Química

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DE QUÍMICA / SISTEMAS MATERIAIS

O QUE É QUÍMICA

Química é a ciência que estuda a matéria e suas transformações. Estuda também a energia que está envolvida nessas transformações.

 

A química está muito ligada ao nosso dia a dia. Nos alimentos, medicamentos, construções, nas plantas, no vestuário, nos combustíveis. Tudo o que existe no universo é formado por química. No nosso organismo também há diversas transformações químicas.
MATÉRIA E SUBSTÂNCIA

Matéria é tudo o que tem massa e ocupa espaço.

Qualquer coisa que tenha existência física ou real é matéria. Tudo o que existe no universo conhecido manifesta-se como matéria ou energia.

A matéria pode ser líquida, sólida ou gasosa. São exemplos de matéria: papel, madeira, ar, água, pedra.

  

Analisando a matéria qualitativamente (qualidade) chamamos a matéria de substância.

Substância – possui uma composição característica, determinada e um conjunto definido de propriedades.

Pode ser simples (formada por só um elemento químico) ou composta (formada por vários elementos químicos).

Exemplos de substância simples: ouro, mercúrio, ferro, zinco.

Exemplos de substância composta: água, açúcar (sacarose), sal de cozinha (cloreto de sódio).

As substâncias químicas podem ser classificadas de duas formas: quanto ao tipo de ligação que as forma e quanto ao número de elementos químicos que participam na ligação.

Classificação

- Quanto ao tipo de ligação

Quanto ao tipo de ligação as substâncias são classificadas em Iônicas,  Moleculares ou Metálicas.
As substâncias iônicas têm pelo menos uma ligação iônica.

Exemplo: NaCl (cloreto de sódio)
NaNO2 (nitrito de sódio)

As substâncias iônicas têm elevados pontos de ebulição e fusão; muitas delas, ao serem dissolvidas na água, têm os seus íons separados por ação da água num processo chamado dissociação iônica; conduzem corrente elétrica em solução aquosa.

Tabela com outros exemplos de substâncias iônicas:

SUBSTÂNCIA IÔNICA

DESCRIÇÃO

SULFATO DE BÁRIO

USADO EM ESTUDOS DE RAIOS X NO TRATO GASTRINTESTINAL

ÓXIDO DE CÁLCIO

CAL

CARBONATO DE CÁLCIO

MÁRMORE

ÓXIDO FÉRRICO

FERRUGEM

HIDRÓXIDO DE MAGNÉSIO

ANTIÁCIDO

HIDRÓXIDO DE SÓDIO

SODA CÁUSTICA

 

As substâncias moleculares são formadas exclusivamente por ligações covalentes. Em geral, tem baixa temperatura de ebulição e de fusão. A maioria delas não conduz eletricidade em solução aquosa. Formam moléculas.

Exemplos: água (H2O)
amoníaco (NH3)

Tabela com outros exemplos de substâncias moleculares:

SUBSTÂNCIA MOLECULAR

DESCRIÇÃO

MONÓXIDO DE CARBONO

GÁS VENENOSO RESULTADO DA COMBUSTÃO INCOMPLETA DA GASOLINA E DO ÁLCOOL

DIÓXIDO DE CARBONO

PRODUTO DA REAÇÃO DE COMBUSTÃO. ABSORVIDO PELAS PLANTAS PARA UTILIZAR NA
FOTOSSÍNTESE

ETANOL

INGREDIENTE DE BEBIDAS ALCOÓLICAS E COMBUSTÍVEL

SACAROSE

AÇÚCAR COMUM

 

As substâncias metálicas são formadas exclusivamente por ligações metálicas.
Exemplos: Ferro (Fe), Prata (Ag), Ouro (Au), Alumínio (Al).

- Quanto ao número de elementos químicos

Quanto ao número de elementos químicos, as substâncias podem ser classificadas como simples ou compostas.

Substância Simples é aquela formada por um único elemento químico.
Ex. Ferro (Fe), Alumínio (Al), gás hidrogênio (H2).

 

SUBSTÂNCIA SIMPLES – FERRO

Substância Composta é aquela formada por mais de um tipo de elemento químico.
Ex. Cloreto de sódio (NaCl), Monóxido de Carbono (CO), Água (H2O).

SUBSTÂNCIA COMPOSTA – NaCl

ESTADOS FÍSICOS E ESTADO DE AGREGAÇÃO DAS MOLÉCULAS

Uma substância pode ser encontrada no estado físico líquido, sólido ou gasoso. Estes diferentes aspectos são chamados de fases de agregação e dependem da temperatura e pressão.

Para cada substância existe uma faixa de temperatura e pressão na qual ela mantém suas características como espécie, mudando apenas de fase de agregação.

Exemplo: a substância água, à temperatura inferior ou igual à 0°C, submetida à pressão de 1atm, se encontra na fase sólida; entre 0°C e 100°C, submetida à mesma pressão, se encontra na fase líquida e a 100°C, também submetida à mesma pressão, passará para a forma de vapor de água, ou seja, fase gasosa.

Fase gasosa

Nesta fase as partículas da substância estão com maior energia cinética. Elas ficam muito distantes umas das outras. Movem-se com muita velocidade e colidem entre si.

Um gás qualquer colocado dentro de uma garrafa de 1litro adquire a forma da garrafa e seu volume será de 1litro. Podemos dizer que uma substância na fase gasosa possui forma e volume variáveis.

Por que os gases são compressíveis? Sabendo que os gases (ao contrário dos líquidos e sólidos) não têm volume fixo, com um aumento de pressão podemos comprimi-los, ou reduzir o seu volume.
Os gases são compressíveis porque há muito espaço entre as partículas que os compõem.

Fase Líquida

Na fase líquida as partículas estão um pouco mais unidas em relação às partículas da fase gasosa, mas não totalmente unidas. Não há nenhum arranjo definido. A energia cinética é intermediária entre a fase gasosa e a fase sólida.

As partículas nos líquidos “deslizam” umas sobre as outras e se movem. Isto é o que proporciona a fluidez no líquido. Todos os líquidos podem fluir, e alguns mais que os outros. A água, por exemplo, flui com mais facilidade que o mel. Então dizemos que a água tem baixa viscosidade e que o mel tem alta viscosidade.

Os líquidos com baixa viscosidade oferecem menor resistência para fluir.

Fase Sólida

Na fase sólida, as partículas que formam a substância possuem a menor energia cinética; elas permanecem praticamente imóveis, unidas por forças de atração mútuas e dispostas, em geral, de acordo com um arranjo geométrico definido.

No caso das moléculas de água, esse arranjo é em forma de anéis, no qual sempre há um átomo de hidrogênio entre dois de oxigênio.

O arranjo das moléculas de água, na fase sólida, é o responsável pelo aumento do seu volume. Então, ao se congelar, a água se expande, formando o gelo que é menos denso que a água na fase líquida.
Um bloco de mármore, sobre uma mesa, muda de forma e volume com o passar do tempo? Podemos concluir que uma substância sólida possui forma e volume próprios.

MUDANÇA DE FASES E GRÁFICOS

No nosso dia a dia observamos que o gelo se derrete sob a ação do calor transformando-se em água. A água ferve sob calor mais intenso transformando-se em vapor de água. A água, neste caso, apresenta três estados: sólido, líquido e gasoso. São também chamado de estados físicos ou estado de agregação da matéria. Quando se transformam de um estado para o outro chamamos de Mudança de Estados Físicos. Cada transformação recebe um nome.

 

  
sólida                          líquida                                 vapor

Fusão – mudança do estado sólido para o líquido.
Vaporização – mudança do estado líquido para o gasoso.
Liquefação ou Condensação – mudança do estado gasoso para o líquido.
Solidificação – mudança do estado líquido para o sólido.
Sublimação – mudança do estado sólido para o gasoso e vice-versa.

 


Fonte: cienciaparavida.blogspot.com

 

A fusão obedece a algumas leis:

- uma determinada substância funde-se sempre na mesma temperatura, em determinada pressão. Essa temperatura é o ponto de fusão (PF)
A água se funde a 0ºC e o ferro a 1500°C.

- durante a fusão, a temperatura permanece constante, ou seja, não é alterada.
- durante a fusão, as substâncias aumentam de volume, exceto a água, ferro e a prata.

A temperatura em que uma substância começa a se solidificar é a mesma que ela começa a se fundir. O ponto de solidificação é o mesmo que o ponto de fusão.

A mudança da fase líquida para gasosa é dada de três maneiras. A evaporação é um processo mais lento que ocorre sem temperatura e pressão determinada. A ebulição é um processo rápido e depende de cada substância que possui a sua temperatura e pressão já determinada. É caracterizada pelo aparecimento de grande quantidade de bolhas.

A ebulição obedece à algumas leis:
- as substância entram em ebulição sempre na mesma temperatura.
- durante a ebulição, a temperatura segue inalterada.

Usamos o termo liquefação para indicar o aumento de pressão, transformando o sólido em gás.

A sublimação é um processo desencadeado a partir de uma temperatura e pressão determinadas e não passa pela fase líquida.

 

Gráfico das Mudanças de Estados Físicos:

 

ALOTROPIA

Alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar uma ou mais substâncias simples diferentes.
São alótropos: carbono, oxigênio, fósforo e enxofre.

O carbono possui dois alótropos: o diamante e o grafite.
Essas duas substâncias parecem não ter nada em comum. O grafite é um sólido macio e cinzento, com fraco brilho metálico, conduz bem a eletricidade e calor e tem densidade 2,25g/mL. O diamante é sólido duro (o mais duro de todos), tem brilho adamantino, não conduz eletricidade nem calor e tem densidade 3,51g/mL. Mas as duas têm em comum a mesma composição química expressa pela fórmula Cn, sendo n um número muito grande e indeterminado.
A principal diferença está no arranjo cristalino dos átomos de carbono. No grafite formam-se hexágonos. Cada átomo de carbono é ligado a apenas três outros átomos de carbono, em lâminas planas, fracamente atraídas umas pelas outras. No diamante, cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos também de carbono.

        

 

   

O oxigênio tem dois alótropos, formando duas substâncias simples: o gás oxigênio (O2) e o gás ozônio (O3).
O gás oxigênio é incolor e inodoro. Faz parte da atmosfera e é indispensável à vida dos seres aeróbicos. As plantas o devolvem para a atmosfera ao realizar a fotossíntese.
O gás ozônio é um gás azulado de cheiro forte e desagradável. Como agente bactericida, ele é usado na purificação da água nos chamados ozonizadores. O ozônio está presente na estratosfera, a mais ou menos 20Km a 30Km da superfície da terrestre. Ele forma uma camada que absorve parte dos raios ultravioletas (UV) do Sol, impedindo que eles se tornem prejudiciais aos organismos vivos.

         
GÁS OXIGÊNIO                         GÁS OZÔNIO


O fósforo tem duas formas alotrópicas principais: o fósforo branco e o fósforo vermelho.

O fósforo branco (P4) é um sólido branco com aspecto igual ao da cera. É muito reativo, tem densidade igual a 1,82g/mL e se funde a uma temperatura de 44°C e ferve a 280°C. Se aquecermos a 300°C na ausência de ar ele se transforma em fósforo vermelho, que é mais estável (menos reativo).
O fósforo vermelho é um pó vermelho-escuro, amorfo (que não tem estrutura cristalina). Tem densidade igual a 2,38g/mL, ponto de fusão 590°C. Cada grão de pó desta substância é formado por milhões de moléculas P4, unidas umas às outras originando uma molécula gigante ( P∞).

O enxofre possui dois alótropos principais: o enxofre ortorrômbico ou simplesmente rômbico e o enxofre monocíclico. As duas formas são formadas por moléculas em forma de anel com oito átomos de enxofre (S8). A diferença está no arranjo molecular no espaço. Produzem cristais diferentes.
Os cristais rômbicos têm densidade 2,08g/mL e seu ponto de fusão é 112,8°C. Os monocíclicos têm densidade igual a 1,96g/mL e o ponto de fusão é 119,2°C.
Ambos alótropos do enxofre fervem a uma temperatura de 445°C. É um pó amarelo, inodoro, insolúvel em água e muito solúvel em sulfeto de carbono (CS2).

 

 

Mistura– são duas ou mais substâncias agrupadas, onde a composição é variável e suas propriedades também.
Exemplo de misturas: sangue, leite, ar, madeira, granito, água com açúcar.
Algumas misturas são tão importantes que têm nome próprio. São exemplos:
- gasolina – mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias formadas por hidrogênio e carbono.
- ar atmosférico – mistura de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio, 1% de argônio e mais outros gases, como o gás carbônico.
- álcool hidratado – mistura de 96% de álcool etílico mais 4% de água.

Sistema – é uma parte do universo que se deseja observar, analisar. Por exemplo: um tubo de ensaio com água, um pedaço de ferro, uma mistura de água e gasolina, etc.

Fases – é o aspecto visual uniforme.

As misturas podem conter uma ou mais fases.

Mistura Homogênea – é formada por apenas uma fase. Não se consegue diferencias a substância.
Exemplos:
- água + sal
- água + álcool etílico
- água + acetona
- água + açúcar


Água + sais minerais

Mistura Heterogênea – é formada por duas ou mais fases. As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu ou pelo microscópio.
Exemplos:
- água + óleo
- granito
- água + enxofre
- água + areia + óleo

água + óleo

Os sistemas monofásicos são as misturas homogêneas.
Os sistemas polifásicos são as misturas heterogêneas.
Os sistemas homogêneos, quando formados por duas ou mais substâncias miscíveis (que se misturam) umas nas outras chamamos de soluções.
São exemplos de soluções: água salgada, vinagre, álcool hidratado.
Os sistemas heterogêneos podem ser formados por uma única substância, porém em várias fases de agregação (estados físicos).
Exemplo: água
- líquida
- sólida (gelo)
- vapor

SEPARAÇÃO DE MISTURAS

Os componentes das misturas podem ser separados. Há algumas técnicas para realizar a separação de misturas. O tipo de separação depende do tipo de mistura.
Alguns dos métodos de separação de mistura são: catação, levigação, dissolução ou flotação, peneiração, separação magnética, dissolução fracionada, decantação e sedimentação, centrifugação, filtração, evaporação, destilação simples e fracionada e fusão fracionada.

Separação de Sólidos

Para separar sólidos podemos utilizar o método da catação, levigação, flotação ou dissolução, peneiração, separação magnética, ventilação e dissolução fracionada.

- CATAÇÃO – consiste basicamente em recolher com as mãos ou uma pinça um dos componentes da mistura.
Exemplo: separar feijão das impurezas antes de cozinhá-los.

- LEVIGAÇÃO – separa substâncias mais densas das menos densas usando água corrente.
Exemplo: processo usado por garimpeiros para separar ouro (mais denso) da areia (menos densa).

- DISSOLUÇÃO OU FLOCULAÇÃO – consiste em dissolver a mistura em solvente com densidade intermediária entre as densidades dos componentes das misturas.
Exemplo: serragem + areia
Adiciona-se água na mistura. A areia fica no fundo e a serragem flutua na água.

- PENEIRAÇÃO – separa sólidos maiores de sólidos menores ou ainda sólidos em suspensão em líquidos.
Exemplo: os pedreiros usam esta técnica para separar a areia mais fina de pedrinhas; para separar a polpa de uma fruta das suas sementes, como o maracujá.
Este processo também é chamado de tamização.

- SEPARAÇÃO MAGNÉTICA – usado quando um dos componentes da mistura é um material magnético. Com um ímã ou eletroímã, o material é retirado.
Exemplo: limalha de ferro + enxofre; areia + ferro

- VENTILAÇÃO – usado para separar dois componentes sólidos com densidades diferentes. É aplicado um jato de ar sobre a mistura.
Exemplo: separar o amendoim torrado da sua casca já solta; arroz + palha.

- DISSOLUÇÃO FRACIONADA – consiste em separar dois componentes sólidos utilizando um líquido que dissolva apenas um deles.
Exemplo: sal + areia
Dissolve-se o sal em água. A areia não se dissolve na água. Pode-se filtrar a mistura separando a areia, que fica retida no filtro da água salgada. Pode-se evaporar a água, separando a água do sal.

Separação de Sólidos e Líquidos

Para separar misturas de sólidos e líquidos podemos utilizar o método da decantação e sedimentação, centrifugação, filtração e evaporação.

- SEDIMENTAÇÃO – consiste em deixar a mistura em repouso até o sólido se depositar no fundo do recipiente.
Exemplo: água + areia

 - DECANTAÇÃO – é a remoção da parte líquida, virando cuidadosamente o recipiente. Pode-se utilizar um funil de decantação para remover um dos componentes da mistura.
Exemplo: água + óleo; água + areia

- CENTRIFUGAÇÃO – é o processo de aceleração da sedimentação. Utiliza-se um aparelho chamadocentrífuga ou centrifugador, que pode ser elétrico ou manual.
Exemplo: Para separar a água com barro.

      

- FILTRAÇÃO – processo mecânico que serve para separar mistura sólida dispersa com um líquido ou gás. Utiliza-se uma superfície porosa (filtro) para reter o sólido e deixar passar o líquido. O filtro usado é um papel-filtro.

 

O papel-filtro dobrado é usado quando o produto que mais interessa é o líquido. A filtração é mais lenta.
O papel-filtro pregueado produz uma filtração mais rápida e é utilizada quando a parte que mais interessa é a sólida.
Exemplo: água + areia

 

 

- EVAPORAÇÃO – consiste em evaporar o líquido que está misturado com um sólido.
Exemplo: água + sal de cozinha (cloreto de sódio).
Nas salinas, obtém-se o sal de cozinha por este processo. Na realidade, as evaporações resultam em sal grosso, que se for purificado torna-se o sal refinado (sal de cozinha), que é uma mistura de cloreto de sódio e outras substâncias que são adicionadas pela indústria.

Separação de Misturas Homogêneas

Para separar os componentes das substâncias de misturas homogêneas usamos os métodos chamados de fracionamento, que se baseiam na constância da temperatura nas mudanças de estados físicos. São eles: destilação e fusão.

- DESTILAÇÃO – consiste em separar líquidos e sólidos com pontos de ebulição diferentes. Os líquidos devem ser miscíveis entre si.
Exemplo: água + álcool etílico; água + sal de cozinha

O ponto de ebulição da água é 100°C e o ponto de ebulição do álcool etílico é 78°C. Se aquecermos esta mistura, o álcool ferve primeiro. No condensador, o vapor do álcool é resfriado e transformado em álcool líquido, passando para outro recipiente, que pode ser um frasco coletor, um erlenmeyer ou um copo de béquer. E a água permanece no recipiente anterior, separando-se assim do álcool.
Para essa técnica, usa-se o aparelho chamado destilador, que é um conjunto de vidrarias do laboratório químico. Utiliza-se: termômetro, balão de destilação, haste metálica ou suporte, bico de Bunsen, condensador, mangueiras, agarradores e frasco coletor.
Este método é a chamada Destilação Simples.

Nas indústrias, principalmente de petróleo, usa-se a destilação fracionada para separar misturas de dois ou mais líquidos. As torres de separação de petróleo fazem a sua divisão produzindo gasolina, óleo diesel, gás natural, querosene, piche.
As substâncias devem conter pontos de ebulição diferentes, mas com valores próximos uns aos outros.


Fonte: http://www.infoescola.com/Modules/Articles/Images/destilacao-simples.gif

- FUSÃO FRACIONADA – separa componentes de misturas homogêneas de vários sólidos. Derrete-se a substância sólida até o seu ponto de fusão, separando-se das demais substâncias.
Exemplo: mistura sólida entre estanho e chumbo.
O estanho funde-se a 231°C e o chumbo, a 327°C. Então, funde-se primeiramente o estanho.

 

 


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