Química Ambiental

Ana Cecília Bulhões Figueira

Aula 1

EmentaMatéria e Energia, Estrutura atômica, Tabela periódica, Ligações químicas. Ácidos e bases. Química do ar, água e solo.

Química dos poluentes e seus efeitos sobre o meio ambiente e a saúde pública.

ObjetivosOferecer uma visão geral da Química Ambiental para que sejam capazes de relacionar questões dessa ciência aos impactos ambientais mais recorrentes e assim, propor soluções e medidas mitigadoras e de remediação.

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Plano de Ensino

Conteúdo

Capítulo 1 - Matéria e energia.

Capítulo 2 - Ácidos, bases e reações em meio aquoso.

Capítulo 3 - A química da Atmosfera.

Capítulo 4 - A química da Hidrosfera.

Capítulo 5 - A química da Litosfera.

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Plano de Ensino

Bibliografia Básica

BAIRD, C. Química Ambiental, 2 ed. Porto Alegre, Bookman, 2008.

SPIRO, T. G., STIGLIANI, W, M., Química Ambiental. 2 ed. São Paulo, Pearson, 2009.

BROWN, T. L., LEMAY, H. E., BURSTEN. B. E., BURDGE, J. R. Química uma ciência central. 9 ed. São Paulo, Pearson, 2005.

JERÔNIMO, C.E.M; MELO, H.N.S. Caracterização dos resíduos químicos de um laboratório de análises físico-químicas e microbiológicas de águas e efluentes. Rev. Elet. Em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental, v.7, n.7, p.1520-1526, mar-ago 2012.

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Plano de Ensino

Bibliografia Complementar

ATKINS, P. JONES, L. Princípios de Química - Questionando a vida moderna e o meio ambiente. Bookman, 3ª Ed. Porto Alegre, 2005. ROCHA, J. C., ROSA, A. H., CARDOSO, A. A. Introdução à química ambiental. Porto Alegre, Bookman, 2004. MANOM E. B., PACHECO, E. B. A. V., BONELLI, C. M. C., Meio ambiente poluição e reciclagem. 1ªed., São Paulo, Edgard Blucher, 2005. KOTZ, J. C., TREICHEL, P. Química e Reações Químicas. 4ªed., Rio de Janeiro, LTC, 2002. BRUICE, P. Y., Química orgânica. Vol.1, 4ªed., São Paulo, Pearson, 2006.

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Plano de Ensino

Sumário

• Matéria e Teoria Atômica

• Tabela Periódica dos Elementos

• Ligações Químicas

• Compostos Iônicos e Moleculares

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O Estudo da Matéria

MATÉRIA é todo o material físico do universo

•Três estados: sólido, líquido e gasoso

•Os comportamentos físico-químicos da matéria dependem da estrutura dos átomos que a compõem e de como interagem entre si.

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Figura 1: Diferentes exemplos dos estados da matéria.8

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SÓLIDO LÍQUIDO GASOSO

O Estudo da Matéria

9

Classificação da Matéria

Pode ser reduzida a substância mais

simples?

Composto

Matéria

Mistura heterogênea

Homogênea

É uniforme?

Substância pura

Mistura homogênea

(solução)

Tem composição variável?

Elemento

NÃO SIM

NÃO

NÃO

SIM

SIM

Entender a estrutura atômica (evolução dos modelos atômicos)

É FUNDAMENTAL

para entender como a mesma influencia nas propriedades da matéria.

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Matéria e Teoria Atômica

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• John Dalton (1803): Postulados- Toda matéria é composta por partículas menores

(átomos).

- Os átomos são indivisíveis, não podem ser criados e nem destruídos – “lei de conservação das massas”.

- Todos os átomos de um elemento são idênticos.

- Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam.

Modelos atômicos e estrutura atômica

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• J. J. Thomson (1897) – Descoberta do elétron

- O átomo é subdivisível: experimentos (raio catódico) revelaram que o átomo tem partículas carregadas negativamente (elétrons);

Figura 2: Esquematização de um tubo de raios catódicos modificado.

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005

- Relação carga/massa do elétron = 1,76.108 C.g-1

O Coulomb (C) é a unidade de carga elétrica no SI.

Figura 3: Modelo “pudim de ameixa” do átomo de J. J. Thomson.13

• Modelo atômico de J.J.Thomson

- Sugeriu que o átomo poderia ser uma esfera carregada positivamente na qual alguns elétrons estão incrustados.

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2005

• Modelo atômico de Ernest Rutherford• 1914: E. Rutherford demonstrou a existência de

uma partícula com massa muito superior a massa do elétron, porém de mesma carga e de sinal oposto.

• 1919: Carga positiva no núcleo atômico: descoberta dos prótons (+).

• 1932: J. Chadwick descoberta dos nêutrons (partícula nuclear eletricamente neutra).

14Figura 4: Representação do átomo nuclear.

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Partículas subatômicas: prótons (+), nêutrons e elétrons (-);Carga de um elétron = - 1,602.10-19 CCarga de um próton = + 1,602.10-19 C(1,602.10-19 C carga eletrônica)

15

Tabela 1 – Comparação entre partículas subatômicas

Partículas Carga

Prótons Positiva (1+)

Nêutrons Nenhuma (neutra)

Elétrons Negativa (1-)

O átomo nuclear

16

- Átomo é neutro: número de prótons = número de elétrons

- A massa do elétron é desprezível em relação à massa do próton e do nêutron.

- Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo

- Número de massa (A) = número de prótons + número de nêutrons no núcleo

átomo de Oxigênio

AZX

168O

O átomo nuclear

Isótopos

São elementos que possuem o mesmo número atômico (Z), porém com massa atômica (A) diferentes (n° neutrons ≠).

Exemplos:

17

12C

11C

14C

13C6 6 66

2H

1H

3H1 1 1

37Cl

35Cl17 17

nuclídeos

nuclídeos

nuclídeos

- A massa (em gramas) do 1H é 1,6735.10-24 g e do 16O é 2,6560.10-23 g.

- Usando (u) unidade de massa atômica:

1 u = 1,66054.10-24 g1 g = 6,02214.1023 u

- Por convenção: a massa de 12C = exatamente 12 u

- Portanto, a massa atômica do 1H=1u e do 16O=16u

A escala de massa atômica

18

Massas atômicas médias

A massa atômica relativa: massas médias dos isótopos:

O C natural: 98,892 % de 12C + 1,107 % de 13C.

A massa média do C: (0,9893)(12 u) + (0,0107)(13,00335) = 12,01 u

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A escala de massa atômica

Organização dos Elementos:A Tabela Periódica

1871: Lothar Meyer e Dmitri Mendeleev (ordem crescente de nº de massa)

Atualmente: 116 elementos

Ordem crescente de número atômico (Z) - horizontal.

Propriedades físicas e químicas similares - vertical.

20

Tabela periódica

21Figura 5: Classificação dos elementos – Tabela Periódica.

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As colunas na tabela periódica chamam-se grupos (numeradas de 1A a 8A ou de 1 a 18).

As linhas na tabela periódica chamam-se períodos.

22

19K

39,0983

Número atômico (Z)Símbolo atômico

Peso atômico

Tabela periódica

Alguns dos grupos na tabela periódica recebem nomes especiais e indicam as similaridades entre os membros de um grupo.

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Tabela 2: Grupos da tabela periódicaGrupo Nome Elementos

1A Metais alcalinos Li, Na, K, Rb, Cs, Fr

2A Metais alcalinos terrosos Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra

6A Calcogênios O, S, Se, Te, Po

7A Halogênios F, Cl, Br, I, At

8A Gases nobres He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

Tabela periódica

Propriedades Periódicas

24

Fig

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6: P

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A posição do elemento revela suas propriedades

Figura 7: Níveis e subníveis de energia.25

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-67• Modelo atômico de Niels Böhr

Níveis e subníveis energéticos

núcleo

Camadasou níveis

Níveis de Energia

Nome da Camada

n° máximo elétrons

1° K 2

2° L 8

3° M 18

4° N 32

5° O 32

6° P 18

7° Q 8

Subnível s p d f

n° máx. de e- 2 6 10 14

Distribuição eletrônica de 26Fe e

26Fe2+

26Fe = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2 3d6

26Fe2+ (- 2e-) = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6

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Diagrama de Linus Pauling

Transferência de e- camada mais externa do átomo:CAMADA DE VALÊNCIA

Energia crescente:1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d

Íons e compostos iônicos

27

Átomos podem perder ou ganhar elétrons ÍONS

Íon (+) CÁTION Íon (-) ÂNION

Átomos podem perder ou ganhar mais de um elétron

Cargas iônicas, representadas por índice superiorNos CÁTIONS: +, 2+, 3+ Nos ÂNIONS: -, 2-, 3-

28

Previsão das cargas iônicas

Posição do elemento na Tabela Periódica

Figura 8: Cargas de alguns íons encontrados em compostos comuns.

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2005

CÁTIONS ÂNIONS

METAIS tendem a perder e- e NÃO METAIS tendem a ganhar e-

Íons e compostos iônicos

Ligações químicas: transferência ou compartilhamento de e- Elementos buscam a estabilidade (regra do octeto)

COMPOSTOS IÔNICOS: formados pela combinação de íons LIGAÇÃO IÔNICA (transferência de e-)

Geralmente entre METAL + NÃO METAL29

Na+ + Cl- NaClÍon sódio Íon cloro Composto iônico

(cloreto de sódio)

Íons e compostos iônicos

São ELETRICAMENTE NEUTROS(cargas positivas = cargas negativas)

Portanto:

-existe um Na+ para cada Cl- gerando NaCl-existe um Ba2+ para dois Cl- gerando BaCl2

Em geral, a carga de um íon torna-se o índice do outro (sem sinal): Mg2+ + N3- Mg3N2

íon magnésio íon nitrogênio Composto iônico(nitreto de magnésio)

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Compostos iônicos

H• + H• H H ou H H O OC ou O C O

Ligação covalente Ligação covalente coordenada

Moléculas e Compostos Moleculares

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• Moléculas são reuniões de dois ou mais átomos ligados entre si (NÃO METAIS):

Compartilhamento de e-

• Suas fórmulas químicas indicam quais átomos compõem a molécula e em qual proporção são encontrados.

• Exemplos: H2O, CO2, CO, CH4, H2O2, O2, O3 e C2H4.

Compostos: Iônicos x Moleculares

IÔNICOS

•Formado por íons

•Combinam metais e não-metais

•Exemplos: NaCl, CaCl2

MOLECULARES

•Formado por moléculas

•Em geral, somente não-metais

•Exemplos: H2O; CH4

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Fechamento• Matéria e Teoria Atômica

• Tabela Periódica

• Ligações Químicas

• Compostos Iônicos e Moleculares

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Química Ambiental

Ana Cecília Bulhões Figueira

Atividade 1

Evolução nos modelos atômicos

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J. Dalton J.J. Thomson E. Rutherford/N. Bohr

Átomos indivisíveis

Átomos de um mesmo elemento são iguais

Átomos combinam-se entre si para formar novos compostos

Descoberta dos elétrons (-)

Átomos formados por uma esfera maciça positiva com elétrons incrustrados

“pudim de passas”

Descoberta dos prótons (+) e do átomo nuclear

Elétrons existiam ao redor do núcleo (eletrosfera)

Eletrosfera : dividida em camadas e subcamadas (por ordem de energia)

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Lítio (Li) Flúor (F)Metal Não MetalFamília 1 ou 1A: Metais Alcalinos Família 17 ou 7A: Halogênios

Número atômico = n° e- = 3 Número atômico = n° e- = 9

Distribuição eletrônica1s2 2s1 C.V. = 2s1 1s2 2s2 2p5 C.V. = 2s2 2p5

Li perde 1e- cátion Li+ F ganha 1e- ânion F-

Composto Iônico LiF (fluoreto de lítio)