Universidade Virtual Africana 1
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1
Indíce
I. Química Física 2 ......................................................................................................... 3
II. Pré-requisitos para o curso ............................................................................................. 3
III. Tempo ........................................................................................................................... 3
IV. Material......................................................................................................................... 4
V. Justificação do módulo................................................................................................... 4
VI.
CONTEÚDO........................................................................................................... 5
6. 1 Visão geral ........................................................................................................... 5
6. 2 Outline.................................................................................................................. 5
6.3 Organização gráfica .............................................................................................. 6
VII. Objectivo(s) geral(is)................................................................................................... 7
VIII. Objectivos específicos (Objectivos instructucionais) ................................................ 7
IX.
Actividades de ensino aprendizagem ...................................................................... 9
X. Actividades de aprendizagem ...................................................................................... 14
XI. Compilação de conceitos chave (glossário)................................................................ 76
XII. Lista de leituras obrigatórias ..................................................................................... 82
XIII. Lista (opcional) de fontes multimédia ..................................................................... 86
XIV. Lista de links úteis ................................................................................................... 89
XV. Síntese do Módulo..................................................................................................... 97
XVI. Avaliação Sumaria................................................................................................... 98
XVII. Referências ........................................................................................................... 103
XVIII. Resultados do estudante ...................................................................................... 104
2
I.
Química Física 2
II. Pré-requisitos para o curso
Antes de iniciar este módulo o estudante deve estar familiarizado com os seguintes
conceitos abrangidos nos módulos 2 e 3: química termodinâmica, química das soluções e
reacções redox.
O estudante deverá ser capaz de:








Distinguir as diferentes terminologias de soluções, tais como soluções saturadas e
soluções supersaturadas;
Explicar os factores que afectam a solubilidade e rate da solução;
Explicar as propriedades coligativas das soluções e resolver exercícios com isso
relacionados;
Distinguir as diferentes unidades de concentração e usá-las em cálculos
relevantes;
Diferenciar processos exotérmicos de endotérmicos;
Resolver cálculos estequiométricos envolvendo mudanças de calor;
Prever tanto qualitativamente como quantitativamente a espontaneidade de
processos físico-químicos com base na entalpia, entropia e energias livre de
Gibbs;
Escrever reacções redox balançadas, fazer experiências e cálculos relacionados
com as reacções redox.
III. Tempo
.
120 horas
Tópicos
Tempo aproximado (horas)
Unidade I Soluções
20
Unidade
Colóides
15
II
Unidade
Equilíbrio de fases
15
III
Unidade
Electroquímica
20
IV
Unidade
Introdução à química nuclear
30
V
3
IV. Material
Acesso à Internet é essencial para completar com sucesso este módulo. O propósito do
acesso à Internet é:
o acesso às actividades de aprendizagem online;
a avaliação online em forma de perguntas, testes, tarefas e experiências;
a interacção multimedia (incluindo vídeo conferência);
a biblioteca virtual e a utilização de base de dados;
os grupos interactivos de discussão/sessões de chat;
o acesso à biblioteca e centros de estudo individual;
o acesso aos manuais recomendados e matérias de referência (matérias de
aprendizagem na web).
V. Justificação do módulo
O módulo de Química Física 2 focaliza cinco (5) áreas de Química Física importantes
para muitos aspectos da nossa vida: soluções, colóides, equilíbrio de fase, electroquímica
e química nuclear.
Soluções são, muitas vezes, necessárias para facilitar muitas reacções químicas nos
processos vitais ou da indústria e colóides tem aplicação extensiva na indústria (para
farmacêuticos, alimentos, tintas adesivos/colas, cosméticos, tintas gráficas e muitos
outros). As aplicações da electroquímica são várias, com grande significância económica.
Um grande número de processos vitais também envolve reacções electroquímicas. Muitas
substâncias existem em mais de um estado físico, sendo os mais comuns os estados
sólido, líquido e gasoso. Cada uma das fases tem propriedades físicas significativamente
diferentes. Conhecimentos de electroquímica possibilitam-nos compreender certos
processos biológicos. A ferrugem do ferro, a remoção de nódoas e a fotossíntese são
exemplos de tais reacções. Apesar de núcleos de muitos isótopos serem estáveis, alguns
são instáveis e irão sofrer o que é conhecido como reacções nucleares. Tais reacções
podem ser úteis, como por exemplo, na geração de energia ou na medicina nuclear, mas
também podem ser perigosas como no caso de armas de destruição maciça – armas
nucleares.
4
VI. CONTEÚDO
6. 1 Visão geral
Este módulo desenvolve-se a partir dos conceitos introduzidos no módulo de Química
Física 1, o qual focalizou a teoria cinética molécular, termodinâmica e cinética química.
Este módulo cobre o estudo das soluções e colóides, equilíbrio de fase, electroquímica e
química nuclear. Nas soluções examinaremos essencialmente o comportamento das
misturas homogéneas envolvendo substâncias puras. Daremos também uma vista nos
colóides que diferem das soluções apenas em termos de quantidade do soluto. O tópico
sobre equilíbrio de fases apresenta as transformações físicas de substâncias puras. Ideias
sobre energia e entropia serão aplicadas ao equilíbrio fisico entre as fases de uma ou mais
substâncias puras sob diferentes condições de temperatura e pressão. Em electroquímica,
focalizaremos os sistemas químicos que envolvem transferências de electrões ou espécies
carregadas, i.e. reacções de oxidação-redução. A química nuclear aborda os processos
que estão associados com o núcleo. Núcleos de certos isótopos são incapazes de sofrer
decaimento espontâneo emitindo radiação iónica e radiação não iónica. Examinaremos as
razões por que certos processos nucleares ocorrem e como esses processos podem ser
usados para aplicações pacíficas.
6. 2 Outline
Unidade I
(20 horas)
Unidade II
(15 horas)
Unidade III
(15 horas)
Soluções
Tipos de soluções
Propriedades físicas de soluções
Forças intermoleculares e processo de soluções
Soluções ideais
Efeitos de temperatura e pressão sobre a solubilidade
Propriedades coligativas
Colóides
Classificação de colóides
Preparação e purificação de colóides
Estabilidade de colóides
Propriedades de colóides
Equilíbrio de fases
Componentes
Grau de liberdade
Regras da fase de Gibbs.
Diagrama de fases
5
Multicomponentes de sistemas
Unidade IV
(20 horas)
Unidade V
(30 horas)
Electroquímica
Células electroquímicas
Potenciais de eléctrodos
Energia livre e potenciais de eléctrodo
Introdução à química nuclear
Fenómeno da radioactividade
Grau de decaimento radioactivo
Estabilidade nuclear
Interacção da radiação com a matéria
6.3 Organização gráfica
Química Física 2
Soluções
Colóides
Equilíbrio de fases
Electroquímica
Introdução à química
nuclear
6
VII. Objectivo(s) Geral(is)
Ao terminar este módulo, o estudante deverá ser capaz de:













Explicar a força motriz para os processos de soluções;
Explicar o efeito da temperatura e da pressão na solubilidade;
Providenciar explicações termodinâmicas para o fenómeno das misturas;
Definir e explicar propriedades coligativas das soluções;
Definir e classificar o estado dos colóides;
Explicar factores que influem na estabilidade coloidal;
Desenhar e explicar diagramas simples de fases;
Usar o conceito de reacções redox para explicar reacções electroquímicas;
Predizer a espontaneidade das reacções dado o potencial estandarte de redução;
Usar o potencial da célula para determinar o equilíbrio constante da reacção;
Explicar o fenómeno de radioactividade;
Explicar as razões por que certos elementos são estáveis e outros não;
Fazer cálculos relacionados com o fenómeno da radioactividade.
VIII. Objectivos específicos (Objectivos instructucionais)
Unidade
Objectivo(s) especifico(s)
Soluções
Ao terminar esta unidade o estudante deverá
ser capaz de:





Definir e explicar a natureza das
soluções;
Identificar e distinguir diferentes
tipos de soluções;
Predizer se duas substâncias irão se
misturar para formar soluções
através da comparação das forças
intermoléculares envolvidas;
Compreender e explicar os efeitos
da temperatura, pressão e polaridade
do solvente/soluto na solubilidade;
Reportar sobre propriedades
coligativas das soluções e fazer
cálculos envolvendo essas
7
propriedades.
Colóides
Equilíbrio de fases
Electroquímica
Química nuclear
Ao completar esta unidade o estudante
deverá ser capaz de:
 Descrever propriedades de sistemas
coloidais;
 Diferenciar tipos de sistemas
coloidais;
 Explicar factores que afectam a
estabilidade dos colóides;
 Descrever e explicar as diferentes
propriedades de colóides tais como
difusão, osmose, viscosidade e
propriedades eléctricas.
Ao completar esta unidade o estudante
deverá ser capaz de:
 Explicar conceitos de vaporização,
ebulição, pressão de vapor e como esses
aspectos são afectados pela variação de
temperatura;
 Ser capaz de calcular as quantidades
relevantes em sistemas binários de
diagramas de equilíbrio de fases;
 Interpretar regras da fase de Gibbs.
Ao completar esta unidade o estudante
deverá ser capaz de:
 Explicar e descrever células
electroquímicas;
 Representar em diagramas e em
anotações curtas células voltaicas;
 Usar o conceito de potencial de
redução para explicar as reacções
que têm lugar no cátodo e ânodo;
 Explicar e usar o potencial de
redução para predizer a
espontaneidade das reacções
químicas;
 Relacioná-los a energia de Gibbs e
fazer cálculos relacionados.
Ao completar esta unidade o estudante
deverá ser capaz de:
 Explicar e descrever a natureza da
radioactividade;
 Identificar diferentes tipos de
emissões radioactivas e propriedades
das radiações emitidas;
8


IX.
Fazer cálculos usando a lei de
decaimento radioactivo;
Explicar a relação entre massa e
energia e resolver problemas
relacionados com equivalentes de
energia e massa.
Actividades de ensino aprendizagem
9. Pré-avaliação
Título da Pré-avaliação:
Pré-avaliação sobre a compreensão dos princípios fundamentais: para soluções e
colóides, equilíbrio de fase, electroquímica e química nuclear.
Justificação:
Para o estudante terminar este módulo com sucesso, são necessários pré-requisitos de
conhecimento. Esta pré-avaliação possibilita ao estudante saber o seu nível de preparação
para os tópicos que provavelmente encontrará. As perguntas são uma avaliação dos
conhecimentos adquiridos anteriormente, tais como os princípios sobre as soluções,
balanço de reacções redox e termodinâmica. Estas questões relacionam-se com
conceitos-chave para a compreensão de soluções, equilíbrio de fase, reacções que
envolvem transferência de carga e reacções do nível subatómico.
QUESTÕES
1.
Quais das seguintes substâncias exercem maior pressão? Justifique a sua resposta.
(a) 1 mole N 2 a 273 K em 11.2 dm−3
(b) 1 mole N 2 a 300 K em 22.4 dm−3
(c) 1 mole H 2 O a 300 K em1 dm−3
(d) 1 mole C 4 H 10 a sua normal b. pt
2.
Como espera que as seguintes substâncias se comportem nos solventes indicados,
isto é, baixa ou alta solubilidade?
(a) HCl em H 2 O
(b) HF em H 2 O
(c) S 8 em H 2 O.
9
(d) NaNO 3 em hexano, C 6 H 14
3.
Considere os dois seguintes grupos de misturas (a) água misturada com metanol,
obedece a lei de Raoults e (b) água misturada com propanol, que forma mistura
azeotrópica. Qual da informação dada desenha um esquema próprio para ilustrar o
seu comportamento usando pressão de vapor/curvas de composição.
4.
Dada a seguinte informação para o amoníaco:
b. pt 240 K
m. pt 195.0 K
ponto triplo 194.9 K
Desenhe um diagrama para ilustrar as mudanças de fases, sublinhando pontos
significantes.
5.
Balance a seguinte reacção redox usando o método de ião, electrão no meio
ácido.
Br− (aq) + MnO4 (aq)  Br 2 (g) + 2Mn2+(aq)
6.
Quando 193 C de electricidade são passados num metal fundido, 1.0 x 10−13 mol
de átomos são depositados no cátodo. Qual poderia ser o metal depositado no
cátodo?
(a) Cu (b) Pb (c) Ag (d) Zn
7.
Qual dos seguintes representa radiação sem partícula?
(a) alfa (b) beta (c) neutrão (d) gama
8.
Qual elemento no grupo 18 é naturalmente radioactivo e tem isótopos estáveis?
Qual dos elementos no grupo 18 é naturalmente radioactivo e sem isótopos
estáveis?
(a) Ar (b) Kr (c) Xe (d) Rn
9.
Considere a seguinte reacção:
2
1
H  21H 42 He  energia
Que processo a reacção acima representa?
(a) ficção
(b) fusão
(c) transmutação artificial
10
(d) decaimento alfa
10.
Em quantos dias 12 gramas de amostra de decaimento irão deixar um total de 1.5
gramas do isótopo original? (a meia vida de 131
53 I é 8.07 dias).
(a) 8.0
(b) 16
(c) 20
(d) 24
Chave de respostas
1.
A solução do problema leva em consideração as propriedades e o estado das
substâncias em relação a pressão. As substâncias em (a) e (b) são gases. A
comparação da pressão pode ser feita usando pV = nRT.
(a)
P
1 mol x 8.314 J mol 1 K _1 x 273 K
 2.02 x 10 5 Pa
3
3
11.2 x 10 m
1 mol x 8.314 J mol 1 K _1 x 300 K
 1.11x 10 5 Pa
22.4 x 10 3 m 3
(c), (d) Esses são líquidos a temperatura e pressão dadas. No caso de (d) na
normal b.pt a pressão de vapor é 1.01 x 105 Pa.
2.
(b)
P
(a)
Uma vez que ambas são moléculas covalentes polares a solubilidade é
alta.
Uma vez que ambas são moléculas covalentes polares capazes de formar
pontes de hidrogénio a solubilidade será alta.
Baixa solubilidade é esperada uma vez que S 8 é molécula covalente não
polar posta em H 2 O que é muito polar.
A solubilidade esperada é baixa uma vez que NaNO 3 é um sólido iónico
enquanto que C 6 H 14 é um solvente não polar.
(b)
(c)
(d)
3.
(a)
(b)
máximo
PT
Vapor
Vapor
Propann-1-ol
P MeOH
P Água
P Água
1
X MeOH
0
1
X propano-1-ol
0
1
X Água
0
1
X Água
0
R
R
R
R
11
4.
líquid
Pressão
sólid
194.9 194.9
5.
vapor
240.0
T/K
A solução é alcançada seguindo os seguintes passos.
1º Passo: Determinar estados de oxidação
Br− (aq) *+ MnO4 (aq)  Br 2 (g) + 2Mn2+(aq)
PA
-1
+7(-2)+4
0
+2
2º Passo: Balancear outros átomos que não O e H nas semireacções
2Br− (aq)  Br 2 (g)
reacção de oxidação
2+

MnO4 (aq )  Mn (aq)
reacção de redução
3º Passo: Balancear O e H
2Br− (aq)  Br 2 (g)
MnO4 (aq ) + 8H+  Mn2+(aq) + 4H 2 O
4º Passo: Balancear cargas
2Br− (aq)  Br 2 (g) + 2e─
MnO4 (aq ) + 8H+ + 5e─ Mn2+(aq) + 4H 2 O
5º Passo: Balancear os electrões
]
5 x [2Br− (aq)  Br 2 (g) + 2e─
+
─
2+

2 x [ MnO4 (aq) + 8H + 5e  Mn (aq) + 4H 2 O]
Dá-nos
10Br− (aq) 5 Br 2 (g) + 10e─
2MnO4 (aq ) + 16H+ + 10e─ 2Mn2+(aq) + 8H 2 O
6º Passo: Adicionar a semireacção
2MnO4 (aq ) + 10Br− (aq)+ 16H+  2Mn2+(aq) + 5 Br 2 (g) + 8H 2 O
6.
Começamos por calcular o número de electrões passados sabendo que a carga
eléctrica por mole de electrões é constante de Faraday, F = 96 485 C/mol e−.
12
193 C
 2 x 10 -3 mol -1
-1
96 500 C mol
2 x 10 -3 mol -1
Assim a carga no metal é
 2
1 x 10 -3 mol -1
7.
O metal pode ser Cu/Cu2+, Pb/Pb2+ ou Zn/Zn2+ mas não Ag+
(d) gamma
8.
(d) Rn
9.
(b) fusão
10.
Decaimento radioactivo segue a cinética de primeira ordem para a qual
t 12  8.07 dias
A constante de decaimento, λ, é caculada a partir de t 12  8.07 dias 
λ = 0.086 dia−1
Usando a equação integrada ln
0.693
λ
1.5
 - 0.086 x t
12.0
Resolvendo para t, t = 24 dias
Comentários Pedagógicos para os Estudantes
Esta pré-avaliação tem como intenção estimular a prontidão/preparação para estudar e
concluir com sucesso este módulo. A avaliação cobre princípios fundamentais, tais como
os que se relacionam com forças intermoleculares e balanceamento de reacções redox que
você irá encontrar neste módulo. A avaliação de conceitos que podem ser novos para o
estudante, por exemplo, balanceamento de reacções nucleares, é incluída. O estudante
que obter uma classificação abaixo de 60 porcento é aconselhado a rever a secção de
pré-requisitos do curso ou pré-requisitos de conhecimentos e revisitar os conceitos.
13
X. Actividades de aprendizagem
Actividade de aprendizagem número 1
Título da actividade de aprendizagem:
Soluções
Objectivos específicos da aprendizagem
Quando tiver concluído esta actividade, o estudante deverá ser capaz de:





Definir e explicar a natureza das soluções;
Identificar e distinguir os diferentes tipos de soluções;
Predizer se duas substâncias se misturam formando solução através da
comparação das forças intermoleculares envolvidas;
Compreender e explicar os efeitos da temperatura, pressão e polaridade do
solvente/soluto na solunilidade;
Explicar as propriedades coligativas das soluções e fazer cálculos envolvendo
essas propriedades.
Sumário da actividade de aprendizagem
Soluções são importantes em muitos processos químicos. Na verdade, frequentemente,
para que as reacções tenham lugar, as espécies reagentes devem entrar em contacto
íntimo. Muitas substâncias na natureza são encontradas na forma de soluções, que são
misturas homogéneas constituídas por solvente e soluto.
Nesta unidade, vamos estudar o comportamento e propriedades das soluções. Os factores
que favorecem a formação de soluções serão examinados para permitir que o estudante
seja capaz de predizer se uma mistura particular irá formar solução ou não.
Esta unidade vai procurar responder às questões seguintes: que papel tem as forças
intermoleculares na formação de soluções? Qual é o efeito da temperatura e da pressão na
solubilidade das substâncias? Como podemos usar a termodinâmica para explicar e
predizer a formação de soluções? Que papel tem as forças intermoleculares na formação
de soluções? E outras questões relacionadas com soluções.
Por último, as propriedades das soluções que dependem significativamente apenas da
presença do soluto, propriedades coligativas, tais como osmose , aumento de ponto de
solidificação, ponto de depressão e de ebulição serão estudados.
O estudante usará os conhecimentos adquiridos para fazer cálculos relacionados com o
uso dessas propriedades.
14
Lista das leituras requeridas
SOLUÇÕES
SOLUÇÕES WIKIPEDIA
Lista de links relevantes
CONCEITOS DE QUÍMICA
o http://www.wpi.edu/Academics/Depts/Chemistry/Courses/General/conceptt.html
CHEM1 VIRTUAL TEXT BOOK
o http://www.chem1.com/acad/webtext/virtualtextbook.html
Lista de recursos de MULTIMEDIA relevantes
Recursos de Multimedia:




Computador com conectividade a internet para possibilitá-lo abrir recursos
materiais de aprendizagem e aprendizagem interactiva através de email, vídeo
conferência e uso de CD-ROMs;
QuickTime Movie Player Software;
Shockwave Player Software;
Macromedia Flash Player Software;
Descrição detalhada da actividade
Esta actividade começará com a explicação da natureza das soluções, com a questão
sobre o que é uma solução. Depois abordará diferentes tipos de soluções e os factores que
favorecem a formação de uma solução. As mudanças de energia envolvidas no processo
das soluções serão usadas para predizer se as substâncias se misturarão formando
soluções ou não. Nesta actividade explicar-se-á como é que a presença de soluto afecta as
propriedades físicas das soluções, tais como pressão de vapor ponto de ebulição e de
solidificação.
Avaliação formativa


Assim que for avançando através desta actividade de aprendizagem encontrará
problemas para testar a sua compreensão conceptual da matéria;
Perguntas rápidas são providenciadas para testar a sua compreensão;
15


Experiências práticas serão dadas para avaliar a sua compreensão sobre a relação
teoria-prática;
Experiências/exercícios simulados serão dados para testar a sua compreensão em
determinados conceitos.
As soluções são importantes no sentido em que muitas reacções químicas ocorrem em
soluções. Para que uma reacção química ocorra, as moléculas devem entrar em contacto.
As soluções permitem um contacto íntimo entre as moléculas de diferentes tipos
facilitando as reacções químicas. O estudo das soluções é importante, porque muitas
reacções, no laboratório, na indústria ou em sistemas vitais, têm lugar em soluções. As
soluções providenciam também um meio preciso através do qual nós podemos introduzir
pequenas quantidades de substâncias em um sistema de reacção.
Quando uma substância entra na solução, existentes forças atractivas são quebradas sendo
formadas novas forças entre a substância sólida dissolvida e, por exemplo, o líquido. As
forças intermoleculares entre as moléculas do soluto e do solvente têm mais influência na
concentração do soluto do que na sua identidade. Tais propriedades são conhecidas como
propriedades coligativas e são úteis na determinação da massa molar de moléculas
grandes. Diversos processos biológicos são baseados nas propriedades coligativas das
soluções, por exemplo, osmose é o processo por detrás da diálise dos rins.
1.1
O que é uma solução?
Solução é uma mistura homogénea de duas ou mais substâncias. As substâncias poderão
estar no estado líquido, gasoso ou sólido. Uma mistura homogénea é uma mistura física
de duas ou mais substâncias puras cuja distribuição na mistura é uniforme.
Quando uma solução se forma as moléculas do soluto
são discretas e misturadas com as moléculas do
solvente. O maior componente é designado solvente
enquanto o menor é designado por soluto. Forças
intermoleculares existem entre as moléculas do
solvente e do soluto. Embora nós normalmente
pensemos em soluções como líquidas, elas podem na
Barreirá
verdade ser mistura de solutos gases, líquidos ou
removida
sólidos em líquidos, gases ou sólidos.
1.2
Qual é a força motriz na formação de
soluções?
Figura 1.1
O
diagrama mostra dois
gases inicialmente
separados por uma
barreira. A remoção da
barreira leva
espontaneamente a
uma mistura dos dois
gases.
O processo de solução é essencialmente um balanço
entre várias trocas de energia que têm lugar quando o
soluto é introduzido no solvente. Dos conhecimentos
de termodinâmica sabemos que trocas de energia que
conduzem a um sistema com energia mais baixa
tendem a ser mais favoráveis. No processo das
soluções dois passos precisam de ser considerados em
16
termos de troca de energia. No primeiro passo o soluto tem que ser introduzido no
solvente; as moléculas devem ser separadas antes de serem dispersadas no solvente. Este
passo pode por isso ser considerado desfavorável a formação de solução. Se a dispersão
do soluto é favorável ou não depende no tipo de interacção soluto-solvente. A formação
de solução é favorável no solvente-soluto (A-B) que as forças intermoleculares do soluto
(A-A) e do solvente (B-B). Isto leva a um estado de potencial de energia mais baixo
quando solução se forma e por isso energeticamente favorável. A formação de solução é
favorecida se o balanço em termos de troca de energia entre os dois passos for
exotérmico.
No entanto, se lembra que do nosso estudo de
termodinâmica, se há aumento ou diminuição na
desordem ao nível molecular (entropia de troca) tem que
ser levado em conta. Uma diminuição da desordem
favorece o processo de solução. A formação espontânea
de soluções gasosas explica o facto de que aumento de
desordem é uma força motriz na formação de soluções.
Considere dois gases inicialmente separados em dois
compartimentos por uma barreira como mostra a figura
1.1 Uma vez que a barreira é removida os gases
misturam-se espontaneamente para formar uma mistura
homogénea, a solução.
1.3
Tipos de soluções
A matéria, na natureza, pode ser encontrada em três estados: sólido, líquido e gasoso.
Soluções também podem ser encontradas em três estados da matéria desde que as
energias para a formação de soluções sejam favoráveis. A tabela abaixo dá um sumário
das trocas de energia para diferentes tipos de soluções.
Tabela 1
A tabela mostra possíveis misturas solvente-soluto com a energia
associada e a entropia de troca.
Solvente Soluto
Gás
Gás
Líquido
Sólido
Líquido
Gás
Líquido ou
sólido
Gás
Gás
Líquido
Energia para
dispersar o soluto
0
Grande
0
0
Vários
0
Aumento de
desordem (ao
acaso)
Grande
0
Grande
Energia para dissolver
(dispersar o soluto)
Vários
Endotérmico
Vários
Diminui
Diminui
Moderado
17
Misturar diferentes substâncias traz invariavelmente maior desordem no sistema e é
acompanhado por um aumento de volume. A temperatura geralmente tende a favorecer
um aumento de desordem ou a casualidade.
Muitos exemplos de soluções envolvendo diferentes estados da matéria são ligados por
natureza. A tabela dois mostra exemplos de soluções comummente encontradas nos seus
vários estados.
Tabela 2
Exemplos de diferentes tipos de soluções e correspondentes exemplos.
Componente 1
(solvente)
Componente 2
(soluto)
Estado da
solução resultante
Exemplos
Gás
Líquido
Líquido
Água soda (Dióxido
de carbono em água)
Sólido
Sólido
Sólido
Liga (Sn/Pb)
Gás
Sólido
Sólido
Hidrogénio gás em Pd
Gás
Gás
Gás
Ar
Líquido
Líquido
Líquido
Álcool em água
Sólido
Líquido
Líquido
Sal e água
Exercicio 1
Qual das seguintes é uma mistura homogénea?
(a) NaCl (s)
(b) NaCl (l)
(c) NaCl (g)
(d) NaCl (aq)
1.3.1 Soluções gasosas
Soluções gasosas são obtidas misturando gases para formar misturas homogéneas. Todas
as misturas gás-gás são soluções de gases. O ar que respiramos é uma solução natural de
gases contendo entre outros gases o oxigénio, nitrogénio e dióxido de carbono conforme
ilustrado na tabela abaixo.
18
Tabela 3
Percentagem da abundância de gases seleccionados no ar.
Gás
Percentagem (%)
Nitrogénio (N 2 )
78
Oxigénio (O 2 )
21
Água (H 2 O), dióxido de carbono (CO 2 )
Variável
A quantidade de água e de dióxido de carbono são afectados por um número de factores
incluindo temperatura, tempo, altitude e outros factores.
A energia requerida nas misturas de gases é muito pequena e o aumento da casualidade é
favorecido a todas as temperaturas. Além disso mais gases são miscíveis em todas as
proporções.
1.3.2
Gases em soluções líquidas
Quando um gás é introduzido num líquido, este é confinado a um menor volume, uma
diminuição da casualidade ocorre, é um processo que não é favorecido. Por isso, para que
a solução de um gás e um líquido se forme, deverá existir outros factores compensadores.
Por exemplo, se o gás reage químicamente com o solvente como é o caso com dióxido de
carbono, ácido hidroclórico ou amoníaco, dissolver-se-á em água. Embora o processo de
introduzir esses gases no líquido resulte numa diminuição da casualidade, as trocas de
energia associadas com as reacções contrabalança o efeito desfavorável de casualidade.
Efeito da temperatura na solubilidade dos gases
A solubilidade da maior parte dos gases diminui com o aumento da temperatura. Por
exemplo, oxigénio e nitrogénio, dois maiores componentes do ar, sabe-se que diminuem
a solubilidade com o aumento da temperatura. É por essa razão que muitos tipos de
peixes só podem sobreviver em águas frias em contraste com a água morna onde há
menor quantidade de oxigénio dissolvido. Dados comparativos são fornecidos na tabela
4, mostrando a solubilidade de gases seleccionados a diferentes temperaturas.
Tabela 4
Dados comparativos ilustrando a solubilidade dos gases N 2 , O 2 e CO 2 .
Temperatura (C)
Gás
0
20
50
100
N2
0.0029 0.0019 0.0012 0
O2
0.0069 0.0043 0.0027 0
19
CO
0.335
2
0.169
0.076
0
O fenómeno oposto é frequentemente observado para solubilidade de gases em solventes
orgânicos. Neste caso a solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. Por
exemplo, a solubilidade do hidrogénio, nitrogénio, dióxido de carbono, hélio e néon
aumenta com o aumento da temperatura em solventes orgânicos como o tetracloreto de
carbono, tolueno e acetona.
Gases tornam-se mais solúveis a pressões maiores
Um fenómeno comum quando abrimos uma lata de refrigerantes é o som efervescente
quando o gás se liberta. Embora os gases no ar não sejam muito solúveis a temperatura
ambiente, tornam-se cada vez mais solúveis com o aumento da pressão. A solubilidade
do gás é afectada muito mais pela pressão do que pela temperatura. Para entender o efeito
da pressão considere o seguinte equilíbrio para a dissolução de um gás:
Gás + solvente  solução
Um aumento da pressão no sistema reduz o volume disponível para o gás. De acordo com
o princípio de Le Chatelier o sistema tem de reagir para contrariar o stress criado.
Consequentemente, o sistema reage no sentido de reduzir a pressão aumentando a
quantidade de gás. As moléculas do gás são absorvidas da fase gasosa para a solução. O
equilíbrio na equação da reacção acima desloca-se assim para a direita, isto é, aumenta
solubilidade.
Se a pressão na solução é reduzida, o efeito contrário no equilíbrio é observado, algumas
das moléculas do gás deixam a solução e entram na fase gasosa. O equilíbrio desloca-se
para a esquerda da equação da reacção. A efervescência da coca-cola ou outra bebida
carbonada é resposta à diminuição da pressão uma vez que a lata (ou garrafa) é aberta. O
químico William Henry estabeleceu que a solubilidade do gás aumenta com o aumento
da pressão de acordo com a relação matemática, conhecida por lei de Henry.
C = kP gás
(1.1)
A solubilidade do gás num solvente específico é representada por C. P gás é a pressão
parcial do gás e k é a constante de proporcionalidade. A constante de gás é unica em cada
gás.
Racionalização da lei de Henry
(1)
Numa solução saturada, o número de moléculas entrando
na solução ou deixando a solução é igual. A velocidade em
que as moléculas deixam a fase gasosa para a solução e a
das moléculas deixando a solução dependem ambas do
número de moléculas por unidade de volume. Quando o
(2)
20
número por unidade de volume das moléculas aumenta no
estado gasoso, o número de moléculas por unidade de
volume na solução também deve aumentar. Quando a
pressão aumenta o número de moléculas por unidade de
volume também deve aumentar. É importante notar, no
entanto, que a lei de Henry não funciona para gases a altas
pressões ou quando ocorre uma reacção química, ou
quando a interacção solvente-soluto é significativamente
diferente da interacção soluto-soluto ou solvente-solvente.
Exemplo 2
Figura 1.2 Mostra
o efeito da pressão
na solubilidade dos
gases. A
intensidade da cor
indica a
concentração do
gás.
A solubilidade do gás oxigénio a 0 C e 101325 Pa é 48.9
mL por litro. Calcule a molaridade do oxigénio numa
solução saturada de água quando o oxigénio está sob a sua
pressão normal no ar de 0.2095 atm.
Solução
O problema é resolvido por primeiro determinar a
molaridade da solução saturada a uma dada temperatura e
pressão:
1 mol O 2
22.4 O 2
 2.18 x 10 -3 M
1L
0.0489 L x
Molaridade 
De acordo com a lei de Henry
C  kPgas
k
C
C
2.18 x 10- 3 M
C


Pgas
1atm
0.2095 atm
0.2095 M
x2.18 x 10  3  4.57 x 10  4 M
1atm
Exercício 2
Qual é o equilíbrio de concentração (mg O 2 por L) de gás
oxigénio em água fresca a 25 C quando exposto ao ar a
uma pressão de 1 atm? A constante da lei de Henry para o
oxigénio em água a 25 C é 3.0 x 107 atm.
 Demonstração visual: Forças de coesão
21
NO 2 + H 2 O  HNO 3 SO 2 + H 2 O  H 2 SO 4
NO 2
CHUVA
ÁCIDA
SO 2
Emissão de gás pelas indústrias e carros como o dióxido de enxofre ou
nitrogénio dissolve em água para formar chuvas ácidas, com efeitos
adversos para o meio ambiente.
1.3.3
Líquido em soluções líquidas
É mais provável dois líquidos formarem uma solução se, por exemplo, para as espécies A
e B as interacções A-A, B-B e A-B forem similares. As forças intermoleculares nos dois
líquidos têm de ser semelhantes. As forças intermoleculares a actuarem no hexano são,
principalmente, forças de dispersão (forças fracas devido aos dipolos temporários), o
mesmo acontecendo no heptano. Assim, as forças intermoleculares que existiriam entre
hexano e heptano são também forças de dispersão. Esses líquidos devem ser miscíveis.
Por outro lado, se as forças intermoleculares são maiores num dos líquidos, por exemplo,
hexano em água, os líquidos não formarão solução. Água forma fortes pontes de
hidrogénio com outras moléculas de água. A água tenderá a ser miscível com líquidos
que formam pontes de hidrogénio. Por exemplo, etanol e água são completamente
miscíveis.
1.3.1
Considerações de energia − Miscível ou não miscível?
Quando dois líquidos se misturam, há um aumento de entropia da mesma forma como o
há no caso dos gases quando se misturam. Assim, a entropia das misturas é sempre
22
positiva. Há energia livre de mistura por isso para os dois líquidos pode ser escrita da
seguinte forma:
ΔG mix = ΔH mix - TΔS mix
(1.2)
O ΔG negativo favorece a mistura dos dois líquidos. Para uma solução ideal a mudança
de entalpia é zero e, por isso, a mistura é somente devido à entropia positiva. No entanto,
a mistura de certas soluções pode ser endotérmica ou exotérmica. Quando a mistura é
exotérmica, irá interagir sinergeticamente com a entropia de mistura para dar um ΔG
mais negativo. No caso em que a mistura é endotérmica a magnitude de ΔH torna-se
importante para determinar ΔG. Se a magnitude de ΔH mix é pequena, isto é, ΔH mix <
TΔS mix então o termo ΔH mix - TΔS mix ainda é negativo, mas se ΔH mix >> TΔS mix , o
termo ΔH mix - TΔS mix se tornar positivo os líquidos não se misturarão.
1.3.4 Soluções de sólidos em líquidos
H
O
H
Os sistemas de sólidos em líquidos são dos mais frequentes encontrados em soluções
químicas. Para introduzir o soluto sólido na solução, é requerida energia para ultrapassar
as fortes forças intermoleculares existentes nos
sólidos. Como é que podem essas forças ser
ultrapassadas? Considere uma solução de critais
−
− Cl +
de NaCl. Tal como mostra a Figura 1.3.
Cl + Na
Cl− −
+ Na Cl−
Cl− +Cl
−
Na+ − H
Na Na
− Cl
Cl + Na+Cl− Cl H O
Na Cl−
H
O
H
O H
H
Em solução, as moléculas de água tendem a
orientar-se elas próprias no sentido de o polo
H
positivo do dipolo ir aos iões cloretos (Cl−)
H
H
Na+
O
O
H
−
H
O
O
enquanto o negativo orienta-se para os iões de
H Cl H
H
sódio. Os iões nas extremidades são mais
fracamente ligados e muito mais facilmente se
separam do cristal. Assim, o cristal é ‘chipped’.
Isto continua com os iões entrando na solução
Figure 1.3 Ilustração do
processo de solução,
pelas extermidades. Uma vez livres os iões são
dissolução de NaCl.
envoltos pelas moléculas da água. Podemos
explicar a dissolução de substâncias não polares
em solventes não polares da mesma forma. Neste
caso as forças de atracção envolvidas são de dispersão.

1.4
Simulação: Soluções de sal
Termodinâmica das misturas
Nos tópicos relacionados com a teoria cinética molecular e gases falamos de uma
propriedade conhecida por pressão parcial, usada para descrever a contribuição da
pressão total de cada gás. Assim, a pressão parcial para gases descreve a contribuição de
um componente para a pressão total. Para que possamos discutir as propriedades
23
termodinâmicas das misturas, precisamos de introduzir uma propriedade similar a pressão
parcial nos gases chamada quantidade molar parcial. A quantidade molar parcial depende
de um componente particular na mistura. O exemplo comum para ilustrar o conceito de
quantidade molar parcial é o volume molar parcial. O volume molar parcial de uma
substância A numa mistura é a mudança de volume quando 1 mole de A é adicionada a
um grande excesso de mistura. O volume molar parcial da substância A numa certa
composição é definido como
 V 

(1.3)
VA  
 n A  T,P,n
B
onde VA é volume molar parcial, nA é o número de moles da substância A a uma
temperatura constante, pressão e uma constante quantidade da substância B. Suponha que
uma quantidade pequena da substância A, dnA e dnB de B são adicionadas a mistura, a
mudança de volume na mistura é dada por
 V 
 V 


dV  
dn A  
dn B
(1.4)
 n A T,P,n
 nB T,P,n
A
B
 V A dn A  VB dnB
(1.5)
A expressão torna-se V = n A V A + n B V B quando o volume molar parcial das duas
substâncias a uma composição particular é conhecida.
Este conceito pode ser estendido a dimensões termodinâmicas, tais como energia de
Gibbs. A energia de Gibbs molar parcial é também conhecida como potencial químico, é
designada pelo simbolo i . O potencial químico é a medida sobre quanta energia livre
varia (dG i ) na adição ou remoção de dn i moles da substância ‘i’ mantendo T, P e a
quantidade de qualquer outra substância constante (n J )
 G 

i  
(1.6)
 ni T , P , n
J
O potencial químico de uma substância pura mostra quanta energia de Gibbs do sistema
varia com a adição de outra substância.
  (nGm ) 
Para substâncias puras a energia de Gibbs é dada por G  

 n  P ,T
Pode ser visto que a energia livre está relacionada com a pressão através da equação
 P 
G  G nRT ln  
P 
A partir da qual o potencial químico é:
(1.7)
24
 P
(1.8)

 P 
O potencial químico por isso mostra uma variação de G quando a quantidade de
substância muda.
     nRT ln
1.5
Potencial químico de uma mistura gasosa
O potencial químico de um gás puro é dado pela equação (1.8)
Onde R é a constante universal dos gases, T é a temperatura absoluta em Kelvin e P é a
pressão do gás:
 P
    A  RT ln 
(1.9)
 P 
Se uma outra substância for adicionada a substância pura A, o potencial químico tornarse:
P 
    A  RT ln A 
(1.10)
 P 
onde P A é a pressão parcial na mistura constituída por A e B. O potencial químico do
componente B pode ser escrito da mesma forma.
1.6
Energia de Gibbs de mistura/combinação
Para os dois componentes do sistema descrito antes (Equação 1.5) a energia livre de
Gibbs total é dada por:
G = nAA + nBB
(1.11)
Agora, considere dois gases puros que são postos em dois recipientes separados com n A e
n B moles respectivamente.
Antes da mistura os gases têm o seu potencial
químico. A energia de Gibbs total é dada pela soma
dos potenciais químicos.
A
(1.12)
(1.12)
B
Os dois gases
mistura – se
quando a
barreira é
removida


 P 
 P 
G initial  n A   A  RT ln   n B   B  RT ln  

P

  
 P  

Depois da barreira ser retirada os gases misturam-se
de tal forma que a pressão total é a soma das suas
pressões parciais
P = P A + P B . A energia de
Gibbs é dada por
25
Figure 1.4 ilutsrando a
mistura dos dois gáses.

 P 
G Final  n A  A  RT ln A   n B
 P  

 
 PB 
  B  RT ln P 
 

(1.13)
A variação da energia livre de Gibbs na mistura é a
diferença entre a energia livre inicial, G inicial , e a
final G final i.e.
P 
P 
 mix G  n A RT ln A   n B RT ln B 
 P 
 P 
(1.14)
Também pode ser escrita como fracções molares
∆ mix G  x A RTln x A  x Bln x B
(1.15)
Uma vez que n i = x i n and P i /P = x i .
1.7
E sobre a entropia das misturas?
A entropia da mistura é derivada da expressão termodinâmica, − S = (G/T) P,n . segue
então da equação (1.15) que a entropia da mistura é dada pela expressão:
  G 
 mix S    mix 
  nR x A ln x A  x B ln x B 
 T  P ,T ,nA ,nB
(1.16)
Das discussões prévias de termodinâmica lembrar-se-á que a energia de Gibbs está
relacionada com a entalpia através da expressão ΔG = ΔH – TΔS. Para mistura de dois
gases podemos escrever Δ mix G = Δ mix H – TΔ mix S,
Δ mix H= Δ mix G + TΔ mix S.
(1.17)
Se os gases em consideração são gases perfeitos então a temperatura constante ΔH mix = 0
a partir da equação (1.15) e (1.16). O significado deste resultado é que confirma as nossas
expectativas de que não há interacção nas moléculas de um gás perfeito.
3.2
ΔH 2 expansão
do soluto num
processo
endotermico
Potencial químico de mistura líquida
A formação de uma solução líquido-líquido pode
ser vista como envolvendo três passos principais. O
26
ΔH 3 , mistura de
soluto num
R
ΔH , expansão
R
R
R
primeiro passo envolve a introdução do soluto
líquido no solvente. As moléculas de um dos
líquidos tem que ser deslocadas para dar passagem
as moléculas do outro líquido. As forças de atracção
devem ser ultrapassadas durante este processo.
Assim, este processo requer energia (endotérmico) e
leva à um aumento do potencial de energia do
sistema. O Segundo passo envolve expansão das
moléculas do solvente para dar passagem ao soluto
líquido. Energia é também requerida e também leva
à um aumento energético do sistema. No passo final
as moléculas têm de se misturar. As moléculas
experimentam uma atracção mútua perdendo
energia e diminuindo a energia do sistema. Das
anteriores discussões o total de energia/energia
bruta é o balanço quando os três passos são
considerados. O diagrama mostrando as variações
de energia é ilustrado na Figura 1.5.
Se a mudança de energia (input) no passo 1 e 2 é igual a mudança de energia (output) no
passo 3, o calor da solução, ΔH solução = 0. Isto representa a condição em que as forças
intermoleculares tanto no soluto como no solvente são iguais. Um exemplo típico é o
benzeno e tetracloreto de carbono. A solução formada da mistura de benzeno e
tetracloreto de carbono aproxima-se a uma solução ideal.
1.8
Soluções ideais
Para considerar o potecial químico dos líquidos, primeiro consideraremos o equilíbrio
que existe entre o líquido e a sua pressão de vapor. Fazemos uso do facto de no
equilíbrio, o potencial químico da substância no líquido é igual ao potencial químico da
substância no vapor. Consideremos o líquido puro A com potencial químico  *A (l ) com
pressão de vapor PA* . O potencial químico para o líquido puro A pode ser escrito do
seguinte modo:
 A (g)
A(g), B(g)
 A (l)
A(l), B(l)
Figura 1.6 O potencial
químico da forma
gasosa da substância
A,  A (g), é igual ao do
líquido puro A,  A ).
 PA* 


P
 
 *A (l )   A RT ln
(1.18)
Se um outro soluto fosse introduzido no líquido, a pressão
de vapor acima não seria aquela da substância pura PA* ,
mas a pressão parcial P A . O potencial químico é assim dado
por:
P 
 A (l )   A RT ln A 
(1.19)
 P 
27
Combinando as equações (1.18) e (1.19), obtemos a
equação (1.20), sem os padrões do potencial químico do
gás.
P 
(1.20)
 A (l )   *A (l ) RT ln A* 
P
A
 
Pressão total
P r essu re
Lei de Rauolt
PA*
Pressão parcial
A
Presão parcial
B
Mole Fraction of A
Fracção molar de A, x A
Figura 1.7
Diagrama ilustrando a
variação da pressão
de vapor e a pressão
de vapor parcial de
uma mistura binária.
Lei de Rauolt diz que a pressão de vapor da solução P soln é
igual ao produto da fracção molar do solvente x solv e a sua

pressão de vapor PSolv
.
P A = x A PA
Lei de Rauolt
(1.21)
Soluções que obedecem a essa lei de Rauolt a todas as
composições dos componentes A e B são soluções ideiais.
P
Por isso, para uma solução ideal onde x A  A o potencial
PA
químico para o líquido se torna
 A (l )   *A (l ) RT ln x A
(1.22)
O que providencia uma definição alternativa para solução
ideal.
 Exercício interactivo: pressão de vapor
Uma solução ideal é aquela em que as forças de atracção intermoleculares nos dois
componentes (soluto e solvente) são muito semelhantes e também com as forças de
atracção (solvente-soluto) na solução. As soluções ideiais são por isso aquelas em que as
entalpias da solução são zero. Por outras palavras, elas ocorrem quando o soluto e o
solvente são muito similares, por exemplo, benzeno e tolueno; hexano e heptano;
pentanol e hexanol. Se as forças de atracção se diferem nos dois componentes da solução,
a solução é dita como desviando da lei de Raoult. As soluções reais cumprem uma lei
diferente conhecida por lei de Henry. William Henry verificou que a pressão de vapor de
uma solução diluída é proporcional a fracção molar, x B .
PB = xBKB
Lei de Henry
(1.23)
A constante de proporcionalidade K B contém unidades de pressão e é única para cada
gás. A lei de constante de Henry depende da temperatura e da combinação
solvente/soluto.
28
1.9
Propriedades coligativas
Propriedades coligativas são aquelas apenas dependentes da quantidade de soluto
presente. As partículas na solução podem ser moléculas ou iões. As propriedades
coligativas incluem pressão de vapor, ponto de ebulição, ponto de fusão e pressão de
osmose. Na secção seguinte examinaremos os efeitos dos solutos em líquidos no
concernente às propriedades já mencionadas.
Pressão de vapor das soluções
(a)
(b)
Figura 1.8 (a) equilíbrio líquido-vapor
com relativamente alto grau de
vaporização (b) algumas moléculas de
solvente foram substituídas por
moléculas de soluto. A velocidade a que
as moléculas se escapam é baixa. Baixa
velocidade, alto grau de vaporização.
1.9.1
A pressão de vapor de um líquido depende
da tendência de escape das moléculas do
solvente da fase líquida. Isto é uma medição
directa da tendência de escape das moléculas
do líquido para a fase de vapor. Um
aumento da desordem tende a favorecer
muitos processos incluindo a evaporação.
Um aumento da desordem à entrada da fase
gasosa é reduzido quando o solvente é
diluído com o soluto. A incorporação de um
soluto não volátil reduz a tendência de
escape das moléculas do solvente. A pressão
de vapor das soluções reduz assim que as
concentrações do soluto aumentam e assim
acontece também com a do solvente. O
número de moléculas do solvente na
superfície é reduzido e assim menos
moléculas
deixam
o
líquido.
Adicionalmente, as forças intermoleculares
na solução são geralmente mais fortes que
das substâncias puras. O modelo molecular
do abaixamento da pressão de vapor é
ilustrado na Figura 1.8.
Elevação de ponto de ebulição e diminuição do ponto de congelamento
Tanto o ponto de fusão como o ponto de ebulição são propriedades coligativas. A adição
de um soluto não volátil aumenta o ponto de ebulição do líquido. Para soluções diluídas o
ponto de ebulição é directamente proporcional a concentração molal do soluto.
ΔT b = K b m
(1.24)
29
onde K b é a constante do ponto de ebulição molal em unidades de Cm−1. A concentração
molal é a concentração de uma mole por peso, solução 1 molal contem 1 mole de soluto
por kg de solvente.
Por outro lado, o ponto de congelamento reduz devido à presença de soluto não volátil. O
ponto de congelamento refere-se a temperatura na qual ambos líquidos e sólidos existem
simultaneamente. O equilíbrio heterogénio existe entre o solvente sólido puro e a solução,
na qual x B fracção de moles do soluto está presente. O ponto de congelamento está
relacionado com a concentração molar do soluto na expressão
ΔT f = K f m
(1.25)
onde K f é a constante de diminuição do ponto de congelamento em unidades de Cm−1.
 EXERCÍCIO INTERACTIVO: PROPRIEDADES COLIGATIVAS
1.9.2
Osmose
P+∏
Membrana
semipermeável
P
Moléculas de soluto
Moléculas do solvente
Figura 1.9 Diagrama
mostrando a migração de
moléculas de água da
direita para a esquerda. As
moléculas grandes do
soluto mantém-se no lado
esquerdo.
Osmose é o movimento de material através de uma
membrana semipermeável, na qual os poros
permitem a passagem de moléculas de solvente,
mas são muito pequenos para as moléculas do
soluto. Este processo é particularmente importante
nos seres vivos, onde várias misturas de soluções
são separadas por membranas. Muitas células
animais e vegetais são feitas de membranas semipermeáveis. A Figura 1.9 ilustra este processo.
Considere uma célula consistindo em dois
compartimentos
separados
por
membranas
semipermeáveis, uma das quais contendo uma
solução diluída e a outra água pura. Os líquidos nos
dois compartimentos são postos de tal forma que
estejam ao mesmo nível. Depois de um certo tempo,
o líquido do compartimento a esquerda sobe
enquanto o nível do lado direito diminui.
As moléculas de água da direita migram para a
esquerda, enquanto o soluto é retido no mesmo
lado. A certo ponto, o movimento do solvente pára
devido à uma pressão oposta conhecida por pressão
osmótica, .

cRT
M
30
onde c é a concentração em g L−1, R é a constante do gás, T é a temperatura absoluta e M
é a massa molar.
Exemplo 3
Albumina é um plasma de proteína humana com masa molar de 69 000 g mol─1. Qual
deveria ser a pressão osmótica da solução para esta proteína contendo 2.0 g por 100 mL a
25 C. Assuma que a experiência é levada usando solução de sal para solvente e a
membrana é solúvel ao sal.
Solução
Nós definimos pressão osmótica como a força que deve ser aplicada para prevenir
exactamente o movimento osmótico e é dada pela equação:
cRT

M
Substituímos a informação dada na equação:

20 g L1 x 0.082 L atm mol 1 x 298 K
69 000 g mol 1
 7.08 x 10 3 atm
Exercício prático 3
Insulina controla o metabolismo da glucose. Uma solução de 2.0 g de insulina em 250.0
mL de água tem uma pressão osmótica de 26.1 torr a 30oC. Qual é o peso molecular da
insulina?
(a) 7.5 x 103 (b) 5.8 x 103 (c) 3.4 x 103 (d) 4.2 x 103 (e) 6.8 x 103
31
Actividade de aprendizagem número 2
Título da actividade de aprendizagem:
Colóides
Ao terminar esta unidade, o estudante deverá ser capaz de:




Descrever propriedades de sistemas coloidais;
Diferenciar tipos de sistemas coloidais;
Explicar factores que afectam a estabilidade de sistemas coloidais;
Descrever e explicar as propriedades coloidais tais como difusão, osmose,
viscosidade e propriedades eléctricas de sistemas coloidais.
Sumário da actividade de aprendizagem
Esta actividade de aprendizagem é sobre colóides e suas propriedades. Por definição
colóides são soluções com partículas com um certo intervalo de tamanho e exibem
propriedades características. Um sistema coloidal é um sistema homogéneo constituído
por uma fase dispersa de 50 a 2000 Ǻ numa fase contínua. Colóides são encontrados em
muitos produtos naturais e sintéticos e têm as suas propriedades peculiares. Essas
propriedades são relacionadas, em primeiro lugar, com tamanho das partículas e com a
superfície.
Nesta unidade, introduz-se os sistemas coloidais, tipos de colóides e como tais sistemas
coloidais são preparados. Uma vez que sistemas coloidais são em parte definidos com
base no tamanho, é importante que o tamanho da fase dispersa seja mantido dentro dos
intervalos. Assim, factores que afectam a estabilidade dos colóides serão também
estudados. As propriedades únicas dos colóides, tais como propriedades eléctricas e de
superfície, serão discutidas. Colóides são particularmente significantes do fenómeno de
superfície, porque a sua relação área de superficie e volume é muito grande.
Consequentemente, as suas propriedades são dominadas pelos eventos na sua superfície.
Lista de leituras requeridas
COLÓIDES
INTERFACES, COLÓIDES E GEL
Lista de links relevantes
EXPERIÊNCIAS NOS FENÓMENOS DE SUPERFÍCIE E COLÓIDES
http://www.funscience.com
COLÓIDES
http://ull.chemistry.uakron.edu/genobc/Chapter_07/
32
Lista de recursos de MULTIMEDIA relevantes




Computador conectado a internet para permitir acesso aos materiais de
aprendizagem livres e a aprendizagem interactiva através de email, vídeo
conferência e uso de CD-ROMs;
QuickTime Movie Player Software;
Shockwave Player Software;
Macromedia Flash Player Software.
Descrição detalhada da actividade
O estudo dos colóides começa estabelecendo a natureza dos colóides e os diferentes tipos
de sistemas coloidais existentes: liofilicos e liofobicos. O método básico usado para
produzir sistemas coloidais será discutido, seguido dos factores que afectam a sua
estabilidade. Você irá aprender como tais sistemas podem ser estabilizados para manter
as características e propriedades coloidais. Propriedades associadas aos colóides, tais
como movimento Browniano, difusão, pressão osmótica e viscosidade, serão estudadas.
O efeito de adsorção de espécies carregadas nas partículas da superfície de colóides será
abordado.
Avaliação formativa




Assim que for avançando nesta actividade de aprendizagem, encontrará problemas
para testar a sua compreensão conceitual da matéria;
Perguntas rápidas serão providenciadas para testar a sua compreensão;
Experiências práticas serão dadas para avaliar a sua compreensão sobre a relação
teoria-prática;
Experiências/exercícios de simulação serão dados para testar a sua compreensão de
certos conceitos.
Actividades de aprendizagem
Os colóides são uma classe da matéria encontrada numa vasta lista de produtos desde
cosméticos, alimentos, tintas e farmacêuticos. As substâncias incluem sólidos, líquidos
emulsificantes, barro/argila, gels e proteínas. O sistema coloidal é constituido por
pequenas partículas dispersas numa fase contínua. Embora colóides sejam agregados de
átomos ou moléculas, as partículas coloidais não são ordinariamente vistas por
microscópio óptico.
Deve, no entanto, notar-se que o limite do tamanho é, de certa forma, arbitrário e certos
sistemas podem conter partículas fora do intervalo de tamanho. A extensiva interface
criada entre as partículas e a fase dispersa é uma característica predominante de sistemas
coloidais. A área de superfície é muito maior que um volume igual de partículas. Por
exemplo, o colóide platina é um efectivo catalisador o que é conseguido pela absorção de
33
reagentes na sua superfície. A cor de um sistema coloidal é afectada pela relação do
tamanho das partículas. Por exemplo, ouro dá uma cor vermelha na forma colóide mas
torna-se azul a medida que o tamanho aumenta. Trisulfetos de antimónio e de arsénio
também exibem mudanças de cores associadas com o tamanho das partículas do sistema
coloidal. As distinções e definições básicas nesta Unidade são indicadas abaixo.
o Dispersão é um sistema no qual a fase dispersa está distribuída na fase
contínua.
o Dispersões podem ser moleculares, coloidais ou irregulares. A
classificação de uma dispersão particular num subtipo particular é com
base no tamanho das partículas da fase dispersa. Dispersões moleculares
são homogéneas, enquanto dispersões coloidais e irregulares são
heterogéneas.
o Uma dispersão irregular pode ser tanto uma suspensão (na qual a fase
dispersa é sólida) ou uma emulsão (na qual a fase dispersa é líquida).
o As propriedades de um sistema disperso dependem do ‘peso’ das
propriedades da superfície dos componentes do sistema.
2.1
Natureza de sistemas coloidais
Não é fácil dar uma definição precisa de sistemas coloidais. Uma definição que é
frequentemente usada é a de que é um sistema constituído por duas fases, uma das quais
consistindo em pequenas partículas (fase dispersa) que estão dispersas uniformemente na
segunda fase (fase contínua).
Se consideramos a nossa vida no dia a dia podemos identificar muitos sistemas que
encaixam na descrição acima. Muitas tintas e produtos colantes mudaram de uma base de
solvente hidrocarboneto para emulsões. A cozinha está também cheia de sistemas de
emulsões – mayonnaise e creme são alguns exemplos. Mais especificamente, um sistema
coloidal é definido na base de um sistema de partículas da fase dispersa.Tendo dito isto,
uma dispersão pode ser classificada como molecular, coloidal ou irregular dependendo do
tamanho das partículas como mostra a tabela 1 abaixo.
Tabela 1
Tamanho molecular e tipo de sistema de dispersão
Tipo
Tamanho das partículas dispersas Tipo de sistema
Dispersão molecular < 50 Å
Sistema homogéneo
Dispersão coloidal
< 50-2000 Å
Siatema heterogéneo
Dispersão irregular
> 2000 Å
Siatema heterogéneo
Uma mistura de areia e água pode ser agitada para dar um sistema no qual as partículas
de areia são dispersas na água. Para formar uma dispersão as partículas têm que ser de
34
tamanho maior que 1000 nm. Sistemas coloidais podem ser classificados pela natureza
das fases dispersa e contínua.
Tabela 2
Classificação e exemplos de tipos de sistemas coloidais.
Tipos
Fase
Fase
Dispersa Contínua
Exemplos
Aerosol
Líquido
Gás
Insecticidas sprays, desodorizantes, etc
Espuma
Gás
Líquido
Espuma de sabão, creme batido
Emulsão Líquido
Líquido
Creme, mayonnaise, tintas
Colóide
Sólido
Líquido
Amido em água
Sólido
Fumo
Sólido
Sólido
Sólido
Gás
ligas, pérolas
Poeira, nevoeiro
As partículas do sistema coloidal exibem um movimento ao acaso semelhante ao
movimento errático das moléculas, descrito quando tratámos a teoria cinética molecular
dos gases. O movimento errático das partículas coloidais é chamado de movimento
browniano em homenagem ao botânico escocês Robert Brown.
2.2
Classificação dos colóides
Os colóides podem convenientemente ser classificados por liofilicos, liofobicos ou
associação de colóides com base na interacção das partículas na fase dispersa e das
moléculas da fase de dispersão.
2.2.1
Colóides liofilicos
Colóides liofilicos são colóides nos quais há uma forte interacção entre as partículas
coloidais e o meio de dispersão. Existe uma forte atracção entre as partículas e o meio de
dispersão que resulta num sistema termodinâmico estável. Muitas das propriedades desta
classe são devidas a atracção entre as partículas e a fase dispersa levando a solvatação
(anexação de moléculas do solvente às moléculas da fase dispersa).
Colóides hidrofolicos são os que a água é o meio de dispersão. A atracção das partículas
dispersas e as moléculas de água levam a hidratação das partículas, moléculas ou iões.
Exemplos de colóides liofilicos incluem a gelatina, acácia, insulina, e albumina, estas
produzem colóides liofilicos num meio de dispersão aquoso. Poliestireno e borracha
podem ser dispersos em meios não aquosos (solventes orgânicos).
35
2.2.3
Colóides liofobicos
As partículas num sistema liofobico têm ‘ grande aversão’ a meios de dispersão. Existe
pouca atracção entre as partículas numa fase dispersa e a fase de dispersão. Tipicamente,
colóides liofobicos são constituidos por substâncias inorgânicas dispersas em meio
aquoso, água. Exemplos incluem prata, ouro, cloreto de prata e sulfeno de arsénio. Os
métodos usados para preparar colóides liofobicos são diferentes dos usados para colóides
liofilicos. Dois métodos podem envolver tanto a dispersão de partículas na fase contínua
ou a agregação de partículas para um tamanho coloidal.
(a)
Métodos de dispersão
Os métodos de dispersão podem envolver o uso em excesso de alta geração de
sónicos ou de 20, 000 ciclos por segundo ou a produção de uma arca eléctrica
dentro do líquido. No método da arca eléctrica, o metal de um eléctrodo é
descarregado como vapor na fase contínua. O terceiro método envolve trituração e
moagem do material a ser disperso usando um moinho coloidal. O moinho
coloidal consiste essencilamente em um disco de alta rotação, separado de um
disco estacionário de cerca de 25 m. As partículas no colóide podem ser
reduzidas a 1 m ou menos. Geralmente, um agente estabilizante tem que ser
adicionado para evitar a aglomeração das partículas coloidais.
(b)
Método de condensação
Este método envolve partículas de tamanho coloidal de uma dispersão molecular.
Soluções muito concentradas ou muito diluídas são usadas com condições
cuidadosamente controladas para evitar o crescimento de grandes partículas. Uma
alternativa ao método de precipitação, o colóide de hidróxido férrico, pode ser
formado a partir da ebulição de uma solução de cloreto férrico para produzir
hidróxido de ferro (III). Moléculas do preparado fresco do hidróxido algomeramse então para formar partículas de tamanho coloidal.
3FeCl 3  2Fe(OH) 3 + 6HCl
O colóide é estabilizado pelas partículas absorvendo iões Fe3+ iões da solução.
2.2.4
Associação de colóides
As moléculas de sabão podem ser agrupadas para formar agregados
chamados micelos. Essas moléculas têm tanto componentes polares como
hidrofóbicos. Tais moléculas são conhecidas por superficies activas,
surfactantes ou anfifilos. Os andifilos podem ser predominantemente
hidrofílicos (gostando de água) ou hidrofóbicos (não gostando de água).
36
Formação de Micelo
Os materiais de superfícies activas exibem
propriedades não usuais. Em soluções
diluídas, substâncias de superfície altamente
activas comportam-se como solutos normais.
A uma concentração bem definida as suas
propriedades físicas (p.e. pressão de osmose,
turbidade, condução eléctrica superfície de
Cauda hidrofóbica
tensão) mudam abruptamente. A mudança
abrupta nas propriedades físicas é explicada
pela via de formação de agregados conhecidos
por micelos. Micelos são moléculas agrupadas
Terminal hidrofílica
de tamanho de colóide, nas quais a cauda
hidrofóbica congrega no interior um
Figura 2.1 Diagrama ilustrando a
componente hidrofílico que reside do lado de
estrutura dos micelos
fora virado para a água, como ilustra o
diagrama. A concentração, na qual a formação
de micelo se torna apreciável, é conhecida por concentração de micelo critical (cmc).
Os micelos que se formam são do tamanho de partículas coloidais e por isso o termo
associação de colóides.
Micelo
2.3
Que factores promovem a formação de micelos?


A atracção intermolecular entre cadeias de hidrocarbonetos no interior
representa energeticamente a posição mais favorável.
Os micelos permitem uma ligação água-água forte (pontes de hidrogénio)
que de outro modo não aconteceria se a solução fosse como uma única
molécula.
Alguns factores contra a formação de estruturas de micelo



2.4
Aumento da parte hidrofóbica das moléculas surfactantes no meio aquoso,
cmc de surfactantes iónicos é dividido aproximadamente pelo meio pela
adição de cada grupo ‘CH2’. Para não iónicos a diminuição é em 10 por
cada ‘CH 2 ’.
Baixamento da temperatura. A micelização é endotérmica e a sua entropia
(ΔH = ΔG + TΔS).
Adição de sais simples. A respulsão entre os grupos carregados é reduzida.
Estabilidade de colóides
A estabilidade dos colóides é importante em muitas indústrias, tais como alimentícias e
de bebidas, farmacêuticas, tintas e pigmentos. A questão de estabilidade quando aplicada
ao colóide é se o sistema poderá resistir a floculação ou agregação depois de um
considerado período de tempo. A estabilidade irá, geralmente, depender do balanço das
37
forças de atracção e de repulsão entre as partículas, quando elas se aproximam umas das
outras. A repulsão mútua das partículas leva a uma estável dispersão. Onde as partículas
têm pouca ou nenhuma repulsão o sistema coloidal eventualmente quebrar-se-á, isto é,
floculação, agregação e coagulação das partículas terá lugar.
O mecanismo envolvido na quebra de uma dispersão coloidal envolve inicialmente
partículas aderindo-se entre elas, formando agregados (flocos) que crescem com
sucessivas adições. Uma contínua agregação de partículas leva a coagulação. A separação
do meio ocorre de dois modos, dependendo das diferenças de densidade entre dispersas e
meio de dispersão. Quando os agregados são densos, o meio de dispersão do sistema
separa-se por sedimentação, enquanto a formação de creme ocorre quando o meio de
dispersão é menos denso. Frequentemente, os termos floculação e coagulação são usados
da mesma forma. No entanto, há algumas diferenças entre os dois termos; coagulação não
é reversível, enquanto floculação (defloculação) é.
A estabilidade de um sistema coloidal é, essencialmente, relacionado com o tamanho da
partícula de colóide que não muda durante o tempo. A quebra de um sistema coloidal
envolve, essencialmente, processos que levam a formação de partículas maiores. O
diagrama abaixo ajuda a ilustrar o conceito básico.
Fase de
separação
Sistema coloidal
estável
Floculação
Figura 2.2
2.5
Coagulação
Sedimentação
Ilustração do processo que leva a quebra do sistema coloidal.
Propriedades de colóides
Os colóides exibem diferentes propriedades que são primariamente ligadas a
grande área de superficie das partículas dispersas. Essas propriedades podem ser
de forma geral classificadas em cinéticas e eléctricas. A primeira inclui o
movimento Browniano, difusão, osmose e viscosidade.
(a)
Movimento Browniano
Partículas coloidais exibem um movimento errático ao acaso. O
movimento tem sido ligado ao bombardeamento de partículas por
moléculas do meio de dispersão. O movimento é afectado pelo tamanho
e também pela viscosidade do meio. Partículas menores têm um elevado
38
movimento ao acaso, enquanto alta viscosidade reduz o movimento
Browniano.
(b)
Difusão
Difusão é o movimento espontâneo de partículas de uma região de alta
concentração para outra de menor concentração. O processo é
consequência do movimento Browniano e procede até a um ponto onde
a concentração do sistema se torna uniforme. O processo de difusão
pode ser explicado usando a primeira lei de Fick:
dC  DS
dc
dt
dx
(2.1)
onde dC é a quantidade da substância difundindo no tempo dt sobre a área
plana da área de superfície S, dc é a mudança de concentração com a
distância andada dx. O quoficiente de difusão, D, representa a quantidade
de substância difundida por unidade de tempo sobre a área.
Pressão Pressão
osmótica osmótica
alta
baixa
(c) Pressão osmótica - osmose é o movimento de
moléculas do solvente (água) através de membrana
semipermeável (permeável apenas para moléculas
do solvente) de uma área de baixa concentração do
soluto para a de maior concentração de soluto. A
pressão exercida pelo movimento da água através
da membrana semipermeável, separando as duas
soluções de diferentes concentrações de soluto, é
conhecida por pressão osmótica. Uma equação útil
que relaciona a concentração e a pressão osmótica é
a equação de Van’t Hoff
 = cRT
(2.3)
A equação é particularmente útil na
determinação do peso molecular do colóide
através da equação
 = m/M RT
(2.4)
Onde m é a massa em gramas do soluto por
litro da solução e M é o peso molecular. A
equação pode ser rearranjada para dar
Figura 2.3 Diagrama
ilustrando o processo
osmótico
39
/m = RT/M
(2.5)
A quantidade /m é sempre uma função
linear da forma   RT  1  Bm  onde B é
m
m

constante dependente do sistema particular
solvente-soluto e aplicável a sistemas com
baixa concentração de solutos.
(d)
Viscosidade
O grau de resistência do movimento de um sistema de fluido é conhecido por
viscosidade. Estudos de viscometria podem providenciar informação relacionada
com o formato e a massa das partículas na solução. Para dispersões coloidais
diluídas a viscosidade é dada por:
 =  0 (1 + 2.5 )
(2.6)
onde  0 é a viscosidade do meio de dispersão  é a viscosidade intrínseca do meio
de dispersão com uma fracção de volume das partículas coloidais . A fracção de
volume é o volume das partículas coloidais dividido pelo volume total de
dispersão. É equivalente ao termo concentração. A viscosidade é comummente
medida usando o capilar viscométrico. A relativa viscosidade que é o ratio / 0 é
dada pela expressão:
ηrel 
η
 1  2.5φ
η0
(2.7)
Enquanto a equação para a viscosidade especifica é:
η sp 
η
η  η0
1 
 2.5
η0
η0
(2.8)
Segue a partir da equação acima que o ratio da viscosidade específica para
 é uma constante, isto é:
η sp
φ
 2.5
(2.9)
Como a fracção de volume está relacionada com a concentração
ηsp
c
k
(2.10)
40
onde c é a concentração e k é a constante. A equação é comummente expressa:
ηsp
 k1  k2c  k3c 2
c
(2.11)
O valor de
ηsp
pode ser determinado extrapolando para uma diluição infinita a
c
parcela
ηsp
contra c.
c
Massas molares aproximadas são facilmente determinadas usando a equação de
Mark-Houwink
(2.12)
η  KM a
A constante K é característica de um sistema particular polímero-solvente.
(e) Partículas eléctricas
As partículas coloidais são afectadas pelas cargas na superfície das partículas. As
cargas são absorvidas quando as partículas são dispersas num meio líquido,
uma camada eléctrica dupla forma-se a volta das partículas conforme ilustra a
Figura 2.4 abaixo. Tais sistemas podem ser obtidos adicionando sal, por
exemplo, iodeto de potássio, a uma solução diluída. A estabilidade de um
sistema coloidal é afectada pela presença e magnitude da carga na partícula. A
presença da carga na partícula cria uma protecção que evita a coalescência da
partícula via repulsão mútua. Colóides liofóbicos são termodinâmicamente
instáveis. A presença de carga eléctrica transmite estabilidade devido às
repulsões que evitam a coagulação.
Porção móvel ou difusa
Partícula de
+
+
+
−
+
+
+
+ −
+
+
+ −
+
++
+
+
−
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Bulk solution
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Porção fixa da
camada dupla
Figura 2.4
Ilustração da formação da camada dupla na vizinhança da partícula
coloidal. O diagrama mostra a posição da partícula, a porção de difusão e o volume da
solução.
41
Actividade de aprendizagem número 3
Título da actividade de aprendizagem:
Equilíbrio de fase
Ao concluir esta unidade, o estudante deverá ser capaz de:




Explicar conceitos de vaporização, ebulição, pressão de vapor e, como esses
fenómenos são afectados pelas variáveis temperatura e pressão e interpretar
diagrama de fases;
Calcular todas as quantidades relevantes no diagrama de equilíbrio de fase
binário: número de fases, composição das fases, quantidade das fases;
Interpretar a regra de fase de Gibb's;
Descrever o papel da energia de Gibbs na determinação de espécies puras na fase
de equilíbrio.
Sumário da actividade de aprendizagem
Nesta unidade, é introduzido o conceito de equilíbrio de fases. A fase é descrita como
uma amostra da matéria com composição definida e propriedades que são características
dessa fase e diferente de outras. Os estados da matéria: sólido, líquido e gasoso existem
em diferentes fases.
O estudante aprenderá a transformação da matéria como função da temperatura e pressão
através do diagrama de fases. O diagrama de fases basicamente esquematiza a
transformação da substância de uma fase para a outra. A regra de fase de Gibbs é
introduzida e usada para identificar o número de variáveis que podem ser trocadas
independentemente, mantendo-se a mesma fase.
Ao fim desta unidade, o estudante será capaz de explicar, desenhar e interpretar diagrama
de fases identificando pontos significantes.
Lista das leituras requeridas
DIAGRAMA DE FASES
EQUILÍBRIO DE FASE E FORÇAS INTERMOLECULARES
Lista de links relevantes
o
o
Química geral
http://www.vias.org/genchem/wrapnt_phase_equilibrium_and_intermolécular_int
eractions74.html
Mudança de fases
http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/index.html
42
Lista de recursos de MULTIMEDIA relevantes




Computador com acesso à internet para permitir acesso aos materiais livres e
aprendizagem interactiva através de email, vídeo conferência e uso de CDROMs;
QuickTime Movie Player Software;
Shockwave Player Software;
Macromedia Flash Player Software.
Descrição detalhada da actividade
O estudante irá, nesta actividade, estudar o conceito de fases e suas transformações.
A Unidade começa com a explicação sobre o que é uma fase, que ela tem uma
composição definida e as suas propriedades são distintas de outras fases. O estudante irá
verificar a transição que tem lugar entre fases condensada e gasosa usando diagramas. A
regra de fase de Gibbs é introduzida e usada para determinar o número de variáveis que
se podem mudar independentemente, mantendo a mesma fase. O estudante será também
capaz de desenhar e interpretar diagrama de fases.
Avaliação formativa




Assim que for avançando através desta actividade de aprendizagem irá encontrar
problemas para testar a sua compreensão conceitual da matéria;
Perguntas rápidas serão providenciadas para testar a sua compreensão;
Experiências práticas serão dadas para avaliar a sua compreensão na relação teoriaprática;
Experiências/exercícios simulados serão dados para testar a sua compreensão de
determinados conceitos.
Actividades de aprendizagem
3.1
O que é uma fase?
O termo fase é frequentemente usado como sinónimo de estados da matéria, o último
sendo gasoso, líquido ou sólido. A fase é uma amostra da matéria com composição
definida e propriedades uniformes que a distinguem de outras fases, com as quais está em
contacto. Podemos então falar de estados da matéria em diferentes fases, isto é, fases de
substância gasosa, líquida e sólida. A mudança de fase ocorre quando a substância é
convertida de uma fase para outra a uma temperatura característica e a uma dada pressão.
43
Por definição, temperatura de transição é a temperatura na qual os potenciais químicos
na fase são iguais. Por exemplo, na transição de gelo para água, os potenciais químicos 
(sólido) =  (líquido).
Diagrama de fases
Soli d
Pressure
Liquid
gás
Triple point
Os diagramas de fases representam regiões
de temperatura e pressão, nas quais
diferentes fases são termodinâmicamente
estáveis. As fases presentes no sistema a
diferentes
T
e
P,
podem
ser
convenientemente representadas usando a
parcela temperatura-pressão. A fronteira
entre regiões mostra posições em que a
temperatura (T) e a pressão (P) das duas
fases coexistem em equilíbrio. Considere,
por exemplo, um sistema hipotético
ilustrado na Figura 3.1.
Temperature
Figura 3.1 Diagrama de fases
mostrando mudanças de fase
numa substância hipotética.
Três regiões podem ser identificadas onde
sólido, líquido e gasoso são estáveis. O
diagrama mostra que a fase sólida é estável a
baixa temperatura e alta pressão, enquanto a
fase gasosa é estável a alta temperatura e
pressão baixa. As regiões são separadas pela
fronteira referida como fase de fronteira.
Por exemplo, a pressão de vapor em
equilíbrio com a sua fase condensada é
conhecida como pressão de vapor da
substância a uma temperatura específica. A
pressão de vapor da substância, como
indicado no diagrama, aumenta com o
aumento de temperatura uma vez que a
tendência de escape das moléculas sobe.
Triplo ponto
O triplo ponto de um sistema é a temperatura e pressão, no qual todas as fases coexistem
– sólida, líquida e gasosa. Representa o ponto onde a fase de vapor, líquida e gasosa estão
em equilíbrio. É característico de uma substância e como tal ocorre a uma temperatura e
pressão definidas. O triplo ponto indica a pressão e temperatura mais baixas, no qual a
substância líquida pode existir.
44
3.2
Construindo o diagrama de fases
O diagrama de fases permite-nos analisar as mudanças que as misturas sofrem, quando
sujeitas a calor ou arrefecimento. O diagrama permite-nos determinar se duas ou mais
substâncias são mutuamente miscíveis sob certas condições dadas. A importância do
diagrama de fases é verificada em várias áreas desde as de semicondutores a refinação de
petróleo. É, por isso, importante desenvolver habilidades de desenhar diagramas. As
regras de fase de Gibbs são usadas neste contexto.
3.3
Regras de fase de Gibbs
A regra de fase é essencialmente usada para determinar o grau de liberdade ou o número
de variáveis que podem mudar independentemente, mantendo-se a fase a mesma. Josiah
Willard Gibbs (1876) deduziu da termodinâmica as relações entre os números possíveis
de graus de liberdade num sistema fechado em equilíbrio, em termos de número de fases
separadas e o número de componentes químicos no sistema. Para um sistema em
equilíbrio a relação P + F = C + 2 verifica-se.
O número de fases é representado por P. Fase é a parte físicamente separável do sistema
com distintas propriedades físicas e químicas. Cada fase consiste em 1 ou mais
componentes (C) quimicamente independente do componente do sistema. Sendo o
constituinte A uma espécie química (ião ou molécula) que está presente no sistema. A
regra geral da fase é usualmente representada na forma F = C – P + 2. O exemplo abaixo
ajuda a compreender o conceito. Considere três pontos A, B e C indicados no diagrama
para uma substância pura.
Ponto A
A
Sólido
Pressão
Líquid
B
C
Temperatura
Figura 3.2 Diagrama de fase ilustrando
pontos significativos envolvidos na
transformação de fase.
O primeiro ponto, A, encontra-se na
região da fase líquida. A temperatura
e pressão podem ser variadas
independetemente,
mantendo-se,
contudo, a fase líquida, isto é, tanto a
temperatura como a pressão podem
mudar em pequena escala sem
afectar o número de fases. O número
de componentes C = 1 e uma vez que
existe apenas uma fase P = 1 o
número de grau de liberdade F = 1−
1 + 2 = 2.
45
Ponto B
Uma vez que este ponto se situa na zona fronteiriça, F = 1− 2 + 2 = 1. Existe apenas um
grau de liberdade indicando que apenas uma variável pode ser mudada
independentemente em qualquer tempo. Uma variável é forçada a mudar para permanecer
dentro da fase fronteiriça. O exemplo típico seria nas cercanias da fronteira do ponto de
fusão e de ebulição.
Ponto C
O ponto C representa o ponto triplo,
todas as três fases existem neste
ponto i.e. P = 3. O número de grau
de liberdade F = 1 − 3 + 2 = 0.
Nenhuma variável pode ser mudada
neste ponto sem causar mudança de
número de fases. Qualquer mudança
de temperatura ou de pressão irá
resultar na mudança de número de
fases.
1.3 Diagrama de fases para um sistema de dois componentes
Diagramas de fases constituidos por mais de dois componentes são frequentemente
encontrados em química. Sob essas circunstâncias, a concentração torna-se um factor
importante a considerar. O exemplo mais simples de tal sistema é o de dois componentes
(sistema binário) para líquidos que se podem dividir em dois. Considere um sistema de
dois componentes A e B, respectivamente. Podemos desenhar um diagrama de
temperatura e pressão sobre a composição. Se a pressão é mantida constante, apenas as
outras duas variáveis manter-se-ão, temperatura e composição. A curva de temperatura e
pressão para o sistema binário benzeno-naftaleno é ilustrado na Figura 3.3.
O componente ilustrado do lado esquerdo é por concentração A (neste caso naftaleno),
enquanto o componente à esquerda é designado por B (neste caso benzeno). O diagrama
mostra duas intersecções, à esquerda a curva intersecta com a ordinada axis no ponto de
A puro, enquanto à direita a intersecção ocorre no ponto de B puro. O ponto mais baixo
da curva é conhecido por eutectic – o ponto de solidificação mais baixo para qualquer
mistura de um específico constituínte. Numerosos sistemas binários em que os líquidos
46
são completamente miscíveis e os sólidos insolúveis têm diagrama de fases semelhantes
ao ilustrado na Figura 3.3.
47
Actividade de aprendizagem número 4
Título da actividade de aprendizagem:
Electroquímica
Sumário da actividade de aprendizagem
Ao concluir esta Unidade, o estudante deverá ser capaz de:





Explicar e descrever célula electroquímica;
Escrever diagramas de células para células voltáicas em diagrama e em notação
curta;
Usar o conceito de potencial de redução para explicar reacções que podem ocorrer
no ânodo e no cátodo;
Explicar e usar os potenciais de redução para predizer a espontaneidade das
reacções químicas;
Relacionar fem e energia livre de Gibbs e fazer cálculos relacionados.
Esta Unidade em electroquímica lida com o estudo de troca de cargas entre a matéria. Isto
é importante em muitos processos industriais e vitais. Muitas dessas reacções são
estudadas na superfície dos reagentes e, essencialmente, envolvem transferência de ganho
de electrões por várias espécies, isto é, reacções redox que o estudante já viu antes.
Começamos por focalizar os processos que ocorrem ao nível atómico, quando o metal
entra em contacto com um líquido, como por exemplo água. Observa-se que existe um
movimento de iões do metal para a solução criando uma camada dupla. No entanto, tal
diferença de potencial não é facilmente mensurável directamente. Para superar esta
dificuldade, potencial padrão de hidrogénio é introduzido e os potenciais de eléctrodos
são medidos usando o padrão (potencial padrão de hidrogénio). O potencial de eléctrodo
dá uma ideia da tendência relativa das espécies químicas de ganhar electrões e serem
reduzidos. Duas células podem ser acopladas para criarem uma célula electroquímica,
que é conhecida por célula galvânica (ou voltáica). A célula galvânica produz
electricidade devido às reacções espontâneas que ocorrem nas semicélulas. A ligação é
feita entre a energia livre de Gibbs, o potencial da célula, e o equilíbrio constante. Isto
não só permite predizer se as reacções das células acopladas serão espontâneas, como
também permite determinar a constante de equilíbrio.
Lista das leituras requeridas
ELECTROCHEMISTRY (Stephen K. Lower)
ELECTROCHEMISTRY (James C. Baird)
Lista de links úteis
ELECTROQUÍMICA
48
http://www.chem.queensu.ca/people/faculty/mombourquette/firstyrchem/electro/index.ht
m
STEVE MARSDEN'S CHEMISTRY RESOURCES ELECTROCHEMISTRY
http://www.chemtopics.com/unit13/unit13f.htm#lecture
Chemistry Experiment Simulations and Conceptual Computer Animations
http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/inde
x4.html
Lista de MULTIMEDIA relevantes




Computador com acesso à internet para permitir o acesso aos materiais de
aprendizagem livre e aprendizagem interactiva através de email, vídeo
conferência e uso de CD-ROMs;
QuickTime Movie Player Software;
Shockwave Player Software;
Macromedia Flash Player Software.
Descrição detalhada da actividade
O estudante estudará os fenómenos de transferência de cargas nas interfaces e a formação
do potencial de diferença. Este conhecimento será usado para explorar o conceito de
potencial padrão de eléctrodo, que é medido em comparação com o eléctrodo de
hidrogénio. A tendência relativa de ganhar electrões para as espécies químicas
providencia a base para predizer a espontainedade de células electroquímicas acopladas.
A ligação entre o trabalho máximo feito na célula voltáica e o G é feito. Isto também
permite a associação do potencial da célula a constante de equilíbrio, isto é, a equação de
Nerst.
Avaliação formativa




Assim que for avançando através desta actividade de aprendizagem irá encontrar
problemas para testar a sua compreensão conceitual da matéria;
Perguntas rápidas serão providenciadas para testar a sua compreensão;
Experiências práticas serão dadas para avaliar a sua compreensão na relação teoriaprática;
Experiências/exercícios simulados serão dados para testar a sua compreensão de
determinados conceitos.
Actividades de aprendizagem
Electroquímica é o estudo do movimento e separação de cargas na matéria. A
electroquímica está por detrás das baterias que dão energia a muitos dos nossos
electrodomésticos, semicondutores e aplicações fotovoltáicas, sensores médicos e dá uma
49
melhor compreensão de muitos processos bioquímicos. A ciência unifica a electricidade e
a química. Nesta actividade de aprendizagem analisa-se como a electricidade pode ser
gerada a partir das reacções químicas, como a electricidade pode causar reacções
químicas e como a electricidade envolve movimento de cargas (electrões). O estudo da
electroquímica permite conhecer as reacções de oxidação-redução.
A conversão de química em electricidade ocorre usualmente na interface com eléctrodos,
geralmente, um metal em contacto com solução de sal ou outro composto apropriado
solúvel em água. Por isso, começamos o nosso estudo de electroquímica analisando o que
acontece na interface entre metal e solução.
Células electroquímicas
4.1
O que acontece quando um metal como o zinco é imerso numa solução
contendo iões de zinco?
Considere um pedaço de zinco metálico que é imerso em água. Os átomos de zinco na
superfície do metal são atraídos para a solução deixando os seus electrões. O aumento de
número de electrões deixados leva a uma acumulação de cargas negativas.
Zn(s)  Zn2+ (aq) + 2e−
++
++
++
++
++
++
++
++
++ ++ ++
Figura 4.1 Ilustração
da formação da
camada dupla na
vizinhança do
eléctrodo metálico
A acumulação de cargas positivas ocorre próximo do metal
devido à presença de iões de Zn2+. A medida que o
processo decorre, torna-se cada vez mais difícil para os iões
de zinco se deslocarem devido à acumulação de cargas
negativas. O processo pára com o alcance de uma espécie
de equilíbrio. Uma camada eléctrica dupla é estabelecida,
na qual a camada interior dos iões adsorvidos é uma
camada exterior que compensa a carga local. O estudo da
electroquímica envolve, geralmente, o estudo de processos
que ocorrem no metal e a solução condutora (electrólito),
isto é, a camada dupla.
Embora exista um potencial de diferença estabelecido entre
o eléctrodo e a solução, a sua medição não é fácil. Medir o
potencial de diferença iria requerer trazer um segundo
eléctrodo de metal, montando efectivamente um novo
equilíbrio (outro eléctrodo). É por esta razão que o
potencial de um eléctrodo simples não é medido
directamente. A forma de superar esta dificuldade é medir a
diferença de potencial entre duas camadas duplas. Assim,
por acordo escolheu-se um eléctrodo em relação ao qual
todos os outros eléctrodos são medidos. O sistema que foi
escolhido para referência é o eléctrodo padrão de
hidrogénio.
50
 CLICK SIMULATION!: SIMULAÇÃO DE TRANSFERÊNCIA ZINCO
COBRE
http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownlo
ad/index4.html
4.2
O eléctrodo padrão de hidrogénio
No eléctrodo padrão de hidrogénio, hidrogénio gás
é submetido ao metal platina imerso numa solução
aquosa contendo iões hidrónios. Platina é escolhida
idealmente, porque é inerte. O propósito é
estabelecer um contacto eléctrico com a solução. A
solução tem uma concentração de 1M de iões
hidrónio, a pressão do gás de hidrogénio é mantida
a 1 bar e a temperatura fixada em 25 C. A medida
que o hidrogénio se desloca através dos poros um
equilíbrio de platina acontece entre moléculas de
hidrogénio e os iões de hidrogénio na solução.
H 2 (g)
1 bar
T = 298 K
Pt
2 H+(aq) + 2e−
H 2 (g)
+
H (1 M)
Figure 4.2 A semicélula do
eléctrodo padrão de hidrogénio.
4.3
O potencial da célula é tido como padrão e as
medidas são feitas em relação a este equilíbrio
(eléctrodo). Um potencial de eléctrodo de zero volts
(E) é atribuido a este.
Tendo estabelecido o nosso padrão, conectamos
outro eléctrodo e medimos a voltagem entre as duas
células.
Potenciais padrão de redução
Potencial padrão de redução é a tendência de espécies químicas de ganharem electrões,
tornando-se por isso reduzidos. Cada espécie tende a ter uma tendência intrínseca de
captar electrões. Quanto mais electropositivo o potencial de redução for, maior será a
tendência de captar electrões. Todos os potenciais de redução são definidos em relação ao
EPH.
O sistema no qual dois eléctrodos estão em contacto com uma solução condutora é
conhecido por célula electroquímica. Considere o exemplo do eléctrodo de zinco que é
acoplado pelo eléctrodo padrão de hidrogénio.
51
V
Voltímetro
H 2 (g)
Zinco
1 bar
Fio de platina
Pt
Ponte
salina
Ácido clorídrico
diluído
[H+] = 1 mol dm−3
Figura 4.3
Solução de sulfato
de zinco
[Zn2+ ] = 1 mol dm−3
Diagrama esquemático da célula electroquímica de zinco e eléctrodo
padrão de hidrogénio.
 SIMULATION CLICK!: ELÉCTRODO PADRÃO DE HIDROGÉNIO
Exemplo 1
Arrange as seguintes partículas pela ordem decrescente da capacidade de oxidação: Fe3+,
F 2 , Pb2+ and Sn4+.
Soluções
As espécies com maior tendência de captar electrões, quando são reduzidas serão as que
terão o potencial padrão de redução mais positivo. O potencial padrão pode ser obtido na
tabela de potenciais padrão de eléctrodo como se mostra abaixo.
Fe3+ (aq) + e−  Fe2+ (aq)
F 2 (g) + 2e−  2F− (g)
E = + 0.77 V
E = +2.87 V
52
Pb2+ (s) + 2e−  Pb(s)
Sn4+ (aq) + 2e─  Sn2+ (aq)
E = ─ 0.13 V
E = + 0.15 V
As espécies arranjadas, de seguida, de acordo com a capacidade decrescente de oxidação:
F 2 > Fe3+ > Sn4+ > Pb2+
Problema prático 1
Dadas as seguintes reacções, assumindo as condições padrão, terão as maiores
capacidades de reduzir.
Mg2+ (aq) + 2e−  Mg (s)
E = ─ 2.35 V
Al3+ (aq) + 3e−  Al (s)
E = ─ 1.68 V
Cu2+ (aq) + 2e−  Cu (s)
E = ─ 0.34V
(a) Al3+ (b) Mg2+
4.4
(c) Mg (d) Cu2+
Medindo o potencial de eléctrodo padrão de um metal
Cada um dos vasos no diagrama (Figura 4.3) é descrito como semicélulas e o conjunto
todo é uma célula electroquímica. O circuito externo é criado por um fio condutor
ligando as duas semicélulas. A ponte salina é incluída para completar o circuito. Esta é
constituída por solução de nitrato de potássio e evita a introdução de outro metal no
sistema. Os equilíbrios nos dois eléctrodos são:
Zn2+ (aq) + 2e−
2H+(aq) + 2e−
Zn(s)
H 2 (g)
As reacções ocorrendo em cada eléctrodo são conhecidas por semi-reacções. O metal tem
maior tendência de perder electrões e formar outros iões para além do hidrogénio.
Consequentemente, haverá uma maior acumulação de electrões no metal zinco. A
diferença de carga entre os dois eléctrodos - potencial de diferença - pode ser medida
usando um voltímetro como mostra o diagrama (Figura 4.3).
A diferença da força electromotriz entre as duas semicélulas (E) é dada por

E cell
 E  Zn2  / Zn  E H / H
2
E

cell
E

 Zn2  / Zn
Uma vez que E H / H = 0 V.
2
53
O potencial de redução padrão de muitas espécies químicas forma determinadas e podem
ser encontradas em tabelas de dados. Comparando os potenciais de redução de espécies
químicas, podemos predizer que tipo de reacções é provável que ocorra dentro de uma
célula electroquímica (ou um sistema particular). Tabelas com potenciais de redução
podem ser encontradas em muitas fontes.
4.4.1
Eléctrodo de zinco acoplato com eléctrodo de cobre?
O potencial padrão de hidrogénio pode ser substituído por eléctrodos de cobre e a
diferença de potencial medida entre os dois. Tal arranjo é chamado célula galvânica e
permite a investigação de reacções que ocorrem nos dois eléctrodos. Células galvânicas
(ou voltáicas) produzem electricidade que resulta das reacções químicas espontâneas nos
eléctrodos.
Os átomos de zinco perdem electrões e entram na solução deixando para trás electrões.
Uma vez que existe um circuito externo, os electrões que ficam vão, através do fio
externo por via do dispositivo de medição, para o eléctrodo de cobre onde são
descarregados.
As semi-reacções que ocorrem nos dois eléctrodos são:
Zn (s)  Zn2+(aq) + 2e−
oxidação
Cu2+(aq) + 2e−  Cu (s)
Redução
A reacção total na célula electroquímica da Figura 4.4 é:
Zn (s) + Cu2+ (aq)  Zn2+(aq) + Cu (s)
Movimento
de
electrões
Zn
1 M Zn(NO 3 ) 2
V
Cu
1 M Cu(NO 3 ) 2
Figura 4.4 Representação esquemática de uma célula electroquímica de
eléctrodos de cobre e zinco.
54
Reacções electroquímicas envolvem a perda de electrões (oxidação) e ganho de electrões
(redução). O eléctrodo onde ocorre a oxidação é posto do lado esquerdo, enquanto o
eléctrodo onde ocorre redução é colocado do lado direito.

SIMULATION CLICK!: CÉLULA ELECTROQUÍMICA DE ZINCO E
COBRE
4.4.2
Notação curta da célula
Uma forma simplificada de representar a célula é frequentemente usada em vez do
diagrama completo que pode ser longo e tedioso. O diagrama da célula representada na
Figura 4.4 pode ser escrito como:
Oxidação
Redução
Zn(s)|Zn2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)
A linha vertical
mostra a fase
fronteiriça
A linha dupla
representa a ponte
salina
O eléctrodo, no qual oxidação ocorre, é por convenção o ânodo, enquanto redução ocorre
no cátodo. O potencial celular para a célula acima representada pode ser calculado
tirando a diferença em potencial entre duas semicélulas (ou semi-reacções).
E˚ Célula = E˚ Redução − E˚ Oxidação
E˚ Célula = E˚ Cátodo − E˚ Ânodo
Exemplo 2
Calcule o potencial da célula para a célula electroquímica na figura 4.4.
55
O potencial de redução para as duas semicélulas são os abaixo apresentados.
Zn2+ (aq) + 2e− → Zn (s)
E˚ = −0.76 V
Cu2+ (aq) + 2e− → Cu (s)
E˚ = + 0.34 V
O E˚ para a célula é dado pelo, E˚ Célula = E˚ Redução − E˚ Oxidação podemos substituir as
potenciais reduções relevantes para obter o valor do potencial da célula .
E˚ Célula = 0.34− (−0.76)
= 1. 100 V
Exercício Prático 2
Suponha que uma semicélula do zinco fosse substituída por cadmio. A voltagem para a
nova célula electroquímica pode ser mensurada e encontrada como ilustrado abaixo.
Cd(s)|Cd2+(1 M)||Cu2+ (1 M)|Cu (s)
Qual é o potencial redutor padrão para o eléctrodo Cd2+|Cd?
(a) +0.34 (b) −0.40 (c) 1.08 (d) + 0.40
Os nossos cálculos do exemplo passado deram um valor positivo para o potencial da
célula baseado em como as equações de reacção estão escritas. A reacção é espontânea
como escritas, se o cálculo do potencial da célula for positivo. Se o valor calculado for
negativo, a reacção não é espontânea (mas espontânea na direcção oposta).
Baterias que usam vegetais como batata, limão ou cebola podem ser
arranjadas para demonstrar propriedades voláteis. Baterias feitas de
eléctrodos, formatos e área diferentes poderão mostrar diferentes níveis
de resistência. Electricidade vinda de vegetais?
56
4.5 Energia livre e potencial da célula
Numa célula voltáica o trabalho ocorre quando uma reacção da célula acontece. O
trabalho total feito está relacionado com a força electromotiva (emf) da célula E˚Célula, o
número de moles de electrões transferidos entre os eléctrodos (n) e as cargas eléctricas
por mole de electrões que é a constante de Faraday (F= 96485 C/mol e-). O trabalho total
pode assim ser calculado da seguinte fórmula:
W eléctrico =n x F x E˚ Célula
O número máximo de trabalho disponível para uma reacção relacionada a –ΔG. Podemos
então combinar as duas equações para obter a ligação entre o potencial da célula e a
energia livre como:
ΔG= -n x F x E˚ Célula
4.6 E Célula como função de concentração – A equação de Nernst
A relação entre o potencial da célula e concentração é facilmente estabelecida através da
energia livre de Gibbs. Já vimos previamente que
ΔG= ΔG˚ + RT InQ
(4.3)
Para ΔG e ΔG˚ podemos fazer as substituições correspondentes de –nFE célula e -nFE˚ célula
para obter
-nFE célula = -nFE˚ célula + RT InQ
(4.4)
Que pode ser reescrito como
E célula = E˚ célula – RT/nF x InQ
A equação de Nerst
E célula = E˚ célula – 0.0592/n x log Q
(4.5)
(4.6)
Exemplo 3
Se Fe2+ oxida espontaneamente por oxigénio do ar em solução acídica? Calcule ΔG e K.
Solução
Duas reacções envolvidas com o seu correspondente potencial são
57
Oxidação: 2Fe (s) → 2 Fe2+ (aq) + 4e-
E˚ = -0.77 V
Redução: O2(g) + 4H+ + 4e- → H2O (1)
E˚ = = 1.23 V
Potência total da célula
4Fe2+ + O2 + 4H+ + 4Fe3+ → 2H2O
0.46 V
E˚célula =
Note que a potência total da célula é positiva significando que o processo é espontâneo.
A energia livre é calculada da equação ΔG= -nF E˚Célula . Fazendo a substituição
E˚Célula = 0.46 V e n = 4 obtemos
ΔG˚ = -4 mol x 96485 C/mol x 0.46 V
= - 1.8 x 105 J
= - 180 Kj
O equilíbrio constante é calculado da relação ΔG˚ = -nRT lnK
Ln K =
- ΔG
=
RT
-(-180 Kj mol-1)
8.314J mol-1K-1 x 298K
K = e72.7 = 3.7 x 1031
58
Nota
Corrosão é um processo químico importante, geralmente associado aos metais.
Alguns metais como alumínio formam produtos de corrosão que aderem ao metal e
protegem o metal de reacções de corrosão consequentes. Por outro lado, o óxido de
ferro (ferrugem) cai constantemente expondo novos objectos à corrosão. O metal
corroe-se continuamente.
A corrosão ou processo de ferrugem é uma reacção redox típica.
Exercício prático 3
Quando substâncias iónicas são colocadas na água, estabelece-se o equilíbrio entre
os seus iões na solução e o excesso na fase sólida. Este equilíbrio é mensurado pela
solubilidade constante Ks. Determine a solubilidade constante para cloreto de prata
em 25º C, dada a seguinte informação:
AgCl = Ag+ + ClSemi-reacções
Ag+ +e- → (Ag) (s)
AgCl + e- → Ag(s) + Cl-
E˚= +0.80 V
E˚= 0.22 V
Solução
6.3 x 10-9 (b) 1.69 x 10-10 9 (c) ) 0.00 (d) 2.46 x-20
59
Processo de produção de cobre
Electrólise
O processo oposto acontece numa célula
electrolítica ao invés de uma célula voltáica. A
célula electrolítica, outro tipo de célula
electroquímica, usa electricidade para causar
reacções não espontâneas. Electrólise é um
processo muito importante que permite a
produção de uma vasta gama de produtos
industriais.





Princípio de
refinação de
cobre para alta
qualidade
A extracção de metais, notavelmente
alumínio, magnésio e sódio.
A preparação de halogéneos, como
por exemplo, cloro.
Refinamento de metais, como cobre e
zinco.
Electroplating.
Cobre é extraído em muitos países
africanos, um dos mais notáveis é a
Zâmbia.
60
Actividade de aprendizagem número 5
Título da actividade de aprendizagem:
Química Nuclear
Sumário da actividade de aprendizagem
Ao terminar esta unidade, o estudante deverá ser capaz de:
 Explicar e descrever a natureza de radioactividade;
 Identificar os diferentes tipos de emissões de radioactividade e as propriedades da
radiação emitida;
 Executar cálculos usando a lei de desgaste radioactivo;
 Explicar a relação entre massa e energia e resolver problemas relacionados com
equivalência massa-energia.
A Química Nuclear estuda os processos que ocorrem a nível sub-atómico. Todos os
elementos têm origem nas estrelas incluindo o sol, onde elementos mais pesados são
formados através dos menos pesados, através de reacções de fusões. Análises dos
elementos encontrados na tabela periódica mostram que elementos com um número
atómico maior que 83 não são estáveis e sofrem desgaste radioactivo. Não obstante a este
facto, alguns elementos menos pesados também presenciam o fenómeno de desgaste.
O estudante aprenderá as diferentes formas de desgaste radioactivo e quais os factores
que influenciam no grau de probabilidade de um elemento ser radioactivo ou não.
Os elementos desgastam emitindo radiação alfa, beta ou gama. Cada tipo de radiação
emitida tem propriedades características, algumas das quais podem ser usadas
especificamente em medicina nuclear, técnicas analíticas, ou geração de energia. Outro
uso do fenómeno de desgaste radioactivo é datamento de rádio-carbono que permite
estimar antiguidade de artefactos históricos.
Lista de leitura necessária

Uma introdução a radioactividade;

Química nuclear.
Lista de links importantes

Química Nuclear: Uma Introdução
http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=59

Química Nuclear e a Origem dos Elementos
http://www2.wwnorton.com/college/chemistry/gilbert/tutorials/ch2.htm
61

Radiação e Radioactividade
http://www.physics.isu.edu/radinf/cover.htm

Química Nuclear
http://www.bcpl.net/~kdrews/nuclearchem/nuclear.html
Lista de MULTIMEDIA relevantes




Computador com acesso à internet para permitir o acesso aos matériais de
aprendizagem livres e aprendizagem interactiva através de email, vídeo
conferência e uso de CD-ROMs;
QuickTime Movie Player Software;
Shockwave Player Software;
Macromedia Flash Player Software.
Avaliação formativa




Assim que for avançando através desta actividade de aprendizagem irá encontrar
problemas para testar a sua compreensão conceitual da matéria;
Perguntas rápidas serão providenciadas para testar a sua compreensão;
Experiências práticas serão dadas para avaliar a sua compreensão na relação teoriaprática;
Experiências/exercícios simulados serão dados para testar a sua compreensão de
determinados conceitos.
Actividades de aprendizagem
Em reacções químicas convencionais, interacções envolvem electrões de valências em
volta do núcleo. Em contraste, reacções nucleares preocupam-se com reacções associadas
ao núcleo. Este toma conta dos processos e propriedades nucleares. Os núcleos da
maioria dos elementos são estáveis e oblívio ao que esta acontecer na ‘ superfície’ do
átomo. Mesmo assim, alguns isótopos são instáveis resultando de emissão de radiação
com propriedades que são importantes e também perigosas. Nesta unidade, iremos
analisar a origem e propriedades que advêm de reacções nucleares.
5.1 Fenómeno de radioactividade
Elementos instáveis desintegram e soltam volumes energéticos de radiação
electromagnética. Isótopos deste género são radioactivos e exibem um fenómeno
conhecido por radioactividade. As reacções nucleares resultam em transmutação de um
elemento em um isótopo diferente ou mesmo num elemento diferente. Três trocas
nucleares e tipos de radiação podem ocorrer. Estes são discutidos nas secções seguintes.
62
5.2 Tipos de radiação
A radiação pode ser classificada como particulada (consistindo em partículas) ou nãoparticulada (electromagnética). Ambas radiações particuladas e não-particuladas têm
aspectos positivos e adversos. É importante entender que as propriedades de formas
diferentes de radiação são capazes de usá-los judicialmente e de forma apropriada.
5.2.1 Radiação alfa (α)
Radiação alfa é a emissão de volumes de núcleo de átomos de hélio simbolizados por
4
2
2 He
A massa atómica de um átomo diminui por 4 massas de unidades atómicas, quando emite
uma partícula alfa. É dito que um elemento ‘transmuta’ em outro elemento. Um exemplo
típico mostra que a reacção nuclear é a transmutação de urânio para o elemento thorio por
emissão de uma partícula alfa.
238
234
4
92 U  90Th  2 He
A omissão da carga em espécies focaliza a atenção no núcleo de uma forma que não se vê
em nenhuma outra área da química, que normalmente focaliza nos electrões de fora.
As regras para balancear reacções nucleares diferem das regras em reacções
convencionais, em que:
 A soma de número de massa tem que ser a mesma nos dois lados.
 A soma de números atómicos tem que ser a mesma nos dois lados.
Características
As partículas alfa produzem uma grande quantidade de iões através das suas colisões e
quase colisões quando passam por objectos. Elas têm um fraco poder de penetração e são
paradas por uma folha de papel. São positivas e são deflectidas por campos eléctricos e
magnéticos.
5.2.2 Partículas beta
O processo mais simples envolve a degradação de um neutrão livre, que é instável fora do
núcleo do átomo.
1
0
n 
1
1
p 
0
1
 
v
ν é uma entidade chamada neutrino
Durante a emissão beta, não ocorre nenhuma troca na massa do átomo uma vez que as
partículas nucleares continuam as mesmas, mas o número atómico muda. O número
atómico aumenta, porque um neutrino muda para um protão. Um exemplo típico é a
degradação do carbono isótopo carbono-14 no elemento nitrogénio.
14
14
0
6 C  7 N  -1e
63
Características
 Deflectidos em direcções opostas para partículas α em campos eléctricos e
magnéticos;
 Menores e assim deflectem melhor que partículas α;
 Essencialmente electrões, mas que originam do núcleo de átomos a passarem
degradação nuclear.
Pode acontecer um processo similar que envolve as conversões de um protão para um
neutrino e um positrão. Emissão de positrão é normalmente encontrada artificialmente em
núcleo radioactivo dos elementos mais leves.
30
 30
 01
15 P
14 Si
5.2.3 Raios gama
A radiação gama é emitida durante a degradação alfa ou beta. O processo de degradação
radioactiva contendo as partículas α ou β deixa os nucleões num estado excitado. Os
nucleões então perdem alguma energia na forma de radiação electromagnética. Estas são
penetradas e não deflectidas nem por campos magnéticos ou eléctricos. Um exemplo
típico de degradação de 234
92 U
4
U  230
90Th  2 He
234
92
234
92
U
 = 4.18 MeV
Th 
Th  γ-raios
230
90
230
90
 = 4.13 MeV
230
90
Th*

0.05 MeV
230
90
Th
Figura 5.1 Ilustração da produção de radiação gama depois de um emissão alfa
Problema exemplo 1
Escreva uma equação nuclear que representa a emissão alfa de 222Rn.
Solução
Este problema requer conhecimento do conceito de balanço de equações nucleares. Para
o presente problema a equação nuclear pode ser escrita como:
222
Rn  X + 42 He
Produto desconhecido
Uma vez que a partícula alfa contem dois protões, X deve menos dois protões que o
elemento 222
86 Rn i.e. 86-2= 84. A nossa tabela periódica mostrará que o elemento com
64
número atómico (Z) 84 é polónio, 84 Po. Para estabelecer o número de massa (A),
subtraímos o número de alfa da partícula i.e. 222-4= 218. Podemos agora completar a
equação nuclear da seguinte forma:
222
218
4
86 Rn → 84 Po + 2 He
Problema prático 1
Qual é o valor de X na equação nuclear abaixo ilustrada?
9
1
6
4 Rn  1H  3 Li  x
208
82
Pb  x 
14
7
265
108
N  42 He 
Hs  01n
17
8
Ox
5.3 Isótopos radioactivos que ocorrem naturalmente
Alguns isótopos de elementos naturais são radioactivos. Por exemplo, a ocorrência
natural de
238
92
U é radioactivo e se desintegra através da perda de partículas α.
238
92
U
Rutherford descobriu que bombardeando
14
7
Th  42 He
234
90
14
7
N com uma partícula α produz
17
8
O e protões
N  42 He178 O11H
A reacção não ocorre de forma espontânea, mas deve ser atingida por uma outra partícula
( 42 He ) para desintegrar – induzir uma reacção nuclear. A descoberta dos Curie que o
bombardeamento de alumínio causa a emissão de duas partículas: neutrinos e positrões.
Eles também observaram nas suas experiências que quando o bombardeamento parou, a
emissão de partículas α parou, mas a emissão de positrão continuou. Eles concluíram que
fósforo degrada por emissão de positrões
27
13
1
Al 42 He30
15 P  0 N
30
15
0
P30
14 Si  1 
O primeiro elemento produzido desta maneira foi
30
15
P e muitos mais foram produzidos
desde então.
65
5.4 Elementos transurânio
Em 1940, o primeiro elemento sintético
238
92
239
92
U foi produzido pelo bombardeamento de
U com neutrinos. O bombardeamento usando neutrinos é efectivo na produção de
reacções nucleares, porque as partículas pesadas não são repelidas quando se aproximam
dos nucleões. Muitos elementos também foram produzidos usando bombardeamentos de
átomos pesados. Por exemplo, um elemento como nitrogénios é bombardeado com
núcleo de elementos menos pesados como:
249
98
1
Cf 157 N 260
105 Ha  4 0 n
5.5 Taxa de degradação radioactiva
Numa amostra de material contendo todos os elementos radioactivos é esperado que
todos nucleões se desintegrem em algum momento, mas não é possível prever quando
isto acontece. No entanto, podemos usar métodos estatísticos para fazer previsões para
uma colecção de átomos.
Através de experiências, a taxa de desintegração de substâncias radioactivas é
directamente proporcional ao número de radioactividade do núcleo, N. A lei estabelecida
de degradação radioactiva é a seguinte:
“A taxa de desintegração de material radioactivo chamado actividade A, ou taxa de
degradação – está directamente proporcional ao número de átomos presentes.
Em forma matemática podemos escrever que:
Taxa de degradação (A) α N
A= λN
Onde A é a actividade e tem unidades de átomos/unidade de tempo, N é o número de
átomos, no exemplo a ser observado e, λ é a constante de degradação do tempo-1. A
radioactividade é um processo da primeira ordem. Podemos entender actividade como se
fosse a taxa de uma reacção química, onde N corresponde a concentração do reagente e λ
corresponde a taxa constante. Para um processo seguindo a primeira ordem cinética, a
seguinte equação pode ser escrita para a taxa integrada e meia-vida.
In N 1 =-λt
N
(5.1)
66
t
1 0.693

2

(5.2)
N o é o número de átomos na altura inicial (t=0) e N t o número de átomos numa posterior,
t. O período de meia-vida é, definido como antes, a duração do tempo necessário para
metade da substância desaparecer. Lembrando-se que para o processo da primeira ordem
a meia-vida é constante. Quanto mais curta for a meia-vida, maior será o valor de λ e
mais rápido será o processo de degradação. As meias-vidas para elementos radioactivos
variam – de extremamente curtos para extremamente longos.
Exemplo 1
Calcule o número de desintegrações por segundo que ocorrem em 100 g de radio,
sabendo que a constante de degradação é 1.36 x 10-11?
A taxa de degradação radioactiva é dada A= λN
Onde λ é o número de desintegrações por segundo e N é o número de átomos presentes.
Começamos por calcular os números de átomos presentes
100 g
No. de moles 
 0.442 moles
226 g mol-1
Sabemos que por cada 1 mole existem 6.02 x 1023 partículas, assim sendo, o número de
partículas 9N) em 100g ou 0.442 mole é
N=6.02 x 1023 átomos/partícula x 0.442 moles = 2.66 x 1023 átomos
Desta forma número de desintegração é:
A=λN
= 1.36 x-11 x 2.66 x 1023 átomos
=3.62 x 1012 desintegrações por segundo-1
5.6 Radiocarbono dating
O fenómeno de radioactividade fornece uma ferramenta útil para determinar a idade de
restos fósseis. O princípio por detrás da determinação é baseado no seguinte.
A parte superior da atmosfera 140 C está a ser continuamente bombeada com neutrinos de
14
7
N . Neutrinos sendo produzidos por raios cósmicos.
Os compostos que contem carbono em organismos vivos mantêm equilíbrio com 14C na
atmosfera. Os organismos substituem 14C que sofreram degradação radioactiva com
átomos 14C frescos através da interacção no ambiente. O equilíbrio é destruído no
momento em que o organismo já não interage com a atmosfera (como ar que respirámos).
A taxa de desintegração vai diminuindo com o tempo.
67
As medidas da taxa de desintegração em estágios mais avançados permitem-nos estimar a
idade de artefactos.
Exemplo 2
Dois estudantes a explorar um local arqueológico encontram algo que aparenta ser restos
fosséis.
A espécie tinha um ratio de 14C/12C 0.795 vezes, o que é encontrado em plantas. Qual
seria a idade estimada do resto fóssil? A meia-vida para Carbono-14 é 5720 anos.
Solução
Degradação radioactiva é um processo de primeira ordem como indicado na equação:
N
 λt
N0
Para estar apto para resolver esta equação precisamos de encontrar λ. Isto pode ser
calculado da equação:
0.693
t1 
ln
2

Visto que
t 1  5720 anos
2
λ
podemos calcular λ,
0.693
 1.21 x 10 - 4 yr
7520 yr -1
A taxa integrada pode ser escrita da seguinte forma:
log
 1 . 21 x 10  4 yr
N

N0
2 . 303
1
xt
N0 é a quantidade de substância no tempo zero e, N é a quantidade num tempo posterior,
t.
N pode ser estimado para ser N=0.795N0 ou N/N0= 0.795, assim sendo:
log
1
0.795

 1.21 x 10  4 yr
2.303
1
x t
− 0.100 = − 5.25 x 10−5 yr−1 x t
t = 1895 yr
t = 1900 yr
Problema prático 2
Contando o número de anéis no tronco de uma árvore podemos obter a idade estimada da
árvore.
Uma espécie em estudo por um grupo de estudantes usando este método, estimou a idade
em 7 000. Na experiência de datação radioactiva do carbono, a espécie mostrou ter uma
68
actividade de 6.6 desintegrações por segundo por grama de carbono. Use a técnica de
datação de carbono para estimar a idade da madeira. (Resposta: 6225 anos)
5.7 Equivalência de energia de massa
A relação entre massa e energia é estabelecida através da equação de Einstein
E = mc2
(5.3)
Onde E é a troca de energia, Δm a troca de massa e c a velocidade da luz. A equação
implica que uma pequena quantidade de troca de massa muda para uma maior quantidade
de energia.
Usemos como exemplo a formação de 42 He de dois neutrinos e dois protões. A massa
experimental é inferior a massa teórica. Isto sugere que alguma massa foi perdida. A
diferença em massa é o defeito de massa. A massa não desaparece mas converte-se em
energia.
5.7.1 Energia de binding
Os nucleões de um átomo consistem em protões e neutrinos, os protões sendo
positivamente carregados e os neutrinos sendo neutral. A presença de carregamentos
similares não é energeticamente favorável. Os nucleões deveriam estar a quebrar-se por
causa de repulsões electrostáticas. Como os nucleões não se quebram? Alguma da
energia tem que ser usada para contra atacar os núcleos para não o fazer
espontaneamente. Esta energia é energia nuclear binding. De onde vem a energia
binding?
Considere o exemplo da formação da partícula 42 He .
Massa de dois protões= 2 x 1.00727646 uma= 2.01455292 uma
Massa de dois neutrinos= 2 x 1.00866492 uma = 2.01732984 uma
Massa total = 2,01455292 uma + 2,01732984 uma= 4.03188276 uma
69
A massa verdadeira de 4He (4.00260324 uma) é inferior a soma dos protões e neutrinos.
A massa que resta é 0.02927952 uma.
0.02927952 uma x
1.66053873 x 10-27 kg
 4.8619776 x 10-29 kg
1 uma
A equivalência de energia, que é a energia binding, é obtida pela substituição em E
=Δmc2.
Binding energy = 4.8619776 x 10-29 kg x (3.0 x 108 m s-1)2
= 4.3697275 x 10-12 J
+
2 protões
+
N +
+N
N
N
2 neutrinos
Figura 5.2 Ilustração da formação de uma partícula alfa de 2 protões e 2
Unidades importantes
 Energia de equações prévias em Joules (J)
 Outra unidade comum é o electrão-volt
1 e V= 1.60022 x 10-19J
1 MeV= 1.6022 x 10-13J

Factor de conversão entre unidades de massa atómica (u) e Joules
1u = 1.6606 x 10-24g
De E = mc2
=
1 ux
1.6606x1024
kg x (2.9979 x 108 )2 m2s- 2
103
= 1.4924 x 10-10J
Energia equivalente a 1u
1 unidade de massa atómica (u) = 1.4924 x 10-10J
1 unidade de massa atómica= 931.5 MeV
70
5.7.2 Energia de binding e estabilidade nuclear
A energia de binding por núcleo pode ser calculada para os diferentes elementos
dividindo a energia de binding pelo número de núcleos. O gráfico de energia binding
por núcleos providencia informação importante sobre a estabilidade dos elementos. A
figura 5.2 mostra a variação de energia de binding por núcleo contra número de
massa.
O gráfico mostra a energia de binding a aumentar com o aumento do número de
massa atingindo o máximo em Fe-56. Assim sendo, a energia diminui. Esta
informação sugere que os núcleos em Fe são os com ligações mais fortes e assim o
isótopo de ferro é o mais estável e menos propenso a quebrar-se. Os elementos irão
separar-se ou combinar-se para produzir núcleos que são mais fortemente ligados. Os
elementos antes de Fe soltam energia quando se fundem, enquanto os a seguir a Fe se
separam para produzirem energia – fissão. A diminuição em energia de binding
depois de Fe é atribuída ao tamanho crescente dos núcleos, enquanto os núcleos
crescem a habilidade de junção de força enfraquece para contra atacar as forças
electrostáticas entre os protões.
Fe
Libertada pela
fissão nuclear
O
grupo
de
isótopos de Fe é
mais fracamente
Energia de binding por
núcleo em MeV
Elementos mais
pesados que Fe.
Podem dar energia por
fissão nuclear
Libertada pela
fissão nuclear
2
50
100
150
200
Numero de massa, A
71
Figura 5.3 Variação de energia binding contra número de massa dos elementos na tabela
periódica. A tabela ilustra áreas prováveis de sofrerem degradação por fissão ou fusão.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/nucstructcon.html#c1
5.8 Números mágicos
A estabilidade de elementos é também influenciada pelo ratio de protões para
neutrões. O núcleo que contem ou muitos ou poucos neutrões é instável. Uma
observação é que estabilidade do núcleo ocorre mais em nucleões que têm um
número par de protões. Uma comparação pode ser feita entre configurações
electrónicas estáveis, números mágicos 2, 8, 18, 36, que normalmente são instáveis.
Os números mágicos similares de protões no núcleo com 2, 8, 20, 28, 50, 82, ou 126
protões ou neutrinos são normalmente estáveis. Um núcleo tentará ganhar
estabilidade livrando-se de nucleões, assim como de outras partículas, ou libertando
energia em outras formas.
Figura 5.4 Gráfico ilustrando a distribuição de núcleo em relação ao número de protões e
neutrões. A banda de estabilidade é claramente visível com possibilidades de degradação
em ambos os lados da banda.
72
*fonte de diagrama http://www/e-adiography.net/articles/Introduction%20
to%20Radioactivity.pdf
A figura 5.4 mostra a banda de estabilidade de vários ratios de protão, neutrões que
causam o aumento de meias-vidas. A emissão característica do núcleo depende do
lado em que está na banda de estabilidade. Os nucleões com menor ratio de protão
para neutrino tendem a sofrer emissão de positrão, captura de electrão ou emissão
alfa. De outra forma, os protões com alto ratio de protão/neutrino tendem a usar a
emissão beta.
5.9 Interacção entre radiação e matéria
As radiações como alfa, beta, raios gama são exemplos de radiações ionizantes
devido à sua habilidade de deixar cair electrões, quando passaram pela matéria. A
radiação pode também criar energia dos electrões para um nível superior durante as
suas interacções.
A tendência geral em poder ionizante é a partícula α > partícula β > raios x. As
aplicações de radiação fazem uso da natureza da interacção de vários tipos de
radiação com matéria. Nas secções que se seguem analisaremos como as diferentes
formas de radiação interagem com a matéria.
Partículas Alfa
Partículas alfa são relativamente mais pesadas (2 protões e 2 neutrinos) e também
carregam uma dupla carga. Consequentemente, estes tendem a causar ionização
significante quando colidem com electrões nos átomos derrubando-os, em alguns
casos causando excitação. As partículas não são desviadas do seu percurso depois da
colisão devido ao seu peso elevado. Não obstante, a partícula perde alguma energia
em cada colisão sucessiva causando o seu abrandamento. Na eventual colisão com os
núcleos, a partícula alfa é desviada significativamente da sua trajectória, enquanto os
núcleos recolhem na outra direcção. A partícula alfa eventualmente pára depois de
tantas colisões. O alcance de penetração, distância viajada antes de parar, depende da
73
energia da partícula e do material envolvido. A interacção entre uma partícula alfa e
matéria é ilustrada graficamente no diagrama abaixo.
Partícula 
depois de colidir
com o núcleo
Muitas colisões de eletrões
Partícula 
antes das
colisões
Ocasional
colisão com o
núcleo
Recuo do
Núcleo
 - Alcance da
particula
Figura 5.5 Interacção de uma partícula alfa com matéria. O diagrama mostra os tipos de
interacção e processos resultantes.
74
Partículas Beta
Espera-se que as partículas beta causem menos ionização, comparadas as partículas
alfa devido ao seu tamanho mais leve e ao facto de elas carregarem uma única carga.
Elas produzem uma ionização menos densa. O desvio é mais pronunciado quando
passam matéria causando ionização no processo. A colisão das partículas electrãobeta causa o desvio da partícula beta a um ângulo largo, enquanto o electrão contra o
qual colide, chamando-se raio delta, ganha energia suficiente para se movimentar no
seu próprio poder. O raio delta continua a produzir mais ionização. O encontro
ocasional com uns núcleos atómicos (alto número atómico) causa um desvio violento
soltando o que é conhecido por raio x bremsstrahlung.
A partícula segue uma trajectória em zig-zag até eventualmente parar. As partículas
beta têm um alcance maior que as partículas alfa, visto que produzem ionização
menos densa (perda de energia) e abrandam mais gradualmente que as partículas alfa.
Colisão de
muitos electrões
Bremsstrahlung X-ray
-partícula
Raio
Delta
Alcance da partícula  -
Figura 5.6 Interacção de uma partícula beta com matéria. O diagrama mostra a
trajectória zig-zag usada pela partícula através da matéria.
Gama e Raio-X
Gama e raio-x são diferentes de radiações α e β, pois estas são de natureza nãoparticulada. Estas são radiações electromagnéticas. A interacção entre gama e raio-x e
a matéria ocorre de forma muito limitada, se chega alguma vez a acontecer alguma
interacção. A sua interacção é essencialmente através de electrões secundários que
75
são produzidos quando passam. Dois tipos de processos são identificados: dispersão e
absorção.
(i) Dispersão Compton
Dispersão compton ocorre quando um raio de gama interage com electrões livres em
matéria. Alguma energia de raios gama é transferida para o electrão, a outra parte
continua como radiação dispersada. A radiação dispersada é menor em energia e
desvia do seu percurso original.
(ii) Absorção fotoeléctrica
Absorção fotoeléctrica acontece quando um raio gama dá toda a sua energia de uma
só vez para um electrão atómico livre que será então soltado do átomo. O segundo
tipo de absorção envolve raios gama com energia superior a 1 MeV. Neste caso, a
absorção causa a produção, simultaneamente, de um electrão e positrão.
O positrão subsequentemente é aniquilado por um electrão atómico. O processo de
aniquilação causa a produção de dois raios gama de energia 511 MeV.
O gama e o raio x, como descritos na secção anterior, encontram poucas interacções,
visto que não têm um alcance definido. Um método alternativo de observar o alcance
de penetração é usado. A metade do valor, a distância necessária para metade dos
raios gama, é usado. Sinónimo a meia-vida usado em degradação radioactiva.
XI. Compilação de conceitos-chave (glossário)
TERMINOLOGIA CHAVE E CONCEITOS
Partícula alfa (α) é uma partícula emitida durante degradação radioactiva de certos
núcleos atómicos formada por dois neutrinos e dois protões. É idêntica ao iodo de
hélio, 4 2 He2+.
Ânodo é o eléctrodo numa célula electroquímica na qual acontece a semi-reacção de
oxidação.
76
Associações colóides são sistemas no qual a fase dispersa consiste em grupos de
moléculas que têm partes liofobicos e liofilicos.
Partícula beta (β) é um electrão emitido durante a conversão de um neutrino para
protão em certos núcleos atómicos a sofrer degradação radioactiva.
Ponto de fervura é a temperatura na qual a pressão do vapor saturado do líquido é
igual a pressão atmosférica.
Bremmsstrahlung são raios-x emitidos quando uma partícula carregada,
especialmente um electrão rápido, é rapidamente abrandada.
Cátodo é o eléctrodo numa célula electroquímica onde a semi-reacção de redução
ocorre.
Potencial de célula (E célula ) é a diferença potencial entre dois electrões de uma
célula electroquímica .
Mudança de energia livre (ΔG) é a mudança em energia livre que acompanha o
processo.
Potencial químico (μ) para uma mistura, é o coeficiente бG/ бn onde G é a energia
livre de Gibbs e n é o número de substâncias moleculares do componente. É a
mudança na energia livre de Gibbs com respeito a mudança da quantidade do
componente.
Coagulações são o processo no qual partículas coloidais se juntam irreversivelmente
para formar partículas maiores.
77
Propriedades coligativas têm valores que dependem do número de partículas
solúveis numa solução e não na identidade. Os exemplos incluem pressão cosmética,
elevação do ponto de fervura e depressão do ponto de congelamento.
Sistema colóide é a dispersão, com partículas que são intermediárias em tamanho,
entre soluções verdadeiras e uma mistura heterogénea ordinária.
Dispersão de Compton ocorre quando protões de alta energia são dispersos por
electrões livres ganhando assim energia.
Difusão é o processo no qual substâncias diferentes se misturam por causa de
movimentos dos componentes dos átomos, moléculas e iões.
Célula electroquímica é o instrumento no qual electrões transferidos numa reacção
de oxidação e redução passam para um circuito externo.
Força electromotiva (emf) é a diferença potencial entre dois eléctrodos numa célula
voltáica em Volts (V).
Mistura eutéctica é a solução que consiste em duas ou mais substâncias e tendo o
mínimo ponto de congelamento de qualquer mistura possível destes componentes.
Ponto eutéctico é o ponto de congelamento mínimo para um conjunto de
componentes numa mistura eutéctica.
Constante de Faraday (F) é a carga eléctrica carregada por um ou mais moles de
electrões ou iões singularmente carregados, F= 96 500 C/mol.
Cristalização fraccional é o método de purificação de uma substância por
cristalização de uma substância sólida de uma solução, deixando as impurezas em
soluções.
78
Destilação fraccional é a destilação na qual componentes de uma solução líquida são
separados baseados nas suas volatilidades.
Energia livre (G) é uma função termodinâmica desenhada para produzir um critério
para mudanças espontâneas, G=H-TS.
Ponto de congelamento é a temperatura na qual líquidos mudam para sólidos.
Célula Galvânica (voltáica) é uma célula electroquímica na qual reacções
espontâneas produzem electricidade.
Raios gama (γ) são radiações electromagnéticas produzidas quando um nucleão
atómico excitado volta para um nível de menor excitação.
Regra da fase de Gibbs defende que para qualquer sistema em equilíbrio, a relação
P+F=C+2 é verdade quando P é o número de fases distintas, C é o número de
componentes e F é o número de graus de liberdade do sistema.
Meia-vida num processo radioactivo, é o tempo necessário para metade dos átomos
presentes sofrerem degradação radioactiva.
Lei de Henry relaciona a solubilidade de um gás com a pressão de gás mantida acima
da solução gasosa C=kP gás .
Soluções ideais são soluções que obedecem a lei de Raoult.
Números mágicos é o termo usado para descrever o número de neutrinos e protões
que dão ao núcleo atómico uma estabilidade especial.
Ponto de fusão é a temperatura característica no qual sólidos mudam para líquidos.
79
Concentração molar (m) é a concentração da solução expressa como quantidade de
solução em moles, dividido por massa de solvente em kg.
Molalidade (m) é a quantidade de substância por unidade de massa solvente, unidade
geralmente usada, mol Kg-1.
Equação Nernst relaciona o potencial de células E˚, E˚ célula e as actividades do
reactantes e produtos numa reacção célular.
Energia nuclear binding é a energia necessária para tirar neutrinos e protões em
nucleões atómicos.
Equação nuclear é a representação das mudanças que ocorrem durante o processo
nuclear.
Osmose é o fluxo total de moléculas solventes, através de uma membrana
semipermeável, de uma solução diluída em uma solução concentrada.
Pressão osmótica (II) é a pressão que seria necessária para uma solução parar a
passagem através de uma membrana semipermeável. A pressão osmótica é dada por
IIV=nRT onde n são moles em volumes V, R é o gás constantes e T a temperatura
absoluta.
Diagrama Fase é o gráfico que indica a relação entre sólido, líquido e gasoso em
fases gasosas durante uma variedade de condições, normalmente temperatura, e
pressão.
Fase é a parte homogénea de um sistema heterogéneo que é separada das outras
partes por uma barreira distinta.
80
Absorção fotoeléctrica acontece quando raios gama interagem com electrões livres
dando toda a sua energia de uma só vez e o electrão é expulso do átomo.
Constante de degradação radioactiva (k) é a constante proporcional na lei de
degradação radioactiva.
Degradação radioactiva é a lei que defende que a taxa de degradação radioactiva
(A) é directamente proporcional ao número de átomos presentes.
Lei de Raoult defende que pressão a vapor de uma solução componente é igual ao
produto da pressão a vapor de um líquido puro e a fracção do mole na solução,
Pg 85
Ponte de sal é um instrumento usado para ligar duas metades de células em uma
célula electroquímica.
Potencial padrão de eléctrodo (E˚) é o potencial que se desenvolve entre um
eléctrodo quando as formas oxidadas e deduzidas de substâncias estão em estado
padrão.
Eléctrodo padrão de hidrogénio (EPH) é um eléctrodo no qual o equilíbrio é
estabelecido entre o iodo de hidrogénio, H 3 O+ (a = 1) e H 2 (g, 1 atm) numa superfície
de platina.
Ponto triplo é a condição de temperatura e pressão, na qual todas as três fases
(normalmente sólido, líquido e gasoso) de uma substância existem em equilíbrio.
Viscosidade é a resistência do líquido ao fluxo em que a sua magnitude depende das
forças de atracção intermoleculares, em algumas instâncias tamanho e formato.
81
XII. Lista de Leituras Obrigatórias
Leitura número 1
Solução
Referência completa: Texto de referência A Chem 1
http://www.chem1.com/acad/pdf/solut.pdf
Sumário: o texto aborda o tópico de soluções de forma geral. Começa com a
apresentação de diferentes tipos de soluções e depois segue com diferentes métodos
de medidas de concentração. As propriedades coligativas, a pressão osmótica, a
depressão do ponto de congelamento e a elevação de ponto de fervura são também
discutidos.
Justificação: este texto é uma referência leitura de fácil, o que é ideal para o estudo
da unidade 1. O texto tem um número de diagramas bem elaborados para explicar
conceitos facilitando a sua compreensão. Um número de problemas é dado em cada
um dos tópicos para melhor ampliar e mostrar a sua aplicação.
Leitura número 2
Solubilidade
Referência completa: http://en.wikipedia.org/wiki/Solubility
Data de acesso: 16 de Outubro de 2007
Sumário: o texto apresenta, de forma geral, vários aspectos de solubilidade. O
mesmo faz referência a visão molecular de solubilidade e aos factores que
influenciam o processo de solução como a polaridade de moléculas, temperatura, e
pressão. O texto apresenta palavras-chave com ligações para providenciar referências
imediatas. A quantificação é brevemente abordada.
82
Justificação: A explicação fundamental do conceito de solubilidade é dada nesta
leitura. Esta é essencial para a revisão prévia do estudo da unidade em soluções.
Providencia a matéria essencial com ligações para explanação de palavras-chave.
Leitura número 3
Colóides
Referência completa: http://mysite.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm
Data de acesso: 18 de Outubro de 2007
Sumário: o tópico sobre os colóides é abrangido de forma compreensiva e de
maneira qualitativa. Diferentes tipos de sistemas coloidais e as suas propriedades são
discutidos. A purificação de colóides usando osmose e diálise também é estudada.
Contem alguns exemplos de sistemas coloidais.
Justificação: o texto faz uma abordagem qualitativa e abrangente do tópico abordado
na unidade II. Não somente explica os colóides sob o ponto de vista químico, mas
também apresenta ilustrações de encontros diários que permitem ao aprendiz uma
maior apreciação destes sistemas.
Leitura número 4
Referência completa: http://en.wikipedia.org/wiki/colloi
Data de acesso: 18 Outubro de 2007
Sumário: os colóides são abordados de forma breve e concisa. A classificação, com
exemplos de tipos diferentes de colóides, é dada. Os factores que originam
estabilidade coloidal são discutidos e também os que podem originar a destruturação
do sistema.
Justificação: este texto wiki é um resumo breve do tópico de colóides que o aprendiz
encontra com ligações de termos importantes. Isto é ideal para uma revisão rápida e
lembrará dos tópicos na Unidade.
83
Leitura número 5
Fase de equilíbrio
Referência
completa:
http://www.wpi.edu/academics/Depts/Chemistry/Courses/General/concep10.html
Data de acesso: 18 de Outubro de 2007
Sumário: esta leitura é um capítulo tirado do livro para o programa de Química Geral
no WPI. O capítulo faz uma abordagem de termodinâmica antes de se ver a fase de
equilíbrio. Vários tipos de fases de equilíbrio são apresentados usando exemplos para
compreensão dos conceitos. Um número da fase de diagramas para sistemas
seleccionados é também discutido.
Justificação: Termodinâmica é um tópico importante, necessário para estudos
envolvendo fase de equilíbrio. O texto começa apresentando a desordem e
espontaneidade do processo.
A leitura providencia as bases e o desenvolvimento no estudo da Unidade III deste
módulo. Os exemplos dados permitem que o aprendiz tenha uma noção da aplicação
em vários conceitos.
Leitura número 6
Fase de equilíbrio e interacções intermoleculares
Referência completa: http://enx.org/content/m12596/latest
Sumário: este texto focaliza principalmente o equilíbrio gás-líquido, pressão a vapor
e diagramas de fase associados. A diferença entre gases e a fase condensada é
descrita. Continua a descrever a transição entre as fases sólidas, líquida e gasosa. O
papel das forças intermoleculares na transição é também analisado.
84
Justificação: esta leitura permite ao aprendiz fazer ligações entre os tópicos
aprendidos, relacionando a teoria molecular cinética com a fase de equilíbrio, o
assunto da Unidade III. Adicionalmente, o conceito de equilíbrio dinâmico é trazido,
o qual não é directamente abordado neste módulo.
Leitura número 7
Electroquímica
Referência completa: Chem1 Virtual Textbook
http://www.chem1.com/acad/webtext/elchem/
Sumário: esta é uma leitura importante, que é parte do Chem 1 Virtual Textbook.
Sistematicamente desenvolve o tópico de electroquímica começando com o fenómeno
de transferência de carga, enquanto acontece a troca líquido-metal. O conceito de
potencial de eléctrodo é analisado partindo para célula electroquímica. A ligação
entre energia livre e potencial de célula é feito através da Equação Nernst.
Justificação: esta leitura é intencional para estudar a Unidade IV deste módulo.
Aborda todos os aspectos importantes de electroquímica, incluindo as suas
aplicações. O aprendiz não só aprende os conceitos teóricos, como também as suas
aplicações no dia a dia. O texto é acompanhado com problemas exemplos para
clarificar os conceitos.
Leitura número 8
Núcleo atómico
Referência completa: Um livro de estudantes de uma escola secundária que
estudavam química.
Sumário: este é um livro gratuito direccionado para química da escola secundária.
Apresenta quase todos os tópicos de química, incluindo estrutura atómica e química
nuclear.
85
As forças nucleares são discutidas e é feita a análise da natureza de degradação
radioactiva (alfa, beta, gama). O capítulo acaba com abordagem das aplicações de
reacções nucleares como reactores nucleares.
Justificação: esta leitura é sugerida para quem não estudou o tópico antes.
Vem com todos os tópicos de química nuclear e de maneira elementar que é
apropriado para estudar a Unidade V deste módulo. É uma leitura base para Unidade
V.
Leitura número 9
Introdução à Radioactividade
Referência completa:
http://www/e-radiography.net/articles/Introduction%20to%20Radioactivity.pdf
Sumário: o texto começa dando uma perspectiva histórica do fenómeno de
radioactividade. As unidades essenciais para o estudo da radioactividade são
introduzidas. A natureza do núcleo atómico é discutida, seguindo os factores que
causam estabilidade ou instabilidade nuclear. O tipo de radiação que acontece com a
degradação nuclear e a natureza da sua interacção com a matéria é estudado.
Justificação: a Unidade V trata da química que ocorre ao nível subátomico, que é
acompanhado pela emissão de radioactividade. No texto faz-se uma apresentação
compreensiva de reacções nucleares. É leitura essencial para a unidade em química
nuclear. As secções na interacção de matéria e radiação alertam o aprendiz sobre os
perigos de radiação.
XIII. Lista (opcional) de Fontes Multimédia
Fonte número 1
Referência completa: chemistry@davidson
http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApples/index.html
86
Sumário: esta fonte tem experiências e exercícios que são animados e interactivos.
As experiências são bem tabuladas, acompanhadas com um curto sumário e são
interactivas.
Justificação: as experiências interactivas ajudam o aprendiz na aplicação de
conceitos cobertos nas unidades respectivas. O aprendiz deve tentar estes exercícios
para medir o seu sucesso no entendimento desta unidade.
Fonte número 2
Referência completa: Chemodule
http://www.karentimberlake.com/chemodul.htm
Sumário: nesta fonte estão uma série de mini-aulas em forma de power point.
As aulas de ppt podem ser usadas para estudo ao ritmo do estudante, assim como
rever a matéria que acaba de aprender. Questionários acompanham as aulas
permitindo ao aprendiz avaliar-se a si próprio.
Justificação: mini-aulas relacionadas com a Unidade I e Unidade V podem ser
encontradas aqui. Adicionalmente, conteúdos necessários para estudar os tópicos no
módulo também estão disponíveis. Questionários sobre cada tópico permitem fazer
avaliação tanto durante ou depois do processo de aprendizagem.
Fonte número 3
Referência completa: Simulação de laboratório virtual
http://www.chemcollective.org/applets/vlab.php
Sumário: o laboratório virtual permite ao aprendiz levar a cabo experiências
simuladas dando-lhe a noção de um laboratório prático. O aprendiz tem acesso à uma
vasta gama de químicos, material de vidro e instrumentos que pode usar para executar
uma experiência específica.
87
Justificação: as experiências simuladas são importantes para a ilustração de
conceitos apresentados nas várias actividades de aprendizagem. O aprendiz pode
desenhar e levar a cabo experiências relacionadas com termoquímica, solubilidade e
electroquímica. O aprendiz pode pegar instrumentos de vidro e instrumentos de
laboratório como medidores de pH.
88
XIV. Lista de Links Úteis
Link útil número 1
Título: Conceitos de Química
URL:
http://www.wpi.edu/Academics/Depts/Chemistry/Courses/General/conceptt.html
Imagem do site:
Descrição: este website é uma colecção de capítulos virtuais sobre química. Os
tópicos são bem organizados com uma tabela de conteúdos o que permite ao aprendiz
fácil acesso ao material desejado. Também contem apêndices hyperlinked para
material para unidades de conversões, análise dimensional, dados em termodinâmica
e outros.
Justificação: muitos dos tópicos que serão encontrados neste módulo necessitam de
leitura suplementar. Este website oferece um único ponto para aceder e obter dados
cognitivos para estudar este módulo. Vale a pena olhar para os seguintes tópicos:
forças intramoleculares e energia molecular, fases líquidas e sólidas e mudança de
desordem em processos químicos e físicos. Estes tópicos são importantes para estudar
a Unidade 1.
Link útil número 2
Título: Livro virtual Chem 1
URL: http://www.chem1.com/acad/webtext/virtualtextbook.html
89
Imagem do site:
Descrição: o livro virtual Chem 1 é um texto de referência para química geral. Cobre
alguns tópicos com boas ilustrações e exposição de conceitos químicos. O site contem
muitos capítulos do tópico que podem ser baixados em formato PDF.
Justificação: o aprendiz tem a possibilidade de usar esta fonte na Internet ou baixar o
ficheiro PDF desejado. Os principais capítulos neste módulo são soluções e
electroquímica, que podem ser baixados em PDF. Energéticas químicas e
termodinâmica de equilíbrio são uma leitura útil.
Link útil número 3
Título: Experiências em Fenómenos de Superfície e Colóides
URL: http://www.funscience.com
Imagem do site:
90
Descrição: conceitos básicos de química relacionados com soluções são apresentados
em forma de tabela neste site. Estes incluem concentração e propriedades coligativas.
Justificação: este link é útil para uma revisão rápida de fundamentos de soluções
químicas. Vale a pena ler antes de estudar o tópico soluções na Unidade I.
Link útil número 4
Título: Galeria divertida de ciência
URL: http://www.funsci.com/fun3_en/exper2/exper2.htm
Imagem do site:
Descrição: este site apresenta o fenómeno de superfície e colóides com imagens
vividas e coloridas. Algumas experiências são ilustradas no site. As experiências não
são somente divertidas, mas simples de executar usando materiais encontrados em
casa.
Justificação: propriedades colóides são principalmente relacionadas com superfícies
com largas áreas da partícula. Este site ajuda o aprendiz a apreciar alguns aspectos do
fenómeno de superfície.
O site é particularmente útil para a Unidade II que lida com colóides.
Link útil número 5
Título: Química
URL: http://www.public.asu.edu/~jpbirk/
Imagem do site:
91
Descrição: o site apresenta uma série de páginas sobre soluções e colóides. Os
tópicos são dados em forma de tabela de conteúdos para facilitar o seu acesso.
Justificação: a série de páginas permite ao aprendiz usar o material da Unidade II de
forma gradual e de maneira medida. O site tem links para animações, para ilustrações
de conceitos.
Link útil número 6
Título: Química Geral
URL:
http://www.vias.org/genchem/wrapnt_phase_equilibrium_and_intermolécular_interac
tions74.html
Imagem do Site:
92
Descrição: este link para um livro de Química Geral, que opera sobre uma licença de
uso comum, apresenta um número de tópicos relacionados com a dinâmica e fase de
equilíbrio. O material de aprendizagem é apresentado de maneira breve e concisa. O
material de leitura pode ser baixado ou estudado na Internet.
Justificação: o material encontrado no site é mais adequado para a unidade sobre
fase de equilíbrio. Outros tópicos relevantes incluem energética de reacções químicas
e energia livre. Aspectos de misturas espontâneas também são apresentados.
Link útil número 7
Título: Anotações de aulas para primeiro ano de química
URL:
http://www.chem.queensu.ca/people/faculty/mombourquette/firstyrchem/electro/index.ht
m
Imagem do Site:
Descrição: este é um site útil e tem um menu que permite o acesso à vários tópicos
de química geral. O material de aprendizagem é apresentado em forma de aula. Este
site também tem uma boa secção sobre computadores em química, na qual se
encontram tópicos variando de hardware, sistemas operativos para Excel e técnicas de
gráficos.
93
Justificação: este é um bom ponto para aceder um número de material de
aprendizagem adequado para quase todas as unidades deste módulo. Adicionalmente,
esta secção sobre o uso de química em computadores permite ao aprendiz obter
informação sobre pacotes de software para processamento de dados.
Link útil número 8
Título: Recursos Químicos
URL: http://www.chemtopics.com/index.html
Imagem do Site:
Descrição: este site contem um número de aulas online que estão em forma de
páginas.
As páginas podem ser visualizadas sequencialmente ou pode-se escolher saltar de um
tópico para outro. Várias demonstrações e questionários são providenciados no site.
Justificação: aulas, problemas práticos e experiências, que são relevantes para as
Unidades IV e V do módulo, são encontrados no site. Alguns questionários são
acompanhados com respostas, o que permite que o aprendiz controle o seu
entendimento conceptual da matéria. O software de multimédia necessário pode ser
baixado dos linked providenciados.
Link útil número 9
Título: VisionLearning
URL: http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=59
Imagem do Site:
94
Descrição: essencialmente, esta é uma breve discussão sobre química nuclear. O
processo fundamental e as partículas são discutidos junto com a lei de degradação
radioactiva. O site tem boas ilustrações de fissão nuclear e fusão que podem ser
activadas.
Justificação: este site aborda a química nuclear de forma muito breve, mas tem boas
simulações do processo nuclear que pode ajudar na compreensão do aprendiz.
Link útil número 10
Título: Conceito de Química
URL: http://www2.wwnorton.com/college/chemistry/gilbert/tutorials/ch2.htm
Imagem do Site:
Descrição: este recurso apresenta vários conceitos de química em capítulos. Os
materiais incluem explicações e animações que ajudam a visualizar os processos
dinâmicos.
95
O aprendiz encontra explicações à medida em que vai passando pelos recursos, mas
estes podem ser acedidos directamente.
Justificação: o material de aprendizagem encontrado neste website oferece
informação contextual importante para se estudar o módulo, mas também suplementa
o novo material que será encontrado nas Unidades IV e V.
Link útil número 11
Título: Radiação e Radioactividade
URL: http://www.physics.isu.edu/radinf/cover.htm
Imagem do Site:
Descrição: os recursos são desenhados para levar o aprendiz a um estudo sobre
radioactividade ao seu próprio ritmo. Para além de abordar a teoria fundamental,
também analisa a medição de radioactividade. Links para sites relacionados são
encontrados no site.
Justificação: o recurso oferece informação adicional sobre os elementos de
radioactividade, como vistos na Unidade V. Ele expande a perspectiva do aprendiz
através de links sobre fontes da informação como riscos de radiação e radiação a
nossa volta.
96
XV. Síntese do Módulo
Este módulo apresentou cinco tópicos principais: soluções e colóides, equilíbrio de
fase, electroquímica e química nuclear. Em soluções, analisámos o comportamento de
misturas homogéneas envolvendo substâncias puras. O estudante aprendeu que na
formação de uma solução a entalpia muda de papel no processo de solução, mas que o
poder de continuar está na desordem do sistema. A solução ideal foi descrita como
uma na qual a mudança de entalpia é zero, como no exemplo de forças
intermoleculares para soluto e solvente, igualmente. As propriedades de solução que
são influenciadas pela magnitude do soluto e não da sua natureza – propriedades
coligativas como osmose, elevação do ponto de fervura e diminuição de ponto de
congelamento foram estudadas.
Os sistemas coloidais e a distinção feita das soluções somente em termos de tamanho
do soluto foram estudados. A estabilidade dos sistemas requer que o tamanho da
partícula continue dentro do alcance coloidal. A enorme área de superfície das
partículas primeiramente influencia propriedades dos colóides. Na fase de equilíbrio,
olhamos para a transformação física de substâncias puras. O conceito de diagrama de
fase é introduzido, como forma de seguir as mudanças que acontecem quando
misturas são aquecidas ou arrefecidas. A regra de fase é introduzida para determinar o
número de variáveis que podem alterar independentemente enquanto continuam na
mesma fase. Sistemas que envolvem movimentos de matéria foram discutidos na
Unidade IV. A questão sobre as condições em que uma reacção envolvendo
transferência de electrões ocorre espontaneamente é feita e respondida em
electroquímica. A relação entre o potencial da célula e concentração é estabelecida
através da equação de Nernst. Também foi estudado o fenómeno de radioactividade,
onde núcleos de certos isótopos sofrem degradação espontânea, emitindo radiação
ionizando e não-ionizado. A natureza das diferentes interacções com a matéria de
vários tipos de radiação foi estabelecida e os riscos surgem da avaliação destas
interacções.
97
XVI. Avaliação Sumária
1. Numa amostra de 50.0 g de naftaleno (um não electrólito não volátil), C 10 H 8 , é
dissolvido em 100.0 g de benzeno, C 6 H 6 , aos 20º C. O vapor da pressão de
benzeno pura é 74.6 torr aos 20º C. Calcule a pressão a vapor da solução. (Peso
atómico: C=12.01, H=1.008).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
58.8
60.2
59.4
60.8
57.2
2. Uma solução de 1.00g de benzeno, C 6 H 6 , em 80.00g de ciclohexano, C 6 H 12 ,
reduz o ponto de congelamento de ciclohexano de 6.5 para 3.3º C. Qual é o valor
de K t para ciclohexano. (Peso atómico: C=12.01, H=1.008).
(a)
(b)
(c)
(d)
-20 C/m
-14 C/m
-16 C/m
-18 C /m
3. Um bioquímico isola uma nova proteína e determina a sua massa molar por
medições da pressão osmótica. Ela usa 0.270 g de proteína em 50.0 mL de
solução e observa uma pressão osmótica de 3.86mm de Hg para a solução aos 25º
C.
Qual é a massa molar da nova proteína?
(a)
(b)
(c)
(d)
24, 980
25,980
28, 980
29, 000
As questões que se seguem são baseadas no seguinte diagrama de fase de uma
substância hipotética.
98
300
P/atm
B
C
30
A
6
1
-105 - 15
0
50
T/C
200
4. Qual é o ponto de ebulição de uma substância aos 30 atm de pressão?
(a) 0 C
(b) -15 ºC
(c) 50 ºC
(d) -105 ºC
5. Que tipo de mudança de fase ocorre ao movimentar B para C?
(a) Vaporização
(b) Sublimação
(c) Congelamento
(d) Fusão
6. A que temperatura o ponto triplo ocorre para a substância?
(a) -15 ºC e 1 atmosfera
(b) 0 ºC e 6 atmosferas
(c) 200 ºC e 300 atmosferas
(d) - 15 ºC e 6 atmosferas
7. De que forma a substância existiria na temperatura e pressão padrão?
(a) Somente um gás
99
(b) Somente um sólido
(c) Somente um líquido
(d) Um sólido ou gás
8. Qual seria o agente redutor se os potenciais padrão para os pares A+/A, B+/B,
C+/C são +2.0V, +1.0V, e -0.5V?
(a) C
(b) B+.
(c) C+
(d) A+
9. Se o fem padrão da seguinte célula é 0.91V, qual é o potencial padrão do
eléctrodo Zn/Zn2+? Zn(s)|Zn2+ (aq)||H+, H 2 (aq)| Pt(s)
(a) 0.91V
(b) -0.91V
(c) 0.09V
(d) -0.09V
10. Se o fem padrão da seguinte célula é 0.91V, qual é o potencial padrão para o
eléctrodo H+/H 2 ?
(a) -0.91V
(b) 0.09V
(c) -0.09V
(d) 0 V
11. A voltagem padrão da célula A(s)|AB (s)|B-(aq)||C+(aq)|C(s) é 0.1V aos 25º C.
Qual é a constante de equilíbrio?
(a) 12
(b) 36
(c) 49
(d) 52
12. Em quantos dias uma amostra de degradação de 12-gramas, deixando um total de
1.5 gramas do isótopo original? (a meia vida é de 8.07 dias)
(a) 8
(b) 16
(c) 20.
(d) 24
100
13. Dada a seguinte reacção nuclear:
12
4
Be  X  126C  01n
Qual é a identidade da partícula X?
(a) Partícula alfa
(b) Partícula beta
(c) Protão
(d) Neutrino
14. Dada a seguinte equação nuclear correctamente balançada:
12
6
C
249
98
257
Cf  104
Unq  4 X
Que partícula é representada pelo “X”?
(a) 11 H
(b) 01 n
(c) 24 He
(d)
15.
67
31
0
1
n
Ga é usado em medicina nuclear para determinar o fluxo sanguíneo quando se
suspeita a presença de uma infecção da artéria coronária. Se depois do tratamento
a radiação inicial do sangue da pessoa é 20 000 por minuto, quanto tempo levaria
para a actividade descer para 4066 por minuto?
(a) 67 horas
(b) 60 horas
(c) 154 horas
(d) 28 dias
Respostas
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
(e)
(a)
(d)
(c)
(c)
(d)
(a)
(a)
(b)
(d)
57.2
-20 C/m
25,980
50 ºC
Congelamento
- 15 ºC and 6 atmosferas
somente um gás
C
-0.91V
0V
101
11.
12.
13.
14.
15.
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
49
24
Partícula alfa
1
0n
154 horas
102
XVII. Referências
Atkins, P and Paula, J.(2005). Physical chemistry. New York: Oxford University Press
Brady, J.E and Senese, F. (2004). Chemistry: matter and its changes. Hoboken, NJ: John
Wiley & Sons
Levine I. N (1995). Physical Chemistry. New York: MacGraw-Hill.
Barrow M. G. (1979). Physical chemistry. Japan, MacGraw-Hill.
Petrucci, R. H and Harwood, W. S. (1997). General chemistry: principles and modern
applications. New Jersey: Prentice-Hall International.
Fonte de animações e simulações
Breenbowe, T. Simulações de experiências Químicas e Animação Computadorizada de
Conceitos, Grupo de Pesquisa em Educação de Química, Departamento de Química,
3051 Gilman Hall, Universidade do Estado de Iowa.
http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/inde
x4.h
tml#kinetics
Sciencebuddies
http://www.sciencebuddies.org/mentoring/project_ideas/home_Chem.shtml?from=Home
103
XVIII. Resultados do Estudante
Nome do ficheiro EXCEL: My Records
Distribuição das notas
Modelo de avaliação
Trabalhos e questionários
Exercícios práticos
Testes
Examinação final
Notas
5%
15 %
20 %
60 %
XIX. PRINCIPAL AUTOR DO MÓDULO
Dr. Onesmus Munyati é docente no Departamento de Química na Universidade de
Zâmbia, em Zâmbia. Tem um diploma BSc em Química obtido na Universidade de
Zâmbia em 1989, MSc e PhD em Ciência Polímera e Tecnologia de UMIST, GrãBretanha. Também é autor de um módulo relacionado com Química Física 1, o qual já
devem ter estudado. Por favor, envie qualquer comentário ou sugestões que possam
melhorar o módulo.
Contacto: [email protected]
104