Princípios de Química

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Princípios de Química, 5ª edição, apresenta a Química como algo dinâmico e atual. Mostra a relação entre as ideias químicas fundamentais e suas aplicações. Enfatiza as técnicas e aplicações modernas. Diferentemente de outros textos, o livro começa por um retrato detalhado do átomo e, a partir daí, progride até a fronteira da química, mostrando sempre como resolver problemas, pensar sobre a natureza e a matéria, e visualizar conceitos químicos, da mesma forma que o fazem os químicos profissionais. Escrito para disciplinas de química geral que incluam cálculos matemáticos.

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Fundamentos

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FUNDAMENTOS

B

em-vindo à Química! Você está prestes a embarcar em uma viagem extraordinária que o levará ao centro da ciência. Se olhar em uma direção, a da Física, verá que os princípios da Química baseiam-se no comportamento de átomos e moléculas. Se olhar em outra direção, a da Biologia, verá como os químicos contribuem para a compreensão da propriedade mais impressionante da matéria, a vida. Por fim, você será capaz de observar os objetos comuns do dia a dia, imaginar sua composição em termos de átomos e compreender como ela determina suas propriedades.

INTRODUÇÃO E ORIENTAÇÃO

A Química é a ciência da matéria e das mudanças que ela sofre. O mundo da química inclui, portanto, todo o mundo material que nos rodeia – o chão que nos suporta, a comida que nos alimenta, a carne de que somos feitos e o silício com que fabricamos nossos computadores. Nenhum material independe da química, seja vivo ou morto, vegetal ou mineral, seja na Terra ou em uma estrela distante.

 

Capítulo 1 - Átomos: O Mundo Quântico

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CAPÍTULO

1

Átomos: O Mundo Quântico

Quais são as ideias importantes? A matéria é composta de átomos. A estrutura dos átomos pode ser entendida por meio da teoria conhecida como mecânica quântica, na qual as propriedades das partículas e ondas são consideradas simultaneamente.

Por que precisamos estudar este assunto? Os átomos são os componentes fundamentais da matéria. Eles são o ponto central da química, no sentido de que quase todos os fenômenos químicos podem ser explicados em termos das propriedades dos átomos. Veremos, neste capítulo, a variação periódica das propriedades dos átomos e mostraremos como a mecânica quântica é usada para explicar as estruturas e, portanto, essas propriedades. Este material é, na verdade, o fundamento de todas as explicações na química.

O que devemos saber para entender o capítulo? É preciso ter familiaridade com o modelo nuclear do átomo e com a organização geral da Tabela Periódica (Seção B dos Fundamentos). Será preciso usar, também, os conceitos de energia cinética e energia potencial

 

Capítulo 2 - Ligações Químicas

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CAPÍTULO

Ligações Químicas

Quais são as ideias importantes? A formação de ligações é acompanhada pelo abaixamento de energia. O abaixamento de energia é devido às atrações entre íons de cargas opostas ou entre núcleos e elétrons dos pares compartilhados. As configurações eletrônicas dos átomos controlam sua combinação com outros átomos.

Por que precisamos estudar este assunto? A existência de compostos é o ponto central da ciência da química e, ao ver como as ligações se formam, podemos entender como os químicos projetam novos materiais. Pesquisas envolvendo sangue artificial, novos fármacos, produtos químicos para a agricultura e os polímeros usados para fazer artefatos, como discos compactos, telefones celulares e fibras sintéticas, baseiam-se na compreensão de como os átomos se ligam.

O que devemos saber para entender o capítulo? Este capítulo pressupõe o conhecimento da estrutura atômica e das configurações eletrônicas (Capítulo 1), os fundamentos da energia e a natureza da interação de Coulomb entre cargas (Seção A). Também é desejável conhecer a nomenclatura dos compostos (Seção D) e os números de oxidação (Seção K).

 

Capítulo 3 - Forma e Estrutura das Moléculas

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CAPÍTULO

Forma e Estrutura das Moléculas

3

Quais são as ideias importantes? As ideias centrais deste capítulo são, em primeiro lugar, que as repulsões entre pares de elétrons determinam a forma das moléculas e, depois, que as ligações químicas podem ser discutidas em termos de duas teorias da mecânica quântica que descrevem a distribuição dos elétrons nas moléculas.

MODELO VSEPR

Por que precisamos estudar este assunto? As formas das moléculas determinam seus odores, seus sabores e sua ação como fármacos. As formas das moléculas governam as reações que ocorrem em nosso organismo e contribuem para nos manter vivos. Elas também afetam as propriedades dos materiais que nos rodeiam, incluindo seus estados físicos e suas solubilidades. Percepção, pensamento e aprendizado dependem das formas das moléculas e como elas se alteram. As teorias modernas da estrutura eletrônica das moléculas podem ser extrapoladas e utilizadas para descrever metais e semicondutores, o que coloca as informações mencionadas neste capítulo na raiz do desenvolvimento de novas tecnologias.

 

Capítulo 4 - Propriedades dos Gases

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CAPÍTULO

Propriedades dos Gases

Quais são as ideias importantes? Podemos predizer as propriedades físicas de qualquer gás usando o conjunto de equações conhecido como “leis dos gases”. Essas equações podem ser explicadas em termos de um modelo de gás em que as moléculas estão em movimento randômico permanente e estão tão separadas que não interagem umas com as outras, exceto durante breves colisões.

Por que precisamos estudar este assunto? Tratamos, nos primeiros três capítulos, da natureza dos átomos, moléculas e íons. A matéria é composta de um número muito grande dessas partículas e é preciso estudar as propriedades da matéria para ver como elas emergem das propriedades das partículas que a formam. Como os gases são o estado mais simples da matéria, as ligações entre as propriedades das moléculas e da matéria são relativamente simples de identificar. Usaremos esses conceitos em outros capítulos para estudar a termodinâmica, o equilíbrio e as velocidades de reações químicas.

 

Capítulo 5 - Líquidos e Sólidos

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CAPÍTULO

5

Líquidos e Sólidos

Quais são as ideias importantes? As fases condensadas da matéria são uma consequência da ação das forças intermoleculares atrativas. Quando os átomos, íons e moléculas não têm energia suficiente para escapar da influência de seus vizinhos, eles formam sólidos com arranjos característicos. Os líquidos formam-se quando os átomos podem se mover em relação a seus vizinhos, mas não escapam completamente de sua influência.

Por que precisamos estudar este assunto? Este capítulo mostra como as propriedades atômicas e moleculares estão relacionadas às propriedades e à estrutura de sólidos e líquidos, continuando o processo que começamos no Capítulo 4 para gases. Como os cientistas inventam novos materiais levando em conta as propriedades e interações das partículas e como elas influenciam suas propriedades, a formulação dos materiais de amanhã requer a compreensão dessas relações, como veremos em mais detalhes no Capítulo 6.

O que devemos saber para entender o capítulo? Este capítulo usa os conceitos de energia potencial (Seção A), interações coulômbicas (Seção 2.4), moléculas polares e dipolos

 

Capítulo 6 - Materiais Inorgânicos

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CAPÍTULO

6

Materiais Inorgânicos

Quais são as ideias importantes? As propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas e ópticas dos materiais dependem de sua composição química, podem ser ajustadas para atender às necessidades da tecnologia e podem abrir caminho para novas tecnologias.

Por que precisamos estudar este assunto? Para selecionar o melhor material para uma aplicação ou para desenhar um novo material, precisamos saber que propriedades esperar de uma determinada combinação de átomos. Os princípios químicos apresentados nos primeiros cinco capítulos deste livro podem nos ajudar a compreender as propriedades dos materiais, a predizê-las e a desenhar materiais para novas aplicações e tecnologias.

O que devemos saber para entender o capítulo? Este capítulo supõe a compreensão das propriedades periódicas e das configurações dos elétrons (Capítulo 1), da estrutura molecular

(Capítulos 2 e 3) e do estado sólido e das forças intermoleculares (Capítulo 5). A discussão das ligações nos sólidos usa os conceitos da teoria de orbitais moleculares (Seções 3.9 a 3.12).

 

Capítulo 7 - Termodinâmica: A Primeira Lei

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CAPÍTULO

7

Termodinâmica: A Primeira Lei

Quais são as ideias importantes? O calor e o trabalho são formas equivalentes de transferir energia de um sistema para sua vizinhança. A energia total de um sistema isolado é constante. A variação de entalpia que acompanha um processo é igual ao calor liberado sob pressão constante.

Por que precisamos estudar este assunto? As leis da termodinâmica governam a química.

Elas explicam por que as reações ocorrem e permitem a predição do calor que elas liberam e o trabalho que podem executar. A termodinâmica tem um papel importante em todos os aspectos de nossa vida. Assim, por exemplo, o calor liberado na queima de combustíveis é usado para comparar o valor do combustível. Da mesma forma, a energia liberada pelos alimentos industrializados é registrada nos rótulos. O conteúdo deste capítulo fornece os fundamentos dos capítulos seguintes, em particular o Capítulo 8, que trata da força motriz das reações químicas.

O que devemos saber para entender o capítulo? Este capítulo pressupõe o conhecimento do conceito de energia (Seção A), da estequiometria (Seções L e M) e da lei dos gases ideais (Capítulo 4). Algumas das explicações utilizam as forças intermoleculares (Seções

 

Capítulo 8 - Termodinâmica: A Segunda e a Terceira Leis

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Termodinâmica: A Segunda e a

Terceira Leis

Quais são as ideias importantes? O sentido natural da mudança corresponde ao aumento da desordem de energia e de matéria. A desordem é medida pela quantidade termodinâmica chamada de entropia. Uma quantidade relacionada � a energia livre de Gibbs – faz a ligação entre a termodinâmica e a descrição do equilíbrio químico.

Por que precisamos estudar este assunto? A segunda lei da termodinâmica é a chave para compreender por que certas reações químicas têm a tendência natural de ocorrer e outras não. Para aplicar a segunda lei, usaremos dois conceitos muito importantes, a entropia e a energia livre de Gibbs. A terceira lei da termodinâmica estabelece os valores numéricos dessas duas quantidades. Juntas, a segunda e a terceira leis permitem prever os efeitos de mudanças de temperatura e de pressão sobre os processos físicos e químicos. Elas também lançam as bases termodinâmicas da discussão do equilíbrio químico, que será explorado em detalhes nos próximos capítulos.

 

Capítulo 9 - Equilíbrios Físicos

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CAPÍTULO

Equilíbrios Físicos

Quais são as ideias importantes? O equilíbrio dinâmico entre duas fases é atingido quando a velocidade de conversão entre elas é igual nas duas direções. As velocidades são iguais quando a energia livre de Gibbs molar da substância é a mesma nas duas fases e, portanto, não existe tendência à mudança em nenhuma direção. Os mesmos conceitos se aplicam à dissolução de um soluto. A presença de um soluto altera a entropia do solvente e, consequentemente, afeta suas propriedades termodinâmicas.

Por que precisamos estudar este assunto? Vimos, nos capítulos anteriores, a natureza dos estados sólido, líquido e gás da matéria. Neste capítulo, ampliaremos a discussão para examinar as mudanças entre esses estados e introduzir o conceito de equilíbrio entre as diferentes fases de uma substância. Esse conceito será da maior importância para as transformações químicas e bioquímicas. Neste capítulo, examinaremos mais de perto, também, as soluções. Veremos que a presença de solutos é usada pelos organismos para controlar o fluxo de nutrientes para dentro e para fora das células vivas, e como as propriedades das soluções são usadas para separar os componentes do petróleo.

 

Capítulo 10 - Equilíbrios Químicos

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CAPÍTULO

Equilíbrios Químicos

Quais são as ideias importantes? Em vez de ir até o fim, as reações continuam até que a composição da mistura que reage corresponda ao mínimo de energia livre de Gibbs. Essa composição é descrita por uma constante de equilíbrio característica da reação. O equilíbrio é dinâmico e se altera com mudanças das condições.

Por que precisamos estudar este assunto? O equilíbrio dinâmico para o qual todas as reações químicas tendem é um aspecto tão importante da química que os próximos quatro capítulos deste livro serão devotados a ele. Precisamos conhecer a composição de uma mistura de reação no equilíbrio porque ela nos diz que quantidade de produto devemos esperar. Para controlar o rendimento de uma reação, precisamos entender a base termodinâmica do equilíbrio e como a posição de equilíbrio é afetada por condições como a temperatura e a pressão. A resposta do equilíbrio a mudanças de condição tem importância econômica e biológica. A regulação do equilíbrio químico afeta o rendimento dos produtos dos processos industriais e as células vivas esforçam-se para não chegar ao equilíbrio.

 

Capítulo 11- Ácidos e Bases

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Ácidos e Bases

Quais são as ideias importantes? Os ácidos de Brønsted são doadores de prótons e as bases de Brønsted são aceitadoras de prótons. A composição de uma solução de um ácido ou de uma base sempre se ajusta para satisfazer os valores das constantes de equilíbrio de todas as reações de transferência de prótons que estão ocorrendo.

Por que precisamos estudar este assunto? O Capítulo 10 desenvolveu os conceitos de equilíbrio químico na fase gás. Este capítulo estende essas ideias aos sistemas em água, que são importantes em química e em biologia. Os equilíbrios entre ácidos, bases e água em células animais e vegetais são essenciais para a sobrevivência dos organismos. Para manter a sociedade humana e proteger nosso ecossistema, é preciso controlar – usando os conceitos introduzidos neste capítulo – a acidez da chuva, das águas naturais dos lagos e rios, e da

água corrente fornecida nas cidades.

O que devemos saber para entender o capítulo? Este capítulo desenvolve a introdução a

 

Capítulo 12 - Equilíbrios em Água

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CAPÍTULO

12

Equilíbrios em Água

Quais são as ideias importantes? As concentrações dos íons em solução satisfazem as constantes de equilíbrio das reações de que participam.

Por que precisamos estudar este assunto? As técnicas descritas neste capítulo fornecem as ferramentas que precisamos para analisar e controlar as concentrações de íons em solução. Muitas reações ocorrem em solução, logo, este material é fundamental para o entendimento da química. Os compostos iônicos liberados nas águas pelo homem, pela indústria e pela agricultura podem prejudicar a qualidade da água de nossas fontes. Porém, estes íons perigosos podem ser identificados e removidos com os reagentes corretos. Os equilíbrios em água governam a estabilização do pH do sangue, da água do mar e de outras soluções encontradas na biologia, na medicina e no meio ambiente.

O que devemos saber para entender o capítulo? Este capítulo desenvolve as ideias dos

Capítulos 10 e 11 e as aplica a equilíbrios que envolvem íons em água. Quando for estudar as seções sobre titulações, revise a Seção L. Para a discussão dos equilíbrios de solubilidade, revise a Seção I. A discussão dos ácidos e bases de Lewis, na Seção 12.13, baseia-se na

 

Capítulo 13 - Eletroquímica

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Eletroquímica

Quais são as ideias importantes? A tendência que têm os elétrons de se transferir em uma reação química depende das espécies que estão envolvidas e de sua concentração.

Quando o processo é espontâneo, e a redução e a oxidação ocorrem em regiões fisicamente separadas, a reação pode produzir trabalho e forçar os elétrons a percorrerem um circuito externo.

Por que precisamos estudar este assunto? Os tópicos aqui descritos poderão, um dia, liberar uma fonte praticamente inexaurível de energia limpa fornecida diariamente pelo Sol.

A chave é a eletroquímica, o estudo da interação entre a eletricidade e as reações químicas.

A transferência de elétrons de uma espécie para outra é um dos processos fundamentais que permitem a vida, a fotossíntese, as células a combustível e a purificação dos metais.

Compreender como os elétrons são transferidos permite determinar modos de usar as reações químicas para gerar eletricidade e usá-la para produzir reações químicas. As medidas eletroquímicas também permitem determinar o valor das quantidades termodinâmicas.

 

Capítulo 14 - Cinética Química

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Cinética Química

Quais são as ideias importantes? As velocidades das reações químicas podem ser descritas por expressões simples que nos permitem predizer a composição de uma mistura de reação em qualquer ponto durante a progressão da reação. Essas expressões também sugerem as etapas pelas quais as reações ocorrem.

Por que precisamos estudar este assunto? A cinética química nos oferece ferramentas para estudar as velocidades das reações químicas em nível macroscópico e em nível atômico.

Em nível atômico, a cinética química permite a compreensão da natureza e dos mecanismos das reações químicas. Em nível macroscópico, as informações da cinética química permitem a modelagem de sistemas complexos, como os que acontecem no corpo humano e na atmosfera. O desenvolvimento de catalisadores, substâncias que aceleram as reações químicas,

é um ramo da cinética química crucial para a indústria química, na solução de problemas muito importantes, como a fome no mundo e o desenvolvimento de novos combustíveis.

 

Capítulo 15 - Os Elementos: Elementos do Grupo Principal

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Os Elementos: Elementos do

Grupo Principal

Quais são as ideias importantes? As estruturas dos átomos determinam suas propriedades e, em consequência, o comportamento dos elementos está relacionado a suas posições na Tabela Periódica.

Por que precisamos estudar este assunto? O conhecimento das relações nas famílias dos elementos ajuda a compreender a natureza da matéria e permite projetar novos materiais. Os elementos dos quatro primeiros grupos principais incluem o carbono, o elemento central da vida; o silício e o germânio, usados para criar a inteligência artificial; o cálcio, responsável pela rigidez dos nossos ossos e de dentes; os metais da era espacial, alumínio e berílio; os metais alcalinos; e o hidrogênio, o combustível das estrelas – e, talvez, a futura fonte de energia na Terra. Os elementos dos quatro últimos grupos da Tabela Periódica incluem alguns que são essenciais à vida, como o nitrogênio das proteínas, o oxigênio do ar e o fósforo de nossos ossos. Por isso, o conhecimento de suas propriedades nos ajuda a entender os sistemas vivos.

 

Capítulo 16 - Os Elementos do Bloco d

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CAPÍTULO

16

Os Elementos do Bloco d

Quais são as ideias importantes? As propriedades dos metais do bloco d são governadas pela disponibilidade dos orbitais d, sua valência variável e sua capacidade de agir como ácidos de Lewis. Por isso, os metais do bloco d formam uma grande variedade de complexos.

Por que precisamos estudar este assunto? Os metais do bloco d são os responsáveis pelo trabalho pesado da Tabela Periódica. O ferro e o cobre ajudaram a civilização a sair da Idade da Pedra e continuam a ser nossos metais industriais mais importantes. Outros membros do bloco incluem os metais das novas tecnologias, como o titânio na indústria aeroespacial e o vanádio nos catalisadores da indústria petroquímica. Os metais preciosos – prata, platina e ouro – são apreciados não apenas por sua aparência, raridade e durabilidade, mas também por sua utilidade. Os compostos do bloco d dão cor às tintas, transformam a luz solar em eletricidade, servem como agentes oxidantes poderosos e são a base para alguns tratamentos do câncer.

 

Capítulo 17 - Química Nuclear

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17

Química Nuclear

Quais são as ideias importantes? Mudanças no núcleo dos átomos podem levar à transformação dos átomos em outro elemento e resultar na liberação de energia.

Por que precisamos estudar este assunto? A química nuclear é fundamental para o desenvolvimento da energia nuclear. A química proporciona as técnicas de preparação e recirculação dos combustíveis nucleares, e de remoção de resíduos radioativos perigosos. A química nuclear é utilizada na Medicina para o tratamento de câncer e para a produção de imagens dos órgãos internos de corpos vivos. Ela é usada na Química para a investigação dos mecanismos das reações, e na Arqueologia para a datação de objetos antigos. A química nuclear é também usada nas estratégias militares de alguns países. Além disso, esse material traz subsídios para o complexo debate político, ambiental e econômico sobre o uso da energia nuclear.

O que devemos saber para entender o capítulo? Os processos nucleares podem ser entendidos em termos da estrutura atômica (Seção B e Capítulo 1) e das variações de energia

 

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