oxida~ao (b) 0 numero de oxida(ao do hidrogenio e +1quando ligado a nao-metais, e -1 quando ligado a metais. (c) 0 numero de oxida(ao dofluor e -1 em todos as compostos. Os outros halogenios tem numero de oxida<;ao -1na maioria dos compostos binarios. Quando combinados com 0 oxigenio, como em oxianions, entre-tanto, tem estados de oxida<;ao positivos. 4. A soma dos numeros de oxida(iio de tadas as atomos em um composto neutro e zero. A soma dos numeros de oxi-da( ao em um ion poliat8mico e igual a carga do ion. Por exemplo, no ion hidronio, H30+, 0 numero de oxida- <;aode cada hidrogenio e +1 e de cada oxigenio e -2. A soma dos numeros de oxida<;ao e 3(+1) + (-2) = +1, que e igual a carga liquid a do ion. Essa regra e muito uti! para obter 0 numero de oxida<;ao de um Momo em um composto ou ion se voce souber os numeros de oxida<;ao de outros Momos, como ilustrado em "Como fazer 4.8". COMO FAlER 4.8 Determine 0 estado de oxida~ao do enxofre em cada urn dos seguintes itens: (a) H2S; (b) S8;(c) SCI2; (d) Na2S03; (e) sot. Solu~ao (a) Quando ligado a urn nao-metal, 0 hidrogenio tern mimero de oxida~ao +1 (regra 3b). Uma vez que a molecula de H"Se neutra, a soma dos mimeros de oxida~ao deve ser igual a zero (regra 4). Fazendo 0 mimero de oxida~ao de S igual a x, temos 2(+1) + x = O. Logo, Stem mimero de oxida~ao -2. (b) Como essa e a forma elementar do enxofre, 0 mimero de oxida~ao de sea (regra 1). (c)Devido a ser urn composto binario, esperamos que 0 cloro tenha mimero de oxida~ao -1 (regra 3c).A soma dosnu-meros de oxida~ao deve ser igual a zero (regra 4). Igualando omimero de oxida~ao de Sax, temos x + 2(-1) = O. Conse-quentemente, 0 numero de oxida~ao de S deve ser +2. (d)°s6dio, urn metal alcalino, sempre tern numero de oxida~ao +1em seus compostos (regra 2).°oxigenio tern seu numero de oxida~ao comum -2 (regra 3a). Igualando 0 numero de oxida~ao de S a x, temos 2(+1)+ x + 3(-2) = O. Por-tanto, 0 numero de oxida~ao de S nesse composto e +4. (e)°estado de oxida~ao de °e -2 (regra 3a). A soma dos mimeros de oxida~ao e igual a -2, a carga liquida do ion sot (regra 4). Logo, temos que x + 4(-2) = -2. A partir dessa rela~ao, concluimos que 0 mimero de oxida~ao de S nesse ion e +6. Esses exemplos ilustram que 0 numero de oxida~ao de certo elemento depende do composto no qual ele aparece. Os numeros de oxida~ao do enxofre, como visto aqui, variam de -2 a +6. PRATIQUE Qual e 0 estado de oxida~ao dos elementos em destaque em cada urn dos seguintes itens: (a)P20S;(b)NaH; (c)Cr20/-; (d) SnBr4; (e) BaO/ Respostas: (a) +5; (b) -1; (c) +6; (d) +4; (e)-1. Oxida~ao de metais por acidos e sa is Existem varios tipos de rea<;6esredox. Por exemplo, rea<;6es de combustao sao rea<;6esredox porque 0 oxige-nioelementar e convertido em compostos de oxigenio. ©llC> (Se<;ao3.2) Neste capitulo, abordaremos as rea<;6esre-doxentre metais e acidos ou sais. No Capitulo 20 examinaremos tipos mais complexos de rea<;6es redox. A rea<;aode um metal com um acido ou com um sal metalico obedece ao seguinte padrao geral: Zn(s) + 2HBr(aq) -----'; ZnBr2(aq) + H2(g) Mn(s) + Pb(N03Maq) -----'; Mn(N03Maq) + Pb(s) Essas rea<;6es sao chamadas reac;6es de deslocamento porque 0 ion em solu<;ao e deslocado ou trocado pela oxida<;aode um elemento. Muitos metais sofrem rea<;6es de deslocamento com acidos, produzindo sais e gas hidrogenio. Por exemplo, omagnesio metalico reage com acido cloridrico para formar clore to de magnesio e gas hidrogenio (Figura 4.13). Paramostrar que ocorreu oxida<;ao e redu<;ao, 0 numero de oxida<;ao de cada Momo e mostrado embaixo da equa- ao quimica para essa rea<;ao:
  17. 17. Figura 4.13 Muitos metais, como 0 magnesio mostrado aqui, reagem com acidos para formar gas hidrogenio. As bolhas SaD produzidas pelo gas hidrogenio. Mg(s) + 2HCl(aq) ~ MgCl2(aq) + H2(g) I Iii o +1 -1 +2 -1 0 I I 1 I Observe que 0 numero de oxida<;ao do Mg muda de 0 para +2. 0 aumento no numero de oxida<;ao indica que 0 Momo perdeu eletrons; logo, foi oxidado. o ion H+ do acido diminui 0 numero de oxida<;ao de +1 para 0, indicando que esse ion ganhou eletrons e com isso foi reduzido. 0 numero de oxida<;ao do ion cr permanece -1 e e urn ion espectadar na rea<;ao. A equa<;ao ionic a simplifica-da e a seguinte: Os metais podem tambem ser oxidados por solu<;6es aquosas de varios sais. 0 ferro metalico, por exemplo, e oxidado a Fe2+ par solu<;6es aquosas de Ni2+, como Ni(N03Maq): Equa<;iiomolecular: Fe(s) + Ni(N03Maq) ~ Fe(N03Maq) + Ni(s) [4.28] Equa<;iio i8nica simplificada: Fe(s) + Ni2+(aq) ~ Fe2+(aq) + Ni(s) [4.29] A oxida<;ao do Fe para formar Fe2+ nessa rea<;ao e acompanhada pela redu- <;ao do Ni2+ aNi. Lembre-se: sempre que uma substancia Ii oxidada, alguma outra tem que ser reduzida. COMO FAZER 4.9 Escreva a equa~ao molecular e a equa~ao ionic a simplificada (ambas balanceadas) para a rea~ao de aluminio com aci-do bromidrico. Solu~ao Analise: devemos escrever a equa~ao para a rea~ao redox entre metal e acido. Planejamento: os metais reagem com acidos para formar sais e gas Hz. Para escrever a equa~ao balanceada, devemos escrever as f6rmulas quimicas para os dois reagentes e determinar a f6rmula do sal. 0 sal e constituido pelo cation far-mado pelo metal e pelo anion do acido. Resolu~ao: as f6rmulas dos reagentes dados saDAl e HBr. 0 cation formado pelo Al e Ae+, e 0 anion do acido bromi-drico e Br-. 0 sal formado na rea~ao e AlBr3. Escrevendo os reagentes e produtos para balancear a equa~ao, a seguir obtem-se: 2AI(s) + 6HBr(aq) ~ 2AlBr3(aq) + 3Hz(g) Tanto HBr quanto AlBr3 saDeletr6litos fortes sohiveis. Portanto, a equa~ao ionica completa e: 2AI(s) + 6H+(aq) + 6Br-(aq) ~ 2AI3+(aq) + 6Br-(aq) + 3H2(g) Como Br- e urn ion espectador, a equa~ao ionica simplificada e: 2AI(s) + 6H+(aq) ~ 2AI3+(aq) + 3H2(g) Comentario: a substancia oxidada e 0 aluminio metalico porque seu estado de oxida~ao mud a de a para +3 no cation, aumentando seu numero de oxida~ao. 0 H+ e reduzido porque seu estado de oxida~ao muda de +1 para a no Hz. PRATIQUE (a) Escreva a equa~ao molecular e a equa~ao ionica simplificada (ambas balanceadas) para a rea~ao entre 0magnesio e o sulfato de cobalto(II). (b) Qual sofreu oxida~ao equal sofreu redu~ao na rea~ao? Respostas: (a) Mg(s) + CoS04(aq) ~ MgS04(aq) + Co(s); Mg(s) + C02+(aq) ~ Mg2+(aq) + Co(s); (b) Mg e oxidado e C02 + e reduzido. Serie de atividade Podemos determinar se urn metal sera oxidado por urn acido ou par urn sal especifico? Essa e uma pergunta de suma importancia na pratica e de grande interesse quimico. De acardo com a Equa<;ao 4.28, por exemplo, nao seria sensato armazenar uma solu<;ao de nitrato de niquel em urn recipiente de ferro porque a ela dissolveria 0 recipiente.
  18. 18. Quando urn metal e oxidado, ele parece ser destruido a medida que reage para formar varios compostos. A oxida- ~aoextensiva pode levar ao mau funcionamento das pe<;as de metal de maquinarios ou a deteriora<;ao de estrutu-rasmetalicas. Diferentes metais variam na facilidade com que sac oxidados. 0 Zn e oxidado por solu<;6es aquosas de Cu2 +, por exemplo; Ag nao e. Portanto, Zn perde eletrons mais facilmente do que Ag, isto e, Zn e mais facil de oxidar do que Ag. Uma lista de metais dispostos em ordem decrescente de facilidade de oxida<;ao e chamada serie de atividade. ATabela 4.5 fornece a serie de atividade em solu<;ao aquosa para a maioria dos metais comuns. 0 hidrogenio tam-hem esta incluido na tabela. Os meta is no topo da tabela, como os alcalinos e os alcalinos terrosos, sac mais facil-mente oxidados, isto e, reagem mais facilmente para formar compostos. Eles sac chamados metais ativos. Os metais na base da serie de atividade, como os elementos de transi<;ao dos grupos 8B e 1B, sac muito estaveis e formam compostos com menos facilidade. Esses metais, usados para fazer moedas e j6ias, sac chamados metais nobres por-que apresentam baixa reatividade. TABELA 4.5 Serie de atividade de metais em solu~ao aquosa FllME Quimieade oxirredu~aodo estanho e do zineo Metal Rea"ao de Oxida"ao Utio Li(s) ~ Li+(aq) + e Potassio K(s) ~ K+(aq) + e Bario Ba(s) ~ ATIVIDADE Ba2+(aq) + 2e- Rea,,5esde preeipita~ao,redox Calcio Ca(s) ~ Ca2+(aq) + 2e- e neutraliza~ao S6dio Na(s) ~ Na +(aq) + e Magnesio Mg(s) ~ Mg2+(aq) + 2e- Aluminio Al(s) ~ Ae+(aq) + 3e- -03 l:: Manganes Mn(s) ~ Mn2+(aq) + 2e- Ei (l) Zinco Zn(s) ~ Zn2+(;:l aq) + 2e- 03 Cl+(aq) a Cramo Cr(s) ~ + 3e- 103 V' Ferro Fe(s) ~ Fe2+(<Il aq) + 2e- "'x d Cobalto Co(s) ~ Co2+(aq) + 2e- a (l) Niquel Ni(s) ~ Ni2+(aq) + 2e- "d (l) Estanho Sn(s) ~ Sn2+(aq) + 2e- "d <Il Chumbo Pb(s) ~ Pb2+(aq) + 2e- ~u Hidrogenio H2(g) ~ 2H+(aq) + 2e- ..r•o.. Cobre Cu(s) ~ Cu2+(aq) + 2e- « Prata Ag(s) ~ Ag+(aq) + e Mercurio Hg(l) ~ Hg2+(aq) + 2e- Platina Pt(s) ~ pe+(aq) + 2e- Gura Au(s) ~ Au3+(aq) + 3e- A serie de atividade pode ser usada para preyer 0 resultado de rea<;6es entre metais e sais metalicos ou acidos. Qualquer metal na lista po de ser oxidado por fons do elemento abaixo dele. Por exemplo, 0 cobre esta acima da prata na se-rie. Portanto, 0 cobre metalico pode ser ~xidado por ions prata, como mostrado na Figura 4.14: A oxida<;ao do cobre a ions cobre e acompanhada pela redu<;ao de ions prata em prata metalica. A prata metalica esta evidente na superficie do fio de cobre da Figura 4.14 (b) e (c). 0 nitrate de cobre(II) produz cor azul na solu<;ao, que esta mais evidente na parte (c). Apenas os meta is acima do hidrogenio na serie de atividade sac capazes de reagir com acidos para formar H2• Por exemplo, 0 Ni reage com HCl(aq) para formar H2: FllME Forma"aode cristaisde prata
  19. 19. Figura 4.14 Quando 0 cobre metalico e colocado em uma solw,:ao de nitrato de prata (a), ocorre uma rear,:ao redox, formando prata metalica e solur,:ao azul de nitrato de Cu(lI) (b e c). Como os elementos abaixo do hidrogenio na serie de atividade nao podem ser oxidados pelo H+, Cu nao reage com HCI(aq). De maneira interessante, 0 cobre reage como acido nitrico, como mostrado anteriormente na Figura 1.11. Entretanto, essa rea<;:aonao e simples oxida<;:ao de Cu pelo ion H+ do acido. Em vez disso, 0 metal e oxidado a Cuz + pelo ion nitrato do acido, acompanhado pela forma<;:ao do gas marrom di6xido de nitrogenio, NOz(g): Qual substancia e reduzida it medida que 0 cobre e oxidado na Equa<;:ao 4.32? Nesse caso, 0 NOz resulta da re-du<;: ao de N03-. Examinaremos rea<;:6es desse tipo com mais detalhes no Capitulo 20. COMO FAZER 4.10 Uma solw;ao de clore to de ferro(II) oxidara 0 magnesio metalico? Se a oxidac;ao ocarrer, escreva a equac;ao molecular e a equac;ao ianica simplificada (ambas balanceadas) para a reac;ao. Solu~ao Analise: dadas duas substancias - um sal em soluc;ao aquosa, FeClz' e um metal, Mg -, pergunta-se se eles reagem entre si. Planejamento: a reac;ao acontecera se 0Mg estiver acima do Fez+ na serie de atividade (Tabela 4.5). Se a reac;ao ocorrer, o ion Fez+ no FeClz sera reduzido a Fe, e 0 Mg elementar sera oxidado a Mg2+. • Resolu~ao: em virtu de de Mg estar acima de Fe na tabela, a reac;ao ocorrera. Para escrever a f6rmula para 0 sal que sera produzido devemos lembrar as cargas dos ions comuns. °magnesio esta sempre presente em compostos como Mg2+; 0 ion clore to e cr. °sal de magnesio forma do na reac;ao e MgCl2: Mg(s) + FeCl2(aq) ~ MgCl2(aq) + Fe(s) Tanto 0 FeCl2 como 0 MgCl2'sao eletr6litos fortes sohiveis e podem ser escritos na forma ianica. Entao, 0 cr e um ion espectador na reac;ao. A equac;ao ianica simplificada e Mg(s) + Fe2+aq) ~ Mg2+(aq) + Fe(s) A equac;ao ianica simplificada mostra que 0 Mg e oxidado e 0 Fe2+e reduzido nessa reac;ao. PRATIQUE Quais dos seguintes metais serao oxidados por Pb(N03)2: Zn, Cu, Fe? Resposta: Zn e Fe.
  20. 20. o DurOe conhecido desde os registros mais antigos da existencia humana. Ao longo da Hist6ria, as pessoas tern apreciado 0 ouro, tern lutado e morrido por ele. As propriedades fisicas e quimicas do ouro fazem dele um metal especial. Em primeiro lugar, sua beleza e raridade intrinsecas 0 fazem precioso. Em segundo, 0 DurOe maleavel epode ser facilmente transformado em objetos artisticos, j6i-ase moedas (Figura 4.15). Em terceiro lugar, 0 ouro e urn dos metais menos ativos (Tabela 4.5). Ele nao e oxidado ao ar e naoreage com a agua. Nao e reativo mediante solw;6es basicas e diante de praticamente todas as solw;6es acidas. Como re-sultado disso, 0 aura pode ser encontrado na natureza como um elemento puro, em vez de combinado com oxigenio ou outros elementos, 0 que explica sua precoce descoberta. Muitos dos estudos mais antigos sobre as rea,,6es do DurO surgiram da pratica da alquirnia, pela qual as pessoas tenta-vam transformar metais baratos, como 0 chumbo, em ouro. as alquimistas descobriram que 0 DurOpode ser dissolvido emuma mistura 3:1 de acidos cloridrico e nitrico, conhecida comoagua regia ('agua real'). A a"ao do acido nitrico no ouro eanaloga a do cobre (Equa"ao 4.32),ou seja, 0 ion nitrato, e nao H', oxida 0 DurOmetalico a Au3 +. Os ions cr interagem com 0 Au3 +para formar os ions altamente estaveis AuCI4-. A equa"ao i6nicasimplificada para a rea"ao do DurOcom agua regia e: Au(s) + N03-(aq) + 4H+(aq) + 4Cr(aq) ~ AuCl4-(aq) + 2H20(l) + NO(g) Todo 0 aura que ja foi explorado caberia em um cubo de 19m de lado pesando aproximadamente 1,1 x108 kg (125 mil toneladas). Mais de 90% dessa quantidade foi produzida desde 0 inicio da corrida do DurO de 1848 na Calif6rnia. Acada ano, a produ"ao mundial de ouro soma aproximada-mente 1,8 x 106 kg (2 mil toneladas). De outro lado, mais de anualmente. °ouro e usado principalmente em j6ias 1,5 x1010 kg (16 milh6es toneladas) de aluminio sao produzi-das (73%),moedas (10%) e na eletronica (9%). Seu uso na area da eletronica se deve a sua excelente condutividade e resisten-cia a corrosao. °DurOe usado, por exemplo, para placas de contato em chaves eletricas, reles e conex6es. Urn telefone Touch-Tone® tipico contem 33 contatos folheados a ouro. °DurOe usado tambem em computadores e outros disposi-tivos microeletronicos nos quais um fio fino desse material e usa do para conectar componentes. Alem do seu valor para a joalheria, moedas e eletronicos, o DurOe tambem importante nas profiss6es da saude. Pela capacidade de resistencia a corrosao por acidos e outras substancias encontradas na saliva, 0 DurOe 0metal ideal para coroas e restaura,,6es dentarias, que respondem por aproxi-madamente 3% do uso anual do elemento. °metal puro e muito maleavel para ser utilizado em odontologia, sendo combinado com outros metais para formar ligas. Figura 4.15 Imagem do fara6 Tutankamon (1346- 1337 a.c.) feita de aura e pedras preciosas. Detalhe da parte interna do caixao de Tutankamon. Neste capitulo voce conheceu urn grande numero de rea- ,,6esquimicas. A principal dificuldade que os estudantes en-contram quando tentam dominar material desse tipo e obter uma 'percep"ao' do que acontece quando produtos quimi-cossao colocados para reagir. Na realidade, voce pode se ad-mirar com a facilidade que seu professor tern para decifrar osresultados de uma rea"ao quimica. Urn de nossos objetivos nesselivro e ajuda-Io a se tomar mais habil em determinar 0 resultado de rea,,6es. °segredo para obter essa 'intui"ao qui-mica' e entender como classifica-Ias. Existem tantas rea,,6es singulares na quimica que memo-rizar todas elas seria uma tarefa tola. E muito mais proveitoso tentar usar um padrao de reconhecimento para determinar a categoria geral de uma rea"ao, como metatese ou rea"ao de oxirredu"ao. Portanto, quando voce deparar com 0 desafio de prever 0 resultado de uma rea"ao quimica, fa"a a voce mesmo as seguintes quest6es apropriadas: • Quais sao os reagentes na rea"ao? • Sao eletr6litos ou nao-eletr6litos? • Sao acid os ou bases? • Seos rea gentes sao eletr6litos, a metatese produzira urn precipitado? Agua? Gas? • Se a metatese nao pode ocorrer, os reagentes podem provavelmente se encaixar em uma rea"ao de oxirredu- "ao? Isso requer a existencia tanto de urn reagente que possa ser oxidado como de urn que possa ser reduzido. Fazendo perguntas como essas, voce estara apto a deter-minar 0 que podera acontecer durante a rea"ao. Voce pode nem sempre estar correto, mas, se mantiver esse raciodnio, nao estara longe. A medida que voce ganhar experiencia com rea,,6es quimicas, come"ara a procurar pelos rea gentes que podem nao ser imediatamente 6bvios, como a agua da solu"ao ou 0 oxigenio da atmosfera. Uma das maiores ferramentas disponiveis para n6s na quimica e a experimenta"ao. Se voce realiza urn experimen-to no qual duas solu,,6es sao misturadas, voce pode fazer ob-serva,, 6es que 0 ajudarao a entender 0 que esta acontecendo. Por exemplo, utilizar a informa"ao da Tabela 4.1 para preyer se um precipitado sera forma do nao e nem de perto tao emo-cionante como ver realmente 0 precipitado se formar, como na Figura 4.4. Observa,,6es cuidadosas nas aulas praticas do curso farao com que a materia das aulas te6ricas seja mais bem assimilada.
  21. 21. Capitulo 10 Gases Nos ultimos capftulos, aprendemos sobre estruturas eletronicas dosMomos e a maneira como estes se combinam para formar moleculas e substanciasionicas. Entretanto, no dia-a-dia, m'io temos experiencia direta comas Momos. Em vez disso, encontramos materia como cole<;:6es de enormes numerosde Momos ou moleculas que constituem gases, liquidos e s6lidos. Ofatode que a materia e, na realidade, de natureza atomica nao e realmente 6b- 'ioA, pesar de a concep<;:ao de Momos existir desde a Grecia antiga, levou urn grandeperfodo para que 0 conceito ganhasse completa aceita<;:ao,mesmo entre £1- sicoesquimicos. Entretanto, uma vez que a natureza atomica da materia e enten-didap, odemos facilmente compreender como Momos e moleculas dao origem as propriedadesque observamos nas materias em nivel macrosc6pico. Neste capitulo focalizaremosos gases; no Capitulo 11, abordaremos liquidos e s6lidos. Emmuitos aspectos, os gases SaG a forma de materia mais facilmente en-lendida. Ainda que diferentes gases possam ter diferentes propriedades qui-micase, les se comportam de maneira bastante similar no que concerne as propriedades £1sicas. Por exemplo, vivemos em uma atmosfera composta de certamistura de gases que chamamos ar. Respiramos 0 ar para absorver oxige-nio, Ozq,ue da suporte a vida humana. °ar tambem contem nitrogenio, Nz, quetern muitas propriedades quiJ;nicas diferentes do oxigenio. A atmosfera, igualmente,con tern pequenas quantidades de outras substfmcias gasosas, no entantocomporta-se fisicamente como urn material gasoso. A relativa simpli-cidadedo estado gasoso propicia urn born ponto de partida a propor<;:ao que rrocuramosentender as propriedades da materia em termos de constitui<;:ao at6micae molecular. 10.1 Caracterfsticas dos gases. Aoconsiderar as caracteristicas dos gases, nao existe lugar mais apropria-dopara come<;:armos do que a pr6pria atmosfera da Terra, vital para toda a 'idado planeta. Consideraremos a atmosfera de forma mais completa no Capitulo18. No momento, basta examinar a Tabela 18.1, que relaciona a com-rosi~ aoda atmosfera. Observe que 0 ar e uma mistura complexa de muitas substanciassimples, atomic as por natureza ou consistindo em moleculas pe-quenasC. ontudo, ele comp6e-se basicamente de Nz (78%) e Oz (21%). Alem de Oz e Nz, alguns outros elementos (Hz, Fz, Clz) existem como gases sobcondi<;:6esordinarias de temperatura e pressao. Os gases nobres (He, Ne, Ar,Kre Xe) SaG monoatomicos. Muitos compostos moleculares tambem SaG gasesA, Tabela 10.1 relaciona alguns compostos gasosos mais comuns. Obser- • Compararemos as caracteristicas distintas dos gases com as de liquidos e s6lidos. • Estudaremos a pressi'io do gas, como ela e medida e as unidades usadas para expressa-Ia, bem como consideraremos a atmos-fera da Terra e a pressao que ela exerce. • 0 estado de urn gas pode ser ex-pres so em termos de volume, pressao, temperatura e quan-tidade de gas. Examinaremos va-rias rela~6es empiricas que rela-cionam essas variaveis entre si. Colocadas lado a lado, tais rela- ~6es gerais fundamentais a equa- ~i'iodo gas ideal, PV = nRT. • Enquanto a equa~ao do gas ideal nao e obedecida por nenhum gas real, outros gases aproxi-mam- se de obedece-Ia nas con-di~ 6es de temperatura e pressao de maior interesse. Consequen-temente, podemos usar a equa- ~ao do gas ideal para fazer mui-tos calculos uteis. • Na teoria cintitica molecular dos gases, sup6e-se que os atomos ou moleculas que constituem os ga-ses sao mass as ponhlais que se movem ao redor com uma ener-gia cinetica media, proporcional a temperatura do gas, • A teoria cinetica molecular leva a equa~ao do gas ideal e aju-da- nos a explicar tais proprieda-des dos gases como a efusi'io, pelas aberturas minusculas, e tambem a difusi'io. • Os gases reais sao exce~6es ao comportamento ideal, basicamen-te porque as moleculas de gas tern volume finito e porque as for~as atrativas existem entre as molecu-las. A equa~i'io de van der Waals fomece uma explica~aomais acu-rada do comportamento de gas real a altas press6es e baixas tem-peraturas,
  22. 22. ve que todos esses gases sao compostos unicamente de elementos nao-metalicos. Alem disso, todos tern f6rmulas moleculares simples e, portanto, massas molares baixas. As substancias que sao liquidas ou s6lidas sob condi<;6es ordinarias tam-bem podem geralmente existir no estado gasoso, ocasiao em que nos referimosa elas como vapores. A substancia H20, por exemplo, pode existir como aguali· quida, gelo s6lido ou vapor de agua. Sob as condi<;6es corretas, uma substancia pode coexistir nos tres estados da materia, ou fases, ao mesmo tempo. Vma gar· rafa termica contendo uma mistura de gelo e agua a 0 DC tern algum vapor de agua na fase gasosa alem das fases liquid a e s6lida. Os gases diferem significativamente dos s6lidos e liquidos em varios aspec· MODELOS 3-D Cianeto de hidrogenio, Cloreto de hidrogenio, Sulfeto de hidrogenio, Monoxido de carbono, Dioxido de carbono, Metano, Oxido nitroso, Dioxido de nitrogenio, Am6nia, Dioxido de enxofre tos. Por exemplo, urn gas expande-se espontaneamente para encher um recipiente. Dessa forma, 0 volume de urn gas se iguala ao volume do recipiente que 0 contem. Os gases tambem sao altamente compresslveis: quando se aplica pressao a urn gas, seu volume diminui rapidamente. Os s6lidos e liquidos, por outro lado, nao se expandern para encher os recipientes que os con tern, e s6lidos e liquidos nao sao rapidamente compresslveis. Os gases formam misturas homo gene as entre si independentemente das identidades ou propor<;6es relativas dos gases componentes. A atmosfera serve como urn excelente exemplo. Outro adicional e a mistura de agua ega-solina, os dois liquidos permanecem como camadas separadas. Em contraste, os vapores de agua e gasolina acima dos liquidos formam uma mistura gasosa homogenea. As propriedades caracteristicas dos gases resultam do fato de as moleculas individuais estarem relativamente bem separadas. No ar que respiramos, por exemplo, as moh~cu-las ocupam apenas aproximadamente 0,1% do volume total, com 0 restante sendo espa<;o vazio. Assim, cada mole-cula se comporta basicamente como se as outras nao estivessem presentes. Como resultado, os diferentes gases comportam-se de forma similar, mesmo que eles sejam compostos de moleculas diferentes. As moleculas indivi-duais em urn liquido, ao contrario, estao muito pr6ximas uma da outra e ocupam talvez 70% do espa<;o total. As for<;as atrativas entre as moleculas mantem 0 liquido coeso. TABELA10.1 Alguns compostos comuns que silo gases a temperatura ambiente HCN H2S CO CO2 CH4 C2H4 C3Hs NzO N02 NH3 S02 Nome Cianeto de hidrogenio Sulfeto de hidrogenio Monoxido de carbono Di6xido de carbono Metano Etileno Propano 6xido nitroso Di6xido de nitrogenio Am6nia Di6xido de enxofre Muito t6xieo, odor leve de amendoas azedas Muito t6xieo, eheiro de ovo,podre T6xieo, sem cor e sem cheiro Sem cor e sem eheiro Sem cor, sem eheiro, inflamavel Sem cor, frutas maduras Sem cor; gas engarrafado Sem cor; eheiro doee, gas hilariante T6xieo, marrom-avermelhado, odor irritante Sem cor, odor pungente Sem cor, odor irritante Entre as propriedades de urn gas medidas com mais facilidade estao temperatura, volume e pressao. Niioe surpreendente que muitos estudos antigos sobre os gases se detivessem nas rela<;6es entre essas propriedades. Ja abordamos volume e temperatura. <rim> (Se<;ao 1.4) Vamos agora considerar 0 conceito de pressao. Em termos gerais, pressao transmite a ideia de for<;a, urn empurrao que tende a mover algo em determinada dire<;ao. A pressao, P, e, na realidade, a for<;a, F, que age em certa area, A. F ·P=- A Os gases exercem pressao em uma superficie com a qual estao em contato. °gas em urn balao inflavel, por exemplo, exerce pressao na superficie interna do balao.
  23. 23. Pressao atmosferica e 0 bar6metro Voce,eu, as cocos e as moleculas de nitrogenio, todos sofrem for<;aatrativa que nos impele em dire<;aoao cen-tradaTerra. Quando urn coco cai do coqueiro, por exemplo, a for<;aatrativa gravitacional faz com que ele seja im-pelidocom rapidez em dire<;aoa Terra, aumentando a velocidade a medida que sua energia potencial e convertida emenergiacinetica. @©©J (5e<;ao5.1) Os atomos e as moleculas na atmosfera tambem sofrem acelera<;ao gravitacio-nal. Entretanto, como as particulas gasosas tern mass as tao reduzidas, as respectivas energias termicas de movi-mentosuperam as for<;as gravitacionais, de forma que a atmosfera nao se acumula em uma camada fina na 5uperficieda Terra. Contudo, a gravida de age, e faz com que a atmosfera como urn todo pressione a superficie, criandouma pressao atmosferica. A existencia da pressao atmosferica pode ser determinada com uma garrafa de plastico vazia de agua au de re- Irigerante.5e voce tirar a ar de uma garrafa vazia com a boca, a possibilidade e que ela se feche parcialmente. Quandovoce quebra a vacuo parcial que criou, a garrafa volta a sua forma original. 0que faz com que a garrafa se lechequando a pressao interna e reduzida, mesmo com as quantidades relativamente pequenas que voce e capaz deproduzir com seus pulmoes? A atmosfera esta exercendo certa for<;ado lado de fora da garrafa que e maior que alor~adentro da garrafa quando parte do gas e sugado. Pode-se calcular a valor da pressao atmosferica como segue: a for<;a,F, exercida por qualquer objeto e a produ-todesua massa, m, pela acelera<;ao, a; F = ma. A acelera<;ao produzida pela gravidade da Terra e 9,8 m/ S2. @©©J (5e- 305.1)Agora imagine uma coluna de ar de 1 m2 de se<;aotransversal estendendo-se ate a atmosfera. Essa coluna temmassade aproximadamente 10.000 kg (Figura 10.1). A for<;aexercida pela coluna e F = (10.000 kg)(9,8 m/s2 ) = 1 x 105 kg m/s2 = 1 x 105 N Aunidade 51para for<;ae kg m/ S2 e e chamada Newton (N): 1N = 1 kg m/ S2. A pressao exercida par uma coluna e afor~adividida par sua area da se<;aotransversal, A. FIx 105 N 5 2 5 2 P=-=---=lxl0 N/m =1 x 10 Pa=l x 10 kPa A 1m2 A unidade 51 de pressao e N/m2 • A ela deram a nome de pascal (Pa) em homenagem a Blaise Pascal (1623-1662)u,rn matematico e cientista frances: 1 Pa = 1N / m2 . Outra unidade relacionada, usada algumas vezes paraexpressar pressao, e a bar, que e igual a 105 Pa. A pressao atmosferica no nivel do mar e aproximadamente 100kPa au 1 bar. A pressao atmosferica real em qualquer local depende das condi<;oes do tempo e da altitude. Noinicio do seculo XVII, acreditava-se que a atmosfera nao tinha peso. Evangelista Torricelli (1608-1647), que loidiscipulode Galileu, inventou a barometro (Figura 10.2) para mostrar que a atmosfera tinha peso. Urn tuba de vi-drocommais de 760mm de comprimento, fechado em uma ponta, e completamente cheio com mercurio e inverti-dodentro de urn prato que contem mais mercurio. Deve-se ter cuidado para que a ar nao entre no tuba. Parte do mercurioescorre quando a tuba e invertido, mas uma coluna de mercurio permanece no tuba. Torricelli argumen-touquea superficie de mercurio no prato sofre a for<;atotal, au peso, da atmosfera terrestre. Como nao existe ar (e, consequentemente, nao existe pressao atmosferica) acima do mercurio no tuba, este e empurrado para cima no tuboate que a pressao na base, relativa a massa da coluna de mercurio, equilibre a pressao atmosferica. Portanto, a alturada coluna de mercurio e uma medida da pressao atmosferica; logo, ela variara a medida que a pressao varie. gravFiOtar<c;i:aonal Coluna de ar de 1m2 • ~ (mass a = 104 kg) Figura 10.1 Ilustra~ao da forma com que a atmosfera da Terra exerce pressao na superficie do planeta. A massa de uma coluna de atmosfera com exatamente 1 m2 de se~ao transversal e estendendo-se ate 0 tope da atmosfera exerce for~a de 1,01 x10sN. 1 atm de pressa.o na superficie
  24. 24. Vacuo~ Hg Pressao atmosferica Figura 10.2 Bar6metro de mercurio. A pressao da atmosfera na superficie do mercurio (representada pela seta azul) e igual a pressao da coluna de mercurio (seta vermelha). A explica<;ao proposta por Torricelli encontrou violenta oposi<;ao. Alguns argumentaram que nao poderia haver urn vacuo no topo do tubo. Eles disse-ram: "A natureza nao permite vacuo!" Mas Torricelli tambem tinha apoio. Blaise Pascal, por exemplo, carregou urn dos barometros para 0 topo do Puy de Dome, uma montanha vulcanica no centro da Fran<;a, e comparou suas lei-turas com outro barometro mantido ao pe da montanha. A propor<;ao que se subia com 0 barometro, a altura da coluna de mer curio diminua, como se su-pUnha, uma vez que a quantidade de atmosfera pressionando a superficie di-minui a medida que se sobe. Esse experimento e outros realizados por outros cientistas eventualmente prevaleceram, tornando a ideia, de que a atmosfera tern peso, viavel durante muitos anos. A pressao atmosferica padrao, que corresponde a pressao tipica no nivel do mar, e suficiente para suportar uma coluna de mercurio de 760 mm de altu-ra. Em unidades 51, essa pressao e igual a 1,01325 x 105 Pa. A pressao atmosfe-rica padrao define algumas unidades comuns, que nao sao do 51, usadas para expressar as press6es de gases, como a atmosfera (atm) e 0 milimetra de mercu-ria (mm Hg). A ultima unidade e tambem chamada torr, em homenagem a Torricelli. Observe que as unidades mm Hg e torr sao equivalentes: 1torr = 1mm Hg. Geralmente expressaremos a pressao de gases em unidades de atm, Pa (ou kPa) ou torr, para que voce sinta se-guran<; a em converter press6es de gases a partir de urn conjunto de unidades para outra. COMO FAZER10.1 (a) Converta 0,357 atm para torr. (b) Converta 6,6 x 10-2 torr para atm. (c) Converta 147,2 kPa para torr. Solu~ao Analise: em cada caso foi dad a a pressao em uma unidade e pede-se converte-la em outra. 0 objetivo, portanto, e esco-lher as unidades apropriadas de conversao. Planejamento: ao resolver problemas desse tipo, podemos usar a analise dimensional. Resolu~ao: (a) Convertemos atmosferas para torr usando 0 fator de conversao derivado de 760 torr = 1 atm. (O,357.3-trrf) (760 torr) = 271 torr 1gtm- Observe que as unidades cancelam-se da maneira adequada. (b) Usamos a mesma rela<;aoutilizada no item (a). Para obter as unidades apropriadas a ser canceladas, devemos usar o fator de conversao como segue: (6,6 X 1O-21QI'r)( 1 atm ) = 8,7 X 10-5 atm 760 wrt' (c) A rela<;ao 760 torr = 101,325 kPa permite-nos escrever urn fator de conversao apropriado para este problema: (1472 kPa) ( 760 torr J = 1.104 torr , 101,325 k-Pa Conferencia: em cada caso examine a ordem de grandeza de sua resposta e compare-a com 0 valor inicial. Torr e uma unidade muito menor que atmosfera, de forma que esperamos ser a resposta numerica maior que a quantidade inicial em (a) e menor em (b). 0 item (c) envolve a unidade menos familiar kPa. 0 torr e aproximadamente oito vezes menor que kPa, logo a resposta numeric a em tort deve ser maior, conforme obtido. PRATIQUE Em paises que usam 0 sistema metrico, como 0 Canada, a pressao atmosferica na previsao do tempo e dada em unida-des de kPa. Converta certa pressao de 745 torr para kPa. Resposta: 99,3 kPa Podemos usar varios dispositivos para medir as press6es em gases em sistemas fechados. Os calibradores de pneus, por exemplo, medem a pressao do ar nos pneus de autom6veis e bicicletas. Nos laborat6rios usamos, algu-
  25. 25. masvezes, um dispositivo chama do manometro. Um manometro opera baseado em um principio similar ao baro-metro, como mostrado em "Como fazer 10.2". COMO FAZER 10.2 Em determinado dia 0 barometro em certo laborat6rio indica que a pressao at-mosferica e 764,7 torr. Uma amostra de gas e colocada em um recipiente liga-do a uma ponta aberta de um manometro de mercurio, mostrado na Figura 10.3.Um metro e usado para medir a altura do mercurio acima da base do ma-nometro. 0 nivel de mercurio no bra<;:oaberto do manometro tem altura me-did a de 136,4mm, e aquele bra<;:oque esta em contato com 0 gas tem altura de 103,8 mm. Qual e a pressao do gas (a) em atmosferas; (b) em kPa? Solu~ao Analise: tentamos decobrir a pressao do gas no frasco. Sabemos que a pressao deve ser maior que a pressao atmosferica porque 0 nfvel do manometro do lado do frasco e menor que 0 do lado aberto para a atmosfera, como indicado na Figura 10.3. Planejamento: foram dados a pressao atmosferica (764,7 torr) e 0 fato de que o nfvel de mercurio no bra<;:odo manometro que esta aberto para a atmosfera e mais alto (136,4mm) que 0 no bra<;:oligado ao frasco de gas (103,8 mm). Usa-remos a diferen<;:ana altura entre os dois bra<;:ospara obter a quantidade na qual a pressao do gas excede a pressao atmosferica (h na Figura 10.3). Para se usar um manometro aberto, devemos saber 0 valor da pressao atmosferica. Como 0 manometro de mercurio e usado, a diferen<;:ana altura mede direta-mente a diferen<;:ade pressao em mm Hg ou torr. Resolu~ao: (a) A pressao do gas e igual a pressao atmosferica mais a diferen<;:a na altura entre os dois bra<;:osdo manometro: Pgas = Patm + (diferen<;:aentre as alturas dos bra<;:os) = 764,7 torr + (136,4 torr -103,8 torr) = 797,3 torr Convertemos a pressao do gas para atmosferas: Pgas = (797,3 torr) ( 1 atm ) = 1,049 atm 760 torr (b) Para calcular a pressao em kPa, empregamos 0 fator de conversao entre atmosferas e kPa: 1,049 atm (101,3 kPa) = 106,3'kPa 1 atm Conferencia: a pressao calculada e um pouco maior que uma atmosfera. Isso faz sentido porque sabfamos que a pressao no frasco seria maior que a pressao da atmosfera agindo no manometro, que e um pouco maior que a pres-sao atmosferica padrao. PRATIQUE Converta uma pressao de 0,975 atm para Pa e kPa. Resposta: 98,8 x 103 Pa e 98,8 kPa. As leisdos gases Figura 10.3 Um manometro, algumas vezes empregado no laboratorio para medir press5es de gases proximas a pressao atmosferica. ATIVIDADE Manometro Os experimentos com grande numero de gases revelam que sac necessarias quatro variaveis para definir a condi~aofisica, ou estado, de um gas: temperatura, T; pressao, P; volume, V; e quantidade de gas, geralmente e ex-pressaem quantidade de materia, n. As equa~6es que expressam as rela~6es entre T,P, Ve n sac conhecidas como leisdos gases.
  26. 26. o cora<;aohumano bombeia sangue para as outras partes do corpo pelas arh~rias,e 0 sangue retorna ao cora<;aopelas veias. Quando a pressao arterial e medida, dois valores sao observados como 120/80 (120por 80) ou, mais normalmen-te, 12/8 (12por 8), que e uma leitura normal. A primeira me-did a e a pressiio sist6lica, a pressao maxima quando 0 cora<;ao esta bombeando. A segunda e a pressiio diast6lica, a pressao quando parte do ciclo bombeador do cora<;ao esta em repouso. A unidade associada a essas medidas de pressao e o torr (ou torr /10). A pressao arterial e medida usando um medidor de pres-sao ligado a urn inv6lucro ou manguito cheio de ar que e aplicado como um torniquete ao bra<;o (Figura 10.4). Ele pode ser um manometro de mercurio ou algum outro dispo-sitivo. A pressao do ar no manguito e aumentada usando uma pequena bomba ate que esteja acima da pressao sist6li-ca e previna 0 fluxo de sangue. A pressao do ar dentro do manguito, e entao, reduzida lentamente ate que 0 sangue co-mece a pulsar pela arteria, como detectado por um estetos-c6pio. Nesse ponto, a pressao no manguito e igual a pressao que 0 sangue exerce dentro das arterias. A leitura no medi-dor fornece a pressao sist6lica. A pressao no manguito e, a seguir, reduzida ainda mais ate que 0 sangue flua livremen-te. A pressao nesse ponto e a diast6lica. Figura 10.4 Medindo a pressao arterial. A hipertensiio e a presen<;a de pressao acima do normal. o criterio usual para a hipertensao e pressao arterial maior que 140/90 (ou 14/9). A hipertensao aumenta significativa-mente a carga de trabalho do cora<;aoe tambem causa estres-se nas paredes dos vasos sanguineos por todo 0 corpo. Esses efeitos aurnentam 0 risco de aneurisma, ataques cardiacos e infartos. Rela~ao pressao-volume: lei de Boyle Se a pressao sobre urn balao diminui, ele se expande. Essa e a razao pela qual os baloes meteorologicos expan-dem- se a medida que sobem para a atmosfera (Figura 10.5). De modo inverso, quando um volume de gas e compri-mido, a pressao do gas aurnenta. 0 quimico britanico Robert Boyle (1627-1691) investigou inicialmente a rela<;ao entre a pressao de um gas e seu volume. Para realizar seus experimentos com gases, Boyle usou um tubo em forma de J similar ao mostrado na Figura 10.6. Certa quantidade de gas e presa em um tubo atras de uma coluna de mercurio. Boyle variou a pressao no gas adicionando mercurio ao tubo. Ele descobriu que 0 volume do gas diminuia conforme a pressao aumentava. Por exemplo, dobrar a pressao provocava diminui<;ao do volume para meta de de seu valor original. Figura 10.5 0 volume de gas em um balao de previsao de tempo aumentara a medida que ele subir para a atmosfera mais alta, onde a pressao atmosferica e mais baixa que na superficie da Terra.
  27. 27. Pressao atmosferica Pressao atmosferica Figura 10.6 Ilustrac;ao do experimento de Boyle. Em (a) 0 volume de gas preso no tubo em J e 60 mL quando a pressao do gas for 760 t'orr. Quando se adiciona mais mercurio, como mostrado em (b), 0 gas preso e comprimido. o volume e 30 mL quando sua pressao total for 1.520 torr, correspondendo a pressao atmosferica mais a pressao exercida pela coluna de 760 mm de mercurio. Gas~ Volume i = 60mLI Hg adlcionado ~ If fll Volume 1 ~30mL ! A lei de Boyle, que resume essas observa<;oes, afirma que 0 volume de certa quantidade fixa de urn gas mantido a temperatura constante e inversamente proporcional a pressiio. Quando duas medidas sao inversamente proporcionais, umatorna-se menor amedida que a outra se torna maior. A lei de Boyle pode ser expressa matematicamente como: 1 V = constante x- P ovalor da constante depende da temperatura e da quantidade de gas na amostra. 0grcifico de V versus P na Fi-gura1O. 7(a)mostra 0 tipo de curva obtida para determinada quantidade de gas a uma temperatura fixa. Vma rela- ao linear e obtida quando se tra<;aurn grcifico de V versus liP (Figura 10.7(b)). Apesar de ser simples, a lei de Boyle ocupa urn lugar especial na hist6ria da ciencia. Boyle foi 0 primeiro a reali-zaruma serie de experimentos nos quais 0 valor de uma varia vel foi sistematicamente alterado para determinar 0 efeitoem outra variavel. Os dados dos experimentos foram empregados para estabelecer uma rela<;ao empirica, uma'lei'. Aplicamos a lei de Boyle toda vez que respiramos. 0volume dos pulmoes e controlado pela caixa toracica, quepode expandir e contrair, e pelo diafragma, urn musculo abaixo dos pulmoes. A inala<;ao ocorre quando a caixa toracicase expande e 0 diafragma move-se para baixo. As duas a<;oesaumentam 0 volume dos pulmoes, diminuin-doassim a pressao do gas dentro dos pulmoes. A pressao atmosferica, dessa forma, for<;a0 ar para dentro dos pul-m6es ate que a pressao dos pulmoes se iguale a pressao atmosferica. A expira<;ao reverte 0 processo: a caixa toracicacontrai-se e 0 diafragma move-se para cima, ambos diminuindo 0 volume dos pulmoes. 0 ar e for<;ado parafora dos pulmoes pelo aumento na pressao. Rela~ao temperatura-volume: lei de Charles Os baloes de ar quente sobem porque 0 ar expande-se a propor<;ao que e aquecido. 0 ar mais quente e menos densoque 0 ar da vizinhan<;a mais fria a mesma pressao. Essa diferen<;a na densidade faz com que 0 balao suba. De maneira inversa, urn balao encolhe quando urn gas dentro dele e resfriado, como visto na Figura 10.8. A rela<;ao entre volume de gas e temperatura foi descoberta em 1787 pelo cientista frances Jacques Charles (1746-1823).Charles descobriu que 0 volume de certa quantidade fixa de gas a pressao constante aumenta linear-mente com a temperatura. Alguns daclos tipicos estao mostrados na Figura 10.9. Observe que a linha (que esta Figura 10.7 GrMicos baseados na lei de Boyle: (a) volume versus pressao; (b) volume versus 1/ P. V 0,5 V 0,5 2,0 P (a)
  28. 28. Figura 10.8 A medida que nitrogenio liquido (-196°C) e derramado sobre um balao, 0 gas no balao e resfriado e seu volume diminui. tracejada) extrapolada (estendida) passa pelo valor -273°C. Observe tambem que se supoe que 0 gas tenha volume zero a essa temperatura. Entretanto, essa condic;aonunc a e possivel, porque todos os gases se liquefazem ou se so-lidificam antes de atingir essa temperatura. Em 1848William Thomson (1824-1907), urn fisico britanico cujo titulo era lord Kelvin, propos uma escala de temperatura absoluta, hoje conhecida como escala Kelvin. Nessa escala, 0 K, chama do zero absoluto, e igual a -273,15°C. @@ (Sec;ao1.4)Em termos de escala Kelvin, a lei de Charles pode ser expressa como segue: 0 volume de certa quantidade fixa de gas mantido a pressiio constante e diretamente proporcional a respectiva temperatura absoluta. Por-tanto, ao se dobrar a temperatura absoluta, digamos de 200K para 400K, 0 volume do gas dobrara. Matematica-mente, a lei de Charles assume a seguinte forma: v- = constante T o valor da constante depende da pressao e da quantidade de gas. Rela~ao quantidade-volume: lei de Avogadro Conforme adicionamos gas a urn balao, ele se expande. 0volume de urn gas e afetado nao apenas pela pressao e temperatura, mas tambem pela quantidade de gas. A relac;aoentre quantidade de gas e respectivo volume re-sultou do trabalho de Gay-Lussac (1778-1823) e Amadeo Avogadro (1776-1856). Gay-Lussac e uma daquelas figuras extraordinarias na hist6ria da cH~nciaque realmente poderia ser chamado urn aventureiro. Ele estava interessado em baloes mais leves que 0 ar e em 1804fez com que urn deles subisse ate wna altura aproximada de 7.000m - fac;anhaque manteve 0 recorde de altitude por varias decadas. Para melhor controlar baloes mais leves que 0 ar, os volumes dos gases que reagem entre si estao na proporc;ao dos menores nu-meros inteiros. Por exemplo, dois volumes de gas hidrogenio reagem com urn volume de gas oxigenio para formar dois volumes de vapor de agua, como mostrado na Figura 10.10. Tres anos depois Amadeo Avogadro @:l§ (Sec;ao3.4) interpretou a observac;ao de Gay-Lussac propondo 0 que atualmente e conhecido como hipotese de Avogadro: volumes iguais de gases a mesma temperatura e pressiio conUm Figura 10.9 Volume de um gas em um sistema fechado como funr;ao da temperatura a pressao constante. A linha tracejada e uma extrapolar;ao para temperaturas nas quais a substancia nao e mais um gas. 50 40 '"S ~ 30 Q)S ;:j <3 20 > 10 ,,""" """ o "" -3001 -200 -100 0 100 -273°C Temperatura (0C)
  29. 29. Dois volumes de hidrogenio Urn volume de oxigenio Dois volumes de vapor de agua Volume 22,4 L 22,4 L 22,4 L Pressao 1 atm 1 atm 1 atm Temperatura O°C O°C O°C Massa do gas 4,00 g 28,0 g 16,0 g Numero de 6,02 X 1023 6,02 X 1023 6,02 X 1023 moleculas do gas Figura 10.1 0 Observa~ao experimental de Gay-Lussac sobre os volumes combinantes anexada a explica~ao de Avogadro sobre esse fen6meno. Figura 10.11 Compara~ao ilustrando a hip6tese de Avogadro. Observe que 0 gas helio consiste em Momos de helio. Cada gas tem o mesmo volume; temperatura e pressao, consequentemente, contem 0 mesmo numero de moleculas. Como uma molecula de certa substancia difere em massa de uma outra molecula, as massas dos gases nos tres recipientes sac diferentes. 1111meroigsuais de moleculas. Por exemplo, experimentos mostram que 22,4 L de urn gas a °DC e 1 atrn contem 6,02 x 1023 moleculas de gas (isto e, 1 mol), como mostrado na Figura 10.11. A lei de Avogadro resulta da hip6tese de Avogadro: 0 volume de um gas mantido a temperatura e pressiio constantes e diretamente proporcional ii quantidade de materia do gas. Isto e, Portanto, dobrando-se a quantidade de materia do gas, 0 volume tambem dobra se T e P permanecerem constantes. COMO FAZER 10.3 Suponha que tenhamos urn gas confinado em urn pistao como mostrado na Figura 10.12. Considere as seguintes varia<;6es: (a) aquecer 0 gas de 298 K para 360 K, man tendo a posi<;ao atual do pistao. (b) Mover 0 pistao para redu-zir 0 volume do gas de 1L para 0,5 L. (c) Injetar mais gas pela valvula de entra-da de gas. Indique se em cada uma dessas varia<;6es hayed: 1. diminui<;ao da distancia media entre as moleculas 2. aumento da pressao do gas 3. aumento da massa total do gas no cilindro 4. aumento da quantidade de materia do gas presente Solu~ao Analise: precisamos pensar como cada varia<;ao no sistema afetara as molecu-las de gas au a condi<;ao nas quais elas existem. Planejamento: perguntaremos como cada uma das varia<;6es indicadas po-deriam afetar as varias grandezas 1 a 4. Figura 10.12 Cilindro com pistao e valvula de entrada de gas.
  30. 30. Resolu~ao: (a) Aquecer 0 gas man tendo a posi<;aodo pistao nao provocara varia<;aono numero de molt~culaspor uni-dade gas permanecem constantes. °aumento da temperatura provocara 0 aumento na pressao. (b)Mover 0 pistao compri-me de volume. Portanto, a distancia entre as molt~culas,a massa total das moleculas e a quantidade de materia do a mesma quantidade de gas para urn volume menor. A quantidade de materia total do gas, e, portanto, amassa to-tal, permanece constante. Entretanto, a distancia media entre as moleculas deve diminuir por causa do menor volume em que 0 gas esta contido; pressao aumentara. (c) Injetar mais gas no cilindro man tendo 0 mesmo volume e a mesma temperatura resultara em mais moleculas e, assim, em maior massa e maior quantidade de materia. A distancia media entre os Momos deve diminuir, uma vez que seus numeros por unidade de volume aumentam. De maneira corres-pondente, a pressao aumenta. PRATIQUE CO e oxidado a CO2 de acordo com a equa<;ao,2CO(g) + 02(g) ~ 2C02(g). Se 2 L de CO(g) sao rnisturados com 2L de 02(g), qual e 0 volume total de gas resultante depois que a rea<;aose completar, supondo que nao ocorra nenhuma varia<;aona temperatura ou na pressao total? Resposta: 3 L A equa=ao do gas ideal Na 5e<;ao10.3examinamos tres leis dos gases historicamente importantes que descrevem as rela<;6esentre as quatro variaveis, P, V, Ten, que definem 0 estado de urn gas. Cada lei foi obtida ao se manter duas variaveis cons-tantes para se observar como as outras duas variaveis sac afetadas pelas outras. Podemos expressar cada lei como uma rela<;aode proporcionalidade. Usando 0 simbolo ex;, que se Ie "e proporcional a", temos: lei de Boyle: V ex; ~ P (constante n, P) (constante P, I) Podemos combinar essas rela<;6espara chegar a uma lei de gas mais geral: Vex;nT P 0,08206 8,314 1,987 8,314 62,36 Essa equa<;aoe conhecida como equa-;ao dd gas ideal. Urn gas ideal e urn gas hipotetico cujos comportamentos da pressao, do volume e da temperatura sac completamente descritos pela equa<;aodo gas ideal. o termo R na equa<;aodo gas ideal e chama do constante dos gases. 0valor e a unidade de R dependem das unidades de P, V, neT. A temperatura deve sempre ser expressa como temperatura absoluta. A quantidade de gas, n, e normalmente expressa em mols. As unidades escolhidas para pressao e volume sac geral-mente atm e litros, respectivamente. Entretanto, outras unidades podem ser usadas. Em muitos paises a unidade 51Pa (ou kPa)e mais comumente usada. A Tabela 10.2mostra os valores numeri-cos de R em varias unidades. Como vimos no quadro "Urn olhar mais de perto" a respeito de trabalho PV, na 5e<;ao5.3, 0 produto TABELA10.2 Valores numericos da constante dos gases, R, em varias unidades Unidades L atm/morl K-l J/morJ K-J • cal/morl K-l m3 Pa/morl Jel. L torr / mOrl K-l

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