Química Ambiental Ana Cecília Bulhões Figueira Revisão 1.
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Química Ambiental
Ana Cecília Bulhões Figueira
Revisão 1
Sumário1. Matéria e Teoria Atômica
2. Energia – Termodinâmica
3. Ácidos e bases – conceitos
4. Nomenclatura de ácidos e bases e reações em meio natural
5. Atmosfera: constituição e reações.
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O Estudo da MatériaMATÉRIA 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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MODELOSATÔMICOS
Evolução nos modelos atômicos
4
J. Dalton J.J. Thomson E. Rutherford/N. BohrÁtomos
indivisíveisÁtomos 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)
Tabela periódica
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Figura 7: Níveis e subníveis de energia.6
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67• Modelo atômico de Niels BöhrNíveis 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 fn° 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
7
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
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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-
O Mol
9
Mol: medida conveniente de quantidades
químicas.
1 mol de algo = 6,0221421.1023 daquele algo
(de átomos, moléculas ou íons)
6,02.1023 = n° de Avogadro
Massa molarMassa molar: é a massa em gramas de 1 mol de
substância (unidades: g/mol, g.mol-1).
1 mol de 12C tem uma massa de 12 g.
Energia - Termodinâmica
• A TERMODINÂMICA é a área de estudo que engloba energia e suas transformações.
• Relaciona conceitos de ENERGIA, CALOR, TRABALHO.
• No caso da energia das reações químicas, estudaremos a TERMOQUÍMICA.
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Energia – Sistema e vizinhança • Na TERMODINÂMICA, estudam-se as
mudanças de energia em uma parte definida do universo.
• Essa parte definida, recebe o nome de SISTEMA.
• Todo o resto é chamado de VIZINHANÇA.
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Energia - Sistema e vizinhança SISTEMAS•São divididos em três grupos:
A. Sistemas abertos: trocas de energia e matériaB. Sistemas fechados: trocas de energia C. Sistemas isolados: não há trocas
12Figura 4: exemplo de sistemas, aberto, fechado e isolado.
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Energia – 1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
Lei da conservação de energia: A ENERGIA não pode ser criada, nem destruída!
-A energia perdida pelo sistema é aproveitada pela vizinhança e vice-versa!
-Todo sistema troca energia com a vizinhança na forma de CALOR ou TRABALHO.
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Energia – 1ª Lei da TermodinâmicaO calor (q) absorvido pelo sistema ou o trabalho (w) realizado no sistema, são sempre positivos e, portanto, aumentam a ENERGIA INTERNA do SISTEMA:
Figura 3: Influência das grandezas calor e trabalho no aumento da energia.14
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E = q + w
Energia – Entalpia• As reações químicas podem absorver ou liberar calor. E
podem provocar a realização de trabalho.
• Por ex.: a produção de gás, gera trabalho:Zn(s) + 2H+
(aq) Zn2+(aq) + H2(g)
• O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume (PV).
15
Entalpia (H)
Energia - Entalpia
Figura 4: Variação da entalpia, com ganho ou perda de calor.16
Quando H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança.
Quando H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança.
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Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
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Propriedades das BASESTambém chamados de álcalis ou alcalinas;
Sabor amargo;
Sensação escorregadia;
Altera a cor de corantes vegetais;- Cor diferente dos ácidos.
Reagem com bases formando sais iônicos (neutralização);
Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
19
1880 - Svante ArrheniusÁcido é um composto que libera íons H+ em meio aquoso. HCl(g) H+
(aq) + Cl-(aq)
Base é um composto que libera íons OH- em meio aquoso. NaOH(s) Na+
(aq) + OH-(aq)
H2O
H2O
Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
1923 – Brønsted-Lowry-Definição mais abrangente (além de soluções aquosas).
-Reações ácido-base envolvem transferência de H+ entre as substâncias.
Um ácido é um doador de prótons e, uma base é um aceitador de prótons.
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Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
21
Ácidos e bases conjugados
HX(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + X-
(aq)
Reação direta
Reação inversa
Na reação direta, HX doa um H+ para a H2O
Na reação inversa, H3O+ doa um H+ para o íon X-
ÁCIDO BASE
ÁCIDO BASEHX e X- são um par ácido-base conjugados
H3O+ e H2O são um par ácido-base conjugados
Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
Figura 5: Comparação entre o perfil de dissociação de ácidos fortes e fracos.
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Forças relativas de ácidos e bases
Solução final:Dissociação
total.
Solução final:Dissociação
parcial.
Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
Produto iônico da água (Kw)-Reação em equilíbrio;
-Apresenta uma constante de equilíbrio descrita por:Kw = [H3O+][OH-] ou Kw = [H+][OH-]
Kw = [H+][OH-] = 1,0.10-14 (a 25°C)
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2H2O(l) H3O+(aq) + OH-
(aq)
H2O é ANFÓTERA!
Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
24
A escala de pHpKW = pH + pOH = 14
O produto iônico é sempre constante no equilíbrio. Consequentemente, se a concentração de H+ ou OH- aumenta, teremos nas soluções ácidas , [H+] > [OH-] nas soluções básicas [H+] < [OH-] Soluções neutras [H+] = [OH-]
Conceitos físico-químicosÁcidos e Bases
Figura 6: Escala de pH. Soluções ácidas pH<7 e soluções ácidas pH>7.25
A escala de pH
• Ao reagir um ÁCIDO com uma BASE, há a formação de SAL e H2O;
• Reação irreversível - NEUTRALIZAÇÃO;
• Ácido e base perdem suas propriedades;
HCl(aq) + NaOH(aq) H2O(l) + NaCl(aq)
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Conceitos físico-químicosReação de Neutralização
ÁCIDO BASE ÁGUA SAL
27
Nomenclatura de ácidos:• ácido + terminação –ídrico (ânion = -eto)• ácido + nome do ânion + terminações –oso e –ico
(-ico ou –ato)
Nomenclatura de bases:• ânion hidróxido + preposição DE + nome do
cátion
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ÁCIDOSH2S S-2 Ânion sulfeto Ácido sulfídricoHNO3 NO3
- Ânion nitrato Ácido nítricoHIO4 IO4
- Ânion periodato Ácido periódicoBASESLiOH Li+ Cátion lítio Hidróxido de lítioAl(OH)3 Al3+ Cátion alumínio Hidróxido de alumínioBe(OH)2 Be2+ Cátion berílio Hidróxido de berílio
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Ácidos e bases – Solução tampão• Solução que não apresenta variação de pH
quando uma pequena quantidade de ácido ou base é adicionada a ela.
• Solução tampão tem espécies ácidas que neutralizam os íons OH- e espécies básicas que neutralizam os íons H+.
HX(aq) H+(aq) + X-
(aq)
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As espécies H+ e OH- neutralizam-se, controlando o pH das águas naturais:
Controle de pH de águas naturaisSistema CO2/Carbonato
Ocorrem em inúmeras ocasiões: meio fisiológico, industrial ou no ambiente.
Caracterizam-se pela transferência de elétrons entre as substâncias.
Processos de oxidação: perda de elétrons. Processos de redução: ganho de elétrons.
Átomo oxidado transfere e- a um átomo reduzido
Reações de Oxidação-Redução (Redox)
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Agentes oxidantes e redutores •Agente oxidante é a espécie que sofre redução (ganha elétrons – diminui nox).
•Agente redutor é a espécie que sofre oxidação (perde elétrons – aumenta nox).
Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+
(aq) + Cu(s)
Ganha 2e- = reduz = agente oxidante
Perde 2e- = oxida = agente redutor
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Espécie nox
Zn(s) 0Zn2+
(aq) +2Cu2+
(aq) +2Cu(s) 0
Reações de Oxidação-Redução (Redox)
Demanda Bioquímica por O2 (DBO)
Demanda Química por O2 (DQO)
Parecida com processos naturais Diferente de processos naturais
Oxidação da MO via micro-organismos
Oxidação da MO via reagentes químicos
Cinco dias de análise RápidaPouca repetibilidade Melhor repetibilidade
• O2diss é o agente oxidante natural
• Oxida a matéria orgânica em processos de decomposição
COMPARAÇÃO ENTRE DBO E DQO
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Reações de Redox em águas naturais
A TEMPERATURA da atmosfera é uma complicada função da altitude:
Gradientes Adiabáticos de Temperatura
Pressão diminui com a altitude.
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Camadas Atmosféricas
Figura 7: Camadas da atmosfera. Variação de temperatura com altitude.
EFEITO ESTUFA Fenômeno natural que torna a Terra habitável (controle de temperatura +15°C, em vez de -18°C);
Ocorre pela presença de vapor de água e dióxido de carbono (CO2) na atmosfera;
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Radiação Solar e a Atmosfera
Não confundir...
EFEITO ESTUFA ≠ ILHA DE CALOR
O Efeito estufa (processo natural) é essencial para a vida na Terra.
O fenômeno Ilha de Calor = aumento pontual de temperatura em grandes centros urbanos (maiores emissões) em relação à zonas rurais.
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Radiação Solar e a Atmosfera
Química da Atmosfera• Todo comportamento da atmosfera é causado por
seus constituintes:
GASES, VAPOR DE ÁGUA, MATERIAL PARTICULADO (aerossol)
•Os componentes sofrem reações químicas entre si ou com a radiação solar (fotodissociação ou fotoionização).
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• A maior parte do ozônio está presente na estratrofera (região de 15 a 35 km).
• A camada de ozônio atua como um "escudo natural da Terra", pois filtra os raios UV.
• O3 absorve fótons com entre 240 e 310 nm (UV-B e UV-C nocivos).
• Na estratosfera, átomos de oxigênio colidem com moléculas de oxigênio para formar ozônio com excesso de energia, O3*:
O(g) + O2(g) O3*(g)
Camada de Ozônio
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