Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente - 7ª edição

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Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente apresenta todos os fundamentos da química de forma clara e precisa, utilizando inúmeras ferramentas pedagógicas. O conteúdo está organizado em 85 tópicos curtos, distribuídos em 11 grupos temáticos. Esta divisão tornou o texto muito flexível e adaptável aos objetivos específicos de cada professor, permitindo a omissão de tópicos ou a ordenação dos conteúdos de acordo com o seu plano de ensino.

 

14 capítulos

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Fundamentos

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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 com‑ preensão 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 ter‑ mos 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 o suporta, a comida com que você se alimenta, os tecidos biológicos dos quais você é feito e o silício com que o seu computador foi fabricado. Nenhum material independe da química, seja vivo ou morto, vegetal ou mineral, seja na Terra ou em uma estrela distante.

A química e a sociedade

Nos primórdios da civilização, na passagem da Idade da Pedra à Idade do Bronze e, depois,

 

FOCO 1. Os átomos

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Como a estrutura do átomo é estudada?

Tópico 1A:

A observação dos átomos

Por que um novo sistema de mecânica

é necessário?

Tópico 1B:

A teoria quântica

Quais são os princípios fundamentais da nova mecânica?

Tópico 1C:

As funções de onda e os níveis de energia

Fundamentos B

Fundamentos A

Os elementos e os átomos

A matéria e a energia

O que estes princípios revelam sobre o átomo de hidrogênio?

Tópico 1D:

O átomo de hidrogênio

Como a estrutura do átomo de hidrogênio se aplica a outros

átomos?

Tópico 1E:

Os átomos polieletrônicos

Como a estrutura eletrônica de um átomo se relaciona com sua posição na

Tabela Periódica?

Tópico 1F:

A periodicidade

O átomo é a unidade fundamental da química. Quase todos os conceitos e definições da química fazem alusão a ele, e pouco pode ser compreendido sem levá-lo em conta.

Portanto, é essencial entender suas características.

 

FOCO 2. As moléculas

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O que mantém os átomos unidos em muitos compostos sólidos?

Tópico 2A:

A ligação iônica

O que mantém os átomos unidos nas moléculas?

Tópico 2B:

A ligação covalente

Por que existem exceções às regras simples das ligações?

Tópico 2C:

Além da regra do octeto

Foco 1

Os átomos

Quais são as características das ligações covalentes?

Tópico 2D:

As propriedades das ligações

O que determina as formas das moléculas?

Tópico 2E:

O modelo

VSEPR

Qual é a descrição da ligação química segundo a mecânica quântica?

Tópico 2F:

A teoria da ligação de valência

Tópico 2G:

A teoria dos orbitais moleculares

Uma ligação química é o elo entre átomos formado quando os elétrons de valência (os elétrons nas camadas mais externas) se deslocam para uma nova posição, acomodan‑ do-se em configurações de energias mais baixas. Se o abaixamento de energia pode ser obtido pela transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo para o outro, formam-se íons, e o composto mantém-se pela atração eletrostática entre eles.

 

FOCO 3. Os estados da matéria

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Como suas propriedades físicas e químicas são descritas quantitativamente?

Comois

How um gás é a gas reconhecido? recognized?

Topic 3A:

Tópico

3A: e nature

A ofnatureza gases dos gases

Qual é a origem das forças intermoleculares?

Tópico 3F:

As forças intermoleculares

Tópico 3B:

As leis dos gases

O que muda quando um gás se torna um líquido?

Tópico 3G:

Os líquidos

Foco 1

Os átomos

Como a descrição muda quando gases ocorrem como uma mistura ou reagem?

Tópico 3C:

Os gases em misturas e reações

Como os

átomos estão organizados em um sólido?

Tópico 3H:

Os sólidos

Qual é a base molecular das leis dos gases?

Como os gases reais diferem dos ideais?

Tópico 3D:

O movimento das moléculas

Tópico 3E:

Os gases reais

Quais são as características dos sólidos inorgânicos?

Tópico 3I:

Os materiais inorgânicos

O que explica as propriedades físicas características dos sólidos?

 

FOCO 4. A termodinâmica

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Quais são os conceitos básicos relacionados

à energia?

Tópico 4A:

O calor e o trabalho

O que determina a direção de uma mudança natural?

Tópico 4F:

A entropia

Como as transferências de energia são monitoradas?

Tópico 4B:

A energia interna

Que características moleculares contribuem para a entropia?

Tópico 4G:

A interpretação molecular da entropia

Fundamentos A

A energia

O que está envolvido quando o aquecimento ocorre em pressão constante?

Tópico 4C:

A entalpia

Como a entropia é medida?

Tópico 4H:

As entropias absolutas

Como o conceito de entalpia é usado na química?

Tópico 4D:

A termoquímica

Como são calculadas as variações de entropia de um processo?

Tópico 4I:

As variações globais de entropia

Foco 2

As moléculas

Que características moleculares contribuem para a entalpia?

Tópico 4E:

As contribuições para a entalpia

 

FOCO 5. O equilíbrio

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How isa

Como a gas é vaporização recognized? caracterizada?

Tópico 5A:

Topic 3A:

A pressão e nature de vapor of gases

Como e por que os solutos afetam as propriedades de uma solução?

Tópico 5F:

As propriedades coligativas

O que determina a solubilidade de uma substância?

Como as mudanças de fase são descritas e relatadas?

Tópico 5B:

Os equilíbrios de fase em sistemas de um componente

Como os equilíbrios químicos são descritos?

Tópico 5G:

O equilíbrio químico

Tópico 5C:

Os equilíbrios de fase em sistemas de dois componentes

Quais são as outras maneiras de representar uma constante de equilíbrio?

Tópico 5H:

As formas alternativas da constante de equilíbrio

Tópico 5D:

A solubilidade

Como a composição do equilíbrio está relacionada a K?

Tópico 5I:

Os cálculos de equilíbrio

Quais são os modos alternativos de expressar a concentração?

Tópico 5E:

 

FOCO 6. As reações

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Ácidos e bases

O que são

ácidos e bases?

Como a acidez

é expressa?

Tópico 6B:

A escala de pH

Tópico 6A:

A natureza dos

ácidos e bases

Fundamentos J

Os ácidos e as bases

Foco 5

O equilíbrio

Como as forças de ácidos e bases são expressas?

Tópico 6C:

Os ácidos e bases fracos

Como a autoprotólise da água afeta o pH?

Tópico 6F:

A autoprotólise e o pH

Como o pH de uma solução

é predito?

Como estes conceitos se aplicam a espécies polipróticas?

Tópico 6D:

O pH das soluções em água

Qual é o pH quando um

ácido e seu sal estão presentes?

Tópico 6G:

Os tampões

Tópico 6E:

Os ácidos e bases polipróticos

Como o pH varia durante uma titulação?

Tópico 6H:

As titulações

ácido-base

Um dos tipos mais importantes de reação ocorre entre ácidos e bases. O TÓPICO 6A explora essas reações e apresenta a visão moderna de que a reação entre ácidos e bases é essencialmente a transferência de um próton (o núcleo de um átomo de hi‑ drogênio) de uma espécie química para outra. Um dos aspectos principais de uma solução de um ácido ou uma base em água é, portanto, a concentração de prótons.

 

FOCO 7. A cinética

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Qual é o significado da velocidade de uma reação?

Tópico 7A:

As velocidades de reação

Como a composição muda com o tempo?

Tópico 7B:

As leis de velocidade integradas

Como as leis da velocidade podem ser explicadas?

Tópico 7C:

Os mecanismos de reação

Foco 5

O equilíbrio

O que acontece quando os

átomos mudam de parceiros?

Tópico 7D:

Os modelos de reações

Como a velocidade pode ser aumentada?

Tópico 7E:

A catálise

Foco 2

As moléculas

A termodinâmica (Foco 4) é usada para predizer a direção espontânea de uma alte‑ ração química e estimar a extensão da reação no equilíbrio, porém ela nada informa sobre a velocidade da reação na direção do equilíbrio. Vimos que algumas reações termodinamicamente espontâneas – como a decomposição de benzeno em carbono e hidrogênio – parecem não ocorrer, enquanto outras – como as reações de transfe‑ rência de próton – atingem o equilíbrio muito rapidamente. Este foco examina os de‑ talhes da progressão das reações, o que determina suas velocidades e como controlá‑

 

FOCO 8. Os elementos do grupo principal

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Que características gerais a Tabela

Periódica resume?

Quais são as características principais de cada grupo?

Tópico 8A:

As tendências periódicas

Tópico 8B:

O hidrogênio

Tópico 8C:

Grupo 1:

Os metais alcalinos

Tópico 8D:

Grupo 2: Os metais alcalino-terrosos

Tópico 8E:

Grupo 13:

A família do boro

Tópico 8F:

Grupo 14:

A família do carbono

Tópico 8G:

Grupo 15:

A família do nitrogênio

Tópico 8H:

Grupo 16:

A família do oxigênio

Tópico 8I:

Grupo 17:

Os halogênios

Tópico 8J:

Grupo 18:

Os gases nobres

Os princípios definidos nos Focos 1 a 6

Os materiais utilizados hoje na medicina, no transporte e nas comunicações sequer eram imaginados há 100 anos. Para conceber e desenvolver esses materiais, os cien‑ tistas e engenheiros precisam conhecer detalhadamente os elementos e compostos que eles formam. O Foco 8 discute as propriedades e aplicações mais importantes dos elementos do grupo principal e seus compostos, com base em suas posições na

 

FOCO 9. Os elementos do bloco d

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Quais são as características gerais dos elementos do bloco d?

Quais são as propriedades dos integrantes típicos do bloco?

Tópico 9A:

As tendências periódicas dos elementos do bloco d

Tópico 9B:

Elementos selecionados do bloco d: uma inspeção

Foco 1

Foco 6

Os átomos

Quais são as principais características dos complexos formados pelos metais d?

Tópico 9C:

Os compostos de coordenação

As reações

Como os ligantes afetam as propriedades dos complexos?

Tópico 9D:

A estrutura eletrônica dos complexos de metais d

Foco 2

As moléculas

Os elementos do bloco d estão presentes em praticamente todos os aspectos da vida moderna. O ferro e o cobre ajudaram a civilização a sair da Idade da Pedra e até hoje estão entre os 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. Compostos de cobalto, molibdênio e zinco são encontra‑ dos nas vitaminas e enzimas essenciais. Alguns compostos tornam a vida mais interes‑ sante. As belas cores dos vidros azul-cobalto, os verdes e azuis brilhantes das cerâmi‑ cas cozidas e muitos pigmentos que os artistas utilizam vêm de compostos do bloco d.

 

FOCO 10. A química nuclear

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Como os núcleos alteram sua identidade?

Tópico 10A:

O decaimento nuclear

Fundamentos B

Os elementos e os átomos

Com que rapidez os núcleos decaem?

Tópico 10B:

A radioatividade

Quanta energia

é liberada em uma reação nuclear?

Tópico 10C:

A energia nuclear

Foco 7

A cinética

Na maior parte da química, o núcleo é um passageiro inerte, que transporta os elé‑ trons responsáveis pelas mudanças químicas e físicas. Contudo, o núcleo tem uma estrutura interna e pode sofrer mudanças. As forças que unem os núcleons são tão intensas, que as mudanças sofridas pelo núcleo podem liberar grandes quantidades de energia. Os químicos exploram essas mudanças e estão profundamente envolvidos nas consequências de usá-las na geração de energia elétrica.

O TÓPICO 10A descreve os tipos de radiação emitidos quando os núcleons ajustam suas posições relativas no interior dos núcleos ou quando estes emitem partículas. No passado, essa radiação foi um grande quebra-cabeças, mas gerou muitas informações sobre a composição dos núcleos e é muito usada na medicina e na geração de ener‑ gia. O TÓPICO 10B explica como a intensidade da radiação emitida é expressa, como ela varia com o tempo e como essas informações são utilizadas. O TÓPICO 10C pros‑ segue no tema, avaliando a energia aprisionada nos núcleos e liberada quando estes sofrem fissão e fusão. Ele termina com uma discussão sobre como essa energia é apro‑ veitada e como os químicos resolvem os problemas ambientais associados a seu uso.

 

FOCO 11. A química orgânica

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Como os hidrocarbonetos são classificados?

Tópico 11A:

As estruturas dos hidrocarbonetos alifáticos

Quais são as reações típicas dos hidrocarbonetos alifáticos?

Tópico 11B:

As reações dos hidrocarbonetos alifáticos

Fundamentos D

Foco 2

A nomenclatura dos compostos

As moléculas

Quais são as reações típicas dos hidrocarbonetos aromáticos?

Tópico 11C:

Os compostos aromáticos

Como outros

átomos afetam as propriedades dos compostos orgânicos?

Tópico 11D:

Os grupos funcionais comuns

Quais são as características das moléculas orgânicas grandes?

Tópico 11E:

Os polímeros e as macromoléculas biológicas

O carbono é a base de muitos materiais essenciais à tecnologia moderna e até mesmo

à vida. Entender os compostos de carbono e suas reações é, portanto, importante para nossos avanços tecnológicos e médicos, mas também para nossa sobrevivência.

O carbono forma uma enorme variedade de compostos tão diferentes que um campo inteiro da química, a química orgânica, é dedicado a seu estudo. Se os átomos de carbono são tão versáteis é porque eles podem se ligar para formar cadeias e anéis de variedade quase infinita. Isso permite que o carbono forme as milhares de biomolé‑ culas complicadas que contribuem para a estrutura e função de todos os organismos da Terra.

 

Apêndices

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1A  OS SÍMBOLOS

As quantidades físicas estão representadas por um símbolo itálico ou grego (como m para massa, não m; ∏ para pressão osmótica). A Tabela 1 lista a maior parte dos símbolos usados neste livro-texto juntamente a suas unidades (veja também o

Apêndice 1B). Os símbolos podem ser modificados por meio

de subscritos, como estabelecido na Tabela 2. As constantes fundamentais não foram incluídas nas listas, mas podem ser encontradas ao final do livro. Os símbolos das constantes matemáticas estão expressos em caracteres romanos.

TABELA 1  Símbolos e unidades comuns

Símbolo

Quantidade física

Unidade SI

α (alfa)

γ (gama)

δ (delta)

ε (épsilon)

θ (teta)

λ (lambda)

μ (mu)

ν (nu)

∏ (pi)

σ (sigma)

Φ (fi)

χ (chi)

ψ (psi) a

polarizabilidade tensão superficial deslocamento químico energia molecular colatitude comprimento de onda momento de dipolo frequência pressão osmótica seção transversal azimute eletronegatividade função de onda atividade parâmetro de van der Waals parâmetro de célula unitária

 

Respostas

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Fundamentos

F.2B

A.1B

A.2B

AgNO3: (107,87 g·mol21) 1 (14,01 g·mol21) 1

3(16,00 g·mol21) 5 169,88 g?mol21; % Ag 5

(107,87 g?mol21)/(169,88 g·mol21) 3 100% 5

63,498%

F.3B

A.3B

A.4B

1:1:2 razão, a fórmula empírica é SOF2.

A.5B

F.4B

B.1B

número de átomos de Au 5 m(amostra)/m(um átomo) 5

B.2B

(a) 8, 8, 8;  (b) 92, 144, 92

B.3B

(a) Sn; (b) Na;  (c) iodo;  (d) ítrio

C.1B

(a) O potássio é um metal do Grupo 1. Cátion, 11, logo

K1.

(b) O enxofre é um não metal do Grupo 16. Ânion, 16

2 18 5 22, logo S22.

G.1B

G.2B

ácido oxálico

G.3B

(2,55 3 1023 mol HCl)/(0,358 mol HCl/L) 5

7,12 3 1023L 5 7,12 mL

G.4B

Vinicial 5 (cfinal 3 Vfinal)/cinicial 5 (1,59 3

1025 mol·L21) 3 (0,02500 L)/(0,152 mol·L21) 5

2,62 3 1023 mL

C.2B

(a) Li3N;  (b) SrBr2

D.1B

(a) di-hidrogeno-arsenato; (b)

 

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