Módulo 01: Aula 2 - Os sistemas químicos e suas transformações

                                                                            Conceitos

Matéria

A Química está particularmente interessada nos fenômenos químicos, e o seu objeto de estudo é a transformação da matéria.

Matéria é todo sistema que possui massa e ocupa lugar no espaço.

Alguns exemplos de matéria são vidro, madeira, borracha, ar, etc.

Quanto à energia térmica, esta não possui massa nem ocupa lugar no espaço; então, ela não pode ser considerada matéria.

A definição de matéria é muito ampla. Para facilitar o estudo, analisamos uma parte ou porção limitada que denominamos corpo. Caso esse corpo possua uma finalidade para o homem, ele também será denominado objeto.

Exemplos: Cadeira de madeira, mesa de vidro, chinelo de borracha, etc.

Assim, papel é matéria, e caderno de papel é um corpo e também um objeto.

A matéria é formada por substâncias (na maioria das vezes constituídas por moléculas), e estas, pelas unidades fundamentais, que são os átomos.

Existem materiais diferentes, pois as substâncias que os formam são diferentes. Isso só é possível porque existem mais de 110 tipos de elementos químicos conhecidos atualmente, cujos átomos podem combinar-se, unir-se, para formar infinitos tipos de substâncias.

Sistema

      A Química é uma ciência experimental. Para fazer experiências com um determinado material, o químico precisa isolar uma porção desse material do resto do universo.

       Sistema é uma parte do universo considerada como um todo para efeito de estudo.

A) Sistema homogêneo

 É todo sistema que

• apresenta as mesmas propriedades em qualquer parte de sua extensão examinada.

• apresenta um aspecto uniforme em toda a sua extensão, mesmo quando examinado com aparelhos ópticos.

Exemplos: água + sal dissolvido, água + acetona

B) Sistema heterogêneo

É todo sistema que

• não apresenta as mesmas propriedades em qualquer parte de sua extensão.

• não apresenta aspecto uniforme em toda a sua extensão, quando examinado (com ou sem aparelhos ópticos).

Exemplos: sangue, leite, água + gelo.

Fases

Todo sistema heterogêneo é constituído de várias porções que, separadamente, são homogêneas.

Fases são as diferentes partes homogêneas que constituem um sistema heterogêneo.

Pela definição de fase, conclui-se que

• todo sistema homogêneo é monofásico, isto é, constituído de uma única fase.

• todo sistema heterogêneo é polifásico, isto é, constituído de duas ou mais fases. De acordo com o número de fases, os sistemas heterogêneos podem ser bifásicos, trifásicos, tetrafásicos, etc.

O termo sistema monofásico é usado como sinônimo de sistema homogêneo, e o termo sistema polifásico é usado como sinônimo de sistema heterogêneo.

OBSERVAÇÕES

1. Todo sistema constituído apenas de gases em equilíbrio é monofásico, não há exceção.

Exemplo: O ar atmosférico isento de partículas em suspensão é uma mistura gasosa; portanto, um sistema homogêneo ou monofásico.

Os principais componentes do ar são:

• Nitrogênio (78% em volume)

• Oxigênio (21% em volume)

• Argônio (menos de 1% em volume)

2. Os sistemas formados por dois ou mais sólidos são polifásicos ou heterogêneos.

Exemplos:

a) Granito (Quartzo, feldspato, mica)

O granito constitui um sistema heterogêneo ou polifásico; no caso particular, trifásico (fase quartzo + fase feldspato + fase mica).

b) Pólvora (carvão, enxofre, salitre)

A pólvora constitui um sistema heterogêneo ou polifásico; no caso particular, trifásico (fase carvão + fase enxofre + fase salitre).

Não há como preparar um sistema homogêneo partindo de materiais sólidos. As ligas metálicas são misturas homogêneas de metais que primeiramente são fundidos e , depois , misturados para formar solução sólida.

No caso de sistema formado por líquidos, só é possível fazer algum tipo de previsão quando se conhece a polaridade dos líquidos.

Exemplos:

a) água e álcool à 1 fase

b) Hexano e água à 2fases

c) Hexano e álcool à 1 fase

ELEMENTOS E SUBSTÂNCIAS

Representação das substâncias

As substâncias químicas são representadas por fórmulas. A mais comum é a fórmula molecular, que indica quais os elementos químicos e quantos átomos desses elementos existem em um aglomerado de átomos. No caso da água, temos H₂O, em que H e O são os elementos hidrogênio e oxigênio, respectivamente. Os números subscritos às letras são os índices, que indicam a existência de 2 átomos de hidrogênio e 1 de oxigênio em uma molécula de água.

OBSERVAÇÕES

1. O índice 1 é ocultado nas fórmulas das substâncias.

2. Quando uma substância sofre um fenômeno químico, dizemos que houve uma reação química formando novas substâncias. A reação química é representada por uma equação química.

Exemplo: A queima do álcool comum:

C₂H₅OH_(l­) + 3O_2(g) à 2CO_2(g) + 3H₂O_(g)

Substâncias que irão    Substâncias formadas

Ser transformadas        Produtos

Reagentes

Tipos de substâncias

         Podemos classificar as substâncias de acordo com o número de elementos químicos encontrados em sua fórmula ou pelo seu grau de pureza.

A) Quanto ao número de elementos químicos:

• Substância simples ou elementar

Formada por um único elemento químico. Exemplos: O₂, O₃, H₂, He, C_grafite, C_diamante, S_rômbico, S_monoclínico, P_branco, P_vermelho, etc.

• Substância composta ou composto químico

Formada por mais de um elemento químico. Possui composição definida de acordo com a Lei de Proust. Exemplos: H₂O, C₆H₁₂O₆, NaCl, AlCl₃, etc.

B) Quanto ao grau de pureza:

• Substância pura

Só possui um tipo de aglomerado de átomos, ou seja, não existe uma outra substância presente no recipiente que a contém. Exemplo: Água tridestilada.

• Mistura

Reunião de duas ou mais substâncias em um mesmo recipiente sem a alteração das características individuais destas, pois, se isso ocorrer, teremos uma reação química, e não uma mistura. As misturas, muitas vezes, são formadas por mais de um elemento químico, assim como as substâncias compostas, mas diferem delas por não possuírem composição definida. Exemplos: Ar, água de chuva, água do mar, gasolina, gás de cozinha, etc.

A maioria dos materiais são encontrados na natureza em forma de misturas; por isso, iremos estudá-las um pouco mais a fundo

A) Mistura homogênea: Possui uma única fase, um só aspecto. Exemplos: Água e álcool comum; água e sal dissolvido.

As misturas homogêneas são formadas por um solvente e por um ou mais solutos. O solvente é a substância que dissolve e está em maior quantidade na mistura. O soluto é a substância que será dissolvida e está em menor quantidade na mistura.

B) Mistura heterogênea: Possui mais de uma fase, mais de um aspecto. Exemplo: Mistura de água, areia e óleo (trifásico).

OBSERVAÇÕES 
1. Um sistema com mais de três fases é denominado polifásico.

2. Quando uma substância está mudando de estado físico, temos um sistema heterogêneo, e não uma mistura heterogênea, pois, nesse sistema, existe apenas uma substância. Exemplo: Gelo e água líquida é um sistema bifásico, pois, nessa amostra, só existe a substância água.

3. Água e óleo misturam-se? Sim. Formam uma mistura heterogênea, porém não se dissolvem. Não confunda dissolver com misturar.

TRANSFORMAÇÕES DOS MATERIAIS

A Ciência Moderna estuda três tipos de fenômenos:

Fenômenos físicos

 Transformações físicas que não alteram a estrutura interna da matéria, isto é, não mudam a identidade química das substâncias nem dos átomos. Exemplos: Furar pneu, amassar papel, quebrar vidraça.

Fenômenos químicos

São fenômenos que mudam a identidade química das substâncias, mas a identidade dos átomos se conserva. Exemplos: Fotossíntese, combustão, digestão, respiração.

Fenômenos nucleares

São fenômenos em que nem mesmo átomos se conservam, isto é, os átomos mudam a sua identidade química (transmutação). Exemplos: Decaimento alfa, decaimento beta, fusão nuclear.

OBSERVAÇÃO

Os fenômenos biológicos são fenômenos físicos e / ou químicos que ocorrem nos seres vivos.

ALOTROPIA

Alguns elementos químicos formam diferentes substâncias simples. Esse fenômeno é chamado de alotropia e as diferentes substâncias simples formadas por certo elemento são chamadas de alótropos ou variedades alotrópicas.

A diferença entre os alótropos pode estar na atomicidade ou no arranjo cristalino dos átomos ou das moléculas. Quatro importantes casos de alotropia são discutidos a seguir.

Alotropia no oxigênio

Existem duas variedades alotrópicas importantes do elemento oxigênio. No gás oxigênio, os átomos ligam-se em pares formando moléculas biatômicas (atomicidade 2) e, no ozônio, ocorrem moléculas triatômicas (atomicidade 3). Estas duas substâncias apresentam propriedades químicas e físicas bastante diferentes. O primeiro é essencial para a maioria dos seres vivos, enquanto o segundo é tóxico. Porém, a presença de gás ozônio na estratosfera é importante devido à sua capacidade de absorver radiações ultravioletas nocivas que outros gases não são capazes de reter.

Alotropia no carbono

Grafita e diamante são sólidos covalentes que diferem pelo arranjo espacial dos átomos. A grafita é formada por átomos de carbono ligados a outros três, ou seja, com geometria trigonal plana, o que leva à obtenção de estruturas chapadas ou planares com anéis hexagonais. Estas interagem umas com as outras por interações fracas. No diamante, cada átomo liga-se a outros quatro em um arranjo tetraédrico, formando uma rede tridimensional.

Já o fulereno, uma terceira variedade alotrópica importante desse elemento, é um sólido molecular em que o carbono forma moléculas contendo 60 átomos (atomicidade 60) ou mais. Os átomos formam um arranjo trigonal plano ligeiramente deformado com um sistema de anéis de cinco e seis membros.

Tanto na grafita quanto no fulereno ocorrem a presença de elétrons deslocalizados, mas apenas a grafita pode conduzir bem a eletricidade.

Alotropia no fósforo

O fósforo tem dois alótropos importantes. Um é o fósforo branco, que é constituído de átomos ligados a três outros átomos, formando moléculas tetraédricas com quatro átomos cada. É um sólido molecular típico muito reativo, inflama-se espontaneamente em contato com o oxigênio atmosférico e por isso deve ser guardado sob água. O fósforo vermelho, por sua vez, é uma espécie de polímero do primeiro. Nessa variedade alotrópica, que é considerada substância covalente, os átomos também se ligam em um arranjo tetraédrico, mas formam longas cadeias.

Alotropia no enxofre

As duas variedades alotrópicas mais estudadas do enxofre são substâncias sólidas formadas por moléculas contendo oito átomos cada (atomicidade 8). Na representação a seguir, cada átomo de enxofre, representado por uma esfera, liga-se a dois outros em um arranjo angular resultando em uma molécula em forma de coroa.

As duas substâncias diferem entre si pelo tipo de arranjo cristalino de suas moléculas. O enxofre alfa é formado por cristais rômbicos e o enxofre beta possui cristais monoclínicos. Na figura a seguir, cada molécula S₈ é representada simplificadamente por uma esfera.