Table Of ContentA874p Atkins, Peter.
Princípios de química : questionando a vida moderna e o
meio ambiente [recurso eletrônico] / Peter Atkins, Loretta
Jones, Leroy Laverman ; tradutor: Félix José Nonnenmacher
; revisão técnica: Ricardo Bicca de Alencastro. – 7. ed. –
Porto Alegre : Bookman, 2018.
Editado também como livro impresso em 2018.
ISBN 978-85-8260-462-5
1. Química. I. Título. II. Jones, Loretta. III. Laverman,
Leroy.
CDU 54
Catalogação na publicação: Karin Lorien Menoncin – CRB 10/2147
Oxford University
University of Northern Colorado
University of California, Santa Barbara
Tradução
Felix Nonnenmacher
Revisão técnica
Ricardo Bicca de Alencastro
Doutor em Físico-Química pela Universidade de Montréal, Quebec, Canadá
Professor Emérito do Instituto de Química da UFRJ
Versão impressa
desta obra: 2018
2018
Obra originalmente publicada sob o título
Chemical Principles: The Quest for Insight, 7th Edition
ISBN 9781464183959
First published in the United States by W.H.Freeman and Company, New York
Copyright ©2016 by W.H.Freeman and Company.
All rights reserved.
Gerente editorial: Arysinha Jacques Affonso
Colaboraram nesta edição:
Editora: Denise Weber Nowaczyk
Capa: Márcio Monticelli (arte sob capa original)
Imagem da capa: regionales/Shuterstock
Tradutor da 5ª. Edição: Ricardo Bicca de Alencastro
Leitura final: Monica Stefani e Amanda Jansson Breitsameter
Editoração: Clic Editoração Eletrônica Ltda.
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
BOOKMAN EDITORA LTDA., uma empresa do GRUPO A EDUCAÇÃO S.A.
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É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer
formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web
e outros), sem permissão expressa da Editora.
Princípios de química P
R
A principal proposta deste livro é instigar o estudante a refletir e questionar, fornecendo
uma base sólida sobre os princípios da química. Aprender a pensar, formular perguntas e
E
abordar problemas são tarefas essenciais para todo estudante, independentemente do nível.
Neste livro mostramos como desenvolver modelos, refiná-los de forma sistemática com F
base em dados experimentais e expressá-los quantitativamente. Com esse fim, Princípios
de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente, sétima edição, objetiva de- Á
senvolver os conhecimentos e oferecer aos estudantes uma ampla gama de ferramentas
pedagógicas. C
I
A nova organização dos conteúdos O
Nesta edição a organização dos conteúdos foi reformulada. Os assuntos são apresentados em
85 Tópicos curtos, distribuídos em 11 grupos temáticos chamados de Focos. Nosso objetivo
foi apresentar os conteúdos com o máximo de flexibilidade e clareza para o estudante e para
o professor. Tínhamos uma estrutura específica em mente enquanto escrevíamos o texto,
porém muitos professores têm suas próprias ideias sobre como usar materiais didáticos. Por
essa razão, embora o conteúdo tenha sido organizado tendo o átomo como tema principal
nas discussões, a divisão em tópicos permite adaptações, como a omissão de tópicos ou a
ordenação dos conteúdos de acordo com os objetivos específicos de ensino. Tomamos todo
o cuidado para evitar sugerir que os tópicos tenham de ser estudados na ordem apresentada.
De leitura fácil, estão divididos em seções menores, o que simplifica o uso do material nos
estudos.
Cada Foco começa com uma breve discussão sobre como os tópicos tratam do tema
e como este se relaciona com os outros temas do livro. Esta relação contextual também é
representada visualmente por meio de um “organograma” no começo de cada Foco. A ideia
é expor a estrutura do conhecimento abordado, sem influenciar a ordem da apresentação.
Por que um Quais são os O que estes prin- Como a estrutura
Como
novo sistema princípios funda- cípios revelam do átomo de
a estrutura
de mecânica mentais da nova sobre o átomo hidrogênio se
do átomo é
é necessário? mecânica? de hidrogênio? aplica a outros
estudada?
átomos?
Tópico 1A: Tópico 1B: Tópico 1C: Tópico 1D: Tópico 1E:
A observação A teoria As funções de O átomo de Os átomos
dos átomos quântica onda e os níveis hidrogênio polieletrônicos
de energia
Como a estrutura
eletrônica de
Fundamentos B Fundamentos A
um átomo se
relaciona a sua
Os elementos A matéria e posição na
e os átomos a energia Tabela Periódica?
Tópico 1F:
A periodicidade
Nossa principal motivação é ajudar os estudantes a dominar os conteúdos das disciplinas
que cursam. Por isso, cada tópico inicia com duas questões muito presente entre os alunos:
“Por que você precisa estudar este assunto?” e “Que conhecimentos você precisa dominar?”
As respostas para a segunda pergunta direcionam o estudante para os tópicos que ele deve
conhecer antes de estudar o novo. Com base nos conselhos recebidos dos nossos revisores,
vi Prefácio
nos esforçamos para que esta nova organização dos conteúdos ajude e oriente estudantes
e professores nos percursos que escolherem, aperfeiçoando a experiência em sala de aula.
Inclusive o organograma foi concebido como incentivo ao aprendizado, pois mostra como
cada tópico aborda uma questão
conceitual.
Como explicar esse fenômeno…
r Uma novidade nesta edição,
…usando a cinética? … usando a termodinâmica? especificamente no Foco 5, é a
apresentação comparativa dos
A interpretação cinética do equilíbrio é Na interpretação termodinâmica do equilí-
desdobramentos cinéticos e ter-
baseada em uma comparação de velocida- brio, as fases condensada e vapor de uma
modinâmicos de um assunto.
des opostas, como as taxas de evaporação substância estão em equilíbrio, denotado
Esta inovação pretende atender
e de condensação, neste caso. O vapor se por
às expectativas de professores que
forma à medida que as moléculas deixam a
abordam o equilíbrio a partir de
superfície do líquido devido à evaporação.
diferentes perspectivas, permi-
Entretanto, quando o número de moléculas quando não há variação na energia livre
na fase vapor aumenta, um número maior de Gibbs, ΔG (cid:31) 0 para o processo de mu- tindo que se concentrem naquela
que melhor atende a seus objeti-
delas está disponível para condensar, isto dança de fase. Em resumo, nem o processo
vos pedagógicos.
é, chocar-se com a superfície do líquido, direto nem o inverso são espontâneos no
aderindo a ela e voltando a fazer parte do equilíbrio. A pressão de vapor de um lí- Por fim, reunimosΔ as Técni-
cas Principais em um grupo, em
líquido. Eventualmente, o número de mo- quido (ou de um sólido) pode ser definida
seções disponíveis no hotsite des-
léculas que voltam ao líquido em cada se- como a pressão exercida por seu vapor em
te livro (http://apoio.grupoa.com.
gundo se iguala ao número que escapa (Fig. equilíbrio com o líquido (ou o sólido).
br/atkins7ed).
5A.2). Nessas condições, o vapor condensa Δ
com a mesma velocidade com que o líquido
vaporiza e o equilíbrio é dinâmico, porque
A revisão dos conceitos básicos
os processos direto e inverso continuam
ocorrendo, mas em velocidades idênticas. O
O livro inicia com a seção Fundamentos, identificada por margens verdes, que
equilíbrio dinâmico entre a água líquida e
apresenta os conceitos básicos da química sΔob uma ótica dinâmica. Este material é
seu vapor é representado por
uma fonte útil para referência rápida ao longo do uso do livro, mas também pode
ser adotado comoΔ material de pesquisa antes do estudo de um tema específico.
O símbolo significa que as espécies
descritas em ambos os lados estão em equi-
A abordagem inovadora a conceitos
líbrio dinâmico. Levando isso em conta, a Δ
pressão de vapor de um líquido (ou de um matemáticos
sólido) pode ser definida como a pressão
exercida por seu vapor em equilíbrio dinâ-
ll“O que esta equação revela” ajuda a interpretar uma equação em termos físi-
mico com o líquido (ou o sólido).
cos e químicos. O objetivo é mostrar que a matemática é uma linguagem que
revela aspectos da realidade.
O resultado do cálculo é que o trabalho feito quando o sistema se expande por ΔV contra
uma pressão externa constante P é
ext
w (cid:31) (cid:29)P ΔV (3)
ext
Esta expressão se aplica a todos os sistemas. Em um gás, o processo é mais fácil de visualizar,
mas a expressão também se aplica a líquidos e sólidos. Contudo, a Equação 3 só é aplicável
quando a pressão externa é constante durante a expansão.
O que esta equação revela? Quando o sistema expande, ΔV é positivo. Portan-
to, o sinal negativo na Equação 3 diz que a energia interna do sistema diminui quando
ele expande. O fator P informa que o trabalho realizado é maior para determinada
ext
variação de volume quando a pressão externa é alta. O fator ΔV diz que, para uma
dada pressão externa, quanto maior for o trabalho realizado, maior será a variação de
volume.
Em unidades SI, a pressão externa é expressa em pascals (1 Pa 1 kg·m−1·s−2, Tópico 3A),
Prefácio vii
ll“Como isso é feito?” apresenta as expressões matemáticas destacadas no texto, facilitan-
do o estudo, encorajando os estudantes a conhecer o poder da matemática (mostrando
que o progresso no estudo depende dela) e descrevendo a obtenção de equações im-
portantes a partir do conteúdo apresentado. A maior parte dos cálculos é apresentada
neste formato, o que permite sua fácil identificação, seja para não abordá-los, seja para
destacá-los. Para aqueles professores que acreditam que seus alunos possam se beneficiar
da compreensão mais profunda da matemática, estes processos de obtenção de equações
são muito motivadores. Alguns exercícios apresentados no final de cada Foco são iden-
tificados com C.
dx
Como isso é feito?
Para calcular a fração do espaço ocupado em uma estrutura de empacotamento com-
pacto, examinemos uma estrutura ccp. A primeira etapa é ver como as esferas que repre-
sentam os átomos formam os cubos. A Figura 3H.18 mostra oito esferas nos cantos dos
cubos. Somente um oitavo dessas esferas faz parte do cubo, logo, as oito esferas dos vér-
tices contribuem, em conjunto, com esfera do cubo. Metade de uma esfera em
cada uma das seis faces faz parte do cubo e, por essa razão, as esferas em cada face contri-
buem com esferas, perfazendo quatro esferas em todo o cubo. O comprimento
da diagonal da face do cubo mostrado na Fig. 3H.18 é 4r, em que r é o raio atômico. Cada
um dos dois átomos do vértice contribui com r e o átomo do centro da face contribui
com 2r. De acordo com o teorema de Pitágoras, o comprimento do lado do cubo, a, está
relacionado com a diagonal do lado segundo a expressão , ou
e, portanto, . Assim, o volume do cubo é . O volume de cada esfera é
e, desta forma, o volume total das esferas que contribuem com o volume do cubo é
. A razão deste volume ocupado para o volume total do cubo é:
a
4r
FIGURA 3H.18 Relação entre as dimensões
de uma célula unitária cúbica de face centrada
a
e o raio das esferas, r. As esferas estão em
contato ao longo da diagonal da face.
llAs equações explicativas ajudam o estudante a interpretar a conexão entre símbolos e
valores numéricos. O uso correto de unidadΔes é parte importante do vocabulário aca-
dêmico, não apenas porque é parte da linguagem química internacional, mas também
porque permite sistematizar a abordagem aos cálculos. Em contextos mais complica-
dos ou menos relevantes, as anotações são utilizadas para explicar a movimentação de
unidades.
γ
viii Prefácio
A ênfase na solução de problemas
ll“Notas de boa prática” promovem a conformidade à linguagem científica apresentando
os termos e procedimentos adotados pela União Internacional de Química Pura e Apli-
cada (IUPAC). Em muitos casos, estas notas identificam erros comuns e explicam como
evitá-los.
ção incidente.
Nota de boa prática Uma propriedade y “varia linearmente com x” se a relação en-
tre y e x pode ser escrita como y (cid:31) b (cid:28) mx, em que b e m são constantes. A propriedade
y é “proporcional a x” se y (cid:31) mx (isto é, b (cid:31) 0).
Albert Einstein encontrou uma explicação para essas observações e, no processo, modifi-
llA estratégia “Antecipe/Planeje/Resolva/Avalie” para a solução de problemas estimula
o estudante a prever uma resposta qualitativa e determinar a resposta antes de tentar
resolver a questão quantitativa. Após a solução, a previsão inicial é avaliada. Muitos es-
tudantes se sentem confusos sobre o que devem pressupor em um cálculo. Os exemplos
resolvidos incluem informações explícitas sobre o que deve ser pressuposto. Como os
estudantes processam a informação de formas diferentes, muitas etapas nos exemplos são
divididas em três componentes: uma frase qualitativa sobre o que está sendo feito, uma
explicação quantitativa com o tratamento matemático adequado e uma representação
visual que auxilia na interpretação de cada etapa.
EXEMPLO 6A.2 Cálculo da concentração de íons em uma solução de um hidróxido de metal
O hidróxido de bário é uma base usada na titulação de alguns ácidos. Para usar o composto, você precisa conhecer a con-
centração real do íon hidróxido em solução. Quais são as concentrações de íons H3O(cid:31) e OH(cid:30) em uma solução 0,0030 m
de Ba(OH)2(aq) em 25°C?
ANTECIPE Como o composto contém íons OH(cid:30), eles estarão presentes em concentração muito elevada, mas deve haver
uma pequena concentração de íons H3O(cid:31) para manter o valor de Kw.
PLANEJE A maior parte dos hidróxidos dos Grupos 1 e 2 podem ser considerados como totalmente dissociados em
solução. Decida, usando a fórmula química, quantos íons OH(cid:30) são fornecidos por cada fórmula unitária e calcule a con-
cKewn �tra [çHão3O d(cid:31)es]s[eOsH ío(cid:30)n]s. na solução. Para encontrar a concentração de íons H3O(cid:31), use a constante de autoprotólise da água,
RESOLVA
Decida se o composto está totalmente dissociado em solução.
Cpaorma doa or íboánrsi oB éa 2u(cid:31)m e OmHet(cid:30)a.l alcalino-terroso, o Ba(OH)2 dissocia quase completamente em água Rb Sr Y
Cs Ba La
Encontre a razão molar entre o íon hidróxido e o hidróxido de bário.
Calcule a concentração de íons hidróxido a partir da concentração de soluto (complete com as unidades).
Use Kw na forma [H3O(cid:31)] � Kw/[OH(cid:30)] para encontrar a concentração de íons H3O(cid:31). HO+ 10 000
3
10 000 H21O0 000
AVALIE A concentração de íons H3O(cid:31) é 1,7 pmol·L(cid:30)1 (1 pmol � 10(cid:30)12 mol), que é muito pequena, como esperado, mas
não é zero.
Teste 6A.3A Estime as molaridades de (a) H3O(cid:31) e de (b) OH(cid:30), em 25°C, em uma solução 6,0 � 10(cid:30)5 m de HI (aq).
[Resposta: (a) 60. μmol·L(cid:30)1; (b) 0,17 nmol·L(cid:30)1]
Teste 6A.3B Estime as molaridades de (a) H3O(cid:31) e de (b) OH(cid:30), em 25°C, em uma solução 2,2 � 10(cid:30)3 m de NaOH(aq).
Exercícios relacionados 6A.19, 6A.20, 6A.23 e 6A.24
Prefácio ix
llContextos reais nos Exemplos motivam os estudantes a perceber que o cálculo é uma
ferramenta importante em todos os cenários e as aplicações profissionais. Com isso em
mente, os problemas são propostos em contextos nos quais estes cálculos são possíveis.
llTestes permitem ao estudante avaliar sua compreensão sobre os conteúdos aprendidos
ou sobre um exemplo resolvido. São propostos dois testes em cada caso. A resposta do
primeiro é fornecida na sequência e a do segundo está no final do livro.
ll“Ponto para pensar” motiva o estudante a refletir sobre as implicações dos conteúdos
aprendidos e a aplicar esses conhecimentos a novas situações.
equação química tem de ser especificada quando se registra uma velocidade única.
PONTO PARA PENSAR
Como a velocidade única de uma reação muda se os coeficientes da equação química
forem dobrados?
ll“Caixas de ferramentas” mostram aos estudantes como abordar os principais tipos de
cálculo e demonstram como encontrar as relações entre conceitos na solução de proble-
mas. Servem como ferramenta pedagógica e resumos práticos de conteúdos essenciais.
Elas resumem a base conceitual das etapas seguintes, porque acreditamos que os estudan-
tes devam entender a fundo o que estão fazendo, além de serem meramente capazes de
fazê-lo. Após cada Caixa de Ferramentas seguem exemplos resolvidos aplicando a estra-
tégia de solução de problemas nela descrita, ilustrando todas as etapas do procedimento.
Caixa de ferramentas 6D.1 COMO CALCULAR O PH DE UMA SOLUÇÃO DE UM ÁCIDO FRACO
BASE CONCEITUAL Etapa 2 Substitua as concentrações de equilíbrio na expressão
de K.
Como o equilíbrio de transferência de prótons se estabelece a
assim que o ácido fraco se dissolve em água, as concentrações Etapa 3 Resolva para o valor de x, que dá [H3O(cid:31)] (da linha 3).
do ácido, do íon hidrônio e da base conjugada do ácido devem O cálculo de x pode ser frequentemente simplificado, como vi-
sempre satisfazer à constante de acidez do ácido. Essas quanti- mos na Caixa de Ferramentas 5I.1, desprezando-se as mudanças
dades podem ser calculadas construindo uma tabela de equilí- inferiores a 5% da molaridade inicial do ácido. Uma maneira
brio como a da Caixa de Ferramentas 5I.1. simples de predizer se a aproximação pode ser usada consiste
em comparar os valores de K e a concentração inicial do áci-
PROCEDIMENTO a
do fraco. Se o valor numérico de [HA] for ao menos duas
Etapa 1 Escreva a equação química e a expressão de Ka do equi- ordens de magnitude maior do que o vianilcoiarl de K (mais de 102
líbrio de transferência de prótons. Construa uma tabela com a
vezes maior), então a aproximação provavelmente será válida.
colunas denominadas ácido (HA), HO(cid:31) e base conjugada do
3 Entretanto, no final do cálculo, é preciso verificar se x é consis-
ácido (A(cid:30)). Na primeira linha, coloque as concentrações iniciais
tente com a aproximação, calculando a percentagem do ácido
de cada espécie. Nesta etapa, imagine que não houve desproto-
desprotonado. Se essa percentagem for superior a 5%, então a
nação das moléculas do ácido.
expressão exata para K deverá ser resolvida para x. O cálculo
a
Registre na segunda linha as mudanças de concentração ne- exato envolve, com frequência, a resolução de equações de se-
cessárias para que a reação atinja o equilíbrio. Suponha que a gundo grau. Se o pH for maior do que 6 (mas inferior a 7), o
concentração do ácido diminuiu x mol·L(cid:30)1 em consequência ácido está tão diluído ou é tão fraco que a autoprotólise da água
da desprotonação. A estequiometria da reação determina as de- contribuirá significativamente para o pH. Nesses casos, é preci-
mais mudanças em termos de x. Na terceira linha, registre as so usar os procedimentos descritos no Tópico 6F, que levam em
concentrações de equilíbrio para cada substância adicionando a conta a autoprotólise da água. A contribuição da autoprotólise
mudança de concentração (linha 2) aos valores iniciais de cada da água em uma solução ácida só poderá ser ignorada quando a
substância (linha 1). concentração calculada de HO(cid:31) for substancialmente (cerca de
3
10 vezes) maior do que 10(cid:30)7 mol·L(cid:30)1, o que corresponde a um
pH de 6 ou menos.
Etapa 4 Calcule o pH a partir de pH � (cid:30)log[HO(cid:31)].
3
Embora o pH deva ser calculado com o número de algarismos
significativos apropriados aos dados iniciais, as respostas são,
em geral, consideravelmente menos confiáveis do que isso. Uma
Embora uma mudança de concentração possa ser positiva das razões desta baixa precisão é que as interações entre os íons
(acréscimo) ou negativa (decréscimo), o valor da concentração em solução não estão sendo consideradas.
deve ser sempre positivo. Este procedimento está ilustrado nos Exemplos 6D.1 e 6D.2.
x Prefácio
ll“Os conhecimentos que você deve dominar incluem a capacidade de:” são listas de
conceitos-chave no final de cada tópico. Além de ser um lembrete dos temas que os es-
tudantes devem dominar, é uma oportunidade de confirmar que os conteúdos foram
assimilados.
Os conhecimentos que você deve dominar incluem a
capacidade de:
l 1. Determinar a energia de ativação a partir da relação experimental entre a temperatu-
ra e as constantes de velocidade de reação (Exemplo 7D.1).
l 2. Predizer a constante de velocidade de uma reação em uma nova temperatura se a
energia de ativação e a constante de velocidade em outra temperatura forem conhe-
cidas (Exemplo 7D.2).
l 3. Discutir os parâmetros de Arrhenius, A e E, em termos dos modelos de reação (Se-
a
ções 7D.2 e 7D.3).
llNotas de margem ao lado do trecho ao qual se referem ajudam a esclarecer conceitos e
práticas ou comentar fatos históricos.
O modelo VSEPR foi proposto pelos As estruturas de Lewis (Tópicos 2B e 2C) mostram apenas como os átomos estão
os químicos ingleses Nevil Sidgwick e ligados e como os elétrons estão arranjados em torno deles. O modelo da repulsão dos
Herbert Powell e desenvolvido pelo pares de elétrons da camada de valência (modelo VSEPR) amplia a teoria da ligação
gulos de químico canadense Ronald Gillespie. química de Lewis incluindo regras para explicar as formas das moléculas e os ângulos de
ligação:
llNovas nesta edição, cinco “Interlúdios” descrevem uma variedade de aplicações moder-
nas da química, mostrando como a disciplina é usada em contextos atuais.
llOutra novidade são os exercícios específicos para Focos e Tópicos, que representam
l
uma oportunidade de resolver problemas envolvendo os conteúdos em cada tópico (ao
final de cada tópico) e incluem exercícios que combinam conceitos de todo um Foco (ao
l
final do respectivo Foco).
l
Tópico 3I Exercícios
3I.1 Estime a densidade relativa (em comparação com o alumínio alumínio para uso na construção de aeronaves que contém 4,4% de
puro) do magnálio, uma liga de magnésio e alumínio em que 30,0% cobre, 1,5% de magnésio e 0,6% de magnésio em alumínio.
dos átomos de alumínio foram substituídos por átomos de magné- 3I.9 Uma célula unitária da estrutura da calcita é mostrada
sio sem distorção da estrutura cristalina. em http://webmineral.com. Com base nela, identifique (a) o
3I.2 Estime a densidade relativa (comparada com a do cobre puro) sistema cristalino e (b) o número de fórmulas unitárias presentes
do bronze-alumínio, uma liga com 8,0% de alumínio em massa. Su- na célula unitária.
ponha que não exista distorção da estrutura cristalina. 3I.10 Consulte http://webmineral.com e examine as células
3I.3 Como as propriedades físicas das ligas diferem das proprieda- unitárias da calcita e da dolomita. (a) Que aspectos as duas
des dos metais puros com os quais são produzidas? estruturas têm em comum? (b) No que diferem as duas estruturas?
(c) Onde estão localizados os íons magnésio e cálcio na dolomina?
3I.4 Qual é a diferença entre ligas homogêneas e heterogêneas? Dê
exemplos de cada tipo. 3I.11 A pirita de ferro (FeS2) é conhecida como o ouro dos tolos
porque se parece com o metal ouro. Entretanto, ela pode ser facilmen-
3I.5 Quando superfícies de ferro são expostas à amônia em tem-
te reconhecida pela diferença nas densidades. A densidade do ouro
peratura elevada, ocorre a “nitrificação” – a incorporação de nitro-
é 19,28 g∙cm(cid:31)3 e a do ouro dos tolos é 5,01 g∙cm(cid:31)3. Que volume de
gênio à rede do ferro. O raio atômico do ferro é 124 pm. (a) A liga
ouro dos tolos teria a mesma massa de uma peça de ouro de 4,0 cm3?
é intersticial ou substitucional? Justifique sua resposta. (b) Como
você es6perTa ique a nitdrifbicaçãoB Fmodifique as propriedades do ferro? 3I.12 A mica, com uma densidade igual a 1,5 g∙cm3, pode ser ex-
3I.6 O silício pode ser dopado com pequenas quantidades de fós-
