Química Inorgânica - 6.ed.

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Nova edição de um dos livros mais importantes de química inorgânica do mundo, traduzida seguindo as recomendações da IUPAC. Iniciada pelos autores Shriver e Atkins, esta obra traz uma abordagem detalhada sobre temas de importância para a indústria e para as áreas de materiais e biologia. Situações do cotidiano reforçam a compreensão de conceitos e ressaltam a importância das aplicações das pesquisas contemporâneas nessa área do conhecimento.

33 capítulos

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Capítulo 1 - Estrutura atômica

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Estrutura atômica

Este capítulo apresenta os conceitos fundamentais necessários para explicar as tendências das propriedades físicas e químicas de todos os compostos inorgânicos. Para compreender o com‑ portamento das moléculas e dos sólidos, necessitamos compreender os átomos: nosso estudo de química inorgânica necessita, portanto, começar com uma revisão de suas estruturas e proprie‑ dades. Começaremos discutindo a origem da matéria no sistema solar para depois considerar o desenvolvimento da nossa compreensão da estrutura atômica e do comportamento dos elétrons nos átomos. Introduziremos a teoria quântica qualitativamente e usaremos seus resultados para interpretar propriedades como raio atômico, energia de ionização, afinidade eletrônica e eletrone‑ gatividade. A compreensão dessas propriedades nos permitirá interpretar diversas propriedades químicas dos mais de 110 elementos atualmente conhecidos.

A observação de que o universo está em expansão conduziu à visão atual de que há cerca de 14 bilhões de anos o universo visível estava concentrado em um ponto que explodiu em um evento chamado de Big Bang. Acreditando-se que as temperaturas imediatamente após o Big Bang eram da ordem de 109 K, as partículas fundamentais produzidas na explosão tinham energia cinética elevada demais para se unirem nas formas que conhecemos hoje. Entretanto, à medida que o universo se expandia, ele também esfriava, e as partículas moviam-se cada vez mais lentamente. Desta forma, elas logo começaram a se agrupar sob a influência de uma variedade de forças. Em particular, a força forte, uma força atrativa poderosa, de curto alcance e que atua entre núcleons

 

Capítulo 2 - Estrutura molecular e ligação

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34

2  Estrutura molecular e ligação

2

Estruturas de Lewis

2.1 �A regra do octeto

2.2 �Ressonância

2.3 �O modelo RPECV

A teoria da ligação de valência

Estrutura molecular e ligação

A interpretação das estruturas e das reações em química inorgânica está frequentemente baseada em modelos semiquantitativos. Neste capítulo, examinaremos o desenvolvimento de modelos de estrutura molecular em termos dos conceitos da ligação de valência e da teoria dos orbitais mole‑ culares. Além disso, abordaremos métodos para a previsão das formas das moléculas. Este capítulo introduz conceitos que serão usados ao longo de todo o livro para explicar as estruturas e as reações de uma grande variedade de substâncias. Este capítulo também ilustra a importância da relação entre modelos qualitativos, experimentos e cálculos.

2.4 �A molécula de hidrogênio

2.5 �Moléculas diatômicas homonucleares

2.6 �Moléculas poliatômicas

Teoria dos orbitais moleculares

 

Capítulo 3 - As estruturas dos sólidos simples

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As estruturas dos sólidos simples

A compreensão da química dos compostos em estado sólido é primordial para o estudo de muitos materiais inorgânicos importantes, como ligas, sais simples de metais, grafenos, pigmentos inor‑ gânicos, nanomateriais, zeólitas e supercondutores de alta temperatura. Este capítulo oferece uma visão dos arranjos adotados por átomos e íons em sólidos simples e discute por que um arranjo pode ser preferido em relação a outro. Começamos com o modelo mais simples, no qual os átomos são representados por esferas rígidas e a estrutura do sólido é o resultado do empilhamento com‑ pacto dessas esferas. Este arranjo de “empacotamento compacto” fornece uma boa descrição de muitos metais e ligas e é um bom ponto de partida para a discussão de numerosos sólidos iônicos.

Estas estruturas sólidas simples podem ser consideradas, então, como os blocos estruturais básicos para a construção de materiais inorgânicos mais complexos. O caráter covalente parcial da ligação influencia a escolha da estrutura e, assim, as tendências no tipo estrutural adotado pelo sólido correlacionam-se com as eletronegatividades dos átomos constituintes. Este capítulo também des‑ creve algumas das considerações energéticas que podem ser usadas para compreender as tendên‑ cias na estrutura e na reatividade. Estes argumentos também sistematizam a discussão das estabi‑ lidades térmicas e as solubilidades dos sólidos iônicos formados pelos elementos dos Grupos 1 e

 

Capítulo 4 - Ácidos e bases

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116

4  Ácidos e bases

4

Acidez de Brønsted

4.1 �Equilíbrio de transferência de próton em água

Características dos ácidos de

Brønsted

4.2 �Tendências periódicas na força dos aqua-ácidos

4.3 �Oxoácidos simples

4.4 �Óxidos anidros

4.5 �Formação de polioxocompostos

Acidez de Lewis

4.6 �Exemplos de ácidos e bases de

Lewis

4.7 �Características dos ácidos de

Lewis segundo o seu grupo da

Tabela Periódica

Reações e propriedades dos

ácidos e bases de Lewis

4.8 �Tipos fundamentais de reação

4.9 �Fatores que regem as interações entre os ácidos e as bases de Lewis

4.10 �Parâmetros termodinâmicos de acidez

Solventes não aquosos

4.11 �O efeito nivelador do solvente

4.12 �A definição dos ácidos e bases segundo o sistema solvente

4.13 �Solventes como ácidos e bases

Aplicações da química ácido-base

4.14 �Superácidos e superbases

4.15 �Reações ácido-base heterogêneas

 

Capítulo 5 - Oxirredução

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154

5 Oxirredução

5

Potenciais de redução

5.1 �Meias-reações de oxirredução

5.2 �Potenciais padrão e espontaneidade

5.3 �Tendências nos potenciais padrão

5.4 �A série eletroquímica

5.5 �A equação de Nernst

Estabilidade e oxirredução

5.6 �A influência do pH

5.7 �Reações com água

5.8 �Oxidação pelo oxigênio atmosférico

5.9 �Desproporcionação e comproporcionação

5.10 �A influência da complexação

5.11 �A relação entre solubilidade e os potenciais padrão

Diagramas de potenciais

5.12 �Diagramas de Latimer

Oxirredução

A redução é a adição de elétrons e a oxidação é a remoção de elétrons de uma espécie. Quase todos os elementos e seus compostos podem sofrer reações de oxirredução, podendo-se dizer que o elemento tem um ou mais estados de oxidação diferentes. Neste capítulo, apresentaremos exem‑ plos dessa química de oxirredução e desenvolveremos conceitos para compreendermos a razão da ocorrência dessas reações de oxirredução, considerando principalmente os seus aspectos termodi‑ nâmicos. Discutiremos os procedimentos que nos permitem analisar as reações de oxirredução em solução e veremos que os potenciais de eletrodo das espécies quimicamente ativas nos fornecem dados importantes para determinar e entender a estabilidade das espécies e a solubilidade dos sais. Descreveremos procedimentos para mostrar as tendências nas estabilidades dos vários esta‑ dos de oxidação, incluindo a influência do pH. Em seguida apresentaremos as aplicações dessas informações na química ambiental, química analítica e síntese inorgânica. Nossa discussão termi‑ nará com o exame termodinâmico das condições necessárias para alguns dos principais processos industriais de oxidação e redução, particularmente a extração dos metais a partir de seus minérios.

 

Capítulo 6 - Simetria molecular

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188

6  Simetria molecular

6

Introdução à análise por simetria

6.1 �Operações e elementos de simetria e os grupos de pontos das moléculas

6.2 �Tabelas de caracteres

Aplicações de simetria

6.3 �Moléculas polares

6.4 �Moléculas quirais

6.5 �Vibrações moleculares

Simetrias dos orbitais moleculares

6.6 �Combinações lineares formadas por simetria

6.7 �A construção dos orbitais moleculares

6.8 �Analogia vibracional

Representações

6.9 �Redução de uma representação

6.10 �Operador projeção

Leitura complementar

Exercícios

Problemas tutoriais

Simetria molecular

A simetria e a ligação nas moléculas estão intimamente relacionadas. Neste capítulo, explora‑ remos algumas das consequências da simetria molecular e apresentaremos uma argumentação sistemática baseada na teoria de grupo. Veremos que as considerações de simetria são essenciais na construção dos orbitais moleculares e para a análise das vibrações moleculares, principalmente quando isso não é imediatamente óbvio. Ela também nos permite extrair informações sobre as estruturas eletrônica e molecular a partir de dados espectroscópicos.

 

Capítulo 7 - Introdução aos compostos de coordenação

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Introdução aos compostos de coordenação

Complexos metálicos, nos quais um átomo metálico ou íon central está rodeado por vários ligan‑ tes, têm um papel central na química inorgânica, especialmente para os elementos do bloco d.

Neste capítulo, apresentaremos os arranjos estruturais mais comuns dos ligantes em torno de um

único átomo metálico central e as formas isoméricas que são possíveis.

No contexto da química de coordenação dos metais, o termo complexo significa um

íon ou um átomo metálico central rodeado por um conjunto de ligantes. Um ligante é uma molécula ou íon que pode ter existência independente. O [Co(NH3)6]3+, no qual o

íon Co3+ está rodeado por seis ligantes NH3, e o [Na(OH2)6]+, no qual o íon Na+ está rodeado por seis ligantes H2O, são dois exemplos de complexos. Usaremos o termo composto de coordenação para designar um complexo neutro ou um composto iônico em que pelo menos um dos íons seja um complexo. Assim, tanto [Ni(CO)4] (1) quanto

 

Capítulo 8 - Métodos físicos em química inorgânica

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234

8  Métodos físicos em química inorgânica

8

Métodos de difração

8.1 �Difração de raios X

8.2 �Difração de nêutrons

Espectroscopias de absorção e emissão

8.3 �Espectroscopia no ultravioleta-visível

8.4 �Fluorescência ou espectroscopia de emissão

8.5 �Espectroscopia no infravermelho e Raman

Técnicas de ressonância

8.6 �Ressonância magnética nuclear

8.7 �Ressonância paramagnética eletrônica

8.8 �Espectroscopia Mössbauer

Técnicas baseadas em ionização

8.9 �Espectroscopia fotoeletrônica

8.10 �Espectroscopia de absorção de raios X

8.11 �Espectrometria de massas

Análise química

8.12 �Espectroscopia de absorção atômica

8.13 �Análise de CHN

8.14 �Análise elementar por fluorescência de raios X

8.15 �Análise térmica

Magnetometria e susceptibilidade magnética

Técnicas eletroquímicas

Microscopia

8.16 �Microscopia de varredura por sonda

8.17 �Microscopia eletrônica

 

Capítulo 9 - Tendências periódicas

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Tendências periódicas

A tabela periódica fornece um princípio de organização que coordena e racionaliza as diferentes propriedades físicas e químicas dos elementos. A periodicidade é a maneira regular pela qual as propriedades físicas e químicas dos elementos variam com o número atômico. Este capítulo revê o material apresentado no Capítulo 1 e resume essas variações de uma maneira que se deverá ter sempre em mente ao longo dos capítulos desta parte do texto.

Embora as propriedades químicas dos elementos possam parecer muito diferentes e confusas, a tabela periódica ajuda a mostrar que elas variam de maneira razoavelmente sistemática com o número atômico. Uma vez que estas tendências e padrões tenham sido reconhecidos e entendidos, muitas das propriedades dos elementos deixam de parecer uma coleção aleatória de fatos e reações sem correlação entre si. Neste capítulo apresentamos algumas das tendências nas propriedades físicas e químicas dos elementos e as interpretamos em termos dos princípios básicos apresentados no

 

Capítulo 10 - Hidrogênio

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296

10 Hidrogênio

10

Parte A: Aspectos principais

10.1 �O elemento

10.2 �Compostos simples

Parte B: Uma visão mais detalhada

10.3 �Propriedades nucleares

10.4 �Produção do di‑hidrogênio

10.5 �Reações do di‑hidrogênio

10.6 �Compostos de hidrogênio

10.7 �Métodos gerais para a síntese de compostos binários de hidrogênio

Leitura complementar

Exercícios

Problemas tutoriais

Hidrogênio

Apesar da sua estrutura atômica simples, o hidrogênio possui uma química muito rica. Neste capítulo discutire‑

He mos as reações de espécies contendo hidrogênio e que

1 2

13 14 15 16 17 são particularmente interessantes tanto do ponto de vista

Li Be

B C N O F Ne da química fundamental quanto pelas suas importantes aplicações, inclusive aquelas relacionadas com a geração de energia. Descreveremos como o H2 é produzido em laboratório, em escala industrial a partir de combustíveis fósseis e, olhando para o futuro, pelo uso, crescente de fontes renováveis. Explicaremos como as ligações hidrogê‑ nio estabilizam as estruturas do H2O e do ADN. Apresen‑ taremos, de forma resumida, as sínteses e propriedades dos compostos binários que variam desde compostos mo‑ leculares voláteis até compostos do tipo salino e sólidos metálicos. Veremos que muitas das propriedades desses compostos são entendidas com base na sua capacidade de fornecer íons H– ou H+, e que geralmente é possível prever qual destas tendências será a predominante. Consi‑ deraremos como a molécula de H2 é ativada pela sua ligação com um catalisador, os processos que podem produzir H2 a partir de água e energia solar e os esforços que vêm sendo feitos para torná-lo um combustível de uso comum nos veículos.

 

Capítulo 11 - Os elementos do Grupo 1

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11

Os elementos do Grupo 1

Parte A: Aspectos principais

11.1 �Os elementos

11.2 �Compostos simples

11.3 �Propriedades atípicas do lítio

1

2

Li Be

Parte B: Uma visão mais detalhada

Na Mg

11.4 �Ocorrência e obtenção

K Ca

11.5 �Usos dos elementos e seus compostos

Rb Sr

11.6 �Hidretos

11.7 �Haletos

11.8 �Óxidos e compostos relacionados

18

H

13

14

15

16

B

C

N

O

Cs Ba

17

He

F Ne

Todos os elementos do Grupo 1 são metálicos, mas, dife‑ rentemente da maioria dos metais, eles têm baixas densi‑ dades e são muito reativos. Neste capítulo faremos uma abordagem da química destes elementos, enfocando as similaridades e tendências das suas propriedades e co‑ mentando sobre o comportamento ligeiramente anômalo do lítio. Apresentaremos então uma revisão detalhada da química dos metais alcalinos, discutindo a ocorrência dos elementos no meio ambiente e como eles são extraídos e usados. Este capítulo também interpreta as tendências nas propriedades dos compostos binários simples em ter‑ mos do modelo iônico e a natureza dos complexos e com‑ postos organometálicos desses elementos.

 

Capítulo 12 - Os elementos do Grupo 2

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12

Os elementos do Grupo 2

Parte A: Aspectos principais

12.1 �Os elementos

18

H

14

15

16

17

Li Be

B

C

N

O

F Ne

Na Mg

Al

K Ca

Ga

12.5 �Usos dos elementos e seus compostos

Rb Sr

In

12.6 �Hidretos

Cs Ba

Tl

12.3 �Propriedades anômalas do berílio

Parte B: Uma visão mais detalhada

2

He

13

12.2 �Compostos simples

1

12.4 �Ocorrência e obtenção

12.7 �Haletos

12.8 �Óxidos, sulfetos e hidróxidos

12.9 �Nitretos e carbetos

12.10 �Sais de oxoácidos

12.11 �Solubilidade, hidratação e berilatos

12.12 �Compostos de coordenação

12.13 �Compostos organometálicos

Neste capítulo veremos a ocorrência e a obtenção dos ele‑ mentos do Grupo 2 e estudaremos as propriedades quími‑ cas dos seus compostos simples, complexos e compostos organometálicos. Ao longo do capítulo faremos compara‑

 

Capítulo 13 - Os elementos do Grupo 13

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13

Parte A: Aspectos principais

13.1 �Os elementos

13.2 �Compostos

13.3 �Clusters de boro

Parte B: Uma visão mais detalhada

13.4 �Ocorrência e obtenção

13.5 �Usos dos elementos e de seus compostos

13.6 �Hidretos simples de boro

13.7 �Tri‑haletos de boro

13.8 �Compostos de boro com oxigênio

13.9 �Compostos de boro com nitrogênio

13.10 �Boretos metálicos

13.11 �Hidretos de boro e boranos superiores

Os elementos do Grupo 13

Existem algumas claras tendências nas propriedades quí‑ micas dos elementos do Grupo 13, tais como o número de

He oxidação e o caráter anfótero, que veremos repetidas em

1 2

13 14 15 16 17 outros grupos do bloco p. Neste capítulo veremos a ocor‑

Li Be

B C N O F Ne rência e obtenção de cada um dos elementos no Grupo

13 e faremos considerações sobre as propriedades quími‑

Mg

Al Si cas desses elementos, seus compostos simples, compostos de coordenação e compostos organometálicos. Apresenta‑

 

Capítulo 14 - Os elementos do Grupo 14

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Os elementos do Grupo 14

Sem dúvida, os elementos do Grupo 14 são os mais impor‑ tantes de todos, com o carbono sendo a base da vida na

He

Terra e o silício sendo vital para a estrutura física do meio

1 2

13 14 15 16 17 ambiente na forma de rochas da crosta terrestre. Os ele‑

Li Be

B C N O F Ne mentos deste grupo exibem grande diversidade em suas propriedades, variando desde o carbono não metálico até

Al Si P os bem conhecidos metais estanho e chumbo. Todos os ele‑ mentos formam compostos binários com outros elementos.

Ga Ge As

Além disso, o silício forma uma grande variedade de sólidos com estrutura em rede. Muitos dos organocompostos dos

In Sn Sb elementos do Grupo 14 são comercialmente importantes.

Os elementos do Grupo 14 – carbono, silício, germâ‑

Tl Pb Bi nio, estanho e chumbo – apresentam considerável diversi‑ dade nas suas propriedades físicas e químicas. O carbono, evidentemente, é a unidade de construção da vida e cen‑ tral para a química orgânica. Neste capítulo, o nosso foco em relação ao carbono será a sua química inorgânica.

 

Capítulo 15 - Os elementos do Grupo 15

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15

Os elementos do Grupo 15

Parte A: Aspectos principais

15.1 �Os elementos

15.2 �Compostos simples

15.3 �Óxidos e oxoânions de nitrogênio

Parte B: Uma visão mais detalhada

18

H

1

2

Li Be

14

15

16

17

B

C

N

O

F Ne

Si

P

S

Ge As Se

15.4 �Ocorrência e obtenção

15.5 �Usos

15.6 �Ativação do nitrogênio

15.7 �Nitretos e azidas

15.8 �Fosfetos

15.9 �Arsenetos, antimonetos e bismutetos

15.10 �Hidretos

15.11 �Haletos

15.12 �Oxo‑haletos

15.13 �Óxidos e oxoânions de nitrogênio

15.14 �Óxidos de fósforo, arsênio, antimônio e bismuto

15.15 �Oxoânions de fósforo, arsênio, antimônio e bismuto

15.16 �Fosfatos condensados

15.17 �Fosfazenos

15.18 �Compostos organometálicos de arsênio, antimônio e bismuto

Leitura complementar

Exercícios

Problemas tutoriais

 

Capítulo 16 - Os elementos do Grupo 16

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Os elementos do Grupo 16

18

H

1

2

Li Be

He

13

14

15

16

17

B

C

N

O

F Ne

P

S

Cl

As Se Br

Sb Te

I

Bi Po At

Os elementos do Grupo 16 são todos não metais, com ex‑ ceção do polônio, o membro mais pesado do grupo. O gru‑ po contém dois dos elementos mais importantes para a vida. O oxigênio é comumente encontrado na atmosfera e essencial para as formas de vida superiores e, na for‑ ma de água, é essencial para todas as formas de vida.

O dioxigênio é produzido a partir da água por fotossínte‑ se e reciclado pela respiração dos organismos superiores.

O enxofre também é essencial para todas as formas de vida, e mesmo o selênio é essencial em quantidades traço.

O enxofre e o selênio apresentam tendência à catenação e formam anéis e cadeias.

Os elementos do Grupo 16, oxigênio, enxofre, selênio, telúrio e polônio, são normalmente chamados de calcogênios. O nome deriva da palavra grega para bronze e refere-se à associação do enxofre e seus congêneres com o cobre nos seus minérios. Como no restante do bloco p, o elemento no topo do grupo, o oxigênio, difere significativamente dos outros membros do grupo. Os números de coordenação dos seus compostos são geralmente menores formando, frequentemente, ligações duplas. O oxigênio é o único membro do grupo que ocorre como uma molécula diatômica nas condições normais.

 

Capítulo 17 - Os elementos do Grupo 17

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17

Os elementos do Grupo 17

Parte A: Aspectos principais

17.1 �Os elementos

18

H

14

15

16

17

B

C

N

O

F Ne

Parte B: Uma visão mais detalhada

S

Cl Ar

17.4 �Ocorrência, obtenção e usos

Se Br Kr

17.3 �Os inter‑halogênios

17.5 �Estrutura molecular e propriedades

17.6 �Tendências nas reatividades

17.7 �Pseudo‑halogênios

17.8 �Propriedades especiais dos compostos de flúor

17.9 �Aspectos estruturais

17.10 �Os inter‑halogênios

17.11 �Óxidos de halogênios

17.12 �Oxoácidos e oxoânions

17.13 �Aspectos termodinâmicos das reações de oxirredução dos oxoânions

17.14 �Tendências nas velocidades das reações de oxirredução dos oxoânions

17.15 �Propriedades de oxirredução de estados de oxidação individuais

17.16 �Fluocarbonetos

2

He

13

17.2 �Compostos simples

1

Li Be

Todos os elementos do Grupo 17 são não metais. Assim como para os elementos dos Grupos 15 e 16, veremos que os oxoânions de halogênios são agentes oxidantes que frequentemente reagem com transferência de átomo. Há uma boa correlação entre o número de oxidação do áto‑ mo central e a velocidade das reações de oxirredução. Há uma grande faixa de estados de oxidação para a maioria dos halogênios. As reações dos di-halogênios são geral‑ mente rápidas.

 

Capítulo 18 - Os elementos do Grupo 18

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Os elementos do Grupo 18

18

H

1

2

Li Be

13

14

15

16

B

C

N

O

He

17

F Ne

Cl Ar

O último grupo do bloco p contém seis elementos que são tão pouco reativos que formam um número peque‑ no de compostos. Não se suspeitava da existência dos elementos do Grupo 18 até o final do século XIX, e sua descoberta levou ao redesenho da tabela periódica, além de ter tido um papel importante no desenvolvimento das teorias de ligação.

Os elementos do Grupo 18, hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio, são todos gases monoatômicos. Eles são os elementos menos reativos

I Xe e já tiveram vários nomes coletivos ao longo dos anos, à medida que diferentes aspectos de suas proAt Rn priedades foram sendo identificados e contestados.

Assim, eles foram chamados de gases raros e gases inertes e, atualmente, são chamados de gases nobres. O primeiro nome é inadequado, uma vez que o argônio está longe de ser raro (ele é bem mais abundante do que o CO2 na atmosfera).

 

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