Universidade do Estado de Minas Gerais- UEMG
QUÍMICA
AULA 02
A Organização dos Elementos
Quantidade de elementos químicos (mais de 100);
Quando arrumados em ordem crescente de número atômico em linhas de certo comprimento,
Formam famílias que mostram uma tendência regular de suas propriedades.
O arranjo dos elementos que mostra as relações familiares é chamado de Tabela Periódica.
Colunas Verticais = Grupos Linhas Horizontais = períodos
Propriedades eletrônicas = blocos (s, p, d e f)
Bloco d (com exceção do Grupo 12 – zinco) são chamados Metais de Transição.
Bloco f (mostrados abaixo da Tabela, para economizar espaço) são os Metais de Transição Interna. Linha superior são os Lantanídeos e linha inferior os Actinídeos.
Grupo 1 – Metais Alcalinos
São metais macios e prateados que fundem em temperaturas baixas. Eles produzem hidrogênio quando em contato com a água, o lítio moderadamente, mas com violência crescente à medida que descemos no grupo (sódio, potássio, rubídio, césio e frâncio).
Grupo 2 – Metais Alcalinos Terrosos
Os elementos cálcio (Ca), estrôncio (Sr) e bário (Ba) são chamados de metais alcalinos terrosos.
Os metais do Grupo 2 possuem propriedades parecidas com as do Grupo 1, mas reagem mais lentamente.
No lado extremo direito da Tabela, Grupo 18, os elementos são conhecidos como Gases Nobres. Eles são assim chamados, pois são praticamente inertes quimicamente. São inodoros e incolores.
O Grupo 17 é o grupo dos halogênios (flúor, cloro, bromo e iodo).
Suas propriedades variam continuamente. Por exemplo, o flúor é um gás amarelo pálido, o cloro é esverdeado, o bromo um líquido marrom avermelhado e o iodo um sólido roxo escuro
No topo da tabela periódica, o Hidrogênio está sozinho. Algumas tabelas o colocam no Grupo 1, enquanto outras no Grupo 17.
Como o hidrogênio é um elemento com propriedades únicas, aqui ele não é colocado em grupo algum.
Os elementos são classificados de metais e não-metais:
- Um metal conduz eletricidade, tem brilho, é maleável e flexível;
- Um não metal não conduz eletricidade e não é maleável nem flexível.
- Um metalóide tem a aparência e algumas propriedades dos metais mas comporta-se quimicamente como um não-metal.
COMPOSTOS
“O pequeno número de elementos que constituem o nosso mundo se combinam para produzir a
matéria em uma inimaginável e ilimitada variedade de formas”.
- Um composto é uma substância eletricamente neutra que consiste de dois ou mais elementos diferentes com os seus átomos presentes em uma proporção definida.
Exemplo: água = hidrogênio + oxigênio (dois átomos de hidrogênio para cada átomo de oxigênio).
- A constância nas proporções atômicas permitiu aos químicos enunciarem a lei da composição constante.
- Compostos podem ser classificados como orgânicos ou inorgânicos.
Compostos orgânicos: contêm o elemento carbono (e usualmente também o hidrogênio).
Exemplos: combustíveis como o metano, propano, açucares, tais como glicose e sacarose, e a maioria dos medicamentos.
Compostos inorgânicos: todos os outros tipos
Exemplo: água, sulfato de cálcio, amônia, etc.. Compostos muito simples de carbono também entram nesta categoria (carbonato de cálcio, dióxido de carbono).
Os elementos, em um composto, não estão apenas misturados, eles estão ligados, uns aos outros de maneira específica.
O resultado é uma substância com propriedades físicas e químicas diferentes daquelas dos elementos que a formam.
Os átomos podem ligar-se uns aos outros para formar moléculas ou podem estar presentes em compostos como íons.
Molécula é um grupo discreto de átomos ligados em um arranjo específico.
Um íon é um átomo, ou um grupo de átomos ligados, carregado positiva ou negativamente.
Um íon carregado positivamente é chamado de cátion e um negativamente é chamado de ânion. Exemplos: cátions: Na+, H+, Ca2+
ânions: Cl-, CO32-
“Compostos são combinações de elementos. Os átomos de elementos diferentes, em um composto, estão presentes em uma razão constante e característica. Um composto é classificado como molecular, se consiste de moléculas, ou iônico, se consiste de íons”.
Moléculas e Compostos Moleculares
Fórmula Química: expressa a composição de um composto em termos de símbolos químicos.
Para compostos moleculares: fórmula molecular: água H2O; estrona C18H22O2.
Fórmula estrutural: indica como os átomos estão ligados.
Exemplo: etanol – fórmula molecular: C2H6O
Fórmula estrutural: C C H H H H H O H
Para maior praticidade, os químicos simplificam a fórmula estrutural como:
CH3CH2OH Exemplo: metilpropano C C H H H H C H H H C H H H CH3CH(CH3)CH3
Químicos orgânicos = substâncias complexas com muitos átomos = estrutura de linhas
Cl
2-clorobutano CH3CHClCH2CH3
Átomos diferentes de C e H são mostrados Exemplo: 4-Testosterona, C19H28O2
OH
O
Modelo Espacial:
Modelos de bolas e varetas para representar os átomos e as suas ligações.
Exemplos:
Desenhe as fórmulas estruturais dos compostos (a) N-metilglucamina,
CH2(OH)CH(OH)CH(OH)CH(OH)CH(OH)CH2(NHCH3)
Usado para fazer corantes e produtos farmaceuticos e (b) ciclohexeno, que é encontrado em alcatrão de hulha.
Íons e Compostos Iônicos:
Um número enorme de cátions e ânions colocados juntos, em um arranjo regular. Os íons se ligam pela atração eletrostática de suas cargas de sinal contrário.
O modelo nuclear do átomo explica facilmente a existência dos íons monoatômicos. Quando um elétron (carga negativa) é removido de um átomo neutro, a quantidade de cargas negativas que resta não é mais suficiente para compensar as cargas positivas. Assim, este átomo adquire uma carga positiva e torna-se um cátion.
A Tabela Periódica pode ajudar a decidir que tipo de íon e qual a carga esperada para cada elemento.
Por exemplo, os elementos metálicos – que estão à esquerda na tabela periódica – tipicamente formam cátions pela perda de elétrons. Os elementos não metálicos – à direita na tabela – formam ânions.
As cargas elétricas que os átomos ionizados adquirem estão relacionadas com os grupos da Tabela Periódica ao qual pertencem.
“Os elementos metálicos tipicamente formam cátions, os elementos não-metálicos tipicamente formam ânions, as cargas dos íons monoatômicos estão relacionadas ao grupo ao qual pertencem na Tabela Periódica”.
Muitos íons são diatômicos ou poliatômicos. Por exemplo:
Cianeto = CN- (diatômico) Amônio = NH4+ (poliatômico)
Os ânions poliatômicos mais comuns são os oxiânions, ânions poliatômico que contém oxigênio.
Eles incluem os ânions carbonato, CO32-,
nitrato, NO3-, fosfato, PO43- e sulfato SO42-.
Como combina-los?
Sempre visando a neutralização das respectivas cargas.
Na+ + Cl- → NaCl Cloreto de sódio um composto iônico binário.
Alguns casos mais complicados: Carbonato de sódio = Na2CO3
Sulfato de amônio = (NH4)2SO4
“A fórmula química de um composto iônico mostra a razão entre o número de átomos de cada elemento presente no composto, em termos da menor quantidade de número de íons. Uma fórmula unitária de um composto é um grupo de íons com o mesmo número de cada elemento como aparece em sua fórmula”.
A NOMENCLATURA DOS COMPOSTOS Nomes comuns: água, sal, açúcar, etc.
Nome sistemático: inclui informações sobre a composição e estrutura do composto.
O Nome dos Cátions:
O nome de um cátion monoatômico é construído simplesmente com o acréscimo da palavra íon antes do nome do elemento:
Na+ = íon sódio Li+ = íon lítio
Quando um elemento forma mais que uma espécie de cátion, tal como os íons Cu+ e Cu2+ do cobre, usamos o número de oxidação, a carga do cátion, escrita com algarismos romanos entre parênteses. Então:
Cu+ = íon cobre (I) Cu2+ = íon cobre (II) Fe2+ = íon ferro (II) Fe3+ = íon ferro (III)
Um sistema ainda em uso emprega os sufixos oso e ico, para íons com cargas menores e
maiores, respectivamente.
Fe2+ = íons ferrosos ou íon ferro (II) Fe3+ = íons férricos ou íon ferro (III).
O Nome dos Ânions
Halogênios: eto (cloreto, fluoreto, iodeto, brometo)
Oxiânions: menos oxigênio = ito mais oxigênio = ato
Alguns elementos – halogênios – formam uma série de ânions, com diferente número de
oxigênio. Assim:
ClO- = hipo clor ito ClO2- = clor ito
ClO3- = clor ato
ClO4- = per clor ato
Os oxiácidos são compostos moleculares derivados dos oxiânions.
Oxiácido -ico são derivados de oxiânions -ato Oxiácido -oso são derivados de oxiânions -ito As fórmulas dos oxiácidos são obtidas pela combinação do oxiânion com uma quantidade de hidrogênio necessária para neutralizar sua carga. Exemplo:
Íon sulfato, SO42- combina-se com 2 H+ para
formar o H2SO4, ácido sulfúrico.
Íon sulfito, SO32- combina-se com 2 H+ para
Exercícios:
a) Escreva (a) o nome do HIO e (b) a fórmula do ácido carbônico.
b) Escreva (a) o nome do H3PO4 e (b) a
fórmula do ácido clorídrico.
O Nome dos Compostos Iônicos
Um composto iônico é denominado com o nome formado primeiro pelo nome do ânion e depois pelo do cátion, sem a palavra íon.
KCl = Cloreto de potássio (íons K+ e Cl-) NH4NO3 = nitrato de amônio (NH4+ e NO3-)
O cloreto de cobre que contém os íons Cu+ (CuCl) é chamado de cloreto de cobre (I) e o cloreto que contém os íons Cu2+ (CuCl2) é
Alguns compostos iônicos formam cristais que incorporam uma quantidade definida de moléculas de água. Estes compostos são chamados hidratos.
Por exemplo, o sulfato de cobre (II)
normalmente aparece como cristais azuis de composição CuSO4.5H2O.
Seus nomes são formados pelos nomes dos compostos originais e pela
palavra hidratado, precedida do sufixo grego
correspondente ao número de águas do cristal.
CuSO4.5H2O = sulfato de cobre
(II) pentahidratado.
CuSO4 = sulfato de cobre (II)
Exemplo:
1) Dê os nomes sistemáticos de (a) CrCl3.6H2O e
(b) Ba(ClO4)2.
Estratégia:
1) Identificar o cátion e o ânion.
2) Se o cátion é um metal de transição ou pertence ao Grupo 12 dê o seu número de oxidação. Para isto, observe a carga do ânion e o número de ânions e cátions da fórmula.
3) Se o cátion só existe em um estado de oxidação, omita o número de oxidação da fórmula.
4) Se moléculas de água estão incluídas, trata-se de um hidrato e, então, adiciona-se a palavra hidratado e o prefixo grego na fórmula.
Solução: (a) o cátion é um íon crômio e o ânion é um íon cloreto. O cátion precisa ser o Cr3+ para a neutralidade elétrica, então o crômio, (um metal de transição) é apresentado como crômio (III). O 6H2O indica que o complexo é
hexahidratado, então o composto é o cloreto de crômio (III) hexahidratado.
(b) O cátion é um íon bário, Ba2+ (o único cátion que o bário forma). O ânion é o perclorato, ClO4-,
então o composto é o perclorato de bário. Exercícios:
1) Dê o nome dos compostos (A) FeCl2.2H2O;
(B) AlBr3, (C) Cr(ClO3)2.
2) Dê o nome dos compostos: (A) AuCl3, (B)
CaS, (C) Mn2O3.
O Nome dos Compostos Moleculares Inorgânicos Muitos compostos moleculares inorgânicos simples têm o nome dado usando os prefixos gregos para indicar o número de cada tipo de átomo presente.
Quando apenas um átomo de cada elemento está presente, não se usa o prefixo. Exceção: monóxido de carbono, CO.
A maioria dos compostos moleculares binários – compostos moleculares formados por dois elementos – tem pelo menos um elemento do Grupo 16 ou 17. Estes elementos recebem o nome com um sufixo –eto.
tricloreto de fósforo, PCl3;
hexafluoreto de enxofre, SF6
e os compostos de oxigênio: óxido de dinitrogênio, N2O
pentóxido de dinitrogênio, N2O5
Certos compostos moleculares binários têm nomes comuns, que são largamente usados:
NH3 amônia N2H4 hidrazina NH2OH hidroxilamina PH3 fosfina NO óxido nítrico N2O óxido nitroso C2H4 etileno C2H2 acetileno
Os óxidos do fósforo se distinguem por um algarismo romano, como se o fósforo fosse um metal e o óxido presente como O2-. Assim:
P4O6 = (P3+)4(O2-)6 = óxido de fósforo (III)
P4O10 = (P5+)4(O2-)10 = óxido de fósforo (V)
As fórmulas dos compostos formados entre o hidrogênio e os componentes dos Grupos 16 e 17 têm, na frente, o átomo de H e, no nome, o hidrogênio aparece por último.
Cloreto de hidrogênio – HCl Cianeto de hidrogênio – HCN
Quando estes compostos são dissolvidos em água, muitos atuam como ácidos e são chamados de ácido.
HCl = ácido hidroclorídrico H2S = ácido hidrosulfúrico
Uma solução aquosa destes ácidos é indicada por um (aq) em seguida da fórmula.
MOLS E MASSAS MOLECULARES
“Os químicos descrevem o número de átomos, íons ou moléculas em termos de uma unidade chamada mol”.
1 mol é o número de átomos em exatamente 12 g de carbono 12.
A massa de um átomo de carbono 12 foi determinada como exatamente 1,99265 x 10-23 g.
Assim:
Número de átomos de carbono 12 =
23 23 6,0221x10 g 10 x 99265 , 1 g 12 = −
Assim, 1 mol de átomos de qualquer elemento é 6,0221x1023 átomos do elemento.
Generalizando:
1 mol de objetos representa 6,0221x1023 objetos
O número de objetos por mol, 6,0221x1023 mol-1 é chamado de constante de Avogadro, NA,
em honra ao cientista italiano do século XIX Amadeo Avogadro. A constante de Avogadro é usada na conversão entre o número de mols e o número de átomos, íons ou moléculas:
Número de objetos = número de mols x número de objetos por mol
= número de mols x NA
Se representarmos o número de objetos por N e o número de mols (formalmente a quantidade da substância) por n, esta relação é:
Exemplos
1) Sabe-se que uma amostra de vitamina C contém 1,29x1024 átomos de hidrogênio (bem como de outras espécies de átomos). Quantos mols de hidrogênio a amostra contém?
N = nNA n = N/NA
Número de mols de átomos de H =
mol 14 , 2 mol 10 x 0221 , 6 10 x 29 , 1 1 23 24 = −
2) Uma pequena xícara de café contém 3,14 mols de moléculas de água. Quantas moléculas de água estão presentes?
Massa Molar
Como podemos determinar o número de mols presente se não podemos contar os átomos diretamente?
Massa molar, M, a massa por mol de partículas.
Número de mols = massa da amostra / massa por mol
n = m/M
Exemplo 1:
Para encontrar o número de mols de átomos de F em 22,5 g de flúor, precisamos saber que a massa molar do flúor (isto é, a massa por mol de átomos de flúor) é 19,00 g mol-1. Então:
Número de mols de átomos de flúor =
22,5 g / 19,00 g mol-1 = 1,18 mol.
(O número real de átomos pode ser encontrado multiplicando o número de mol pela cte de Avogadro).
2) Em um dia, 5,4 kg de alumínio foram coletados de um lixo reciclável. Quantos mols de átomos de Al o lixo continha? Dada a massa molar de Al = 26,98 g mol-1.
A massa molar de um elemento é a massa por mol de seus átomos; a massa molar de um composto molecular é a massa por mol de suas moléculas; a massa por molar de um composto iônico é a massa por mol de suas fórmulas unitárias. Em todos os casos, a unidade de massa molar é gramas por mol (g mol-1).
Avaliando a massa molar média
Há dois tipos isótopos naturais do cloro, cloro-35 e cloro-37. A massa de um átomo de cloro-35 é 5,807x10-23 g e a de um átomo de cloro-37 é 6,139x10-23 g. Em uma amostra típica de cloro 75,77% da amostra é de cloro-35 e 24,23% de cloro-37. Qual é a massa molar de uma amostra típica de cloro?
Massa média de um átomo de cloro: ) g 10 x 139 , 6 ( x 100 23 , 24 ) g 10 x 807 , 5 ( x 100 77 , 75 −23 −23 + = (4,400x10-23 g) + (1,487x10-23 g) = 5,887x10-23 g
Segue que a massa molar de uma amostra típica de átomos de cloro é:
Massa molar de cloro = massa média de um átomo de cloro x número de átomos de cloro por mol
(5,887x10-23g)x(6,022x10-23mol-1)=35,45 g mol-1.
Peso atômico é o valor numérico de sua massa molar. Hidrogênio = massa molar = 1,008 g mol-1 e peso atômico = 1,008.
