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8/12/2019 Qumica Geral I Vol 1
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Prefcio XVII
1 Matria e Medio 1
1.1 Substncias Elementares e tomos 3
1.2 Compostos e Molculas 4
1.3 Propriedades Fsicas 6
Densidade 6
Temperatura 8
Dependncia das Propriedades Fsicas coma Temperatura 9
Propriedades Extensivas e Intensivas 10
1.4 Mudanas Fsicas e Qumicas 10
1.5 Classificao da Matria 12
Estados da Matria e a TeoriaCintico-molecular 12
A Matria nos NveisMacroscpicoe Particulado 13
Substncias Puras 14
Misturas:Homogneas e Heterogneas 15
1.6 Unidades de Medida 161.7 Utilizando a Informao Numrica 17
Comprimento 17
Volume 19
Massa 20
Fazendo Medies: Preciso, Exatido e ErroExperimental 22
Algarismos Significativos 24
1.8 Soluo de Problemas 26
2 tomos e Elementos 35
2.1 Prtons, Eltrons e Nutrons: Desenvolvimentoda Estrutura Atmica 37
Eletricidade 37
Radioatividade 37
Eltrons 38
Prtons 39
Nutrons 40
O Ncleo do tomo 40
2.2 Nmero Atmico e Massa Atmica 41
Sumrio
As Ferramentas Bsicas da Qumica
Nmero Atmico 41
Massa Atmica Relativa e a Unidade de Massa
Atmica 41 Nmero de Massa 42
2.3 Istopos 43
Abundncia Isotpica 43
Determinando a Massa Atmica Exata e aAbundncia Isotpica 44
2.4 Massa Atmica 46
2.5 tomos e o Mol 47
A Massa Molar 48
2.6 A Tabela Peridica 51
Caractersticas da Tabela Peridica 51
O Desenvolvimento da Tabela Peridica 53
2.7 Uma Viso Geral dos Elementos, de Sua Qumicae da Tabela Peridica 54
2.8 Elementos Essenciais 60
3Molculas, ons e Seus Compostos 65
3.1 Molculas, Compostos e Frmulas 67
Frmulas 68
3.2 Modelos Moleculares 693.3 Compostos Inicos: Frmulas, Nomes
e Propriedades 71
ons 71
Ctions 72
nions 72
ons Monoatmicos 73
Cargas dos ons e a Tabela Peridica 74
ons Poliatmicos 74
Frmulas dos Compostos Inicos 75
Nomes dos ons 76 Nomes dos Compostos Inicos 78
Propriedades dos Compostos Inicos 79
3.4 Compostos Moleculares: Frmulas, Nomese Propriedades 81
3.5 Frmulas, Compostos e o Mol 83
Massa Molar e Molecular 83
3.6 Determinando a Frmula de Compostos 86
Composio Percentual 86
Frmulas Emprica e Molecular a Partir
da Composio Percentual 87
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XII Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON
Determinando uma Frmula a Partir de Dadosde Massa 90
Determinando uma Frmula por Espectrometriade Massa 92
3.7 Compostos Hidratados 93
4 Equaes Qumicas e Estequiometria 101
4.1 Equaes Qumicas 103
4.2 Balanceamento de Equaes Qumicas 104
4.3 Relaes de Massa em Reaes Qumicas:Estequiometria 107
4.4 Reaes em Que um Reagente Est Presente emQuantidade Limitada 110
4.5 Rendimento Percentual 115
4.6 Equaes Qumicas e Anlise Qumica 116 Anlise Quantitativa deuma Mistura 116
Determinando a Frmula de um Compostopor Combusto 120
5 Reaes em Soluo Aquosa 127
5.1 Propriedades dos Compostos em SoluoAquosa 129
ons em Soluo Aquosa: Eletrlitos 129
Tipos de Eletrlitos 130
Solubilidade de Compostos Inicosem gua 131
5.2 Reaes de Precipitao 132
Equaes Inicas Lquidas 135
5.3 cidos e Bases 136
cidos 136
Bases 137
xidos Metlicos e No-metlicos 139
5.4 Reaes de cidos e Bases 140
5.5 Reaes Que Formam Gazes 143
5.6 Classificao das Reaes em SoluoAquosa 144
Reaes com Formao Favorecida de Produtosou Reagentes 145
Resumo das Foras Motrizes das Reaes 146
5.7 Reaes de Oxirreduo 147
Reaes Redox e Transferncia de Eltrons 148
Nmeros de Oxidao 149
Reconhecendo Reaes de Oxirreduo 151
5.8 Medindo a Concentrao de Compostos
em Soluo 155
Concentrao de Solues: Molaridade 155
Preparando Solues de ConcentraoConhecida 158
5.9 pH: Uma Escala de Concentrao para cidos e
Bases 1605.10 Estequiometria das Reaes em
Soluo Aquosa 162
Soluo Geral de Estequiometria 162
Titulao: Um Mtodo de Anlise Qumica 164
6 Princpios de Reatividade: Energia e ReaesQumicas 177
6.1 Energia: Alguns Princpios Bsicos 179
Conservao da Energia 180
Temperatura e Calor 181 Sistemas e Vizinhanas 182
Direcionalidade da Transferncia de Calor:Equilbrio Trmico 182
Unidades de Energia 184
6.2 Capacidade Calorfica Especfica e Transfernciade Calor 184
Aspectos Quantitativos da Transfernciade Calor 187
6.3 Energia e Mudanas de Estado 189
6.4 A Primeira Lei da Termodinmica 192 Entalpia 195
Funes de Estado 196
6.5. Variaes de Entalpia para ReaesQumicas 196
6.6 Calorimetria 199
Calorimetria a Presso Constante:Medindo H 199
Calorimetria a Volume Constante:Medindo E 200
6.7 A Lei de Hess 202 Diagramas de Nveis de Energia 203
6.8 Entalpias Padro de Formao 206
Variao de Entalpia para uma Reao 210
6.9 Reaes com Formao Favorecida deProdutos ou Reagentes e aTermoqumica 211
6.10 Recursos Energticos 212
Combustveis Fsseis: O Que H de Novo? 212
Energia Solar 213
A Economia do Hidrognio 215
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XIIIKOTZETREICHEL Sumrio
7
Estrutura Atmica 2237.1 Radiao Eletromagntica 225
Propriedades das Ondas 225
Ondas Estacionrias 226
O Espectro Visvel da Luz 228
7.2 Planck, Einstein, Energia e Ftons 229
Equao de Planck 229
Einstein e o Efeito Fotoeltrico 231
Energia e Qumica: Usando a Equaode Planck 232
7.3 Espectros de Linhas Atmicas e Niels Bohr 233 Espectros de Linhas Atmicas 233
O Modelo de Bohr do tomode Hidrognio 234
7.4 Propriedades Ondulatrias do Eltron 241
7.5 Uma Viso Mecnico-quntica do tomo 242
O Princpio da Incerteza 242
O Modelo de Schrdinger para o tomode Hidrognio e as Funes de Onda 243
Nmeros Qunticos 243
Informao til a Partir dos NmerosQunticos 244
7.6 O Formato dos Orbitais Atmicos 246
Orbitaiss 246
Orbitaisp 248
Orbitaisd 249
Orbitaisf 249
7.7 Orbitais Atmicos e a Qumica 249
8 Configuraes Eletrnicas dos tomos
e Periodicidade Qumica 2578.1 Spin Eletrnico 259
Magnetismo 259
Paramagnetismo e EltronsDesemparelhados 260
8.2 O Princpio da Excluso de Pauli 261
8.3 Energias das Subcamadas Atmicase Atribuio dos Eltrons 263
Ordem de Energia das Subcamadas e Atribuiodos Eltrons 263
A Carga Nuclear Efetiva, Z* 264
8.4 Configuraes Eletrnicas dos tomos 266
Configuraes Eletrnicas dos Elementosdo Grupo Principal 266
Configuraes Eletrnicas dos Elementos
de Transio 2728.5 Configuraes Eletrnicas dos ons 274
8.6 Propriedades Atmicas e TendnciasPeridicas 275
Tamanho Atmico 275
Energia de Ionizao 277
Afinidade Eletrnica 279
Tamanho dos ons 282
8.7 Tendncias Peridicas e PropriedadesQumicas 283
9 Ligaes e Estrutura Molecular: ConceitosFundamentais 289
9.1 Eltrons de Valncia 291
Smbolos de Lewis para os tomos 292
9.2 Formao de Ligaes Qumicas 292
9.3 Ligao em Compostos Inicos 294
Atrao entre ons e Energia 294
Energia de Retculo (ou Reticular) 296
Por Que Compostos Como NaCl2
e NaNe No Existem 2989.4 Ligaes Covalentes e Estruturas de Lewis 299
Estruturas Eletrnicas de Lewis 299
A Regra do Octeto 300
Prevendo Estruturas de Lewis 302
9.5 Ressonncia 306
9.6 Excees Regra do Octeto 310
Compostos em Que um tomo Possui Menosde Oito Eltrons de Valncia 310
Compostos em Que um tomo Possui Mais de
Oito Eltrons de Valncia 311 Molculas com um Nmero mpar de
Eltrons 312
9.7 Distribuio de Cargas em Ligaes Covalentese Molculas 313
Cargas Formais em tomos 314
Polaridade da Ligao e Eletronegatividade 316
Combinando a Carga Formal e a Polaridadeda Ligao 319
9.8 Propriedades das Ligaes 321
Ordem de Ligao 321
A Estrutura dos tomos e das Molculas
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XIV Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON
Comprimento de Ligao 321
Energia de Ligao 323
9.9 As Formas das Molculas 326
tomos Centrais Cercados Somente por Paresde Ligaes Simples 327
tomos Centrais com Pares de LigaoSimples e Pares Isolados 327
Ligaes Mltiplas e GeometriaMolecular 331
9.10 Polaridade Molecular 333
9.11 A Histria do DNA 337
10Ligaes e Estrutura Molecular: Hibridizaode Orbitais e Orbitais Moleculares 345
10.1 Orbitais e Teorias de Ligao 347
10.2 Teoria da Ligao de Valncia 347
O Modelo de Ligao da Sobreposiode Orbitais 347
Hibridizao dos Orbitais Atmicos 350
Ligaes Mltiplas 357
Isomeria Cis-Trans: Uma Conseqnciadas Ligaes 361
Benzeno: Um Exemplo Especial daLigao 362
10.3 Teoria do Orbital Molecular 363
Princpios da Teoria do Orbital Molecular 363
Ordem de Ligao 365
Orbitais Moleculares de Li2e Be2 365
Orbitais Moleculares a Partir de OrbitaisAtmicosp 366
Ressonncia e a Teoria do OrbitalMolecular 369
10.4 Metais e Semicondutores 372
Condutores, Isolantes e a Teoria de Bandas 372
Semicondutores 373
11Carbono: Mais do Que Apenas Mais UmElemento 381
11.1 Por Que o Carbono? 383
Diversidade Estrutural 383
Ismeros 385
Estabilidade dos Compostos de Carbono 386
11.2 Hidrocarbonetos 388
Alcanos 388
Ismeros Estruturais 388
Alcenos e Alcinos 393
Compostos Aromticos 398
11.3 Alcois, teres e Aminas 401
Alcois e teres 402
Aminas 406
11.4 Compostos com um Grupo Carbonila 408
Aldedos e Cetonas 409
cidos Carboxlicos 410
steres 413
Amidas 415
11.5 Polmeros 416
Classificao dos Polmeros 416
Polmeros de Adio 419 Polmeros de Condensao 422
Novos Materiais Polimricos 426
12Os Gases e Suas Propriedades 431
12.1 Propriedades dos Gases 433
Presso do Gs 433
12.2 As Leis dos Gases: Uma baseExperimental 436
A Compressibilidade dos Gases: Leide Boyle 436
Efeito da Temperatura no Volume de umGs: Lei de Charles 438
Combinando as Leis de Boyle e de Charles:Lei Geral dos Gases 440
A Hiptese de Avogadro 441
12.3 A Lei dos Gases Ideais 442
Densidade dos Gases 444 Calculando a Massa Molar a Partir de Dados
deP,Ve T 445
12.4 As Leis dos Gases e as Reaes Qumicas 447
12.5 Misturas de Gases e Presses Parciais 450
12.6 Teoria Cintico-molecular dos Gases 452
Velocidade Molecular e Energia Cintica 452
Teoria Cintico-molecular e as Leis dos Gases 454
12.7 Difuso e Efuso 455
12.8 Algumas Aplicaes das Leis dos Gases e
da Teoria Cintico-molecular 457
Estados da Matria
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XVKOTZETREICHEL Sumrio
Bales de Ar Quente 457
Mergulho Submarino Profundo 457
12.9 Comportamento No-ideal: Gases Reais 458
13Foras Intermoleculares, Lquidos e Slidos 467
13.1. Estados da Matria e a TeoriaCintico-molecular 469
13.2. Foras Intermoleculares 470
Interaes entre Molculas com DipolosPermanentes 470
Interaes entre Molculas Apolares 472
13.3 A Ligao de Hidrognio 475
A Ligao de Hidrognio e as Propriedades
Incomuns da gua 47713.4 Resumo das Foras Intermoleculares 479
13.5 As Propriedades dos Lquidos 480
Vaporizao 481
Presso de Vapor 484
Ponto de Ebulio 486
Temperatura e Presso Crticas 486
Tenso Superficial, Ao Capilare Viscosidade 488
13.6 Qumica do Estado Slido: Metais 490
Retculos Cristalinos e Celas Unitrias 49013.7 Qumica do Estado Slido: Estruturas
e Frmulas de Slidos Inicos 496
13.8 Outros Tipos de Materiais Slidos 498
Slidos Moleculares 498
Slidos Reticulares 500
Slidos Amorfos 500
13.9 As Propriedades Fsicas dos Slidos 501
13.10 Diagramas de Fase 504
14As Solues e Seu Comportamento 511
14.1 Unidades de Concentrao 513
14.2 O Processo de Dissoluo 516
Lquidos Dissolvendo-se em Lquidos 517
Slidos Dissolvendo-se em Lquidos 519
Calor de Dissoluo 519
14.3 Fatores Que Afetam a Solubilidade: Pressoe Temperatura 525
Dissolvendo Gases em Lquidos: A Leide Henry 525
14.4 Propriedades Coligativas 528
Mudanas na Presso de Vapor: A Lei
de Raoult 528 Elevao do Ponto de Ebulio 531
Depresso do Ponto de Congelamento 532
Propriedades Coligativas e a Determinaoda Massa Molar 533
Propriedades Coligativas de SoluesQue Contm ons 534
Osmose 536
14.5 Colides 540
Tipos de colides 541
Surfactantes 542
A Algumas Operaes Matemticas 552
B Alguns Conceitos Fsicos Importantes 560
C Abreviaturas e Fatores de Converso teis 563
D Constantes Fsicas 567
E Nomenclatura de Compostos Orgnicos 569
F Valores das Energias de Ionizao e AfinidadesEletrnicas dos Elementos 573
G Presso de Vapor da gua em DiversasTemperaturas 574
H Constantes de Ionizao de cidos Fracosa 25 C 575
I Constantes de Ionizao de Bases Fracas a 25 C 577
J Constantes de Produto de Solubilidade de AlgunsCompostos Inorgnicos a 25 C 578
K Constantes de Formao de Alguns ons Complexosem Soluo Aquosa 580
L Valores Termodinmicos Selecionados 581
M Potenciais Padro de Reduo em SoluoAquosa a 25 C 587
N Respostas dos Exerccios 590
O Respostas das Questes de Estudo 601
ndice Remissivo / Glossrio 629
Caderno Colorido* 657
Apndices
*NE: Por questes de ordem pedaggica, estamos repetindo algumas ilustraes no caderno colorido ao final deste livro.
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XVIIKOTZETREICHEL Sumrio
FILOSOFIA E ABORDAGEM DO LIVRO
Desde a primeira edio em ingls, este livro teve dois objetivos principais, porm interdependentes. O primeiro con-
sistia em elaborar uma obra que os estudantes gostassem de ler e que oferecesse, com razovel nvel de rigor, qumica e
princpios qumicos em formato e organizao tpicos dos cursos universitrios atuais. O segundo consistia em transmitir
a utilidade e a importncia da qumica pela introduo das propriedades dos elementos, de seus compostos e de suas
reaes o mais cedo possvel e pela focalizao da discusso nesses assuntos.
Uma observao dos textos introdutrios de qumica disponveis atualmente revela que h um ordenamento
comum utilizado pelos educadores no tratamento de princpios qumicos. Com algumas pequenas variaes, neste livro
seguiu-se essa ordem tambm, o que no significa que os captulos no possam ser usados em ordem diversa.1Por exem-
plo, o Captulo 12, sobre as propriedades dos gases, foi disposto junto com captulos sobre lquidos, slidos e solues,
porque logicamente se encaixa nesses tpicos. Esse captulo, no entanto, pode tambm ser facilmente lido e compreen-
dido mesmo aps a leitura dos primeiros quatro ou cinco captulos.
Em livros de qumica, a discusso sobre qumica orgnica (Captulo 11) normalmente disposta nos captulos
finais. A importncia dos compostos orgnicos na bioqumica e na indstria qumica levou-nos a apresent-lo antes na
seqncia dos captulos. Assim, ele foi colocado depois dos captulos sobre estrutura e ligao, porque a qumica org-
nica ilustra a aplicao dos modelos de ligao qumica e de estrutura molecular.
A ordem dos tpicos no texto foi tambm planejada de modo a introduzir, to cedo quanto possvel, os conheci-
mentos necessrios s experincias de laboratrio feitas em cursos de qumica geral. Por esse motivo, os captulos sobre
propriedades qumicas e fsicas, os tipos comuns de reao e a estequiometria encontram-se no incio do volume 1.
Alm disso, em razo da importncia de se compreender a energia no estudo da qumica, a termoqumica introduzida
no Captulo 6.
A American Chemical Society (Associao Norte-americana de Qumica) tem incitado educadores a recolocar
a qumica nos cursos introdutrios dessa matria. Como qumicos inorgnicos, concordamos plenamente. Por conse-
qncia, freqentemente tentamos descrever os elementos, seus compostos e suas reaes o mais cedo possvel, de diver-
sas maneiras. Primeiro, h numerosas fotografias das reaes que ocorrem, dos elementos e dos compostos comuns, de
operaes comuns no laboratrio e de processos industriais. Segundo, procuramos introduzir os assuntos relacionados s
propriedades dos elementos e dos compostos o quanto antes nos Exerccios e nas Questes de Estudo e apresentar
novos princpios usando situaes qumicas reais. Por fim, assuntos relevantes so apresentados nos captulos 21 e 22
como complemento aos princpios descritos previamente.Finalmente, textos intitulados Um Exame Mais Detalhado descrevem idias que fornecem o pano de fundo
para o assunto em discusso ou uma abordagem diferente dele. Por exemplo, no Captulo 11 sobre qumica orgnica
os textos intitulados Um Exame Mais Detalhado so voltados discusso dos aspectos estruturais de molculas de
importncia bioqumica, como aminocidos e protenas. Em outros captulos mergulhamos em modelagem molecular e
em espectrometria de massa.
Prefcio
1
NE: Esta edio em portugus est organizada em dois volumes (captulos 1 a 14, vol. 1, e captulos 15 a 23, vol. 2).
8/12/2019 Qumica Geral I Vol 1
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XVIII Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSONXVIII Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON
ORGANIZAO DO LIVRO
Qumica Geral e Reaes Qumicasapresenta dois temas que se sobrepem: Reatividade Qumica e Ligao e
Estrutura Molecular. Os captulos que tratam dos Princpios de Reatividade (vol. 2) apresentam ao leitor fatores que con-duzem a reaes qumicas bem-sucedidas na formao de produtos. Assim, neste tpico o leitor estudar tipos comuns
de reaes, a energia nelas envolvida e os fatores que afetam a velocidade de uma reao. Um dos fatores responsveis
pelos enormes avanos em qumica e em biologia molecular nas ltimas dcadas foi a compreenso da estrutura mole-
cular. Assim, as sees do livro sobrePrincpios deLigao e da Estrutura Molecular fornecem as bases que permitem
compreender esses desenvolvimentos. Uma ateno especial dada compreenso dos aspectos estruturais de molculas
biologicamente importantes como o DNA.
Os captulos que tratam dosPrincpios de Reatividadeso organizados em cinco sees, e cada uma delas agrupa
um tema em comum.
Parte 1: As Ferramentas Bsicas da Qumica
Certos mtodos e certas idias bsicas que formam a espinha dorsal da qumica so introduzidos na Parte 1 (vol. 1),
em que se definem termos importantes, alm de apresentar uma reviso das unidades e dos mtodos matemticos. Os
captulos 2 e 3 trazem idias bsicas sobre os tomos, as molculas e os ons, e no Captulo 2 se introduz um dos dis-
positivos organizacionais mais importantes da qumica: a Tabela Peridica. Nos captulos 4 e 5 comea-se a discutir os
princpios da reatividade qumica e a se introduzir os mtodos numricos usados pelos qumicos para extrair informao
quantitativa das reaes qumicas. O Captulo 6 uma introduo energia envolvida em processos qumicos.
Parte 2: A Estrutura dos tomos e das Molculas
O objetivo desta parte fornecer um esboo das teorias atuais que tratam do arranjo dos eltrons nos tomos e
alguns dos desenvolvimentos histricos que conduziram a essas idias (captulos 7 e 8). Com essa base, pode-se com-
preender por que os tomos e seus ons tm propriedades qumicas e fsicas diferentes. Essa discusso est ligada ao
arranjo dos elementos na Tabela Peridica, de modo que essas propriedades possam ser relembradas e predies possam
ser feitas. No Captulo 9, discute-se pela primeira vez como os eltrons dos tomos em uma molcula levam formao
de ligaes qumicas e as propriedades dessas ligaes. Alm disso, mostra-se como derivar a estrutura tridimensio-
nal de molculas simples. Finalmente, o Captulo 10 considera de forma mais detalhada as principais teorias de liga-o qumica.
Ao final desta parte h uma discusso sobre qumica orgnica (Captulo 11), inicialmente de um ponto de vista
estrutural. A qumica orgnica uma rea extensa da qumica que no se pode abranger em detalhe neste livro. Conseqente-
mente, focalizam-se os compostos de especial importncia, incluindo polmeros sintticos, e as estruturas desses materiais.
Parte 3: Estados da Matria
O comportamento dos trs estados da matria gases, lquidos e slidos descrito nessa ordem nos captu-
los 12 e 13. A discusso dos lquidos e dos slidos est vinculada aos gases por meio da descrio das foras intermole-
8/12/2019 Qumica Geral I Vol 1
8/16
XIXKOTZETREICHEL Sumrio XIXKOTZETREICHEL Prefcio
culares, com ateno especial dada gua lquida e slida. O Captulo 13 considera tambm o estado slido, uma rea da
qumica que atualmente atravessa um processo de renascimento. No Captulo 14, trata-se das propriedades das solues,
misturas ntimas de gases, lquidos e slidos.
Parte 4: O Controle de Reaes Qumicas
Esta parte se concentra exclusivamente nos Princpios de Reatividade. No Captulo 15, examina-se a importante
questo das velocidades dos processos qumicos e dos fatores que as controlam. Com isso em mente, avana-se para os
captulos 16 a 18, conjunto de captulos que descreve as reaes qumicas no equilbrio. Aps uma introduo ao equil-
brio no Captulo 16, destacam-se as reaes que envolvem cidos e bases em gua (captulos 17 e 18) e as reaes que
formam sais insolveis (Captulo 18). Para alinhavar a discusso sobre os equilbrios qumicos, explora-se novamente a
termodinmica no Captulo 19. Como tpico final desta parte descreve-se no Captulo 20 a classe principal de reaes
qumicas, aquelas que envolvem a transferncia de eltrons e o uso dessas reaes em clulas eletroqumicas.
Parte 5: A Qumica dos Elementos
Embora a qumica dos vrios elementos seja descrita durante todo o livro at esta parte, aqui se considera este
tpico de forma mais sistemtica. O Captulo 21 est voltado qumica dos elementos representativos, enquanto o
Captulo 22 apresenta uma discusso dos elementos de transio e de seus compostos. Finalmente, no Captulo 23 h
uma breve discusso da qumica nuclear.
Objetivos do Captulo
Uma lista de quatro a seis objetivos para cada captulo apresentada no incio de cada um deles.
Disposio dos Problemas-exemplo
Todos os problemas-exemplo no livro so divididos em trs ou quatro sees. A questo formulada to
sucintamente quanto possvel na apresentao do Problem. Em seguida, a seo Estratgia descreve de maneira geral
como a questo deve ser abordada, quais dados so relevantes e em que parte do texto o estudante pode conseguir ajuda.
A terceira seo esboa a Soluo do problema. Finalmente, caso seja necessrio, h um Comentrio sobre a natureza dasoluo. Isso representa a maneira de abordagem das questes que colocamos aos estudantes.
Organizao das Questes de Estudo
As questes de estudo ao final de cada captulo so divididas basicamente em questes de reviso, em questes
organizadas de acordo com a seo relevante do captulo e em uma lista de questes gerais sem nenhuma indicao de
tipo. Entretanto, mais informao fornecida para as questes organizadas de acordo com a seo do captulo. Para
questes em uma seo ou em uma dada subseo do captulo, destacamos quais as questes ou os exerccios do exemplo
so relevantes.
8/12/2019 Qumica Geral I Vol 1
9/16
XX Qumica Geral e Reaes Qumicas EDITORATHOMSON
Apresentao Adiantada do pH
Em muitas universidades, os estudantes cursam qumica geral apenas no primeiro semestre. Um tpico inicialmente
estudado na parte final do volume 2, mas que til a esses estudantes, o pH. Conseqentemente, a definio do pH e osexemplos de seu uso so apresentados no Captulo 5 como parte da discusso sobre a concentrao das solues.
Equilbrios Qumicos
Este assunto apresentado em trs captulos, reduzindo ligeiramente o estudo de compostos insolveis e incor-
porando o tpico no Captulo 18, volume 2. Este captulo apresenta solues-tampo, titulaes cido-base e a solubili-
dade dos compostos.
Agradecimentos
Queramos agradecer nossas famlias, amigos, colegas e estudantes pelo apoio e encorajamento.
Publicar um livro um processo complexo, exigindo uma grande equipe para realizar a tarefa. Ao menos um dos
membros de nossa equipe merece agradecimentos especiais: Katie Kotz.
O sucesso deste livro se deve, em grande parte, qualidade dos revisores do manuscrito. Queremos expressar
nossa gratido aos esforos de todos aqueles listados a seguir. Entretanto, merecem meno especial: Gary Riley e Steve
Lnaders, que resolveram todos os problemas surgidos. Os revisores de provas Susan Young, Larry Fishel e Marie Nguyen
foram inestimveis. Em razo dos milhares de palavras e de nmeros a serem verificados, leitores de provas cuidadosose competentes so fundamentais.
David W. Ball, Cleveland State University
Roger Barth, West Chester University
John G. Berberian, Saint Josephs University
Don A. Berkowitz, University of Maryland
Simon Bott, University of Houston
Wendy Clevenger Cory, University of Tennessee atChattanooga
Richard Cornelius, Lebanon Valley College
James S. Falcone, West Chester University
Martin Fossett, Tabor Academy
Michelle Fossum, Laney College
Sandro Gambarotta, University of Ottawa
Robert Garber, California State University, Long Beach
Michael D. Hampton, University of Central Florida
Paul Hunter, Michigan State University
Michael E. Lipschutz, Purdue University
Shelley D. Minteer, Saint Louis University
Jessica N. Orvis, Georgia Southern UniversityDavid Spurgeon, University of Arizona
Stephen P. Tanner, University of West Florida
John Townsend, West Chester University
John A. Weyh, Western Washington University
Marcy Whitney, The University of Alabama
Sheila Woodgate, The University of Auckland
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1Matria e Medio
Reconhecer elementos, substncias elementares, tomos, compostos emolculas.
Identificar propriedades e mudanas fsicas e qumicas. Aplicar a teoria cintico-molecular s propriedades da matria.
Usar unidades mtricas e algarismos significativos de forma correta.
A s F e r r a m e n t a s B s i c a s d a Q u m i c a
O b j e t i v o s d o C a p t u l o
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1F o c o d o C a p t u l oPensando sobre a Matria.A qumica o estudo danatureza da matria e de suas interaes. A matria essen-cialmente composta por elementos qumicos e seus compostose sua maior parte pode existir em um dos trs estados: slido,lquido e gs.
Embora os qumicos faam observaes em nvel ma-croscpicos, ns nos preocupamos com as propriedades da mat-ria nas escalas microscpica e submicroscpica.
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3KOTZETREICHEL Captulo 1 Matria e Medio
Imagine um copo alto cheio de um lquido lmpido. A luz solar de uma janela prxima fazcom que o lquido cintile, e o copo est fresco ao toque. Um gole de gua seria bom, masser que voc deve arriscar? Se o copo estivesse em sua cozinha, voc poderia responderque sim. E se essa cena ocorresse em um laboratrio qumico? Como voc poderia saberque o copo contm gua pura? Formulando a pergunta de forma mais qumica: como vocdemonstraria que o lquido realmente gua?
Em geral, consideramos a gua que bebemos como pura, mas isso no estrita-mente verdade. Em alguns casos, matria pode estar suspensa nela ou bolhas de algum gs,como o oxignio, podem ser visveis. s vezes, a gua da torneira pode apresentar umaligeira colorao, em razo do ferro dissolvido. Na verdade, a gua potvel quase sempreuma mistura de substncias, algumas dissolvidas e outras no. Para qualquer mistura, po-deramos fazer muitas perguntas: quais so seus componentes (partculas de poeira, bolhasdo oxignio, sais dissolvidos de sdio, clcio ou ferro) e quais so suas quantias relativas?Como podem essas substncias ser separadas umas das outras, e como as propriedades deuma substncia variam quando ela misturada com outra?
Este captulo o incio de nossa discusso de como os qumicos pensam sobre a
matria. Exploraremos algumas idias bsicas a respeito dos elementos, tomos, compos-tos e molculas, o foco da qumica. Em seguida, perguntaremos como os qumicos caracte-rizam esses blocos de construo da matria e comearemos a ver como podemos utilizara informao numrica.
1.1 SUBSTNCIASELEMENTARESETOMOSA passagem de uma corrente eltrica atravs da gua pura pode provocar sua decomposi-o em hidrognio e oxignio gasosos (veja a Figura 1.1a). Substncias como o hidrognioe o oxignio, que so compostas por apenas um tipo de tomo, so classificadas comosubstncias elementares1.Cerca de 113 elementos so atualmente conhecidos, e, desses,
Pensando sobre a matria. Isto umcopo de gua pura? Como se pode provarque a gua realmente pura? (CharlesD. Winters)
Figura 1.1 Substncias elementares. (a) A passagem de uma corrente eltrica atravs da gua produz as substncias elementares hidrognio (tubo deensaio direita) e oxignio ( esquerda). (b)Substncias elementares podem freqentemente ser identificadas por sua cor e pelo estado fsico temperaturaambiente. (Charles D. Winters)
(a) (b)
1 NTT: No original: elements. Na lngua inglesa, essa palavra define uma substncia constituda por apenas um tipo de tomo (uma substncia elementar) etambm serve para designar um determinado tipo de tomo. Em portugus, elemento e substncia elementar tm significados diferentes. O elemento o
tipo de tomo, enquanto a substncia elementar aquela formada por apenas um tipo de elemento.
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aproximadamente 90 so encontrados na natureza; o restante foi criado por cientistas. O nomee o smbolo de cada elemento esto listados ao final do livro. O carbono (C), o enxofre (S), oferro (Fe), o cobre (Cu), a prata (Ag), o estanho (Sn), o ouro (Au), o mercrio (Hg) e o chumbo(Pb) eram conhecidos em formas relativamente puras na Antiguidade pelos gregos e romanose pelos alquimistas da China antiga, do mundo rabe e da Europa medieval. Entretanto, muitosoutros como o alumnio (Al), o silcio (Si), o iodo (I) e o hlio (He) no eram conhecidosat os sculos XVII e XVIII (algumas dessas substncias elementares so mostradas na Figura1.1b). Finalmente, os elementos artificiais, como o tecncio (Tc), o plutnio (Pu) e o amercio(Am), foram criados no sculo XX utilizando-se tcnicas da fsica moderna.
Muitos elementos tm nomes e smbolos com origens no latim ou no grego al-guns exemplos incluem o hlio (He), cujo nome vem da palavra grega que significa sol,helios, e o chumbo, cujo smbolo, Pb, vem da palavra em latim plumbum, que significapesado. Os elementos recentemente descobertos, porm, foram nomeados em homenagema seu lugar de descoberta ou a uma pessoa ou um lugar importante alguns exemplos soo amercio (Am), o califrnio (Cf) e o crio (Cm).
A tabela ao final deste livro, em que o smbolo e outras informaes sobre todos
os elementos, com exceo dos mais recentes, so includos em um boxe, chamada deTabela Peridica. Descreveremos essa ferramenta importante da qumica de forma maisdetalhada no Captulo 2.
Um tomo a menor partcula de um elemento que retm as propriedades carac-tersticas desse elemento. A qumica moderna se baseia na compreenso e na exploraoda natureza em nvel atmico. Muito mais ser dito sobre os tomos e as propriedadesatmicas nos captulos 2, 7 e 8 (especialmente).
Elementos
Usando a Tabela Peridica ao final deste livro:
(a) encontre os nomes dos elementos que tm os smbolos Na, Cl e Cr.(b) encontre os smbolos dos elementos zinco, nquel e potssio.
1.2 COMPOSTOSEMOLCULAS
Uma substncia pura como acar, sal ou gua, que composta por duas ou mais subs-tncias elementares diferentes, chamada de composto qumico.Apesar de conhecermosapenas 113 elementos, parece no haver nenhum limite para o nmero dos compostosconstitudos a partir desses elementos. Mais de 20 milhes de compostos so atualmente
conhecidos, e aproximadamente 500 mil so adicionados lista a cada ano. Quando os elementos tornam-se parte de um composto, suas propriedades ori-ginais, como a cor, a dureza e o ponto de fuso, so substitudas pelas propriedades ca-ractersticas do composto. Considere o sal de cozinha comum (cloreto de sdio), que composto por duas substncias elementares (veja a Figura 1.2).
O sdio um metal brilhante que interage violentamente com a gua. compos- to por tomos de sdio arranjados de forma compacta.
O cloro um gs amarelo-claro que tem um odor caracterstico sufocante e um forte irritante dos pulmes e de outros tecidos. A substncia elementar com- posta por unidades de Cl2, em que dois tomos de cloro so fortemente ligados.
O cloreto de sdio, ou o sal de cozinha, um slido cristalino com propriedades
completamente diferentes das duas substncias elementares que o compem
Escrevendo os Smbolos dosElementos
Note que apenas a primeira letra dosmbolo de uma substncia elementar maiscula. Por exemplo, cobalto Coe no CO. A notao CO representa ocomposto monxido de carbono.
Resposta aos Exerccios
Em cada captulo do livro voc encon-trar um ou mais exerccios ao final decada seo, ou dentro de uma seo.O objetivo desses exerccios ajud-loa verificar o seu conhecimento do as-sunto discutido naquela seo. As solu-es desses exerccios encontram-se noApndice N.
A pirita de ferro um composto qu-mico formado por ferro e enxofre. freqentemente encontrada na naturezana forma de cubos dourados perfeitos.(Charles D. Winters)
Exerccio 1.1
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(veja a Figura 1.2). O sal composto por sdio e cloro intimamente ligados umao outro. (O significado de frmulas qumicas do tipo NaCl explorado nas
sees 3.3 e 3.4.)
importante fazer uma distino cuidadosa entre uma mistura de substnciaselementares (veja a Seo 1.5) e um composto qumico de dois ou mais elementos. O ferrometlico puro e o enxofre amarelo em p (veja a Figura 1.1b) podem ser misturados empropores variadas. No composto qumico conhecido como pirita de ferro, entretanto,esse tipo de variao no pode ocorrer. A pirita de ferro no somente exibe propriedadesespecficas e diferentes daquelas do ferro ou do enxofre, ou uma mistura dessas substnciaselementares, como tambm apresenta uma composio percentual em massa invarivel(46,55% de Fe e 53,45% de S, ou 46,55 g de Fe e 53,45 g de S em 100,00 g de amostra).Assim, existem duas principais diferenas entre misturas e compostos qumicos: os com-postos tm caractersticas diferentes de seus elementos de origem e tm uma composio
percentual fixa (em massa) de seus elementos constituintes. Alguns compostos como o sal, NaCI so constitudos porons, que so to-mos ou grupos de tomos eletricamente carregados [ Captulo 3]. Outros compostos como a gua e o acar consistem emmolculas, as menores unidades discretas queretm as caractersticas qumica e de composio do composto.
A composio do composto pode ser representada por suafrmula qumica. Nafrmula para a gua, H2O, por exemplo, o smbolo para o hidrognio, H, seguido por um2 subscrito, que indica que dois tomos de hidrognio ocorrem em uma nica molculade gua. O smbolo para o oxignio aparece sem algarismo subscrito, o que indica quesomente um tomo de oxignio ocorre na molcula de gua.
Conforme ser visto durante todo este livro, as molculas podem ser represen-tadas por modelos que descrevem sua composio e sua estrutura. A Figura 1.3 ilustra os
nomes, as frmulas e os modelos das estruturas de algumas molculas comuns.
Figura 1.2 Formao de um composto qumico. Cloreto de sdio, o sal de cozinha, pode ser preparado pelacombinao de sdio metlico (Na) e do gs amarelo cloro (Cl2). O resultado um slido cristalino. (Charles D.Winters)
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1.3 PROPRIEDADESFSICASVoc reconhece seus amigos pela aparncia fsica: altura, peso e cor dos olhos e dos cabe-los. O mesmo vale para as substncias qumicas. Pode-se diferenciar entre um cubo de geloe um cubo de chumbo de mesmo tamanho no apenas por sua aparncia (um transparentee incolor, o outro um metal lustroso), mas tambm por um deles ser muito mais pesado(chumbo) do que o outro (gelo) (veja a Figura 1.4). Propriedades como essas, que podemser observadas e medidas sem alterar a composio de uma substncia, so chamadas de propriedades fsicas. As substncias qumicas elementares nas figuras 1.1 e 1.2, por exem-
plo, diferem claramente na cor, na aparncia e no seu estado, isto , se so slidas, lquidasou gs. As propriedades fsicas permitem que classifiquemos e identifiquemos substnciasdo mundo da matria. Na Tabela 1.1 listam-se algumas propriedades fsicas da matria queos qumicos geralmente utilizam.
Identifique, na Tabela 1.1, o mximo de propriedades fsicas que puder para as seguintessubstncias comuns: (a) ferro, (b) gua, (c) sal de cozinha (cujo nome qumico cloreto desdio) e (d) oxignio.
Propriedade Utilizao da Propriedade para Diferenciar Substncias
Cor A substncia colorida ou incolor?Qual a cor e qual sua intensidade?
Estado da matria um slido, um lquido ou um gs?Se um slido, qual a forma das partculas?
Ponto de fuso A que temperatura o slido se funde?
Ponto de ebulio A que temperatura o lquido ferve?
Densidade Qual sua densidade (massa por unidade de volume)?
Solubilidade Que massa da substncia pode ser dissolvida em umdeterminado volume de gua ou em outro solvente?
Condutividade eltrica Trata-se de um condutor eltrico ou de um isolante?
Maleabilidade Qual a facilidade de se deformar o slido?
Ductibilidade Com que facilidade o slido pode ser transformado em um fio?
Viscosidade Qual a suscetibilidade de um lquido ao escoamento?
DensidadeA densidade, razo entre a massa de um objeto e seu volume, uma propriedade fsica til
para identificar as substncias.
Figura 1.3Nomes, frmulas e modelosdas estruturas de algumas molculas co-muns. Modelos de molculas so ampla-mente utilizados, e muitos aparecem aolongo de todo o livro. Nesses modelos,
os tomos de C so representados em corcinza, os tomos de H, em branco, os deN, em azul, e os de O, em vermelho. Esseesquema de cores geralmente usadoem qumica. (Veja o caderno colorido aofinal do livro.)
Figura 1.4 Propriedades fsicas. Umcubo de gelo e um pedao de chumbopodem ser facilmente diferenciadospor meio de suas propriedades fsicas(como densidade, cor e ponto de fuso).(Charles D. Winters)
Propriedades Fsicas
Algumas Propriedades Fsicas
Exerccio 1.2
Tabela 1.1
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(1.1)
Seu crebro usa inconscientemente a densidade de um objeto que voc queira levantar
estimando o volume visualmente e preparando seus msculos para levantar a massa pre-vista. Por exemplo, pode-se instantaneamente dizer a diferena entre um cubo do gelo e umcubo de chumbo de tamanhos idnticos (veja a Figura 1.4). O chumbo tem uma densidadeelevada, 11,35 g/cm3(11,35 gramas por centmetro cbico), ao passo que a densidade dogelo ligeiramente menor que 0,917 g/cm3. Um cubo de gelo com um volume de 16,0 cm3tem uma massa de 14,7 g, enquanto um cubo de chumbo com o mesmo volume tem umamassa de 180 g.
A densidade de uma substncia relaciona sua massa e seu volume. Se duas dastrs grandezas massa, volume e densidade forem conhecidas para uma amostra dematria, a terceira pode ser calculada. Por exemplo, a massa de um objeto o produtode sua densidade por seu volume:
Essa abordagem usada para encontrar a massa de 24 cm3[ou 24 mL (mililitros)] de mer-crio na proveta na foto ao lado. Um manual2de qumica lista a densidade do mercriocomo 13,534 g/cm3(a 20 C).
Usando a Densidade
Densidade =massavolume
Massa (g) = volume densidade = volume (cm ) massa (g)v
3
oolume (cm )3
Qual a massa de 24 mL de mercrio?Veja o texto para a resposta. (CharlesD. Winters)
Massa (g) = 24 cmg
cmg
3
3 =
13 534
1325
,
56 0001 11
162 000
3.
,.cm
g
cmg
3 =
ExemploExemplo 1 11.1
Exerccio 1.3
Problema O etilenoglicol, C2H6O2, largamente usado em fluidos anticonge-lantes para radiadores de automveis. Ele possui uma densidade de 1,11 g/cm3(ou 1,11 g/mL). Qual a massa, em gramas, de 56 litros (56.000 mL = 56.000cm3) de etilenoglicol?
Estratgia Voc conhece a densidade e o volume da amostra. J que a den-sidade a relao entre a massa de uma amostra e seu volume, ento massa =volume densidade. Conseqentemente, para encontrar a massa da amostra,multiplique o volume pela densidade.
Soluo
Comentrio Observe que unidades de cm3cancelam-se no clculo.
Densidade
2NTT: No Brasil, geralmente nos referimos a esses compndios de informao por seu nome em ingls:Handbook.
A densidade do ar seco 1,18 103g/cm3(= 0,00118 g/cm3; veja o Apndice A sobrecomo usar a notao cientfica). Que volume do ar, em centmetros cbicos, tem uma massade 15,5 g?