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John B Russell
Darllen Guimarães
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Quimica Geral - Russel - Vol 1, Notas de estudo de Química
Livro de Química
Tipologia: Notas de estudo
2013
1 / 614
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Volume I
John B Russell
Darllen Guimarães
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Sumário
Determinação da fórmula empírica a partir de uma análise elementar
A determinação de massas atômicas 243 5.4 Elétrons em átomos 244 O dilema do átomo estável 244 Energia radiante 246 Espectroscopia atômica 248 O átomo de Bohr 252 Resumo 257 Problemas 258 Problemas adicionais 260
Capítulo 6 Os elétrons 262 Tópicos gerais 262 6.1 O modelo da mecânica quântica e as energias eletrônicas 263 O insucesso da mecânica clássica 263 O princípio da incerteza de Heisenberg 264 Os níveis eletrônicos de energia 265 Configurações eletrônicas no estado fundamental: do hidrogênio ao neônio
As configurações eletrônicas: representações alternativas 271 Configurações adicionais no estado fundamental: do sódio ao argônio
A convenção cerne do gás nobre 273 Configurações adicionais no estado fundamental: do potássio ao criptônio
Configurações adicionais no estado fundamental: átomos posteriores ao criptônio
6.2 As partículas e as ondas 281 6.3 As ondas estacionárias 286 Uma onda estacionária unidimensional: vibração de uma corda 286 Uma onda estacionária bidimensional: a vibração da parte superior de um tambor
As ondas estacionárias tridimensionais 292 6.4 As propriedades ondulatórias dos elétrons 293
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- Capítulo 01 Noções Preliminares
- Capítulo 02 As Fórmulas, as Equações e a Estequiometria
- Capítulo 03 Termoquímica
- Capítulo 04 Gases
- Capítulo 05 O Átomo
- Capítulo 06 Os Elétrons
- Capítulo 07 Periodicidade Química
- Capítulo 08 Ligações Químicas
- Capítulo 09 Sólidos
- Capítulo 10 Líquidos e Mudanças de Estado
- Capítulo 11 Soluções
- Capítulo 12 Reações em Soluções Aquosas
- Apêndice A
- Apêndice B
- Apêndice C
- Apêndice D
- Apêndice E
- Apêndice F
- Apêndice G
- Apêndice H
- Apêndice I
- Apêndice J
- Capítulo 1 Noções preliminares ÍNDICE
- Tópicos gerais
- 1.1 Química: o que, por que e como?
- O que é química?
- Por que estudar química?
- Como estudar química
- 1.2 A metodologia científica
- Observações e dados
- Leis
- Teorias
- 1.3 A matéria
- Massa, inércia e peso
- Substâncias puras e misturas
- Os estados da matéria
- Elementos e compostos
- Fases
- Misturas homogêneas e heterogêneas
- 1.4 As transformações da matéria
- As transformações físicas
- As transformações químicas
- As leis das transformações químicas
- 1.5 A energia
- A energia mecânica
- O calor e a temperatura
- As unidades de temperatura
- 1.6 Os números: usos e extrapolações
- A notação exponencial
- Medidas, exatidão e precisão
- Os algarismos significativos
- A precisão em cálculos aritméticos: adição e subtração
- Os arredondamentos
- A precisão em cálculos aritméticos: multiplicação e divisão
- Outras operações
- 1.7 As unidades métricas
- As unidades si
- Os múltiplos e os submúltiplos das unidades métricas
- 1.8 Resolução de problemas numéricos
- Análise dimensional
- Os fatores unitários
- A densidade
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 2 As fórmulas, as equações e a estequiometria
- Tópicos gerais
- 2.1 Estrutura da matéria
- Os átomos
- As moléculas
- 2.2 As fórmulas químicas
- As fórmulas moleculares
- As fórmulas empíricas
- As fórmulas estruturais
- 2.3 Massa atômica e outros tipos de massa
- As massas atômicas
- As massas moleculares
- As massas de fórmulas
- 2.4 O mol
- O número de Avogadro
- Mols de átomos
- Mols de moléculas
- Mols de fórmulas unitárias
- 2.5 A composição estequiométrica
- Os significados das fórmulas químicas
- Determinação da análise elementar a partir de fórmulas
- As fórmulas moleculares
- 2.6 As equações químicas
- O balanceamento das equações por tentativas
- 2.7 Estequiometria de reações
- Os significados de uma equação química
- Os cálculos estequiométricos
- A análise de combustão
- Problemas com reagentes limitantes
- 2.8 A estequiometria de solução
- O soluto e o solvente
- A concentração molar
- A diluição
- Os ácidos e as bases
- As reações de neutralização
- Titulação
- 2.9 O mol: comentários adicionais
- A terminologia de mols de coisas diferentes
- O tamanho de um mol
- 2.10 Nomenclatura química: primeiro contato
- Nomes triviais e sistemáticos
- Os compostos binários
- Os compostos temários contendo oxigênio
- Os ácidos e as bases
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 3 Termoquímica
- Tópicos gerais
- 3.1 A primeira lei da termodinâmica
- O calor
- O trabalho
- A energia
- 3.2 O calor e a entalpia
- A entalpia
- A entalpia e a energia
- 3.3 A calorimetria
- A capacidade calorífica
- 3.4 As equações termoquímicas
- Lei de hess
- As reações de formação
- 3.5 A combustão do carvão: uma ilustração termoquímica
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 4 Gases
- Tópicos gerais
- 4.1 Variáveis usadas para descrever o comportamento de gases
- Volume
- Pressão
- Temperatura
- 4.2 Relação pressão-volume lei de Boyle
- Lei de Boyle: representação gráfica
- Cálculos da lei de Boyle
- 4.3 Efeitos da temperatura: lei de Charles
- Zero absoluto
- Cálculos da lei de Charles:
- Cálculos combinados
- 4.4 A lei do gás ideal
- Lei de Gay-Lussac da combinação dos volumes
- Princípio de Avogadro
- Derivação da lei do gás ideal
- Determinação de R
- Cálculo da lei do gás ideal
- Volume molar de um gás ideal
- Massa molecular a partir da densidade do gás
- 4.5 Outras propriedades de um gás ideal
- Lei de Dalton das pressões parciais
- Gases coletados sobre água
- Lei de Graham de difusão e efusão
- 4.6 Teoria cinético-molecular
- Análise do modelo
- Teoria cinético-molecular e as leis dos gases
- Estequiometria dos gases
- Gases reais
- Desvios da lei do gás ideal
- Equações de estado para gases reais
- Teoria cinético-molecular e gases reais
- Resfriamento com expansão
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 5 O átomo
- Tópicos gerais
- 5.1 Primeiros modelos atômicos
- O átomo de Dalton
- Os primeiros experimentos de eletrólise
- Experimentos em tubos de Crookes
- O átomo de Thomson
- 5.2 O átomo nuclear
- O átomo de Rutherford
- O átomo moderno
- Isótopos
- 5.3 Massas atômicas
- Abundância isotópica
- As equações de onda
- O orbital ls
- Os orbitais 2s e 3s
- Os orbitais 2p e 3p
- Os orbitais 3d
- Os orbitais f
- As distribuições de múltiplos elétrons
- 6.5 Os números quânticos
- O número quântico principal, n
- O número quântico azimutal, l
- O número quântico magnético, ml
- O número quântico spin, m s
- O princípio de exclusão de Pauli
- Os números quânticos e os nós
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 7 Periodicidade química
- Tópicos gerais
- 7.1 A descoberta da lei periódica
- Desenvolvimentos preliminares
- Periodicidade: uma descrição moderna
- A tabela periódica moderna
- 7.2 A periodicidade nas configurações eletrônicas
- 7.3 A periodicidade nas propriedades atômicas
- Raio atômico
- Energia de ionização
- Afinidade eletrônica
- 7.4 A periodicidade das propriedades físicas
- Densidades e pontos de fusão
- Metais e não-metais
- 7.5 A periodicidade nas propriedades químicas
- Metais
- Não-metais
- Hidroxi-compostos: ácidos e bases
- A periodicidade na estequiometria
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 8 Ligações químicas
- Tópicos gerais
- 8.1 Ligações iônicas
- A formação das ligações iônicas
- As estruturas de Lewis dos átomos
- As estruturas de Lewis dos íons monoatômicos
- As estruturas de Lewis de compostos iônicos
- Ligação iônica e energia
- A formação de um composto iônico sólido
- 8.2 Ligação covalente
- A molécula de hidrogênio
- As estruturas de Lewis e a ligação covalente
- Ligações múltiplas
- Ligações covalentes normal e coordenada
- A regra do octeto: apenas um guia
- Ressonância
- 8.3 Eletronegatividade
- Periodicidade e eletronegatividade
- Eletronegatividade e tipo de ligação
- 8.4 Energias de ligação
- Energias de ligação
- Energias médias de ligação
- 8.5 Balanço de cargas, parte I: cargas formais
- 8.6 Repulsão dos pares eletrônicos
- O método VSEPR
- 8.7 A polaridade das moléculas
- Moléculas diatômicas
- Molécula triatômicas
- Outras moléculas
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 9 Sólidos
- Tópicos gerais
- 9.1 Os sólidos: algumas observações preliminares
- Propriedades gerais dos sólidos
- Cristais
- 9.2 Difração de raios X
- O mecanismo da difração
- A equação de Bragg
- Aplicações da difração de raios X
- 9.3 O retículo cristalino
- A cela unitária
- Alguns retículos cristalinos representativos
- 9.4 Empacotamento denso
- O empacotamento denso de esferas idênticas
- Cristais com estruturas de empacotamento denso
- Vazios tetraédricos e octaédricos
- Estruturas cristalinas baseadas no empacotamento denso
- 9.5 Ligações e propriedades dos sólidos
- Sólidos iônicos
- Sólidos moleculares
- Sólidos covalentes
- Sólidos metálicos
- 9.6 Energia reticular
- Defeitos em cristais
- Defeitos lineares
- Defeitos puntuais
- Semicondutores
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 10 Líquidos e mudanças de estado
- Tópicos gerais
- 10.1 Líquidos
- Propriedades gerais dos líquidos
- Evaporação
- 10.2 Equilíbrio e pressão de vapor
- Equilíbrio líquido-gás
- Ebulição
- Calor de vaporização
- Superaquecimento
- 10.3 A variação da pressão de vapor com a temperatura
- 10.4 Equilíbrio sólido-líquido
- Congelamento
- Calor de fusão
- Supercongelamento
- Vidros
- 10.5 Mudanças de estado
- Curvas de aquecimento
- Curvas de congelamento
- 10.6 Equilíbrio e o princípio de Le Châtelier
- Equilíbrio líquido-gás e variações de temperatura
- Equilíbrio líquido-gás e variações de pressão
- Equilíbrio sólido-líquido e variações de temperatura
- Equilíbrio sólido-líquido e variações de pressão
- Equilíbrio sólido-gás
- Ponto crítico
- Outros equilíbrios de fase
- 10.7 Diagramas de fases
- Água
- Água: diagrama de fases a alta pressão
- Dióxido de carbono
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 11 Soluções
- Tópicos gerais
- 11.1 Propriedades gerais das soluções
- 11.2 Tipos de soluções
- Soluções gasosas
- Soluções líquidas
- Soluções sólidas
- 11.3 Unidades de concentração
- Fração molar
- Percentagem molar
- Molaridade
- Molalidade
- Percentagem em massa
- 11.4 Solubilidade
- O mecanismo de dissolução
- A água e as ligações de hidrogênio
- Saturação e solubilidade - solutos não-dissociáveis
- Saturação e solubilidade - solutos dissociáveis
- Calor de solução
- Solubilidade e temperatura
- Solubilidade e pressão
- 11.5 Propriedades coligativas
- O abaixamento da pressão de vapor
- A lei de Raoult
- A elevação do ponto de ebulição
- A diminuição do ponto de congelamento
- Pressão osmótica
- Osmose reversa
- 11.6 Eletrólitos
- Dissociação
- A dissociação de eletrólitos iônicos
- A dissociação de eletrólitos moleculares
- As forças dos eletrólitos
- Equilíbrio e grau de dissociação
- Ácidos, bases e sais
- Hidratação de íons
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Capítulo 12 Reações em soluções aquosas
- Tópicos gerais
- 12.1 As reações ácidos-base
- A definição de Arrhenius
- A definição pelo sistema solvente
- A definição de Brönsted-Lowry
- A definição de Lewis
- 12.2 As reações de precipitação e complexação
- A precipitação
- Equações iônicas simplificadas
- A complexação
- 12.3 Equações simplificadas para reações em soluções aquosas
- Tipos de reações
- Equações para reações de precipitação
- Equações para formação de eletrólitos fracos
- Usando as generalizações
- 12.4 Balanço de cargas, parte II: número de oxidação
- Números de oxidação: método
- Números de oxidação: método
- Exemplos
- 12.5 As reações de transferência de elétrons
- A oxidação e a redução
- O balanceamento de equações redox
- Equações para reações redox sem solvente
- Equações para reações redox - soluções aquosas
- 12.6 A estequiometria de solução
- Estequiometria ácido-base
- Equivalentes de ácidos e bases
- Equivalente massa
- Normalidade
- Estequiometria redox
- Outros tipos de reações em solução
- Resumo
- Problemas
- Problemas adicionais
- Apêndice A Glossário de termos importantes
- Apêndice B Unidades, constantes e equação de conversão
- B.1 Unidades
- Unidades SI
- Prefixos métricos
- B.2 Constantes físicas
- B.3 Equações de conversão
- B.1 Unidades
- Apêndice C Nomenclatura química
- C.1 Nomes triviais
- C.2 Nomenclatura sistemática inorgânica
- Elementos
- Cátions
- Ânions
- Sais, óxidos e hidróxidos
- Ácidos
- Outros compostos inorgânicos
- Complexos
- C.3 Nomenclatura sistemática orgânica
- Hidrocarbonetos
- Derivados de hidrocarbonetos
- Apêndice D Operações matemáticas
- D.1 Equações lineares e seus gráficos
- D.2 Equações quadráticas
- D.3 Logaritmos
- Apêndice E Método de Clark para representar a estrutura de Lewis
- Apêndice F Pressão de vapor da água
- Apêndice G Algumas propriedades termodinâmicas a 25 °C
- Apêndice H Constantes de equilíbrio a 25 °C
- H.1 Constantes de dissociação de ácidos fracos
- H.2 Constantes de dissociação de bases fracas
- H.3 Produtos de solubilidade
- Apêndice I Potenciais de redução padrão a 25 °C
- Apêndice J Respostas dos problemas numéricos selecionados
Capítulo 1
NOÇÕES PRELIMINARES
TÓPICOS GERAIS
1.1 QUÍMICA: O QUE, POR QUE E
COMO?
O que é química? Por que estudar química? Como estudar química
1.2 AMETODOLOGIA CIENTÍFICA
Observações e dados Leis Teorias
1.3 A MATÉRIA
Massa, inércia e peso Substâncias puras e misturas Os estados da matéria Elementos e compostos Fases Misturas homogêneas e heterogêneas
1.4 AS TRANSFORMAÇÕES DA
MATÉRIA
As transformações físicas As transformações químicas As leis das transformações químicas
1.5 A ENERGIA
A energia mecânica O calor e a temperatura As unidades de temperatura
1.6 OS NÚMEROS: USOS E
EXTRAPOLAÇÕES
A notação exponencial Medidas, exatidão e precisão Os algarismos significativos A precisão em cálculos aritméticos: adição e subtração Os arredondamentos A precisão em cálculos aritméticos: multiplicação e divisão Outras operações
1.7 AS UNIDADES MÉTRICAS
As unidades SI Os múltiplos e os submúltiplos das unidades métricas
1.8 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS
NUMÉRICOS
Análise dimensional Os fatores unitários A densidade
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em detergentes, limpadores de forno, condicionadores de ar, açúcar refinado, café sem cafeína, alvejantes de roupas, antiperspirantes, ervas daninhas, conservantes de madeira e aspirina? Encontrar respostas para tais perguntas é uma forma de amenizar o "peso" ocasionado pelo conhecimento químico. A química atua como um instrumento prático para o conhecimento e a resolução de problemas em muitas áreas de atuação da vida humana. É usada rotineira e extensivamente em engenharia, agricultura, silvicultura, oceanografia, física, biologia, medicina, tecnologia de recursos ambientais, nutrição, odontologia, metalurgia, eletrônica, ciência espacial, tecnologia fotográfica e em inúmeros outros campos. Algumas pessoas estudam química simplesmente para satisfazer suas curiosidades naturais a respeito da realidade física. Elas estudam química por gosto próprio, devido ao que se revela sobre a natureza do universo e do nosso pequeno mundo, a Terra. Estudar o comportamento químico da matéria pode ser um interessante passatempo que, algumas vezes, conduz a uma vocação recompensadora.
COMO ESTUDAR QUÍMICA
As técnicas de estudo são muito individuais, e fornecer um ponto de referência de como estudar química (ou alguma outra disciplina) é arriscado. Um método de estudo satisfatório, para uma pessoa pode ser inconveniente para outra. Entretanto, considere as seguintes sugestões que podem ser úteis e auxiliares no desenvolvimento de suas próprias técnicas de aprendizagem em química:
- Leia este livro lenta e cuidadosamente. A velocidade de leitura pode ser uma virtude, mas não é provavelmente uma boa idéia para este livro. Não se apresse, utilize o tempo que for necessário.
- Responda às perguntas e resolva os problemas que se encontram no final de cada capítulo. De qualquer forma eles são propostos pelo seu professor. Cada bloco não deve ser considerado como um apêndice opcional extra, porém como parte integrante do capítulo. Os problemas foram preparados para auxiliá-lo no aprendizado, e não simplesmente para testar o seu progresso. A resolução dos problemas é absolutamente essencial. Para aprender química, em primeiro lugar deve-se tentar a resolução dos problemas, e não apenas lê-los ou escutá-los.
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- Estude criticamente e monitore seu próprio processo de aprendizagem. Ao ler os enunciados neste livro, questione-os. Verifique se realmente você entende a palavra, a frase, o parágrafo e a seção. Então, se a resposta for "não", empenhe-se um pouco mais. Ao perceber que o significado de um termo lhe parece vago ou não muito claro, consulte o Glossário ou o Índice Analítico, assim aprenderá a usá-los rotineiramente. Finalmente, deverá estar pronto para inter-relacionaras informações. Com certeza esta forma de estudo é demorada, mas funciona.
- Em todo o livro há exemplos de problemas numéricos resolvidos. Não ignore estas resoluções. Os problemas resolvidos permitem o entendimento de importantes conceitos químicos, e pode-se aprender muito mais com as resoluções do que com a leitura de páginas e páginas escritas. Segue-se a estes exemplos um segundo problema similar ao primeiro, com a resposta. Não o ignore, tente resolvê-lo sozinho.
- Não se intimide perante termos e conceitos que à primeira vista parecem estranhos. Na maior parte das vezes "estranho" significa apenas não-familiar; dê a si próprio um certo tempo para familiarizar-se com as novas idéias. Em breve você estará pensando, conversando e escrevendo sobre orbitais, ligantes e tetraedros (ou você já os conhece?), assim como você faz com maçãs, elefantes e videocassetes.
1.2 A METODOLOGIA CIENTÍFICA.
O processo de aquisição do conhecimento científico é freqüentemente atribuído ao método científico, fundamento de toda a ciência.
OBSERVAÇÕES E DADOS
O processo científico é iniciado com observações. Embora estas sejam algumas vezes acidentais, são normalmente realizadas sob condições rigorosamente controladas no laboratório. As observações podem ser qualitativas - tem relação com a natureza ou qualidade de alguma coisa, sem considerar a quantidade - (pode-se observar, por exemplo, que a cor de uma certa rosa é simplesmente vermelha) ou quantitativas - tem relação com a quantidade de alguma coisa, expressa numericamente - (pode-se usar um instrumento para obter um valor numérico do comprimento de onda da luz refletida nas pétalas de rosa). (Ver a Seção 5.4.)
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