Capitulo 1 - O estudo da transformação

1. 22/07/2016 O Estudo da Química Macroscópico Microscópico Química: O estudo da transformação Capítulo 1 4 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. O método científico: uma abordagem sistemática para pesquisa Química: Uma ciência do século XXI • Saúde e Medicina • Sistemas de saneamento • Anestesia para cirurgia • Vacinas e antibióticos • Terapia de gênica Observação Interpretação Representação Uma hipótese é uma tentativa de explicação para um conjunto de observações. • Energia e Meio Ambiente • Combustíveis fósseis • Energia solar testado modificado • Energia nuclear 2 5 A lei é uma declaração concisa de uma relação entre fenômenos que se comportam sempre da mesma forma sob mesmas condições . Força = massa x aceleração Química: Uma ciência do século XXI • Novos Materiais e Tecnologia • Polímeros, cerâmica, cristais líquidos • Supercondutores a temperatura ambiente? • Computação molecular? Uma teoria é um princípio unificador que explica um conjunto de fatos e/ou leis que nelas se baseam. • Alimentação e Agricultura • Culturas geneticamente modificadas Teoria Atômica • Pesticidas "naturais" • Fertilizantes especializados 3 6

2. 22/07/2016 Química em Ação Hélio Primordial e a Teoria do Big Bang Meios físicos podem ser utilizados para separar uma mistura nos seus componentes puros. Em 1940, George Gamow formulou a hipótese de que o universo começou com uma gigantesca explosão ou big bang. Termômetro Condensador Suporte Experimental Adap- tador Água Coluna de fracionamento • O universe está expandindo. Água Frasco coletor • Radiação cósmica de fundo. magnetismo • Hélio primordial. Frasco destilação Manta aquecedora 7 10 destilação Um elemento é uma substância que não pode ser separado em substâncias mais simples por meios químicos. •114 elementos foram identificados A Química é o estudo da matéria e suas transformações. Matéria é tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço. • 82 elementos ocorrem naturalmente na Terra ouro, aluminio, chumbo, oxigênio, enxofre, carbon. Uma substancia é uma forma de matéria que composição definida e propriedades que a distingue. • 32 elementos foram criados por cientistas, tecnécio, ameríndio, seaborgio 8 11 Lingotes de ouro Nitrogênio líquido Cristais de silício Uma mistura é uma combinação de duas ou mais substâncias que mesmo combinadas conservam suas identidades distintas. 1. Mistura homogênea - a composição é uniforme em toda sua extensão. Alguns elementos comuns e seus símbolos Tabela 1.1 Alguns elementos comuns e seus símbolos Nome Símbolo Nome Símbolo Nome Símbolo Alumínio Al Flúor F Oxigênio O Arsênico As Ouro Au Fósforo P refrigerante, leite, solda Bário Ba Hidrogênio H Platina Pt Bismuto Bi Iôdo I Potássio K Bromo Br Ferro Fe Silício Si 1. Mistura heterogênea - a composição não é uniforme em toda sua extensão. Cálcio Ca Chumbo Pb Prata Ag Carbono C Magnésio Mg Sódio Na Cloro Cl Manganês Mn Enxofre S Cromo Cr Mercúrio Hg Chumbo Pb cimento, limalha de ferro com areia Cobalto Co Níquel Ni Tungstênio W Cobre Cu Nitrogênio N Zinco Zn 9 12

3. 22/07/2016 Os três estados da matéria: Efeito da chapa quente sobre um bloco de gelo Um composto é uma substância composta de átomos de dois ou mais elementos quimicamente unidos em proporções fixas. gás Compostos somente podem ser separados em seus components constituíntes (elementos) através de meios químicos. sólido líquido quartzo fluoreto de lítio gelo seco – dioxide de carbono 13 16 Tipos de transformações Classificação da Matéria Uma transformação física não altera a composição ou a identidade da substância. Derretimento do gêlo Dissolução do açúcar na água Matéria Uma transformação química altera a composição ou a identidade da substância. Separação por métodos físicos Misturas Substâncias Separação por métodos químicos Misturas homogêneas Misturas heterogêneas Compostos Elementos Queima do hidrogênio no ar para formar água 14 17 Propriedade Extensiva e Intensiva Uma Comparação: Os três estados da matéria Uma propriedade extensiva da matéria depende da quantidade de matéria que está sendo considerada. • massa • peso • volume Uma propriedade intensiva da matéria não depende da quantidade de matéria que está sendo considerada. • densidade • temperatura Gás Líquido Sólido • cor 15 18

4. 22/07/2016 Matéria – tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço massa – medida da quantidade de matéria Volume – no SI a unidade é derivada do volume de um metro cúbico (m3) 1 cm3= (1 x 10-2m)3= 1 x 10-6m3 1 dm3= (1 x 10-1m)3= 1 x 10-3m3 (SI) unidade de massa é o kilograma (kg) 1 L = 1000 mL = 1000 cm3= 1 dm3 1 kg = 1000 g = 1 x 103g 1 mL = 1 cm3 peso – é a força que a gravidade exerce sobre os objetos. peso = c x massa uma barra de 1 kg pode pesar 1 kgf na terra 0.1 kgf na lua na terra, c = 1.0 na lua, c ~ 0.1 19 22 Densidade – no SI a unidade é derivada da densidade de kg/m3 Sistema Internacional de Unidades (SI) Tabela 1.2 Sistema Internacional (SI) de Unidades 1 g/cm3= 1 g/mL = 1000 kg/m3 Grandeza Nome da unidade Símbolo densidade = massa Distância Metro m volume Massa Kilograma Kg Tempo Segundo s m V d = Corrente elétrica Ampere A Temperatura Kelvin K Quantidade de matéria Mol mol Intensidade luminosa Candela cd 20 23 Tabela 1.3 Prefixos usados no Sistema Internacional (SI) de Unidades Tabela 1.4 Prefixo SímboloSignificado Exemplo Densidade de algumas substâncias à 25 ºC 1 terametro (Tm) = 1 x 1012 m 1.000.000.000.000 ou 1012 tera- T Substância Ar* Etanol Água Grafite Sal de cozinha Alumínio Diamante Ferro Mercúrio Ouro Ósmio† * Medido à pressão de uma atmosfera. † Ósmio (Os) é o elemento mais denso que se conhece. Densidade (g/cm3) 0,001 0,79 1,00 2,2 2,2 2,70 3,5 7,9 13,6 19,3 22,6 1 gigametro (Gm) = 1 x 109 m 1.000.000.000 ou 109 giga- G 1 megametro (Mm) = 1 x 106 m 1.000.000 ou 106 mega- M 1.000 ou 103 1 kilômetro (Gm) = 1 x 103 m kilo- k 1/10 ou 10-1 deci- d 1 decímetro (dm) = 0,1 m 1/100 ou 10-2 centi- c 1 centímetro (cm) = 0,01 m 1/1.000 ou 10-3 mili- m 1 milímetro (mm) = 0,001 m µ 1 micrômetro (µm) = 1 x 10-6 m 1/1.000.000 ou 10-6 micro- 1 nanômetro (nm) = 1 x 10-9 m 1/1.000.000.000 ou 10-9 nano- n 1 picômetro (pm) = 1 x 10-12 m 1/1.000.000.000.000 ou 10-12 pico- p 21 24

5. 22/07/2016 Example 1.1 Example 1.2 Ouro é um metal precioso quimicamente pouco reativo. É utilizado principalmente em joalheria, odontologia e dispositivos eletrônicos Um lingote de ouro com 301g de massa tem 15.6 cm3de volume. Calcule a densidade do ouro. Solução: Nos foi dado a densidade e o volume do líquido, e se pediu para calcular a massa do líquido. Rearranjamos a Equação (1.1) para dar: ouro em lingotes Example 1.1 Uma Comparasão das escalas de Temperatura Solução Nos foi dado a massa e o volume e perguntamos para calcular a densidade. Portanto, a partir da equção (1.1), escrevemos: K = 0C + 273.15 273.15 K = 0 0C 373.15 K = 100 0C Ponto de ebulição da água Temperatura do corpo Temperatura ambiente 9 0F = x 0C + 32 5 32 0F = 0 0C 212 0F = 100 0C Ponto de fusão da água 29 Example 1.2 Example 1.3 A densidade do mercurio, o único metal que é líquido a temperatura ambiente, é 13.6 g/mL. Calcule a massa de 5.50 mL deste líquido. (a) A solda é uma liga feita de estanho e chumbo utilizado em circuitos eletrônicos. Uma certa solda tem ponto de fusão de 224°C . Qual é seu ponto de fusão em graus Fahrenheit? (b) Hélio tem o mais baixo ponto de ebulição de todos os elementos, -452°F. Converta esta temperatura para graus Celsius. (c) Mercúrio, o único metal que existe no estado líquido à temperatura ambiente, seu ponto de fusão é 238.9°C. Converta seu ponto de fusão para Kelvins.

6. 22/07/2016 Example 1.3 Notação Científica Solução: Estes três itens requerem conversão de temperatura, por isso necessitamos das equações (1.2), (1.3), e (1.4). Tenha em mente que a temperatura mais baixa na escala Kelvin é zero (0 K); portanto, nunca pode ser negativa. 568,762 0,00000772 move a vírgula p/ esquerda move vírgula p/ direita n > 0 n < 0 568,762 = 5,68762 x 102 0,00000772 = 7,72 x 10-6 (a) Esta conversão é levada a cabo assim: Adição e Subtração 1. Escreva cada quantidade N com o mesmo expoente n 2. Combine N1e N2 3. O expoente, n, continua o mesmo (b) Para este temos: 4,31 x 104+ 3,9 x 103= 4,31 x 104+ 0,39 x 104= 4,70 x 104 (c) O ponto de ebulição do mercúrio em Kelvins é dado por: 34 Química em Ação Notação Científica Em 23/09/99, ao custo de $125.000.000 o Mars Climate Orbiter entrou na atmosfera de Marte a uma órbita 100 km (62 miles) à menos do que o previsto e foi destruído pelo calor. Multiplicação 1. Multiplique N1e N2 2. Some os expoentes n1e n2 (4,0 x 10-5) x (7,0 x 103) = (4,0 x 7,0) x (10-5+3) = 28 x 10-2= 2,8 x 10-1 1 lb = 1 N 1 lb = 4,45 N Divisão 8,5 x 104÷ 5,0 x 109= (8,5 ÷ 5,0) x 104-9= “Esta vai ser a história preventiva que será incorporada aos estudos introdutórios do Sistema Internacional de Unidades (SI) do ensino fundamental de ciências das faculdades até o final dos tempos” 1. Divida N1e N2 2. Subtráia os expoentes n1e n2 1,7 x 10-5 32 35 Notação Científica Algarismos Significativos O número de átomos em 12g de carbon é: • Todo dígito diferente de zero é sempre significativo. 1,234 kg 4 algarismos significativos • Zeros entre algarismos são são sempre significativos. 606 m 3 algarismos significativos • Zeros à esquerda de dígitos não não-zero não são significativos. 0,08 L 1 algarismos significativos • Se um número é maior que 1, então todos os zeros à direita do ponto decimal são significativos. 2,0 mg 2 algarismos significativos • Se um número é menor que 1, então somente os zeros que estão estão no final e no meio do número são significativos 0,00420 g 3 algarismos significativos 602.200.000.000.000.000.000.000 6,022 x 1023 A massa de um simples átomo de carbono em gramas: 0,0000000000000000000000199 g 1.99 x 10-23g N x 10n N é um número entre 1 e 10 n é um inteiro positivo ou negativo 33 36

7. 22/07/2016 Example 1.4 Algarismos Significativos Determine o número de algarismos significativos nas seguintes medições: Adição ou Subtração A resposta não pode ter mais dígitos à direita da vírgula do que qualquer uma das parcelas originais. (a) 478 cm 89,332 1,1 + 90,432 (b) 6,01 g um algarismo significativo após a vírgula. arredonde para 90,4 (c) 0,825 m (d) 0,043 kg 3,70 -2,9133 0,7867 dois algarismo significativo após a vírgula (e) 1,310 × 1022átomos arredonde para 0,79 (f) 7000 mL 40 Example 1.4 Algarismos Significativos Solução: Multiplicação e Divisão (a) 478 cm -- Três, porque cada dígito é inteiro não-zero. O número de algarismos significativos no resultado é definido como o mesmo do número original que tiver o menor número de algarismos significativos. 4,51 x 3,6666 = 16.536366= 16,5 (b) 6,01 g -- Três, porque zeros entre dígito não-zero são significativos. (c) 0,825 m -- Três, porque zeros à esquerda do primeiro dígito não-zero não é contado como algarismo significativo. 3 alg. sig. arredonde para 3 alg. sig. (d) 0,043 kg -- Dois. Pela mesma razão de (c). (e) 1,310 × 1022átomos -- Quatro, porque em um número maior que um, todos os zeros escritos à direita da vírgula conta como algarismo significativo. 6,8 ÷ 112,04 = 0,0606926 = 0,061 arredonde para 2 alg. sig. 2 alg. sig. 41 Example 1.4 Algarismos Significativos Números Exatos Por definição os números são considerados como tendo um número infinito de algarismos significativos. (f) 7000 mL – Este é um caso ambíguo. O número de algarismo significativo pode ser quatro (7,000 × 103), três (7,00 × 103), dois (7,0 × 103), ou um (7 × 103). Qual a média de três medidas: 6,64; 6,68 e 6,70? Este exemplo ilustrar porque a notação científica deve ser usada para mostrar o número correto de algarismos significativos. 6,64 + 6,68 + 6,70 3 = 6,67333 = 6,67 = 7 Porque 3 é um número exato 42

8. 22/07/2016 Example 1.5 Exatidão – quão perto uma medição está do valor verdadeiro. Realize as seguintes operações aritméticas utilizando o número correto de algarismos significativos: (a) 11.254,1 g + 0,1983 g Precisão – quão perto um conjunto de medições está uns dos outros (b) 66,59 L − 3,113 L (c) 8,16 m × 5,1355 (d) 0,0154 kg ÷ 88,3 mL (e) 2,64 × 103cm + 3,27 × 102cm exato & preciso exato mas não exato & não preciso não preciso 46 Example 1.5 Método da Analises Dimensional para Resolver Problemas Solução: Na adição e subtração, o número de casas decimais na resposta é o mesmo da parcela que tem o menor número de casas decimais. Na multiplicação e divisão, o número de algarismos significativos na resposta é igual ao fator que possui o menor número de algarismos significativos. 1. Determine quais fatore(s) de unidade são/é necessário(s) 2. Calcule a conversão de unidades 3. Se todas as unidades forem canceladas exceto a unidade(s) de interesse, então o problema foi resolvido corretamente. 11.254,1 g + 11.254,2983 g esta parcela possui uma casa depois da vírgula. (a) 0,1983 g quantidade dada x fator de conversão = quantidade resultante arredonde para 11.254,3 g unidade desejada unidade dada x = unidade desejada esta parcela possui duas casas depois da vírgula 66,59 L 3,113 L - 63,477 L (b) unidade dada arredonde para 63,48 L 47 Example 1.5 Example 1.6 (c) 8,16 m x 5,1355 = 41,90568 m arredonde para 41,9 m O consume médio diário de glicose (um tipo de açúcar) de uma pessoa é 0,0833 pound (lb). Qual o valor em miligramas (mg)? (1 lb = 453,6 g.) 0,0154 kg 88,3 mL arredonde para 0,000174 kg/mL = 0,000174405436 kg/mL (d) (e) Primeiro nós mudamos 3,27 × 102cm para 0,327 × 103cm e então adicionamos (2,64 cm + 0,327 cm) × 103. Seguindo o procedimento de (a), encontramos 2,97 × 103cm.

9. 22/07/2016 Example 1.6 Example 1.7 Estratégia: O problema consiste em Em media um adulto possui 5,2 L de sangue. Qual o volume deste sangue em m3? ? mg = 0.0833 lb A relação entre pounds (lb) e gramas é dado no problema. Esta relação permite converter libras em gramas. A conversão métrica é necessária depois para converter gramas em miligramas (1 mg = 1 × 10-3g). Organizamos os fatores de conversão de forma apropriada para que libras e gramas sejam canceladas e a unidade em miligramas seja obtida em sua resposta. Example 1.6 Example 1.7 Estratégia: Solução: A sequência de conversões é O problema consiste em ? m3= 5,2 L Usando os seguintes fatores de conversão Quantos fatores de conversão são necessários para este problema? Nos obtemos a resposta em um passo: Recorde que 1 L = 1000 cm3 e 1 cm = 1 × 10−2m. Example 1.6 Example 1.7 Solução: Nos necessitamos de dois fatores de conversão aqui: um para converter litros para cm3e outro para converter centímetros para metros: Checagem: Fazemos uma estimativa, note que 1 lb é aproximadamente 500 g, e que 1 g = 1000 mg. Portanto, 1 lb é aproximadamente 5 × 105mg . Arredondamento 0,0833 lb para 0,1 lb, ficamos com 5 × 104 mg, que é aproximadamente a quantidade anterior. Como o segundo fator de conversão lida com comprimento (cm e m) e nos queremos volume, portanto a resposta tem que ser dada pelo cúbico da unidade: Isso significa que 1 cm3= 1 × 10−6m3.

10. 22/07/2016 Example 1.7 Example 1.8 Solução: No exemplo 1.7 nós concluímos que 1 cm3= 1 ×10−6 m3. Os fatores de conversão são Agora nós podemos escrever: Finalmente Checagem: A partir dos fatores de conversão anteriores você pode mostrar que 1 L = 1 × 10−3 m3. Portanto, 5 L de sangue seria igual a 5 × 10−3 m3, que é um valor próximo da resposta que obtivemos. Checagem: Como 1 m3= 1 × 106cm3, nós podemos esperar uma massa muito maior em 1 m3que em 1 cm3. Portanto, a resposta é razoável. Example 1.8 Example 1.9 Nitrogênio líquido é obtido por liquefação do ar, é usado para preparar produtos congelados e fazer pesquisas à baixa temperatura. Um lapis moderno “de escrever” é composto atualmente primariamente de grafite, uma forma de carbono. Estime a massa do núcleo de grafite de um lapis No2 antes de ser apontado. A densidade deste líquido no ponto de ebulição (−196° C ou 77 K) é 0,808 g/cm3. Converta a densidade para unidades kg/m3. Nitrogênio líquido Example 1.8 Example 1.9 Estrategia: Assuma que o lapis é aproximadamente um cilindro. Estrategia: O problema consiste em: As medidas de um lapis típico é de aproximadamente 18 cm de comprimento (subtraindo a cabeça de borracha de alguns) e um diâmetro de cerca de 2 mm. ? kg/m3= 0,808 g/cm3 duas conversões separadas são requeridas para este problema: O volume de um cilíndro V é dado por pmde r é o raio e l é o comprimento. Recorde que 1 kg = 1000 g e 1 cm = 1 × 10−2m. Assumindo que o núcleo é de puro grafite, você pode calcular a massa de grafite a partir do volume, usando a densidade do grafite dado na Tabela 1.4.

11. 22/07/2016 Example 1.9 Solução: Convertendo o diâmetro do núcleo para cm temos Que juntamento com o comprimento do lapis fornece Example 1.9 Rearranjando a Equação (1.1) temos Checagem: Arredondando os valores utilizados para calcular o volume do lapis: 3 × (0,1 cm)2× 20 cm = 0,6 cm3. Multiplicando esse volume por aproximadamente 2 g/cm3da aproximadamente 1 g, correspondendo ao valor calculado.