UNIDADE
4
MOLÉCULAS EM MOVIMENTO

A ocorrência das reações químicas, a rapidez com quêque elas acontecem e como elas podem chegar a um estado de equilíbrio dinâmico dependem de diversos fatores, como da energia e da relação entre energia e movimentação de moléculas (e outras espécies). Entender esses fatores contribui para uma melhor compreensão de como os fenômenos químicos ocorrem, tanto no cotidiano quanto em contextos mais compléksoscomplexos. Na imagem, reação de combustão da sacarose.

Respostas e comentários estão disponíveis nas Orientações para o professor.

1. Em seu entendimento, qual é o papel da energia na ocorrência das transformações físicas e químicas?

2. O quêque pódepode significar a afirmação chegar a um estado de equilíbrio dinâmico?

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TEMA
19
Química e energia

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

Nos últimos séculos, o avanço da Ciência permitiu o surgimento de diversas áreas de estudo quêque buscam compreender fenômenos diversos. Entre essas áreas, muitas se dedicam à investigação de materiais e suas transformações, desde fenômenos cotidianos até processos industriais compléksoscomplexos. Um dêêssesdesses campos é a Termodinâmica, quêque se concentra no estudo da energia e de suas transformações. Ela permite a compreensão de como a energia é transferida, armazenada e utilizada em diferentes sistemas, sêjamsejam eles físicos ou químicos. A Termodinâmica abrange uma vasta gama de aplicações, desde o funcionamento de motores a combustão até o comportamento de sistemas biológicos.

Nesse contexto, surge a Termoquímica, um subcampo quêque se dedica a investigar as variações de energia quêque acompanham as transformações químicas. A Termoquímica tem como objeto de estudo o calor liberado ou absorvido pelas reações químicas, ajudando a entender como a energia está envolvida na quebra e na formação de ligações entre hátomusátomos e moléculas. Com o conhecimento gerado por esse subcampo, é possível aperfeiçoar processos industriais, a produção de combustíveis e a fabricação de materiais. Pode-se também, com suas ferramentas conceituais, abordar fenômenos naturais, como a respiração celular e a fotossíntese. Em outras palavras, a Termoquímica possibilita a compreensão dos processos energéticos quêque regem tanto as inovações tecnológicas quanto o mundo natural.

Assim, ao estudar esse subcampo, é possível se tornar áptoapto para enfrentar desafios contemporâneos, como a busca por fontes de energia rêno-váveisrenováveis.

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Introdução à Termoquímica

Para dar início aos estudos de Termoquímica, é preciso conhecer alguns conceitos e nomenclaturas.

O primeiro conceito a sêrser abordado é a tempera-túratemperatura (T). Trata-se de um parâmetro relacionado à energia cinética média, ou seja, ao grau de agitação e de movimento de um conjunto de partículas (átomos, moléculas,íons etc.). Quanto maior for a tempera-túratemperatura, maior será o movimento das partículas e, consequentemente, maior será a energia cinética delas.

Já o calor (Q) pódepode sêrser entendido como a energia térmica em movimento. Ele é transferido espontaneamente de um corpo com maior tempera-túratemperatura para outro com menor tempera-túratemperatura até quêque as tempera-túrastemperaturas se igualem. É por isso quêque, por exemplo, uma xícara de chocolate kemtequente esfria ou um cubo de gêlogelo derrete quando são deixados em repouso à tempera-túratemperatura ambiente. No primeiro caso, o calor é transferido do líquido para o ambiente (a tempera-túratemperatura do líquido é maior do quêque a ambiente); no segundo, a transferência de calor ocorre do ambiente para o cubo de gêlogelo (a tempera-túratemperatura ambiente é maior do quêque a do cubo de gelo). Acompanhe uma representação de processo de transferência espontânea de calor.

Os corpos A e B estão inicialmente a tempera-túrastemperaturas diferentes, sêndosendo a tempera-túratemperatura de A maior do quêque a de B. Se eles forem colocados em contato, a energia térmica é transferida de A para B até quêque, após cértocerto tempo, suas tempera-túrastemperaturas se igualam. Nesse contexto, um equilíbrio térmico é atingido.

REFLITA

1 por quêPor que sentimos frio?

SOBRE

Nesse contexto, o termo corpo se refere a qualquer porção de matéria quêque possa sêrser individualizada e considerada um objeto de estudo. Um corpo pódepode sêrser um objeto macroscópico, como um carro ou uma pedra, ou uma partícula microscópica, dependendo do contexto da análise. Em geral, a expressão é usada para descrever um sistema quêque tem massa, ocupa espaço e pódepode sêrser sujeito a forças, movendo-se ou interagindo com outros corpos de acôr-doacordo com as leis da Física.

AlGO A+
Como funcionam agasalhos e cobertores?

É de conhecimento popular quêque agasalhos e cobertores têm a função de esquentar. Entretanto, não é exatamente isso o quêque acontece. Eles não transferem calor para o corpo das pessoas, como uma fogueira ou um aquecedor elétrico. Agasalhos e cobertores impedem quêque o corpo transfira calor para o ambiente, considerando quêque a tempera-túratemperatura do corpo é maior do quêque a ambiente em estações frias.

A capacidade de impedir a transferência de calor acontece porque agasalhos e cobertores são feitos de materiais, chamados de isolantes térmicos, quêque dificultam as trocas de calor com o ambiente. A garrafa térmica, por exemplo, também é produzida com materiais quêque impedem a transferência de calor do líquido para o ambiente. Por causa do material isolante, a tempera-túratemperatura dos líquidos no interior da garrafa pódepode se manter relativamente estável por longos períodos.

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A unidade de medida para energia, adotada pelo Sistema Internacional de Unidades, é o Jáulejoule (J). Entretanto, em muitas situações, a energia também é representada por uma unidade de medida chamada caloria (cal). Uma caloria equivale a aproximadamente 4,18 J e é definida como a energia necessária para elevar a tempera-túratemperatura de 1 g de á guaágua de 14,5°C para 15,5°C à pressão atmosférica de 1 atm.

Em pesquisas científicas, ao descrever determinado fenômeno ou objeto de estudo, é fundamental sêrser sistemático e objetivo. É importante deixar claras as condições em quêque as observações foram feitas.

Considere um estudo a respeito das trocas de calor em um copo com café kemtequente. A região do universo quêque será estudada (no caso, o copo e seu conteúdo) chama-se sistema, e a região quêque está ao redor do sistema é chamada vizinhança. Além díssudisso, o sistema é separádoseparado da vizinhança por uma fronteira, quêque é o limite entre essas regiões.

Os sistemas, de acôr-doacordo com as interações com a vizinhança, podem sêrser de três tipos: aberto, fechado ou isolado.

Vale mencionar quêque essas definições são relativas.

Um sistema pódepode passar a englobar parte da vizinhança e se tornar outro sistema sôbisob estudo.

Em um sistema aberto, é possível havêerhaver troca de matéria e de energia com a vizinhança. Por exemplo, um copo de café kemtequente, destampado, libera calor e vapor de á guaágua para a vizinhança.

Um sistema fechado permite apenas a troca de energia, mas não de matéria, com a vizinhança. O copo de café com tampa, idealmente (já quêque essas tampas apresentam frestas), corresponderia a um sistema fechado. Nesse caso, não há liberação de vapor de á guaágua para o ambiente, mas há troca de calor com a vizinhança.

Já um sistema isolado não permite a troca de matéria nem de calor com a vizinhança. Pode-se considerar, por exemplo, também idealmente, uma garrafa térmica tampada como um sistema isolado. As paredes dêêssedesse objeto são duplas, intercaladas por um espaço vazio (vácuo), o quêque dificulta bastante as trocas de calor entre o líquido em seu interior e a vizinhança.

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Representação de transformações exotérmicas e endotérmicas

REFLITA

2 Que processos você conhece quêque cedem energia ao ambiente? E os quêque recebem energia do ambiente?

Para o preparo de sorvete ou picolé, além dos ingredientes necessários para obtêrobter o sabor desejado, é fundamental utilizar uma máquina quêque retire o calor da mistura dos ingredientes, diminuindo sua tempera-túratemperatura e permitindo quêque o sorvete atinja uma textura cremosa.

Dessa maneira, pode-se dizêrdizer quêque a transformação quêque acontece no sistema, a mudança para um material mais cremoso e menos líquido, é exotérmica (exo- vêmvem do grego ékso, quêque significa “para fora”). Assim, um processo exotérmico é aquele em quêque o sistema libera calor para a vizinhança. Considerando o sorvete um sistema quêque passa por uma transformação física, pode-se afirmar quêque a solidificação é um processo quêque envolve a liberação de calor.

Há muitas transformações químicas quêque são exotérmicas. Como exemplo, é possível citar a quêqueima de gás metano, combustível usado para a geração de energia em algumas propriedades rurais. Em reações exotérmicas, a energia final do sistema (energia dos produtos) é menor do que a energia inicial (energia dos reagentes).

O processo exotérmico pódepode sêrser representado por um gráfico de energia em função do caminho da reação na qual o patamar energético dos reagentes é mais alto do quêque o dos produtos.

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Já o derretimento das geleiras em razão do fenômeno do aquecimento global é um exemplo de processo em quêque a vizinhança (o ambiente) transféretransfere calor para o sistema (as geleiras).

Pode-se dizêrdizer quêque a transformação quêque acontece nesse sistema é endotérmica (endo- vêmvem do grego éndon, quêque significa “para dentro”). Assim, um processo endotérmico é aquele em quêque o sistema recebe calor da vizinhança.

ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• A reportagem comenta a gravidade da situação da geleira Thwaites, quêque está derretendo mais rápido do quêque se imaginava.
DERRETIMENTO da ‘geleira do juízo final’ é mais alarmante do quêque se pensava. UOL, [s. l.], 23 maio 2024. Disponível em: https://livro.pw/tiyqs. Acesso em: 1 out. 2024.

Há transformações químicas quêque são endotérmicas. Muitos alimentos são assados, fritos ou cozidos para quêque a textura e o sabor originais sêjamsejam transformados. Todas essas formas de preparo apresentam uma semelhança: a vizinhança (alguma fonte de calor) fornece calor para o sistema (o alimento). Em reações endotérmicas, a energia final do sistema (energia dos produtos) é maior do quêque a energia inicial (energia dos reagentes).

O processo endotérmico também pódepode sêrser representado por um gráfico de energia em função do caminho da reação na qual o patamar energético dos reagentes é mais baixo do quêque o dos produtos.

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OFICINA CIENTÍFICA
Reações químicas podem sêrser utilizadas para produzir calor?

Neste experimento, será analisado o enferrujamento acelerado de um chumaço de palha de aço em contato com vinagre, quêque age como um facilitador e remove a camada protetora da superfícíesuperfície da palha de aço. O objetivo do experimento é demonstrar quêque a oxidação do ferro envolve a liberação de energia na forma de calor, bem como explorar as evidências da ocorrência de reação química.

Materiais

• Palha de aço.

• uma colher1 colher de sopa.

• 1 copo de plástico transparente e resistente.

• 1 tampa de plástico ou filme estirável de pê vê cêPVC para vedar o copo.

• Vinagre.

• Termômetro digital.

Na ausência de um termômetro, é possível sentir o aumento de tempera-túratemperatura tokãndotocando na parte externa do copo. Apesar de não havêerhaver riscos de queimaduras, orientar os estudantes nesse procedimento.

Procedimentos

• Abra a palha de aço para aumentar sua área de contato.

• Coloque-a dentro do copo.

• méçaMeça a tempera-túratemperatura do sistema com um termômetro.

• Coloque uma côlhercolher de sopa de vinagre dentro do copo.

• Cubra o copo com a tampa ou o filme de pê vê cêPVC (certifique-se de quêque está muito bem vedado).

• Agite o copo para espalhar o vinagre por toda a palha de aço.

• Retire a tampa ou o filme de pê vê cêPVC e meça novamente a tempera-túratemperatura do sistema.

ATIVIDADES

1. O quêque ocorreu com a tempera-túratemperatura do sistema?

2. O quêque aconteceu com a palha de aço e com o vinagre?

3. De onde veio a energia térmica?

Calorimetria

Conhecer a quantidade de calor envolvida em determinado processo químico pódepode sêrser muito vantajoso. Para a construção de motores a combustão, por exemplo, como os dos carros, é necessário saber quanto calor será produzido, não só para desenvolver um sistema quêque permita um melhor aproveitamento do calor gerado como também para promover um resfriamento adequado.

REFLITA

3 por quêPor que é importante conhecer o valor energético dos alimentos? Como essa informação pódepode sêrser útil no dia a dia?

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pódePode sêrser interessante introduzir um pouco de contexto histórico, comentando com os estudantes quêque LavoisiêLavoisier e Laplace inventaram o calorímetro de gêlogelo em 1784. Para saber mais, recomenda-se a leitura do artigo “Calorímetro de gêlogelo: uma abordagem histórica e experimental para o ensino de química na graduação”, disponível em: https://livro.pw/gfbhp (acesso em: 1 out. 2024).

O calor pódepode sêrser medido com a utilização de calorímetros, por meio de um conjunto de técnicas e métodos chamado calorimetria. Um dos tipos mais comuns de calorímetro, conhecido como calorímetro de bomba (ou calorímetro de volume constante), é compôztocomposto de uma câmara de combustão, onde o material a sêrser analisado, geralmente um alimento ou um combustível, é queimado. A câmara fica imérsaimersa em á guaágua, e termômetros médemmedem a variação de tempera-túratemperatura da á guaágua. Como esse é um sistema isolado, todo o calor proveniente da combustão do objeto em estudo é absorvido pela á guaágua.

Uma das aplicações do calorímetro é a determinação aproximada da quantidade de calorias, também chamada de valor energético, quêque os alimentos fornecem quando são digeridos. A quantidade de calor (Q) pódepode sêrser calculada por meio da multiplicação entre a variação de tempera-túratemperatura da á guaágua ((delta)"ΔT), a massa de á guaágua utilizada no calorímetro (m) e a capacidade térmica específica (c) da á guaágua, também chamada de calor específico.

A capacidade térmica específica, ou o calor específico, corresponde à quantidade de energia necessária para elevar em 1°C a tempera-túratemperatura de 1 g de uma substância. No caso dêêssedesse calorímetro, é usada a á guaágua como referência, independentemente do alimento quêque está sêndosendo queimado na câmara de combustão.

O sinal da quantidade de calor está atrelado ao tipo de processo quêque ocorre. Se for um processo quêque envolve absorção de calor, endotérmico, Q é positivo; se for um processo quêque envolve liberação de calor, exotérmico, Q é negativo.

Q = m ⋅ c ⋅ (delta)"ΔT

Imagine quêque você deseja saber quão calórica é uma barra de chocolate. Para isso, basta utilizar o calorímetro com uma quantidade conhecida dêêssedesse chocolate e monitorar a variação de tempera-túratemperatura da á guaágua, cuja quantidade também deve sêrser conhecida.

Suponha quêque a quantidade de chocolate utilizada tenha sido 1 g, o calorímetro tenha 1.000 g de á guaágua e a variação de tempera-túratemperatura tenha sido de 5°C. Sabendo quêque a capacidade térmica específica da á guaágua é 1 cal/g ⋅ °C, pode-se calcular a quantidade de calorias em 1 g do chocolate.

Q = 1.000 g ⋅ 1 cal/g°C ⋅ 5 ⋅ °C

Q = 5.000 cal

É importante ter em mente quêque o processo de digestão é mais compléksocomplexo do quêque o simulado em um calorímetro, o quêque significa quêque o valor obtídoobtido não é exatamente igual ao quêque o alimento libera durante a digestão. Entretanto, a simulação é precisa o suficiente para auxiliar no entendimento do valor energético e da composição dos alimentos.

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AlGO A+
A verdade sobre as calorias

[...] Usando um aparelho chamado calorímetro respiratório, quêque médemede a inspiração de oxigênio e a expiração de CO₂, é possível calcular quanta energia o organismo está consumindo em um determinado momento. Fazendo essa medição, várias pesquisas constataram quêque, depois quêque comemos, nosso gasto calórico aumenta – porque a digestão dos alimentos consome uma parte da energia contida neles. A proteína é o nutriente quêque mais requer energia para sêrser digerido – de 20% a 35% das calorias contidas no alimento são gastas no próprio processo de digestão e processamento dele. Isso significa quêque, se você comer 100 kcal de proteína, o seu corpo só vai ficar com 65 a 80 kcal “líquidas”, para sustentar o organismo. Já as gorduras e os carboidratos dão bem menos trabalho para serem metabolizados: sua digestão exige apenas 5% a 15% do total de energia. O gasto exato varia de pessoa para pessoa. [...]

Agora fica fácil entender por quêpor que cértascertas comidas com menos calorias pódepodem provocar mais aumento de peso. Um pão integral com muita fibra e grãos inteiros, por exemplo, pode até ter mais calorias quêque um pão branco. Mas é bem mais difícil de digerir. Como resultado, você gasta mais energia para absorvê-lo, durante mais horas, e obtém menos calorias no final. Já o pão branco é tão fácil de digerir quêque se transforma em açúcar rapidamente. E o seu organismo transforma esse excéssoexcesso de açúcar em gordura corporal.

[...]

SZKLARZ, Eduardo; GARATTONI, Bruno. A verdade sobre as calorias. Superinteressante, [s. l.], 15 jan. 2020. Disponível em: https://livro.pw/desyz. Acesso em: 12 out. 2024.

Interpretando a capacidade térmica específica

A capacidade térmica específica pódepode sêrser expressa em Jáulejoule ou caloria. Essa propriedade é fundamental para entender como diferentes materiais respondem a uma fonte de calor.

Analise, na sequência, valores de capacidade térmica específica de alguns materiais.

Capacidade térmica específica de alguns materiais

Fonte: DeTHE CHINESE IULNIVÃRCITI ÓFUNIVERSITY OF HONG KONG. Specific heat capacity. rôn kônHong Kong: Department ÓFof Physics, [c2023]. Disponível em: https://livro.pw/vookn. Acesso em: 1 out. 2024.

Pode-se tomar como exemplo o quêque acontece com uma cadeira metálica em um dia de sólsol na praia ou na piscina. Se você se sentar em uma cadeira quêque ficou exposta ao sólsol por algumas horas, vai perceber quêque ela está bem kemtequente. Isso acontece porque os metais têm capacidades térmicas específicas baixas, ou seja, é necessária pouca energia para quêque a tempera-túratemperatura dêêssesdesses metais aumente.

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O cobre, por exemplo, quêque é um metal, tem uma capacidade térmica específica de apenas 0,39 J/g ⋅ °C, o quêque significa quêque ele aquece rapidamente quando comparado a outros materiais.

Já um balde com á guaágua, com massa total semelhante à da cadeira, e quêque também tenha ficado exposto ao sólsol no mesmo intervalo de tempo, não aquece tão intensamente. Esse fenômeno ocorre porque a capacidade térmica específica da á guaágua é muito mais alta do quêque a dos metais. A á guaágua líquida possui uma das maiores capacidades térmicas específicas entre os materiais comuns, em torno de 4,20 J/g ⋅ °C. Isso significa quêque, em um mesmo intervalo de tempo, a á guaágua precisa receber muito mais energia para quêque sua tempera-túratemperatura tenha uma variação semelhante à variação de tempera-túratemperatura do metal da cadeira. Enquanto o metal eskentaesquenta rapidamente, a á guaágua permanécepermanece relativamente fresca, agindo como um regulador térmico, o quêque é um dos motivos pêlospelos quais a á guaágua é usada para resfriamento em vários processos industriais.

A comparação entre a capacidade térmica específica de diferentes materiais permite entender melhor como eles respondem ao calor. Por exemplo, o granito, uma rocha comum, tem uma capacidade térmica específica de 0,80 J/g ⋅ °C, o quêque significa quêque eskentaesquenta mais lentamente quêque o cobre, mas mais rapidamente quêque a á guaágua. Materiais como o vidro (0,67 J/g ⋅ °C) e a areia (0,84 J/g ⋅ °C) também se aquécemaquecem relativamente rápido, o quêque justifica a areia da praia ficar kemtequente sôbisob o sólsol.

Essa propriedade é essencial em várias áreas, como Engenharia e Ciência dos materiais, em quêque o entendimento dessas diferenças pódepode melhorar a eficiência de processos térmicos e o uso adequado de materiais.

ATIVIDADES

1. Pense sobre o termo Termodinâmica. O quêque você acha quêque ele significa?

2. Considerando uma tempera-túratemperatura ambiente de 25°C, indique se os corpos em cada item a seguir absorvem ou libéramliberam calor.

a) Uma xícara de chocolate kemtequente deixado sobre uma mesa.

b) Um cubo de gêlogelo sobre a pia.

c) Uma embalagem de leite recém-colocada dentro da geladeira.

d) Uma embalagem de leite quêque permaneceu fechada durante a noite em quêque ficou na geladeira.

3. Você considera a expressão “feche a janela para não deixar o frio entrar” cientificamente correta?

4. As panelas de pressão convencionais têm uma válvula de escape quêque é acionada de acôr-doacordo com a pressão interna da panela, a fim de reduzir essa pressão por meio da liberação de vapor de á guaágua.

a) Como esse sistema pódepode sêrser classificado antes e depois do acionamento da válvula?

b) O quêque aconteceria se a panela de pressão não possuísse uma válvula de escape para o vapor de á guaágua?

5. Cite três sistemas de cada tipo (aberto, fechado e isolado) quêque você conhece.

6. dêz-crevaDescreva como devem sêrser as representações gráficas de uma reação exotérmica e de uma reação endotérmica.

7. Explique, com suas palavras, o significado do conceito de capacidade térmica específica. Inclua na sua explicação exemplos de como ele pódepode sêrser usado para explicar fenômenos observados no dia a dia.

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TEMA
20
Entalpia e lei de Hess

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor

A entalpia e a lei de Hess são ferramentas conceituais importantes, principalmente na otimização de processos químicos em indústrias, como a petroquímica e a farmacêutica. Conhecer a entalpia de uma reação possibilita controlar o calor envolvido nela, o quêque é essencial para atingir uma eficiência energética. Já o uso da lei de Hess simplifica o cálculo da energia total envolvida em reações compléksascomplexas, facilitando a escolha de caminhos mais eficientes para a realização dessas reações. Esses conceitos ajudam a reduzir custos e a aumentar a eficiência de processos industriais, impulsionando avanços tecnológicos em diversas áreas.

Entalpia

A entalpia (H) está relacionada à energia interna de um sistema e a outras propriedades, como pressão e volume. Por causa dessa relação, a entalpia é expressa, no Sistema Internacional de Unidades, em Jáulejoule (J).

O entendimento completo dessa relação exige conhecimentos mais avançados do quêque os normalmente abordados nesta etapa da Educação Básica. Portanto, para simplificar, considera-se a entalpia como uma ferramenta matemática quêque fornece informações importantes sobre as transformações.

A entalpia é numericamente igual ao calor envolvido em uma transformação à pressão constante. Ou seja, ao calcular a variação de entalpia ((delta)"ΔH), obtém-se a quantidade de calor quêque foi absorvido ou liberado durante uma transformação. Para o cálculo da variação de entalpia de uma transformação, considera-se a diferença entre a entalpia final dos produtos e a entalpia inicial dos reagentes, já quêque ela é uma função de estado, isto é, uma grandeza quêque descreve o estado do sistema independentemente de como ele é alcançado.

REFLITA

1 Qual é a importânssiaimportância de calcular a energia de um processo?

SOBRE

Por energia interna do sistema, entende-se a soma da energia cinética, relacionada ao movimento das partículas, e da energia potencial elétrica, quêque se origina das interações entre os hátomusátomos das substâncias

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A equação a seguir é uma ferramenta matemática útil porque a maioria das reações químicas acontece à pressão constante (por exemplo, à pressão atmosférica) ou se desen vólvedesenvolve em sistemas industriais controlados.

(delta)"ΔH = H_produtos − H_reagentes

No entanto, é preciso reforçar quêque calor e entalpia não são sinônimos, uma vez quêque calor é um conceito relacionado à energia térmica, enquanto entalpia funciona como um recurso matemático para avaliar as trocas de calor em um sistema. A razão para não calcular o calor diretamente em certos casos é quêque essa tarefa pódepode sêrser bastante complicada. Por isso, é mais eficiente determinar a entalpia utilizando variáveis, como pressão e volume, os quais varíamvariam durante as transformações.

FORMAÇÃO CIDADÃ
A entalpia e a produção de alimentos

A produção de alimentos no Brasil envolve inúmeras variáveis quêque impactam diretamente cada tipo de cultura. Uma dessas variáveis é o clima, quêque apresenta variações extremas no Brasil. Em algumas regiões, as tempera-túrastemperaturas são muito baixas e, em outras, as tempera-túrastemperaturas são extremamente elevadas.

Essa variabilidade se torna um desafio para os grandes produtores, quêque têm recursos e incentivos governamentais, e também para os pequenos produtores, como aqueles quêque adotam o sistema de agricultura familiar.

Além de conhecimentos sobre as substâncias químicas quêque podem sêrser utilizadas para enriquecer o solo de nutrientes e auxiliar no crescimento das plantas, pesquisas estão sêndosendo desenvolvidas com base em outros conceitos químicos, como a entalpia.

A seguir, leia um texto sobre o assunto.

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[...] A entalpia é uma ferramenta termodinâmica usada para calcular o calor envolvido em processos quêque ocorrem em pressão constante, sêndosendo uma ferramenta sugerida para manter as hortaliças em conforto térmico suficiente em termos de troca de calor. [...]

“A estratégia é baseada em medidas físicas do meio ambiente e podem ajudar a decidir como manter as hortaliças com conforto suficiente em termos de troca de calor. Estamos utilizando várias alturas diferentes, e no final da produção conseguimos encontrar qual será a mais adequada para a produção da hortaliça, principalmente no período de muito calor. A ideia é encontrar qual a melhor condição de usar a tela de sombreamento em hortas, em relação à altura, através das variáveis da termodinâmica”, explicou o professor [Gutierrez Rodrigues de Morais].

[...]

O ambiente protegido possibilita a criação de um microclima favorável ao cultivo de hortaliças, proporcionando um cértocerto contrôlecontrole das variáveis climáticas, como tempera-túratemperatura, umidade, radiação solar e vento. O experimento, quêque será finalizado êsteeste mês, conta com a parceria de pequenos produtores da agricultura familiar. Os resultados esperados são de encontrar a melhor condição térmica para o plantio de hortaliças na região Tocantina, auxiliando os pequenos produtores. O projeto passou por diversas fases, iniciando com o estudo da Termodinâmica clássica, estudo da Entalpia, preparação das hortas para o plantio das hortaliças, monitoramento da umidade relativa e tempera-túratemperatura nas hortas, e encontra-se em sua fase final, quêque é a análise e discussão dos dados obtidos.

MARCONCCINE, Mari. Campus estrêitoEstreito desen vólvedesenvolve projeto no plantio de hortaliças, utilizando a entalpia. [S. l.]: Uemasul, 30 ago. 2023. Disponível em: https://livro.pw/wjdir. Acesso em: 3 out. 2024.

ATIVIDADES

1. dêz-crevaDescreva o clima de sua região.

2. Quais são as plantações mais comuns nas proximidades da sua residência e da sua escola?

3. Com base no texto, explique o quêque é o microclima.

4. Como a entalpia pódepode sêrser usada para criar um ambiente de conforto térmico para as plantas?

Entalpia de formação

Na impossibilidade prática de medir a entalpia de todas as reações químicas possíveis de acontecer, cientistas idealizaram um procedimento teórico para o cálculo das variações de entalpia de qualquer reação por meio das entalpias-padrão de formação ((delta)"Δ$\begin{array}{c}{\mathrm{H}}_{\mathrm{f}}^{\circ }\end{array}$) das substâncias. Elas são definidas como as variações de entalpia de uma reação química para a formação de 1 mol dessas substâncias a partir de substâncias simples no estado-padrão.

O valor de entalpia-padrão para toda substância simples em seu estado mais estável é igual a zero, e para toda substância composta ou fora do estado mais estável é diferente de zero.

Por exemplo, as entalpias-padrão de formação do gás hidrogênio (H₂) e do gás oxigênio (O₂), substâncias simples, ou da grafita (C), substância no estado mais estável, são iguais a zero; já a á guaágua (H₂O), substância composta, e o diamante (C), quêque não é a fase mais estável do carbono, têm entalpias-padrão de formação diferentes de zero.

SOBRE

No contexto de entalpia, o termo padrão remete a condições específicas, determinadas por convenção, de pressão e tempera-túratemperatura, respectivamente, 1 atm e 25°C.

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A entalpia-padrão de formação de uma substância composta pódepode sêrser determinada por meio de uma reação em quêque os reagentes são substâncias simples. Como muitos cálculos e determinações já foram realizados êsperimentalmenteexperimentalmente para diversas substâncias, pode-se utilizar valores preestabelecidos disponíveis em livros e manuais.

Entalpias-padrão de formação de algumas substâncias a 298 K

Fonte: BROWN, teodórTheodore LáurenceLawrence éti áuet al. Química: a ciência central. 13. ed. São Paulo: pírsomPearson, 2016. p. 196.

Utilizando (delta)"Δ$\begin{array}{c}{\mathrm{H}}_{\mathrm{f}}^{\circ }\end{array}$ das substâncias participantes de uma transformação, é possível calcular a variação de entalpia-padrão de uma reação por meio da seguinte equação:

(delta)"ΔH° = ∑(delta)"Δ$\begin{array}{c}{\mathrm{H}}_{\mathrm{f}}^{\circ }\end{array}$ (produtos) − ∑(delta)"Δ$\begin{array}{c}{\mathrm{H}}_{\mathrm{f}}^{\circ }\end{array}$ (reagentes)

Na equação, o sín-bolosímbolo ∑ significa somatória. Assim, para determinar a variação de entalpia-padrão de uma reação qualquer, devem sêrser somadas todas as entalpias-padrão de formação das substâncias produtos, e subtraída dêêssedesse resultado a soma de todas as entalpias-padrão de formação das substâncias reagentes.

Entalpia de ligação

É possível verificar a variação de entalpia de uma reação química por meio do cálculo das energias envolvidas no rompimento e na formação de ligações químicas.

Para quêque ligações químicas se rompam, é preciso havêerhaver absorção de energia. Já a formação de ligações químicas resulta em liberação de energia.

(delta)"ΔH_L = H_{ligações rompidas} − H_{ligações formadas} = H_L(reagentes) − H_L(produtos)

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Sendo assim, a entalpia de ligação é a energia necessária para romper 1 mol de ligações químicas covalentes, presentes em espécies gasosas a 25°C e 1 atm, obtendo-se hátomusátomos isolados na forma gasosa. A entalpia de ligação é calculada no estado gasoso porque, caso fosse calculada no estado sólido ou líquido, seria necessário considerar a energia envolvida nas interações intermoleculares.

SOBRE

Entalpia de ligação e energia de ligação não têm o mesmo significado. Porém, neste livro, para simplificar, esses termos serão utilizados como sinônimos.

Assim como os valores de entalpia-padrão, os valores de entalpia de ligação foram determinados êsperimentalmenteexperimentalmente. Alguns deles podem sêrser analisados a seguir.

Entalpias médias de algumas ligações

Fonte: BROWN, teodórTheodore LáurenceLawrence éti áuet al. Química: a ciência central. 13. ed. São Paulo: pírsomPearson, 2016. p. 342.

Vale destacar quêque as quebras e as formações do mesmo tipo de ligação envolvem a mesma quantidade de energia. Por exemplo, a quebra de 1 mol de ligações covalentes simples entre dois hátomusátomos de carbono é um processo endotérmico, com absorção de energia de +348 kJ, e a formação de 1 mol dessas ligações é um processo exotérmico, com liberação de energia de −348 kJ.

O uso de entalpias de ligação possibilita fazer uma estimativa da energia envolvida em uma reação. Algumas reações são extremamente difíceis de serem realizadas em laboratório por causa de determinados fatores, como complexidade, toxicidade, risco de radioatividade, liberação intensa de calor ou alto pôdêrpoder corrosivo. Assim, o valor energético dessas reações pódepode sêrser estimado, teóricamenteteoricamente, por meio do cálculo de (delta)"ΔH_L.

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Lei de Hess

REFLITA

2 Imagine quêque você está seguindo uma receita para fazer um bôo-lobolo, mas decide alterar a ordem dos passos – mistura alguns ingredientes antes e outros, depois. Mesmo assim, no final, o bôo-lobolo sai conforme o esperado. Será quêque alterar a ordem de mistura dos reagentes altera o resultado energético de uma reação? Como isso se relaciona com a energia envolvida em reações químicas?

A Ciência busca modelos e leis quêque permítampermitam não só compreender os fenômenos existentes mas também prever ou, ao menos, supor os quêque não existem.

A segunda mêtádemetade do século XVIII marca o início do quêque hoje é conhecido como Termoquímica. Durante esse período, cientistas como Ântoeni-LorranAntoine-Laurent de LavoisiêLavoisier e Pierre-Simon Laplace (1749-1827) utilizavam calorímetros para medir o calor liberado e o calor absorvido em reações químicas.

Anos depois, em 1840, o geólogo, médico e químico suíço Germain Henri Ivanovitch Hess (1802-1850) publicou um estudo quêque estabeleceu a lei quêque ficou conhecida como lei de Hess.

Apesar dos progressos feitos por LavoisiêLavoisier e Laplace em relação aos estudos de troca de calor nas transformações químicas e físicas, as ideias de Hess se basearam na observação de quêque algumas reações não podiam sêrser avaliadas com um calorímetro. Em outras palavras, a medição dirétadireta da variação de energia de determinadas reações era inviável. Essa limitação surgiu por diversas razões, incluindo a rapidez das reações, quêque podiam sêrser muito rápidas ou muito lentas, a possibilidade de explosões e a ocorrência simultânea de várias reações indesejadas.

Ao estudar certos tipos de reação, Hess verificou quêque a quantidade de calor liberado era sempre a mesma, independentemente de o processo ocorrer diretamente ou por meio de etapas intermediárias. Assim, embora não fosse viável calcular exatamente a entalpia de algumas transformações, seria possível estimar seus valores por meio da soma de equações químicas quêque levassem à reação desejada.

O cientista, então, reconheceu quêque essa observação poderia sêrser aplicada a qualquer processo químico e desenvolvê-udesenvolveu uma lei, conhecida como lei de Hess, a qual afirma quêque a variação de entalpia de uma reação é igual à soma das variações de entalpia das reações intermediárias quêque a viabilizam, ainda quêque essas sêjamsejam unicamente teóricas.

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Para quêque a lei de Hess seja válida, deve-se considerar as diretrizes indicadas a seguir.

1. Se uma equação química for invertida, o sinal de (delta)"ΔH também deve sêrser invertido.

2. Se uma equação química for multiplicada por um coeficiente estequiométrico, seu (delta)"ΔH também deve sêrser multiplicado por esse coeficiente.

3. A variação de entalpia de uma reação depende dos estados físicos de reagentes e produtos.

Como exemplo, pode-se observar a reação de formação do metano.

C(grafite) + 2H₂(g) → CH₄(g)

(delta)"ΔH =?

Para encontrar a entalpia dessa reação, denominada reação global, utilizam-se as reações de formação do dióxido de carbono, de formação da á guaágua e de combustão do metano, essas nomeadas reações intermediárias, quêque têm valores de entalpia definidos.

C(grafite) + O₂(g) → CO₂(g)

(delta)"ΔH = −94 kcal

H₂(g) + $\begin{array}{c}\frac{1}{2}\end{array}$ O2(g) → H₂O((éli)"ℓ)

(delta)"ΔH = −68 kcal

CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + H₂O((éli)"ℓ)

(delta)"ΔH = −213 kcal

Rearranjando essas equações e cortando as moléculas quêque se repetem em reagentes e produtos, chega-se ao valor desejado: (delta)"ΔH = −17 kcal

Nota-se quêque a terceira equação intermediária foi invertida, assim como o sinal do (delta)"ΔH, satisfazendo a condição 1. Percebe-se também quêque a segunda equação foi multiplicada por 2, assim como o (delta)"ΔH, satisfazendo a condição 2.

ATIVIDADES

1. Em seu caderno, faça o quêque se pede.

a) escrêevaEscreva a equação balanceada referente à obtenção de um mol de á guaágua a partir dos gases hidrogênio e oxigênio.

b) Calcule a entalpia de ligação da á guaágua, considerando o rompimento das ligações dos reagentes e a formação das ligações dos produtos.

2. O ácido sulfúrico (H₂ SO₄) é amplamente utilizado na indústria química. Sua produção envolve a conversão do dióxido de enxofre (SO₂) em trióxido de enxofre (SO₃), reação quêque libera uma grande quantidade de calor. Em seguida, ocorre a reação com a á guaágua, formando o ácido sulfúrico. Explique como a lei de Hess pódepode ter auxiliado na eficiência da produção dêêssedesse ácido.

3. escrêevaEscreva a equação química da formação de ácido sulfúrico a partir da reação do trióxido de enxofre com a á guaágua.

4. Considerando as seguintes entalpias de formação, determine a variação de entalpia para a formação do ácido sulfúrico.

SO₃(g) −395,7 kJ/mol

H₂O((éli)"ℓ) −285,8 kJ/mol

H₂SO₄(aq) −814,0 kJ/mol

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TEMA
21
Cinética química

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

Até o momento, foi estudado como e por quêpor que as reações químicas ocorrem. Foram abordados os aspectos qualitativos, quantitativos e energéticos das reações, quêque permitem prever e analisar boa parte dos processos. Mas há um aspecto importante ainda não estudado: a relação das reações químicas com o tempo.

Dizer quêque uma reação acontece pódepode não sêrser suficiente, em termos práticos, pois é preciso saber o tempo quêque ela leva para ocorrer, a fim de avaliar se a reação é adequada a uma aplicação específica.

Imagine uma vela queimando. Ela queima devagar, liberando luz e calor por um longo período. Agora, compare isso com um fósforo: ao sêrser riscado, ele acende quase instantaneamente. Esses dois exemplos ilustram bem como as reações químicas podem ocorrer em ritmos diferentes — umas são lentas, outras são rápidas.

Mas por quêpor que conhecer a rapidez de uma reação é importante?

Compreender a cinética química é essencial para otimizar processos. Por exemplo, em fábricas quêque produzem medicamentos, a rapidez das reações precisa sêrser controlada para quêque os produtos sêjamsejam fabricados com segurança e eficiência, sem desperdícios energéticos ou materiais. Em refinarias de petróleo, as reações precisam sêrser rápidas o suficiente para maximizar a produção, mas controladas para evitar explosões. Na indústria alimentícia, cértascertas fermentações precisam sêrser mais lentas para garantir a qualidade e o sabor dos produtos.

Neste Tema, serão abordados conceitos de cinética química, área da Química quêque estuda a relação entre as reações e o tempo.

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Teoria das colisões

1 Com base em tudo quêque aprendeu até agora, como você supõe quêque acontecem as reações químicas em termos atômico-moleculares?

Para entender como acontecem as reações químicas, é fundamental compreender o tipo de comportamento quêque os constituintes das substâncias (átomos, moléculas, íons etc.) devem ter para quêque as transformações ocorram.

No início do século XX, algumas tentativas de explicar o processo reacional foram bem-sucedidas. Elas foram propostas e publicadas pelo físico e químico alemão Max Trautz (1880-1960) e pelo físico e químico britânico uílhãmWilliam líuisLewis (1885-1956), de maneira independente, em 1916 e em 1918, respectivamente. No entanto, por causa da Primeira Guerra Mundial (1914-1918), eles não conheceram o trabalho um do outro.

Com base nessas duas publicações, a teoria das colisões foi formulada para explicar as transformações em quêque todos os reagentes se encontram no estado gasoso.

Essa teoria pressupõe um movimento aleatório das partículas, no qual elas se chócamchocam umas com as outras de modo também aleatório. Além díssudisso, ela estabelece duas condições fundamentais para quêque ocorra uma reação.

Considere dois recipientes fechados e conectados um ao outro por uma válvula fechada. Em um dos recipientes, há gás hidrogênio (H₂), e, no outro, iôdoiodo gasoso (I₂). Se a válvula for aberta, de modo a permitir o contato entre os reagentes, haverá reação, resultando na formação do gás iodeto de hidrogênio (HI), conforme representado na equação a seguir.

H₂(g) + I₂(g) → 2 HI(g)

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A primeira conclusão quêque se pódepode tirar dêêssedesse experimento hipotético é quêque, para havêerhaver reação, é preciso quêque os constituintes entrem em contato uns com os outros.

No entanto, apenas o contato entre as partículas não é suficiente para quêque a reação ocorra. É preciso quêque as colisões sêjamsejam efetivas.

Para quêque as colisões sêjamsejam efetivas, as duas condições estabelecidas pela teoria da colisão devem sêrser atendidas: as partículas dos reagentes devem apresentar orientação espacial favorável e devem ter energia cinética suficiente para quêque haja o rompimento de ligações químicas existentes nos reagentes e a formação de ligações novas nos produtos.

A determinação dessa orientação espacial varia de acôr-doacordo com a constituição e a estrutura das substâncias envolvidas, além de outros fatores.

Quando um dêêssesdesses critérios não é atendido, diz-se quêque a colisão é não efetiva, portanto não há formação de produtos.

A estrutura formada no estado altamente energético de uma reação é, por vezes, chamada de compléksocomplexo ativado. No entanto, a IUPAC não recomenda mais esse termo, exceto em contextos muito específicos, portanto, não será utilizado neste livro.

Teoria do estado de transição

Durante uma colisão efetiva, é estabelecido um arranjo altamente energético e instável, no qual as ligações presentes nos reagentes ainda não estão totalmente rompidas e as ligações presentes nos produtos ainda não estão completamente formadas. O período de existência dessa espécie intermediária é denominado estado de transição, já quêque representa uma transição entre reagentes e produtos.

REFLITA

2 No seu entendimento, como as ligações químicas se formam e como elas podem sêrser rompidas durante as colisões efetivas?

Página duzentos e sessenta e um261

Considere novamente a reação de formação do gás iodeto de hidrogênio (HI) e analise a representação a seguir.

As linhas tracejadas verticais na representação indicam as ligações quêque não foram totalmente rompidas, e as horizontais, as ligações quêque não foram totalmente formadas.

A teoria do estado de transição propõe quêque a energia cinética das partículas dos reagentes quêque se aproximam é convertida em energia potencial, por causa das interações entre os elétrons e os prótons dos hátomusátomos envolvidos. Essa teoria é aplicável às reações no estado gasoso e a contextos mais amplos, como reações em soluções aquosas.

Energia de ativação

O estado de transição, ponto de maior energia da reação, forma uma espécie de barreira energética entre os reagentes e os produtos. Para quêque a reação aconteça, a energia cinética das partículas dos reagentes precisa sêrser suficiente para transpô-la.

Essa barreira é denominada energia de ativação (Ea) e corresponde à energia cinética mínima necessária para quêque o estado de transição resulte na formação de produtos.

É possível representar graficamente todo esse jôgojogo energético envolvido em uma reação, incluindo as energias de reagentes e produtos e a energia de ativação. Note quêque ela é sempre medida entre os reagentes e o estado de transição.

Agora quêque os requisitos necessários para uma reação ocorrer foram abordados, sêrserá estudado como eles podem ser atendidos de modo mais rápido ou mais lento.

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Neste livro, optou-se por usar o termo rapidez de reação, e não velocidade. Velocidade é definida como deslocamento de um corpo no espaço em função do tempo, por isso a escolha de não a utilizar para abordar rapidez de reações. A IUPAC usa o termo em inglês rate, quêque significa “razão” ou “taxa”, conceitos quêque, na língua portuguesa, remetem à ideia de variação, mas não de tempo.

O conceito de rapidez de reação

Ao abordar o tempo necessário para determinada reação ocorrer, é preciso considerar as quantidades dos reagentes ou dos produtos. Assim, para classificar as reações em rápidas ou lentas, é preciso tomar como referencial um mesmo intervalo de tempo e considerar as proporções estequiométricas entre as substâncias.

Assim, a rapidez média de uma reação é a razão entre a variação da quantidade de matéria de um reagente (consumido) ou produto (formado), em módulo, e o intervalo de tempo em quêque a reação ocorre.

Rapidez média = $\begin{array}{c}\frac{\left|\mathrm{\Delta }\right[\mathrm{quantidadedereagenteouproduto}\left]\right|}{\mathrm{\Delta }t}\end{array}$

O uso do valor em módulo é necessário para quêque a rapidez seja sempre um valor positivo, independentemente de se estar monitorando o reagente ou o produto da reação.

Diversas grandezas e unidades de medida podem sêrser utilizadas, dependendo da natureza dos reagentes e dos produtos presentes no meio reacional. Se a reação envolver gases, por exemplo, pode-se calcular a rapidez em termos de volume ou pressão. No caso de sólidos, pode-se medir a variação de sua massa. Para substâncias dissolvidas, usa-se a concentração, e assim por diante. Com relação à variação de tempo, as unidades mais usadas são minuto e segundo.

Acompanhe o exemplo da reação entre zinco metálico e ácido clorídrico, quêque produz cloreto de zinco e gás hidrogênio.

Zn(s) + 2 HC(éli)"ℓ(aq) → ZnC(éli)"ℓ₂(aq) + H₂(g)

Os cálculos da rapidez média de cada substância podem sêrser feitos de modo independente e podem considerar as diferentes unidades

de medida. Por exemplo, a formação de gás hidrogênio pódepode sêrser calculada em termos de massa, volume ou concentração. O consumo de zinco não poderia sêrser calculado em termos de concentração, mas a formação de cloreto de zinco, sim.

No entanto, para calcular a rapidez média da reação, é preciso utilizar a mesma grandeza para todas as substâncias envolvidas. Nesse caso, expressar as variações em termos de massa é bastante conveniente.

REFLITA

3 O quêque você faria para conservar um alimento por mais tempo?

Página duzentos e sessenta e três263

Nas equações, (delta)"Δm corresponde à variação das massas de cada substância no mesmo intervalo de tempo ((delta)"Δt). Considerando as proporções estequiométricas, pode-se assumir, por exemplo, quêque a rapidez média de consumo do ácido clorídrico é duas vezes maior do quêque a rapidez média de consumo do zinco. Assim, a rapidez média da reação (que pódepode sêrser simplificada pela sigla rm) está representada a seguir.

rm(reação) = $\begin{array}{c}\frac{\mathrm{r}\mathrm{m}\left(\mathrm{Z}\mathrm{n}\right)}{1}\end{array}$ = $\begin{array}{c}\frac{\mathrm{r}\mathrm{m}\left(\mathrm{H}\mathrm{C}\mathcal{l}\right)}{2}\end{array}$ = $\begin{array}{c}\frac{\mathrm{r}\mathrm{m}\left(\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{C}{\mathcal{l}}_2\right)}{1}\end{array}$ = $\begin{array}{c}\frac{\mathrm{r}\mathrm{m}\left({\mathrm{H}}_2\right)}{1}\end{array}$

Representação gráfica da rapidez de reação

É possível utilizar gráficos para analisar os dados cinéticos de uma reação química.

Considere a reação de síntese da amônia, desenvolvida pêlospelos químicos alemães Fritz Haber (1868-1934) e CalCarl Bosch (1874-1940) durante a Primeira Guerra Mundial, conhecida também como síntese ou processo de Haber-Bosch.

3 H₂(g) + N₂(g) → 2 NH₃(g)

Os dados relativos a essa reação podem sêrser apresentados graficamente da seguinte maneira.

Note quêque a curva do produto amônia é ascendente e as curvas dos reagentes gás nitrogênio e gás hidrogênio são descendentes. Essas características são comuns nesse tipo de gráfico e indicam a formação e o consumo de substâncias, respectivamente.

As relações estequiométricas também podem sêrser identificadas por meio da análise dêêssedesse tipo de gráfico. Curvas mais inclinadas indicam substâncias quêque são consumidas ou produzidas em proporções maiores.

Outra conclusão quêque se pódepode tirar da leitura dêêssedesse tipo de gráfico é quêque a rapidez do consumo de reagente e a rapidez da formação de produto vão diminuindo conforme o tempo passa. A inclinação da curva informa essa variação de rapidez: nos trechos em quêque ela está mais inclinada, principalmente no início, a reação é mais rápida. Em outras palavras, quanto maior for a inclinação da curva, maior será a variação de quantidade de uma substância (reagente ou produto) em um determinado intervalo de tempo, portanto maior será a rapidez.

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Fatores quêque alteram a rapidez de uma reação

A rapidez das reações pódepode sêrser influenciada por uma série de fatores quêque alteram a maneira como as substâncias interagem entre si. Compreender esses fatores é fundamental para analisar como as reações ocorrem em diferentes contextos e quais variáveis podem acelerá-las ou desacelerá-las. Desse modo, é possível fazer escôlhasescolhas cientificamente informadas e aplicá-las a situações do cotidiano.

OFICINA CIENTIFICA
Relógio de reação química

Para estudar os efeitos de um determinado fator sobre a rapidez de uma reação, deve-se variar apenas o fator de interêsseinteresse e manter constantes os demais. Existem diversas reações químicas quêque podem sêrser realizadas em laboratório para demonstrar os efeitos dessas variações. Utilizar o tempo de dissolução de um comprimento efervescente como indicador é um experimento fácil de sêrser realizado em sala de aula.

Materiais

• Três comprimidos efervescentes.

• Três copos transparentes.

• Água.

• gêloGelo.

• Relógio (ou qualquer outro instrumento para marcar o tempo de reação).

Procedimentos

• Coloque os três copos um ao lado do outro e encha-os com á guaágua até a mêtádemetade.

• No primeiro copo, coloque o comprimido efervescente inteiro e meça o tempo gasto para sua dissolução completa.

• Triture o segundo comprimido e adicione-o à á guaágua do segundo copo. Observe e anote o tempo gasto para a dissolução dos fragmentos do comprimido.

• No terceiro copo, coloque gêlogelo para diminuir a tempera-túratemperatura da á guaágua e, em seguida, adicione o terceiro comprimido inteiro. Observe e anote o tempo para a dissolução dele.

Sugere-se quêque a atividade prática seja realizada em grupos, assim os estudantes poderão se revezar nos procedimentos, nas observações e nas anotações do experimento.

ATIVIDADES

1. Elabore uma tabélatabela com os dados do experimento realizado.

2. Em qual das situações a reação ocorreu d fórmade forma mais rápida? Elabore uma justificativa.

3. Em qual das situações a reação ocorreu d fórmade forma mais lenta? Elabore uma justificativa.

4. Se fosse usada á guaágua aquecida no terceiro copo em vez de se adicionar gêlogelo, o quêque aconteceria com a rapidez da reação?

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Temperatura

Sabe-se quêque a tempera-túratemperatura está relacionada à energia cinética média das partículas quêque constituem um material. Assim, tempera-túrastemperaturas maiores possibilitam maior energia cinética e, consequentemente, maior quantidade de colisões com energia suficiente para superar a energia de ativação da reação. Ou seja, a rapidez da reação é diretamente proporcional à tempera-túratemperatura.

Esse conhecimento permite explicar por quêpor que determinadas reações não ocorrem à tempera-túratemperatura ambiente; nesses contextos, deve-se supor quêque as colisões não ocorrem com energia suficiente para superar a energia de ativação.

Concentração

Quando uma reação acontece em solução, pode-se dizêrdizer quêque a ocorrência de colisões efetivas entre as partículas dos reagentes está diretamente relacionada com a concentração deles.

Em soluções nas quais o solvente não participa da reação, as partículas de um soluto precisam colidir com as do outro soluto em meio a muitas partículas do solvente. Portanto, quando a concentração dos reagentes aumenta, há mais partículas disponíveis no sistema, o quêque eleva a freqüênciafrequência de colisões entre elas. Quanto maior for a freqüênciafrequência de colisões, maior sêrserá a chance de colisões efetivas ocorrerem e, portanto, maior será a chance de ser superada a barreira de energia necessária para quêque a reação se complete, resultando em um aumento na rapidez da reação.

Considere a reação entre magnésio e ácido clorídrico, produzindo cloreto de magnésio e gás hidrogênio.

Mg(s) + HC(éli)"ℓ(aq) → MgC(éli)"ℓ₂(aq) + H₂(g)

Se forem utilizadas diferentes concentrações de ácido clorídrico, é possível verificar, pela observação do desprendimento de bolhas originadas do gás hidrogênio liberado, quêque a reação se desen vólvedesenvolve de maneira mais vigorosa à medida quêque a concentração do ácido aumenta.

É importante destacar quêque o efeito da concentração de cada reagente na rapidez final da reação também depende de fatores energéticos.

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Pressão

Quando pelo menos um dos reagentes ou produtos está no estado gasoso, uma mudança na pressão aplicada ao sistema reacional pódepode influenciar a rapidez da reação. Como a concentração geralmente indica a quantidade de matéria (em mol ou massa) por volume, ao reduzir o volume de um recipiente, aumentando a pressão, a concentração dos reagentes gasosos também aumenta. Com isso, as moléculas ficam mais próximas umas das outras, aumentando a probabilidade de colisões efetivas. Consequentemente, a rapidez da reação será maior.

No entanto, se o sistema reacional não tiver pelo menos um reagente ou produto no estado gasoso, o efeito do aumento de pressão será praticamente nulo. Isso se deve ao fato de quêque líquidos e sólidos, por serem pouco compressíveis, sofrem pouca influência da pressão.

Superfície de contato

Quando pelo menos um dos reagentes está no estado sólido, a alteração da superfícíesuperfície de contato entre esse sólido e outro reagente influencíainfluencia a rapidez da reação.

A superfícíesuperfície de contato de um material corresponde à área com a qual outros materiais podem entrar em contato. Assim, pode-se dizêrdizer quêque a superfícíesuperfície de contato é o local em quêque a reação efetivamente ocorre.

Portanto, quanto mais fragmentado estiver um sólido, maior será a rapidez de reação entre ele e outra substância. Isso ocorre porque a fragmentação amplia a superfícíesuperfície de contato entre os reagentes, o quêque aumenta a probabilidade de ocorrerem colisões efetivas.

Considere a reação entre carbonato de cálcio e ácido clorídrico, produzindo cloreto de cálcio, á guaágua e gás carbônico.

CaCO₃ (s) + 2HC(éli)"ℓ(aq) → CaC(éli)"ℓ₂(aq) + H₂O((éli)"ℓ) + CO₂(g)

Considere quêque, em um recipiente, há uma solução de ácido clorídrico e um pedaço de carbonato de cálcio. Já em outro recipiente, há uma solução de ácido clorídrico com a mesma concentração e a mesma porção de carbonato de cálcio, porém fragmentada. Nesse contexto, é possível verificar, pela observação do desprendimento de bolhas originadas do gás carbônico liberado, quêque a reação se desen vólvedesenvolve de maneira mais vigorosa quando o carbonato de cálcio está em fragmentos.

É importante frisar quêque esses fatores – a tempera-túratemperatura, a concentração, a pressão e a superfícíesuperfície de contato – influenciam a rapidez por contribuírem para o aumento da probabilidade de colisões efetivas. Eles não causam uma diminuição da energia de ativação. O fator quêque interfere nesse aspecto cinético das reações será abordado no próximo Tema.

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FORMAÇÃO CIDADÃ
Conservantes alimentares: retardando a degradação dos alimentos

Quando se pensa na alimentação, diversos aspectos estão diretamente relacionados à química dos alimentos, como o sabor, a aparência, o aroma e, claro, o valor nutricional. Na ssossiedadesociedade moderna, raramente os alimentos são produzidos perto do local de consumo, o quêque gera a necessidade de retardar processos indesejáveis de degradação. Esse desafio levou ao desenvolvimento da indústria alimentícia, quêque estuda esses processos para propor métodos eficazes de evitar a deterioração dos alimentos.

Para aumentar a vida útil dos alimentos, é comum a adição de substâncias com funções específicas na sua conservação, conhecidas como aditivos químicos ou alimentares. Esses aditivos são classificados de acôr-doacordo com sua função e apresentam uma grande diversidade. Acompanhe alguns exemplos:

• Acidulantes: intensificam o sabor ácido e ajudam na conservação (por exemplo, o ácido cítrico).

• Antioxidantes: evitam a oxidação dos alimentos (por exemplo, o ácido ascórbico).

• Flavorizantes: realçam o aroma e o sabor (por exemplo, o glutamato de sódio).

• Corantes: intensificam a côrcor dos alimentos (por exemplo, o óxido de ferro(III)).

• Conservantes: evitam a deterioração (por exemplo, os nitritos).

Os conservantes são particularmente importantes por retardarem reações naturais quêque levam à degradação dos alimentos.

ATIVIDADES

1. Converse com as pessoas mais velhas da sua família ou de seu convívio e pergunte como elas conservavam os alimentos no passado.

2. Converse sobre as técnicas quêque seus pais ou responsáveis utilizam atualmente para conservar os alimentos.

3. Pesquise sobre os malefícios e as restrições de determinados aditivos alimentares.

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ATIVIDADES

1. Considere as situações a seguir e classifique as reações em ordem crescente de tempo de duração, isto é, da transformação mais lenta para a mais rápida.

I. Uma sacola plástica, quando abandonada na natureza, se dêcompõedecompõe pela ação de fatores ambientais, como tempera-túratemperatura e umidade.

II. Uma peça de ferro, quando exposta ao ar atmosférico, oxida, resultando no desgaste da peça e na formação de um material marrom poroso.

III. Uma banana amadurésseamadurece e, com o passar do tempo, torna-se escurecida em razão da liberação contínua de um gás chamado etileno, quêque atua na quebra das fibras da fruta, tornando-a menos esverdeada e mais macia.

2. Considere a reação genérica representada pela equação a seguir.

A(g) → B(g) + 3 C(g)

Dessa reação foram obtidos os seguintes dados experimentais.

Com base nesses valores e informações, faça um gráfico da variação da concentração dos participantes da reação em função do tempo. Em seguida, analise-o e dêz-crevadescreva o quêque acontece durante a reação com base nas curvas obtidas.

3. No seu entendimento, como devem ocorrer as colisões efetivas entre as moléculas dos reagentes para quêque haja a formação de produto na reação a seguir?

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(g)

Faça um desenho quêque represente essas colisões. Lembre-se de considerar a geometria molecular das substâncias e as proporções entre os produtos e os reagentes.

4. Considere a reação de decomposição da á guaágua oxigenada a seguir para responder às kestõesquestões.

2 H₂O₂(aq) → 2 H₂O((éli)"ℓ) + O₂(g)

a) Como você representaria graficamente a rapidez dessa reação? Em seu caderno, faça um esboço dessa representação.

b) Indique a expressão da rapidez média dessa reação utilizando a grandeza massa para as variações do reagente e dos produtos.

5. Cite exemplos de reações químicas quêque ocorrem no cotidiano cujos desenvolvimentos são influenciados pela variação de:

a) tempera-túratemperatura do ambiente.

b) concentração de reagentes.

c) pressão.

d) superfícíesuperfície de contato dos reagentes.

6. Em um restaurante, um cliente quêque está com pressa pede um bife como prato principal, mas o atendente informa quêque o picadinho de carne é preparado mais rápido. Apresente uma explicação científica para esta informação.

7. dêz-crevaDescreva o quêque ocorre com a tempera-túratemperatura de ebulição da á guaágua no interior de uma panela de pressão. Como esse fenômeno influencíainfluencia a rapidez do preparo de um alimento?

8. Leia a tirinha a seguir.

O trinitrotolueno (TNT) é um explosivo quêque, quando está sôbisob pressão, pódepode sêrser detonado por atrito ou por uma faísca. Considerando a tirinha, represente em seu caderno o gráfico da energia em função do caminho da reação para a decomposição do TNT.

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TEMA
22
Catálise

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

Você já parou para pensar sobre o quêque é fermento biológico e por quêpor que ele faz o pão crescer?

No Tema anterior, foram abordados os conceitos de rapidez média das reações químicas, colisão efetiva e energia de ativação. Além díssudisso, foram apresentados os fatores quêque afetam a rapidez das reações. Como explicado, esses fatores influenciam a rapidez, aumentando a probabilidade de colisões efetivas, mas não interferem na energia de ativação.

Neste Tema, será estudado o processo de catálise. Ele ocorre pela ação de uma substância quêque torna as reações químicas mais rápidas, diminuindo a energia de ativação, sem sêrser consumida ou alterada permanentemente durante as reações. No cotidiano, por exemplo, essa substância está no fermento biológico, acelerando o crescimento da massa no preparo de algumas receitas; e no escapamento dos carros, diminuindo a emissão de gases poluentes.

Esse processo é importante tanto para a natureza quanto para a indústria, pois torna suas produções mais eficientes e econômicas.

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As transformações e seus mecanismos

REFLITA

1 Imagine quêque você está em uma corrida de revezamento com seus amigos. Para completar a próvaprova, cada corredor precisa entregar um bastão para o próximo, até quêque todos tênhamtenham corrido. Como você faria uma analogia entre esse evento esportivo e uma reação química?

As transformações são percebidas em razão de cértascertas evidências, como mudança de côrcor e liberação de energia. No entanto, elas podem sêrser estudadas e analisadas de outro modo. Para melhor prevê-las e controlá-las, cientistas recorrem a modelos quêque possibilitam a compreensão de como elas ocorrem em nível atômico-molecular.

O mecanismo de reação, também chamado caminho ou progresso de reação, é um modelo criado para explicar como as transformações ocorrem e se baseia em evidências experimentais. A concepção de um mecanismo é necessária porque a maioria das reações não acontece de maneira simples e dirétadireta, mas em várias etapas.

Nas reações entre moléculas pequenas, o mecanismo geralmente pódepode sêrser explicado com base nas teorias estudadas no Tema anterior. Essas reações, chamadas elementares, acontecem sem a formação de intermediários estáveis, portanto envolvem apenas um estado de transição entre reagentes e produtos.

No entanto, muitas transformações na natureza e na indústria envolvem estruturas maiores e mais compléksascomplexas. Nessas situações, as ligações se formam e se rompem em várias etapas, resultando em intermediários estáveis. Essas transformações, chamadas não elementares, podem sêrser representadas pela soma das equações químicas de cada etapa, resultando em uma equação global do processo.

Para compreender isso melhor, considere uma transformação hipotética, composta de três etapas, conforme descrito a seguir.

Note quêque a espécie química intermediária AB não aparece na reação global, pois é produzida e consumida ao longo do processo.

Uma vez quêque cada etapa constitui uma reação elementar, cada uma delas apresenta uma energia de ativação específica, como representado a seguir.

ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• O simulador a seguir permite controlar algumas variáveis para obtêrobter diferentes resultados, contribuindo para a compreensão de reações químicas em nível molecular.
PHYSICS EDUCATION TECHNOLOGY INTERACTIVE SIMULATIONS. Reações e taxas. Boulder: iUnivêrsityUniversity ÓFof Colorado, c2024. Disponível em: https://livro.pw/jnklr. Acesso em: 2 out. 2024.

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Aproveitar o momento para reforçar a complexidade dessas transformações e para indicar quêque cada processo tem um mecanismo de reação único.

Com base nessa representação gráfica, é possível notar quêque cada reação elementar das etapas de reação tem uma energia de ativação específica e um estado de transição, representado nos picos da curva, e quêque o processo global é exotérmico. Os vales representam as espécies químicas intermediárias, quêque têm energia mais baixa em razão de sua estabilidade. No entanto, mesmo constituídas de arranjos energeticamente estáveis, elas não representam produtos da reação global.

Em processos compléksoscomplexos como esse, o tempo quêque cada etapa leva para ocorrer não é o mesmo. Há etapas rápidas, quêque podem sêrser lidas no gráfico como aquelas quêque apresentam menor energia de ativação, e etapas lentas, quêque podem sêrser lidas no gráfico como aquelas quêque apresentam maior energia de ativação.

A etapa com maior energia de ativação será determinante para o tempo global do processo.

Etapas lentas são consideradas “gargalos” de processos, mas algumas substâncias podem ajudar a diminuir a barreira energética do estado de transição dessas reações.

Lei da ação das massas

Entre 1864 e 1879, os noruegueses Cato Maximilian Guldberg (1836-1902), matemático e químico, e seu cunhado píterPeter Waage (1833-1900), professor de Química na Universidade de Kristiania, investigaram a rapidez das reações em função da variação da concentração dos reagentes, mantidas as condições, como a tempera-túratemperatura constante. Com base em dados de diversos experimentos, propuseram a lei da ação das massas, também conhecida como lei cinética, quêque descreve a relação entre as concentrações dos reagentes e a rapidez das reações químicas.

Essa lei estabelece quêque, para uma reação química em equilíbrio (assunto do próximo Tema), a rapidez da reação é proporcional ao produto das concentrações dos reagentes, cada uma elevada a expoentes numéricos determinados êsperimentalmenteexperimentalmente. Isso permite prever como as concentrações de reagentes e produtos influenciam tanto a rapidez quanto o estado de equilíbrio da reação.

Considere uma reação química genérica: A + B → C + D

De acôr-doacordo com a lei da ação das massas, a rapidez da reação (r) pódepode sêrser expressa pela equação:

r = k ⋅ [A]^x ⋅ [B]^y

Em quêque k é a constante de rapidez, [A] e [B] são as concentrações dos reagentes e x e y são expoentes numéricos determinados êsperimentalmenteexperimentalmente. Essa equação refere-se à rapidez de uma reação elementar.

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Catalisadores

REFLITA

2 por quêPor que o fermento biológico é adicionado à massa do pão?

Um catalisador é uma substância (ou um material) quêque promove a redução da energia de ativação de determinada reação química, possibilitando mais colisões efetivas e um aumento da eficiência da reação. Como estudado, essas colisões têm energia necessária para a formação dos produtos.

De modo geral, essa substância aumenta a rapidez das reações, estabelecendo caminhos alternativos, quêque envolvem estados de transição intermediários menos energéticos – portanto, com menor energia de ativação –, sem alterar a variação de entalpia entre reagentes e produtos. O catalisador altera apenas o mecanismo da reação, não seus estados inicial e final. Em muitos casos, a energia de ativação de uma reação é tão grande quêque ela só ocorre mediante uso de catalisador.

Outra característica do catalisador é quêque, se for consumido em uma etapa da reação, será regenerado em outra, de modo quêque sua quantidade, considerando a reação global, não se altera. Assim, a representação de uma reação quêque ocorre na presença de um catalisador se dá por indicação da substância usada ou da abreviação cat sobre a seta da reação. No caso da síntese da amônia, por exemplo, os catalisadores mais utilizados são materiais quêque contêm, majoritariamente, ferro, portanto a reação pódepode sêrser escrita conforme a seguir.

N₂(g) + 3 H₂(g) $\stackrel{\mathrm{F}\mathrm{e}}{\to }$ 2 NH₃(g)

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FORMAÇÃO CIDADÃ
Catalisadores para a redução da poluição ambiental

A emissão de gases poluentes por veículos automotivos é uma grande preocupação da atualidade, especialmente em áreas urbanas por causa do risco quêque oferecem à saúde da população e ao ambiente. Alguns gases, como o monóxido de carbono (CO), e uma série de substâncias formadas por hátomusátomos de nitrogênio e oxigênio, conhecidas pela sigla genérica NO_x, têm efeitos comprovadamente nocivos ao sistema respiratório de sêresseres vivos e causam a degradação do ambiente, em razão da formação de chuvas ácidas.

Uma maneira de diminuir esses impactos é por meio do uso de catalisadores, quêque promóvempromovem a transformação dêêssesdesses poluentes em gases, como o gás oxigênio (O₂) e o dióxido de carbono (CO₂), ou até em substâncias hí-nértisinertes, como o gás nitrogênio (N₂). Alguns metais, como a platina (Pt), o paládio (Pd) e o ródio (Rh), estão entre as substâncias quêque diminuem a energia de ativação dessas transformações.

ATIVIDADES

1. Como você descreveria uma reação em quêque os catalisadores atuam para a diminuição dos gases poluentes nos veículos automotivos? Utilize equações químicas e/ou representações gráficas em sua resposta.

2. No Brasil, a lei federal númeronº 8.723, de 28 de outubro de 1993, estabelece a redução da emissão de poluentes por veículos automotores, complementando o Programa de contrôleControle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (Proconve). Você conhece ou já se deparou com legislações parecidas? Forme um grupo com dois ou três côlégascolegas, e façam o quêque se pede.

a) Pesquisem, em sáitessites confiáveis, legislações envolvendo a regulamentação e a fiscalização da emissão de gases por veículos automotores, bem como ações e programas de incentivo à redução de gases poluentes no Brasil.

b) Verifiquem se, no estado ou no município onde moram, existem políticas de incentivo à redução de gases poluentes.

c) Com base na pesquisa e no quêque foi verificado no item anterior, produzam um texto informativo sobre esses dados. Incluam no texto aspectos sobre a importânssiaimportância da fiscalização e do incentivo à redução de poluentes.

3. Ainda em grupo, considerem quêque vocês são responsáveis por elaborar um relatório técnico de um veículo quêque está emitindo gases poluentes muito acima dos níveis permitidos por lei. O texto deve apresentar as seguintes informações.

a) Os limites e os critérios estabelecidos por uma legislação da escolha de vocês.

b) Uma análise com a justificativa da reprovação do veículo na vistoria.

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Biocatalisadores

Quando a catálise de reações ocorre em contextos biológicos, tanto em processos naturais e evolutivos de sêresseres vivos quanto em processos reproduzidos êsperimentalmenteexperimentalmente em laboratório, os catalisadores envolvidos são denominados biocatalisadores.

A maior parte dessas moléculas são classificadas como proteínas, mas outras biomoléculas, como o érre êne háRNA, também podem atuar na catálise de reações em sistemas biológicos.

Enzimas

As proteínas com ação catalisadora são denominadas enzimas. Essas moléculas são essenciais para diversas funções biológicas, como a digestão de alimentos, a replicação de dê ene háDNA e a síntese de moléculas. A atividade enzimática permite quêque as vias metabólicas aconteçam rapidamente, de maneira eficiente e coordenada, nas condições moderadas de tempera-túratemperatura e pressão do corpo.

SOBRE

Nos sêresseres vivos, uma sequência de reações químicas ocorrendo simultaneamente e de modo a desempenhar uma função é chamada de via metabólica. De modo geral, as vias metabólicas são estudadas de maneira independente, mas ocorrem de maneira compléksacomplexa e integrada, muitas vezes envolvendo mais de um tecido no organismo.

O mecanismo de ação das enzimas é compléksocomplexo e altamente específico. Isso significa quêque cada enzima geralmente catalisa apenas um tipo de reação, atuando em substratos específicos. Por esse motivo, a nomenclatura dessas substâncias, com freqüênciafrequência, faz referência aos seus “alvos”.

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AlGO A+
Fermento químico ou fermento biológico: qual escolher?

Os fermentos são fundamentais para receitas de pães e bolos, pois atuam promovendo o crescimento da massa.

Os fermentos químicos, como o bicarbonato de sódio, não são catalisadores, mas sim substâncias quêque reagem com algum componente da receita, liberando gás carbônico e fazendo a massa crescer. Já os fermentos biológicos contêm enzimas quêque aceleram a transformação de açúcares em gás carbônico e áucôlálcool.

Os dois agem de maneira diferente quando misturados aos demais ingredientes, portanto cada um é indicado para determinado tipo de receita.

Fermento químico

(fermento em pó)

• De quêque é feito?

Bicarbonato de sódio (NaHCO₃) e ácidos.

• Como age?

Reage com substâncias da massa quando submetido ao calor do fôrnuforno, produzindo gás carbônico (CO₂).

• Para quais receitas é ideal?

O gás produzido no interior da massa a faz crescer rapidamente, portanto é recomendado para preparações mais aeradas ou crocantes, como bolos, muffins e biscoitos, quêque precisam crescer logo após irem ao forno.

Fermento biológico

(fermento de padeiro)

• De quêque é feito?

Leveduras vivas (Saccharomyces cerevisiae).

• Como age?

As leveduras consomem os açúcares da massa, liberando CO₂ d fórmade forma mais lenta.

• Para quais receitas é ideal?

O processo gradual de crescimento da massa é recomendado para receitas quêque precisam de tempo para desenvolver sabor e textura, como as de pães e pitssaspizzas.

Se eu não tiver o fermento cértocerto para a minha receita, posso trocá-lo?

Utilizar o fermento químico em uma receita de pão pódepode resultar em uma massa pesada e sem sabor, pois as reações envolvidas são rápidas demais. Já adicionar fermento biológico a uma receita cuja massa precisa crescer de modo rápido geralmente não funciona, pois as leveduras levam tempo para agir.

Além díssudisso, usar o fermento inadequado para a receita pódepode influenciar o sabor da massa de modo indesejado, pois cada processo é diferente.

Página duzentos e setenta e seis276

ATIVIDADES

1. A presença de gás oxigênio é um dos fatores quêque acelera a deterioração dos alimentos. Em embalagens, muitas vezes, são utilizados sachês ou materiais incorporados quêque contêm substâncias como a glicose oxidase. Faça uma pesquisa sobre essa substância para responder às kestõesquestões a seguir.

a) Como as moléculas de glicose oxidase podem sêrser classificadas?

b) Explique como ela atua na conservação dos alimentos. Se preferir, utilize esquematizações em sua resposta.

2. Escolha um contexto da aplicação de catalisadores a seguir.

a) Produção de biocombustíveis e degradação de biomassa.

b) Degradação de plástico e contrôlecontrole da poluição ambiental.

c) Anticatalisadores na produção de fármacos.

Faça uma pesquisa em fontes confiáveis, como artigos científicos, livros didáticos ou conteúdos de divulgação científica, e reúna informações sobre o contexto escolhido.

Em seguida, produza um texto informativo explicando como os catalisadores atuam no contexto escolhido e a importânssiaimportância do estudo deles para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis.

Durante a pesquisa e a escrita, considere os seguintes aspectos.

• O tipo de catalisador (anticatalisador, biocatalisador, catalisador químico etc.) e a descrição do processo em quêque ele é utilizado.

• A relevância dêêssedesse catalisador para o contexto escolhido.

• A maneira como ele melhora a eficiência do processo.

• Os benefícios para a ssossiedadesociedade e a redução de impactos negativos.

• Os dados ou os exemplos reais e recentes quêque demonstrem sua aplicação.

3. A á guaágua oxigenada é utilizada em processos de desinfequiçãodesinfecção e limpeza de machucados. Em contato com o sanguesangue, ela é rapidamente decomposta em á guaágua e oxigênio.

Analise o gráfico a seguir e explique, em seu caderno, o quêque significam os pontos I e II.

4. Considere o gráfico a seguir, quêque mostra a variação da atividade de uma enzima produzida pelo organismo humano em relação à tempera-túratemperatura. Atividade de uma enzima genérica em relação à tempera-túratemperatura

a) Qual é a faixa de tempera-túratemperatura em quêque essa enzima atua com maior eficiência?

b) Se o organismo estiver acima ou abaixo da tempera-túratemperatura ótima da enzima, o quêque acontecerá com a reação quêque ela catalisa?

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TEMA
23
Equilíbrio químico

Antes de iniciar a abordagem dêstedeste Tema, recomenda-se a leitura do artigo “Como os estudantes concebem o estado de equilíbrio químico”, de Andréa Horta Machado e Rosália Maria Ribeiro de Aragão, disponível em: https://livro.pw/nsneg (acesso em: 3 out. 2024).

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

Os corais, com cores vibrantes e formatos únicos, são constituídos de pequenos organismos marinhos quêque retiram íons cálcio e carbonato da á guaágua para produzir carbonato de cálcio, a substância quêque compõe a própria estrutura. Mas muitas pessoas não sabem quêque esse processo envolve um equilíbrio químico delicado.

Na á guaágua do mar, o carbonato de cálcio está constantemente se dissolvendo e se formando, de acôr-doacordo com as condições ambientes. Esse equilíbrio é influenciado por fatores como a tempera-túratemperatura e a concentração de íons. Pequenas mudanças no ambiente, como o aumento da acidez nos oceanos, podem alterar esse equilíbrio, dificultando a formação de novas estruturas de corais e colocando em risco todo o éco-sistemaecossistema.

Compreender como o equilíbrio químico se estabelece, as condições quêque o influenciam e como ele está presente em diversas reações do cotidiano – desde a formação dos corais até os processos industriais – são os assuntos dêstedeste Tema.

Reversibilidade de reações

Boa parte das transformações químicas estudadas até aqui acontecem por meio de reações irreversíveis, isto é, ocorrem em um único sentido ao longo do tempo. Por exemplo, a combustão de materiais ocorre somente no sentido quêque leva à produção de CO₂ e H₂O.

De maneira geral, essas transformações param de acontecer quando um dos reagentes acaba ou quando o fornecimento de energia é interrompido (no caso de reações endotérmicas). Nesse caso, a concentração das substâncias envolvidas permanécepermanece constante por tempo indeterminado, desde quêque as condições do sistema sêjamsejam mantidas.

REFLITA

1 Você considera quêque seria possível reverter a reação química quêque produz o concreto, usado em prédios e pontes, transformando-o nos materiais originais quêque o compõem?

Página duzentos e setenta e oito278

Essa estabilidade das concentrações pódepode sêrser representada graficamente. A seguir, duas representações gráficas mostram a variação da concentração de duas substâncias hipotéticas em função do tempo.

O gráfico de combustão da substância A corresponde a uma reação de combustão lenta, quêque ocorre durante alguns minutos. O gráfico de combustão da substância B representa outra reação, quêque ocorre em poucos segundos. Nos dois gráficos, considera-se quêque cada molécula de combustível forma uma molécula de CO₂, de modo quêque a proporção dos coeficientes estequiométricos entre o combustível e o gás carbônico seja de 1: 1.

Como estudado anteriormente, as curvas apresentam inclinações diferentes, pois a rapidez de cada transformação é diferente. No entanto, em ambos os casos, é possível identificar o fim da reação, representado nos gráficos a partir do ponto em quêque as concentrações não apresentam mais variação ao longo do tempo. É possível notar quêque os reagentes limitantes, as substâncias A e B, mantêm-se constantes em concentrações próximas de zero. Já o produto (apenas o gás carbônico está representado nos gráficos) se estabelece em concentração determinada pelo rendimento da reação.

Existem também reações quêque são reversíveis. Para compreendêê-lascompreendê-las, é apresentada a seguinte reação hipotética. Duas substâncias genéricas, A e B, reagem para formárformar outras duas substâncias genéricas, C e D. Essa reação pódepode sêrser descrita pela equação a seguir.

A + B → C + D

Se essa reação for reversível, os produtos C e D reagirão, e a reação se inverterá, formando as substâncias A e B.

C + D → A + B

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Assim, em um mesmo sistema, a transformação dos reagentes A e B nos produtos C e D (reação direta) ocorre de maneira simultânea à transformação de C e D em A e B (reação inversa). Pode-se concluir quêque reagentes e produtos coexistem nesse sistema.

Com base nessa conclusão, é possível afirmar quêque a reação é reversível e pódepode sêrser representada por um par de meias setas (⇌).

A + B ⇌ C + D

Essa representação indica um estado de equilíbrio entre as duas reações (a dirétadireta e a inversa) quêque é submicroscopicamente dinâmico, porém macroscopicamente constante. Ou seja, as moléculas ou outras espécies químicas continuam reagindo, apesar de o sistema não apresentar qualquer alteração observável.

Estado de equilíbrio

Em 1803, o químico francês Claude-Louis Berthollet publicou um extenso trabalho intitulado Essai de statique chimique (“Ensaio de química estatística”, em tradução livre) em quêque propôs, pela primeira vez, os conceitos de reações reversíveis e de estado de equilíbrio químico. Embora seu trabalho tenha sido validado posteriormente, as ideias do químico foram consideradas muito controversas e complicadas, de modo quêque foram recebidas com cértocerto criticismo quando foram publicadas. Atualmente, a contribuição de Berthollet é considerada fundamental para a compreensão de sistemas em equilíbrio.

Um fato marcante dos estudos sobre equilíbrio químico se deu no início do século XX. Nessa época, a tensão entre os países europêuseuropeus era causada não só por rivalidade territorial e política mas também por disputa e dependência de substâncias nitrogenadas, utilizadas na agricultura e na produção de explosivos.

As fontes dessas substâncias eram escassas, e a maioria delas se localizava no Chile, na América do Sul. Assim, para consegui-las, os países europêuseuropeus precisavam importar grandes quantidades delas, resultando em preocupação com relação às rótasrotas de navegação, uma vez quêque os navios quêque atravessavam o oceano estavam sujeitos a ataques e a desvios de carga.

A corrida por recursos e o medo de perder o contrôlecontrole sobre as rótasrotas de transporte contribuíram para um clima de incerteza e competição quêque se intensificou com a eclosão da Primeira Guerra Mundial em 1914.

Nesse contexto, foi desenvolvido o processo Haber-Bosch em laboratório, em 1908, pelo químico alemão Fritz Haber, e na indústria, entre 1912 e 1913, pelo químico industrial alemão CalCarl Bosch.

A reação usada nesse processo consistiu na produção industrial de amônia por meio da reação entre os gases nitrogênio e oxigênio, em quêque certos parâmetros foram ajustados para gerar um melhor rendimento. A amônia é a fonte de nitrogênio para a produção de fertilizantes nitrogenados.

Essa reação foi amplamente estudada, contribuindo para o entendimento das reações em equilíbrio.

Em Temas anteriores, foi apresentada a síntese de amônia sem a indicação de quêque se tratava, efetivamente, de uma reação reversível, quêque pódepode sêrser descrita pela seguinte equação:

N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g)

Ao representar a reação por essa equação, desconsideram-se as etapas intermediárias, visto quêque ela não ocorre de maneira tão simples.

Para estudar como esse sistema se comporta ao longo do tempo, pode-se considerá-lo de duas maneiras.

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Uma delas é assumir quêque a mistura inicial é formada apenas pêlospelos gases nitrogênio e hidrogênio.

Na prática, esse sistema deve sêrser aquecido sôbisob pressão e na presença de um catalisador para quêque ocorram colisões efetivas entre as moléculas de N₂ e H₂ e, consequentemente, haja formação de NH₃.

Então, após determinado momento, as concentrações dessas substâncias se mantêm em valores constantes. Esse processo pódepode sêrser representado graficamente da maneira a seguir.

Pode-se considerar também um sistema formado inicialmente apenas pelo gás amônia. Em condições similares às anteriores, as colisões efetivas entre moléculas de NH₃ promóvempromovem a decomposição dessa substância e a consequente produção de N₂ e H₂.

Após determinado momento, verifica-se quêque as concentrações dessas substâncias também se mantêm constantes. Esse processo pódepode sêrser representado graficamente da maneira a seguir.

Apesar do uso de dados fictícios para a elaboração dêêssesdesses gráficos, resultados similares foram obtidos êsperimentalmenteexperimentalmente, confirmando quêque o processo ocorre nos dois sentidos. Sendo assim, trata-se de um processo reversível, quêque pódepode sêrser descrito separadamente, utilizando as reações dirétadireta e invérsainversa da transformação.

N₂(g) + 3 H₂(g) → 2 NH₃(g) (reação direta)

2 NH₃(g) → N₂(g) + 3 H₂(g) (reação inversa)

Assim, o quêque cientistas chamam de equilíbrio químico corresponde a um estado de sistema no qual uma reação química ocorre com a mesma rapidez quêque sua reação invérsainversa, mantendo constantes as concentrações de reagentes e produtos.

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Assim, pode-se afirmar quêque as transformações reversíveis progridem até quêque o sistema atinja um equilíbrio químico, o qual é mantido por reações quêque consomem e produzem as substâncias (reagentes e produtos) com a mesma rapidez, de modo quêque todas elas coexistam em concentrações constantes. Após estabelecido, esse estado se mantém por tempo indeterminado, desde quêque as condições do sistema também sêjamsejam mantidas. Com base nessas afirmações, é possível deduzir quêque o equilíbrio químico é um equilíbrio dinâmico, e não um equilíbrio estático.

O dinamismo do equilíbrio

Uma maneira de verificar se o equilíbrio químico é de fato dinâmico seria por meio de um experimento como o seguinte.

Em um recipiente em condições semelhantes às utilizadas no processo Haber-Bosch são colocadas as substâncias gasosas amônia (NH₃), nitrogênio (N₂) e deutério (D₂) com concentrações iguais às de um sistema em equilíbrio.

O deutério (² H ou D) é um isótopo do elemento hidrogênio quêque contém um nêutron no núcleo, ao contrário do prótio (¹H), o isótopo mais comum, quêque não possui nêutron. Átomos de deutério reagem como os de prótio.

Como todos os gases são colocados em concentrações iguais às do sistema já em equilíbrio, o esperado seria quêque não houvesse reação química, ou seja, um sistema estático. No entanto, analisando-o por espectrometria de massas, depois de estabelecido o equilíbrio, o quêque se observa é algo semelhante ao da representação a seguir.

A presença de dois isótopos diferentes em uma mesma molécula confirma a hipótese do estado de equilíbrio dinâmico, uma vez quêque, se o sistema fosse estático, não haveria troca de hátomusátomos de hidrogênio das moléculas de amônia por hátomusátomos de deutério.

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FORMAÇÃO CIDADÃ
A química no interior das cavernas

As cavernas desempenharam um papel fundamental na história da espécie humana. Nos primórdios, elas serviram como abrigos, onde até hoje são encontrados diversos registros, conhecidos como pinturas rupestres, feitos pêlospelos sêresseres humanos quêque habitaram o planêtaplaneta há milhares de anos.

Em grutas e cavernas, pode-se encontrar outra particularidade interessante: a formação de estruturas pontiagudas denominadas estalactites e estalagmites, resultantes de processos químicos em róchasrochas calcárias. As estalactites se dêsênvólvemdesenvolvem a partir do teto da caverna em direção ao chão. Já as estalagmites se dêsênvólvemdesenvolvem a partir do chão da caverna em direção ao teto.

O processo de formação de estalactites e estalagmites pódepode sêrser resumido da maneira a seguir.

1. A á guaágua da chuva reage com o dióxido de carbono da atmosféraatmosfera e se infiltra no solo, formando ácido carbônico em meio aquoso.

H₂O((éli)"ℓ) + CO₂(g) → H₂CO₃(aq)

2. O ácido formado, ao entrar em contato com o carbonato de cálcio presente nas róchasrochas, promove a dissolução do sal.

CaCO₃(s) + H₂CO₃(aq) → Ca²⁺(aq) + 2 $\begin{array}{c}{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_3^{2-}\end{array}$(aq)

3. Os íons de cálcio e carbonato permanecem em meio aquoso. À medida quêque essa á guaágua goteja, há perda de dióxido de carbono gasoso, de modo quêque o carbonato de cálcio se precipita novamente.

Assim, a formação dessas estruturas pódepode sêrser representada pela reação reversível a seguir.

Ca²⁺(aq)+2$\begin{array}{c}{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_3^{2-}\end{array}$(aq) ⇌ CaCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O((éli)"ℓ)

ATIVIDADES

1. Em sáitessites confiáveis, pesquise os temas dos itens a seguir. Em seguida, utilize as informações obtidas para criar um projeto artístico e/ou científico para compartilhar o conhecimento adquirido.

a) Espeleologia científica e criativa: como podemos estudar e aprender sobre as cavernas?

b) Reservas da Biosfera: qual é a importânssiaimportância de espaços naturais e por quêpor que é necessário preservá-los?

2. Na região onde você reside, existe alguma Reserva da Biosfera? Você já visitou alguma caverna? Conhece outros espaços similares? Converse com os côlégascolegas e troque informações e impressões sobre suas experiências.

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ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• O sáitisite da Sociedade Brasileira de Espeleologia congrega interessados na exploração, pesquisa e preservação de cavernas e armazena informações relevantes e notícias atualizadas sobre o tema.
SOCIEDADE BRASILEIRA DE ESPELEOLOGIA. Campinas, c2023. sáitiSite. Disponível em: https://livro.pw/ekmug. Acesso em: 3 out. 2024.

• Idealizado pela Fundação Museu do Homem Americano (Fumdham), o sáitisite apresenta um mapa interativo quêque reúne informações sobre diversos sítios arqueológicos e paleontológicos na região do semiárido do nordeste do Brasil.
SUMMA ARQUEOLÓGICA. [S. l., c2024]. sáitiSite. Disponível em: https://livro.pw/qmebl. Acesso em: 3 out. 2024.

Constante de equilíbrio

REFLITA

2 É possível prever a proporção de reagentes e produtos de uma reação quêque atingiu o equilíbrio?

Para entender melhor como se dá a relação entre as concentrações das substâncias envolvidas em uma reação em equilíbrio químico, considera-se uma reação genérica entre as substâncias A e B quêque forma as substâncias C e D, com seus respectivos coeficientes estequiométricos. Essa reação genérica pódepode sêrser representada pela equação química a seguir.

a A + b B ⇌ c C + d D

Em qualquer momento da reação, pode-se calcular o quociente da reação (Q), valor quêque representa a relação dirétadireta entre as concentrações dos produtos e dos reagentes. Assim, o quociente da reação é a razão entre as concentrações dos produtos e dos reagentes, cada uma elevada a uma potência igual ao seu coeficiente estequiométrico.

Para a reação genérica anterior, tem-se:

Q = $\begin{array}{c}\frac{[C{]}^c\cdot [D{]}^d}{[A{]}^a\cdot [B{]}^b}\end{array}$

Explorar a equação apresentada, atribuindo concentrações arbitrárias para obtêrobter diferentes valores de Q e evidenciar, por meio de demonstração, o quêque representa Q > 1, Q < 1 e Q = 1.

O quociente da reação é muito utilizado para observar o andamento de determinada reação. Valores altos de Q, em relação à unidade, indicam quêque a maior parte dos reagentes tornou-se produto, enquanto valores baixos de Q indicam o contrário. Já a igualdade Q = 1 indica concentrações equivalentes entre reagentes e produtos.

Conforme estudado, quando o equilíbrio químico é estabelecido, as concentrações de reagentes e produtos permanecem constantes. Logo, em situações de equilíbrio químico, o valor de Q também corresponde a uma constante, denominada constante de equilíbrio (K_C) e representada pela equação a seguir.

K_c = $\begin{array}{c}\frac{[\mathrm{C}{]}^{\mathrm{c}}\cdot [\mathrm{D}{]}^{\mathrm{d}}}{[\mathrm{A}{]}^{\mathrm{a}}\cdot [\mathrm{B}{]}^{\mathrm{b}}}\end{array}$

Note quêque Q e K_C são, essencialmente, uma maneira de expressar a relação entre as concentrações de produtos e reagentes em determinado momento de uma reação. Utiliza-se apenas uma nomenclatura específica para a situação de equilíbrio, porque, após estabelecido, a relação de proporcionalidade entre reagentes e produtos é mantida.

Página duzentos e oitenta e quatro284

Portanto, pode-se dizêrdizer quêque os valores de K_C > 1 representam sistemas em equilíbrio quêque favorécemfavorecem a formação de produtos, e valores de K_C < 1 indicam sistemas em equilíbrio quêque favorécemfavorecem a formação de reagentes. Já valores de K_C = 1 indicam quêque o equilíbrio se estabelece com concentrações equivalentes de reagentes e produtos.

Genericamente, os três casos podem sêrser representados por meio dos gráficos a seguir.

Quando reagentes e produtos de uma reação estão no estado gasoso, as concentrações usadas na equação para a determinação da constante de equilíbrio podem sêrser substituídas pêlospelos valores de pressão parcial de cada substância. Essa grandeza corresponde à pressão quêque um gás exerceria, à mesma tempera-túratemperatura, se não fizesse parte de uma mistura, ou seja, se estivesse sózínhosozinho no recipiente.

Assim, considerar a seguinte reação:

a A(g) + b B(g) ⇌ c C(g) + d D(g)

A constante de equilíbrio pódepode sêrser calculada pela seguinte expressão:

K_p = $\begin{array}{c}\frac{[\mathrm{p}\mathrm{C}{]}^{\mathrm{c}}\cdot [\mathrm{p}\mathrm{D}{]}^{\mathrm{d}}}{[\mathrm{p}\mathrm{A}{]}^{\mathrm{a}}\cdot [\mathrm{p}\mathrm{B}{]}^{\mathrm{b}}}\end{array}$

As constantes K_C e K_P representam diferentes opções matemáticas para descrever sistemas em equilíbrio químico e podem sêrser relacionadas ao considerar a equação de Clapeyron (PV = nRT) da seguinte maneira:

K_C =$\begin{array}{c}\frac{K_p}{(RT{)}^{\mathrm{\Delta }n}}\end{array}$

K_P = K_C ⋅ (RT)(delta)"Δⁿ

Nessa equação, (delta)"Δn = (n_C + n_D) − (n_A + n_B), ou seja, a variação na quantidade de matéria entre produtos e reagentes.

Página duzentos e oitenta e cinco285

É importante mencionar quêque as constantes de equilíbrio, seja em termos de concentração em quantidade de matéria, seja em termos de pressão parcial, dependem da tempera-túratemperatura do sistema.

Constantes de equilíbrio de reações

Fonte: étkinsATKINS, píterPeter; diônesJONES, Loretta; LAVERMAN, Leroy. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: búkmãBookman, 2018. p. 402.

ATIVIDADES

1. É a sua vez de sêrser cientista! Com cuidado e sôbisob a supervisão de um responsável, acenda uma vela e observe-a com atenção.

Redija um texto em linguagem científica para explicar o quêque acontece. Consulte o professor para quêque ele organize um debate em sala de aula. Para analisar os textos e conversar com a turma, o professor de Língua Portuguesa pódepode sêrser convidado para esta atividade.

2. Esboce, em seu caderno, um gráfico da variação de concentração das substâncias ao longo do tempo, considerando os valores de K_C apresentados para cada um dos sistemas a seguir.

a) N₂O₄ (g) ⇌ 2 NO₂(g); K_C = 4,0 ⋅ 10⁻²

b) H₂(g) + C(éli)"ℓ₂(g) ⇌ 2 HC(éli)"ℓ(g); K_C = 4,0 ⋅ 10³¹

3. Esboce, em seu caderno, representações submicroscópicas para uma transformação irreversível e outra reversível, indicando o quêque acontece no meio reacional ao longo do tempo. Para isso, considere três momentos: o tempo zero (início da reação), um tempo curto 1 (durante a reação) e um tempo longo 2 (final da reação ou equilíbrio químico). Em seguida, dêz-crevadescreva as diferenças do quêque ocorre nos tempos 1 e 2 nas duas situações.

4. Considere as informações a seguir, obtidas para reações realizadas a uma tempera-túratemperatura de 300 K.

No equilíbrio, qual será a concentração dos produtos?

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TEMA
24
Sistemas em equilíbrio

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

Compreender o comportamento de um sistema em equilíbrio químico é essencial para controlar e otimizar reações químicas, especialmente em processos industriais. Como estudado, o equilíbrio ocorre quando a rapidez das reações dirétadireta e invérsainversa se igualam, tornando constantes as concentrações de reagentes e produtos. Com base nesse entendimento, é possível prever as condições do sistema e manipulá-las para melhorar a eficiência das reações e garantir o mássimomáximo rendimento possível.

Há alguns fatores quêque influenciam o equilíbrio químico. Ao alterá-los, verifica-se uma resposta de um sistema reacional quêque pódepode atender ou não a necessidade de um pesquisador ou de uma indústria. Ajustar essas variáveis d fórmade forma estratégica gera melhores resultados na produção de bens e no desenvolvimento de novos materiais.

Esses ajustes maximizam a quantidade de produtos, além díssudisso, reduzem os custos e os impactos ambientais, pois evitam desperdícios e processos ineficientes. A manipulação do equilíbrio químico é uma ferramenta poderosa no desenvolvimento de métodos sustentáveis e economicamente viáveis. Dessa forma, o conhecimento mais aprofundado de equilíbrio químico é indispensável para a busca de soluções inovadoras e para o aprimoramento de processos industriais.

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Princípio de Le Châtelier

REFLITA

1 O quêque acontecerá com um sistema em equilíbrio se for adicionado a ele uma quantidade a mais de um dos reagentes?

Foi explicado, no Tema anterior, quêque sistemas em equilíbrio químico são dinâmicos, ou seja, as reações dirétasdiretas e inversas não param de ocorrer. Esse dinamismo foi estudado por vários cientistas, principalmente pelo químico e metalurgista francês Henri Louis Le Châtelier (1850-1936), com base nos trabalhos de alguns pesquisadores, como o químico neerlandês Jacobus Henricus Van’t Hoff (1852-1911) e o físico franco-luxemburguês Jonas Ferdinand Gabriel Lippmann (1845-1921).

Em 1884, Van’t Hoff publicou Etudes de dynamique chimique (“Estudos em química dinâmica”, em tradução livre), no qual apresentou seus estudos sobre a cinética das reações químicas, aplicando leis da termodinâmica para analisar o equilíbrio químico. Lippmann, ao estudar os fenômenos químicos relacionados à eletricidade, propôs quêque um fenômeno quêque ocorre em um sentido pouco se opõe à ocorrência do fenômeno no sentido inverso.

No mesmo ano, Le Châtelier enunciou um princípio quêque, atualmente, leva seu nome e pódepode sêrser resumido da seguinte maneira. Todo sistema em equilíbrio químico, quando sujeito à influência de uma causa externa quêque varie sua tempera-túratemperatura ou sua condensação (isto é, pressão ou concentração), sofre modificações internas quêque, se acontecerem isoladamente, resultam em uma mudança de tempera-túratemperatura ou de condensação contrária à causa exterior inicial.

Em 1888, Le Châtelier apresentou uma nova formulação de sua teoria, mais simples e generalizada, à qual deu o nome de lei de oposição da reação à ação. Essa teoria ficou conhecida como princípio de Le Châtelier. De acôr-doacordo com esse princípio, quando uma alteração, seja na tempera-túratemperatura, seja na pressão, seja na concentração, é imposta a um equilíbrio químico, ele deixa de ocorrer por um cértocerto intervalo de tempo até quêque um novo equilíbrio se estabêlêçaestabeleça, de modo quêque a concentração de reagentes e/ou de produtos nesse novo equilíbrio pódepode sêrser maior ou menor, dependendo da modificação imposta.

Mesmo com suas limitações, o princípio de Le Châtelier, quando aplicado em condições experimentais semelhantes àquelas em quêque se baseou, é muito útil para prever alterações nos sistemas em equilíbrio químico. Embora seja considerado uma boa ferramenta, ele não deve sêrser tomado como verdade absoluta, e sim como uma regra prática quêque se aplica a uma grande variedade de situações, mas não a todas.

Diante díssudisso, serão abordados três cenários quêque envolvem alteração de um equilíbrio químico e quêque estão de acôr-doacordo com o princípio de Le Châtelier: adição/remoção de um reagente/produto, alteração de pressão causada por variação de volume e alteração de tempera-túratemperatura.

Variação da concentração

Considere a reação de equilíbrio entre o tetróxido de dinitrogênio (N₂O₄) e o dióxido de nitrogênio (NO₂), conforme descreve a equação.

N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)

Quando o sistema está em equilíbrio, quantidades iguais de tetróxido de dinitrogênio são formadas e consumidas, de modo quêque, macroscopicamente, não se observam alterações no sistema.

Assumindo quêque, nessa condição de equilíbrio, as concentrações dessas substâncias são [N₂ O₄] = = 0,25 mol/L e [NO₂] = 0,1 mol/L, o quêque acontecerá com essa condição se NO₂ for adicionado ao sistema até quêque sua concentração se estabilize em 1 mol/L? Para realizar esse cálculo, pode-se utilizar a equação da constante de equilíbrio.

K_c = $\begin{array}{c}\frac{{\left[{\mathrm{N}\mathrm{O}}_2\right]}^2}{\left[{\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4\right]}\end{array}$

Página duzentos e oitenta e oito288

Sabendo quêque a constante K_C dêêssedesse equilíbrio, a 300 K, é igual a 4,0 ⋅ 10⁻², pode-se fazer o seguinte cálculo.

4,0 ⋅ 10⁻² =$\begin{array}{c}\frac{(1{)}^2}{\left[{\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4\right]}\end{array}$

[N₂ O₄] =$\begin{array}{c}\frac{1}{\mathrm{0,04}}\end{array}$

[N₂ O₄] = 25 mol/L

Ou seja, quando NO₂ é adicionado, a reação de formação de mais N₂O₄ é favorecida, até quêque se chegue a um novo estado de equilíbrio descrito pela constante K_C. De maneira similar, se for adicionado mais N₂O₄, a reação de formação de NO₂ será favorecida, até quêque novo estado de equilíbrio seja atingido.

Pode-se dizêrdizer, portanto, quêque a adição de uma substância participante de um sistema em equilíbrio favorece a reação quêque resultará no seu consumo, até quêque se estabêlêçaestabeleça um novo equilíbrio.

Se uma substância for retirada do sistema, a reação quêque a forma será favorecida, recompondo sua concentração em uma nova condição de equilíbrio. Pode-se dizêrdizer quêque o sistema tende a “neutralizar” a variação de concentração imposta.

Variação da pressão

Reações em equilíbrio quêque apresentam pelo menos um componente no estado gasoso podem sêrser afetadas por alterações de pressão de modo a favorecer a formação de substâncias quêque ocupam menor volume.

Considere novamente o sistema em equilíbrio descrito pela equação a seguir.

Agora, considere a mistura dos gases N₂O₄ e NO₂ armazenada em uma seringa cujo êmbolo pódepode sêrser pressionado para aumentar a pressão sobre o sistema ou puxado para diminuí-la, alterando de um modo ou de outro o volume inicial.

Quando o êmbolo é empurrado, há uma diminuição de volume do sistema e um aumento da concentração dos dois gases, uma vez quêque a quantidade de matéria continua a mesma para um volume menor. Consequentemente, verifica-se quêque a coloração do sistema adqüireadquire um tom castanho mais escuro. Alguns instantes depois, a coloração do sistema adqüireadquire um tom levemente mais claro, o quêque poderia sêrser explicado por uma maior formação de N₂ O₄. Assim, pode-se concluir quêque, para compensar o aumento de concentração causado pelo aumento de pressão sobre o sistema, ocorre um deslocamento do equilíbrio no sentido de formação do gás incolor, quêque tem menor quantidade de matéria (há 1 mol de tetróxido de dinitrogênio para cada 2 mol de dióxido de nitrogênio) e, portanto, ocupa menor volume, até quêque se estabêlêçaestabeleça um novo equilíbrio químico.

Pode-se dizêrdizer quêque, se o aumento da pressão resultar na diminuição de volume de um recipiente, ocorrerá um deslocamento do equilíbrio no sentido da formação da espécie gasosa quêque ocupe o menor volume.

Página duzentos e oitenta e nove289

Variação da tempera-túratemperatura

De modo geral, a constante de equilíbrio de qualquer reação química depende da tempera-túratemperatura. No entanto, para avaliar sua influência em um equilíbrio químico, é preciso conhecer as variações de entalpia ((delta)"ΔH) envolvidas nas reações dirétadireta e invérsainversa. Se a reação for exotérmica (libera calor), a formação dos produtos será favorecida pela diminuição da tempera-túratemperatura. Se a reação for endotérmica (absorve calor), a formação dos produtos será favorecida pelo aumento da tempera-túratemperatura.

Considere mais uma vez a reação a seguir.

Analise, agora, os valores de constante de equilíbrio dessa reação a diferentes tempera-túrastemperaturas.

Constante de equilíbrio em função da tempera-túratemperatura

Fonte: étkinsATKINS, píterPeter; diônesJONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3. ed. Porto Alegre: búkmãBookman, 2006. p. 485.

Note quêque o aumento da tempera-túratemperatura causa o aumento da constante de equilíbrio, o quêque significa um favorecimento da formação do produto NO₂. Pode-se deduzir, portanto, quêque o sentido direto da reação é endotérmico e o sentido inverso é exotérmico.

Presença de catalisadores

Um catalisador, como estudado anteriormente, permite quêque uma reação ocorra por um mecanismo quêque envolve menor energia de ativação. Uma menor energia de ativação torna a reação mais rápida.

Em um sistema em equilíbrio, o catalisador altera a rapidez das transformações químicas tanto no sentido direto quanto no inverso, sem deslocar o equilíbrio.

Observe, nos gráficos a seguir, um equilíbrio químico estabelecido entre duas substâncias hipotéticas A e B após um intervalo de tempo (t_eq).

Na presença de catalisador, o equilíbrio é atingido em um intervalo de tempo menor (t_eq2 < t_eq1), sem quêque ocorram alterações nas quantidades das substâncias, já quêque as quantidades de matéria (mol) não se alteram.

Página duzentos e noventa290

Equilíbrio ácido-base

REFLITA

2 Você, provavelmente, consome bebidas ácidas. Poderia apontar uma?

Existem algumas teorias quêque definem as substâncias denominadas ácidos e bases. Neste momento dos estudos, considere quêque ácidos são substâncias quêque, em meio aquoso, sofrem ionização e libéramliberam íons hidrogênio (H⁺); e bases são substâncias quêque, em meio aquoso, sofrem dissociação e libéramliberam íons hidróxidos (OH⁻).

Vale frisar quêque a caracterização de uma substância como ácida ou básica sempre se dá em relação ao comportamento dela em soluções aquosas. É importante ressaltar também quêque ionização (ácidos em água) e dissociação iônica (bases em água) são processos diferentes. Ionização é um processo químico de formação de íons a partir de hátomusátomos neutros, enquanto dissociação iônica é um processo físico de separação de íons já existentes.

Alguns ácidos, como o clorídrico (HC(éli)"ℓ), são denominados ácidos fortes; isso significa quêque praticamente todas as moléculas da substância se ionizam em meio aquoso. A equação a seguir representa a ionização total do ácido clorídrico.

HC(éli)"ℓ(aq) → H⁺ (aq) + C(éli)"ℓ⁻ (aq)

Assumindo uma ionização total, se uma solução dêêssedesse ácido com concentração de 0,1 mol/L for preparada e for considerado quêque cada molécula de HC(éli)"ℓ originará um íon hidrogênio (H⁺) e um íon cloreto (C(éli)"ℓ⁻), a concentração de cada íon será igual a 0,1 mol/L e a de ácido clorídrico (HC(éli)"ℓ) será igual a zero.

No entanto, há ácidos, como o acético (H₃ CCOOH), quêque só se ionizam parcialmente e, por isso, são denominados ácidos fracos. Como se trata de um ácido orgânico, cujas características serão abordadas posteriormente, será utilizada uma representação simplificada de sua ionização (HAc indica o ácido acético e Ac⁻ indica o íon acetato).

HAc(aq) ⇌ H⁺ (aq) + Ac⁻ (aq)

Note quêque a equação química apresenta uma seta dupla, indicando uma situação de equilíbrio da qual se pódepode deduzir uma constante de ionização de ácidos (K_a), dada a seguir.

K_a = $\begin{array}{c}\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\cdot \left[{\mathrm{A}\mathrm{C}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}\right]}\end{array}$

Generalizando para um ácido fraco HA qualquer:

K_a = $\begin{array}{c}\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\cdot \left[{\mathrm{A}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{H}\mathrm{A}\right]}\end{array}$

Note quêque valores mais altos de K_a resultam em valores maiores de concentração dos íons H⁺ e A⁻ e valores menóresmenores de concentração de HA. Quimicamente, pode-se interpretar valores mais altos de K_a como indicativos de quêque a ligação covalente H – A é rompida com mais facilidade, enquanto valores mais baixos de K_a indicam quêque essa ligação é mais forte no ácido, e, portanto, menos íons H⁺ e A⁻ se formam.

Se uma solução de ácido acético com concentração de 0,1 mol/L for preparada, uma parte se ioniza, formando os íons hidrogênio e acetato, cujas concentrações podem sêrser calculadas por meio de K_a.

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Para estimar as concentrações das espécies químicas, assume-se quêque uma quantidade x de matéria de HAc ioniza, formando as espécies iônicas H⁺ e Ac⁻. Assim:

[HAc] = (0,1 − x) mol/L

[H⁺] = x mol/L

[Ac⁻] = x mol/L

No entanto, como HAc é um ácido fraco, sua concentração no equilíbrio será praticamente igual à concentração inicial, de modo quêque se pódepode assumir quêque:

[HAc] = (0,1 − x) mol/L ≃ 0,10 mol/L

Para esse ácido, o valor da constante de ionização, a 25 °C, é igual a 1,73 ⋅ 10⁻⁵ mol/L. Portanto:

1,73 ⋅ 10⁻⁵ mol/L = $\begin{array}{c}\frac{\mathrm{x}\cdot \mathrm{x}}{\mathrm{0,10}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}/\mathrm{L}}\end{array}$

x² = 1,73 ⋅ 10⁻⁶ mol²/L²

x = 1,32 ⋅ 10⁻³ mol/L

Ou seja: [H⁺] = [Ac⁻] = 1,32 ⋅ 10⁻³ mol/L

Esse valor indica quêque, em solução, além da á guaágua, há três espécies químicas com as seguintes concentrações.

[HAc] ≃ 0,10 mol/L

[H⁺] = 1,32 ⋅ 10⁻³ mol/L

[Ac⁻] = 1,32 ⋅ 10⁻³ mol/L

Os valores de concentração das espécies nesses tipos de equilíbrio costumam sêrser muito baixos, por essa razão é comum expressá-las por meio de logaritmos.

Calculando a acidez de um sistema

O quêque define a acidez de uma solução é a concentração do íon hidrogênio [H⁺], quêque, por sua vez, depende da concentração do ácido e de sua fôrçaforça (constante de equilíbrio).

No início do século XX, especificamente em 1909, o cientista dinamarquês Søren Sørensen (1868-1939) criou métodos para contrôlecontrole de qualidade em processos de fermentação na indústria de bebidas. Como o contrôlecontrole da acidez nesses processos é fundamental, Sørensen freqüentementefrequentemente lidava com cálculos envolvendo a concentração de íons H⁺. Ao perceber quêque essas concentrações eram representadas por números extremamente pequenos, ele criou uma escala prática para medir a acidez e a basicidade, utilizando números positivos de 0 a 14. Essa escala é conhecida hoje como pH (potencial hidrogeniônico).

A concentração do íon hidrogênio [H⁺] pódepode chegar a valores da ordem de 10⁻¹⁴. Por isso, utiliza-se uma função logarítmica para determinar sua concentração.

pH = −log [H⁺]

Caso considere pêrtinêntipertinente, comente quêque a função logarítmica é a função invérsainversa da exponencial. Essa função permite comprimir uma vasta gama de valores muito pequenos, difíceis de serem prontamente assimilados, em uma escala mais manejável. Facilitando a comparação e análise de soluções no contexto ácido-base.

Dessa forma, uma concentração de 0,01 mol do íon hidrogênio (H⁺) por litro de solução pódepode sêrser escrita da seguinte forma.

pH = −log (0,01)

pH = −log (10⁻²)

pH = − (−2)

pH = 2

É importante frisar quêque essa escala, por estar associada a um sistema em equilíbrio químico, deve sêrser dada sempre em relação a uma determinada tempera-túratemperatura (normalmente, à tempera-túratemperatura ambiente de 25 °C).

Página duzentos e noventa e dois292

As bases formam soluções chamadas de alcalinas. O quêque define a basicidade, ou a alcalinidade, de uma solução é a concentração do íon hidróxido [OH⁻], quêque, por sua vez, depende da concentração da base e de sua fôrçaforça (assim como os ácidos, há bases fortes e fracas).

A concentração do íon OH⁻, chamado hidroxila, também pódepode chegar a valores da ordem de 10⁻¹⁴. Por isso, a função logarítmica utilizada, nesse caso, é expressa em termos de pOH.

pOH = −log [OH⁻]

Escalas de pH e pOH

A á guaágua também apresenta um equilíbrio de ionização, pois suas moléculas estão em constante movimento, chocando-se freqüentementefrequentemente. Uma parte pequena delas se quebra formando íons hidrogênio (H⁺) e hidróxido (OH⁻). Esse equilíbrio pódepode sêrser representado pela equação química.

H₂O((éli)"ℓ) ⇌ H⁺(aq) + OH⁻(aq)

Esse equilíbrio é descrito por uma constante chamada produto iônico da á guaágua (K_w) (em quêque w corresponde a water, quêque significa “água” em inglês), sêndosendo representado pela equação.

K_w = [H⁺] ⋅ [OH⁻]

Nessa equação, a concentração da á guaágua não aparece, pois, em soluções aquosas, ela é considerada constante e está incluída no valor de K_w.

Como qualquer outra constante de equilíbrio, K_w depende da tempera-túratemperatura e, à tempera-túratemperatura ambiente (25 °C), tem valor igual a 1,0 ⋅ 10⁻¹⁴.

Assim, se a concentração do íon hidrogênio na solução for conhecida, será possível determinar a concentração de íons hidróxidos, e vice-versa. Aplicando, nessa equação, o logaritmo na base decimal e multiplicando os dois lados por −1, verifica-se o seguinte cálculo.

−log (1,0 ⋅ 10⁻¹⁴) = −log ([H⁺] ⋅ [OH⁻])

−log (1,0 ⋅ 10⁻¹⁴) = −log [H⁺] − (−log [OH⁻])

14 = pH + pOH

Por causa do equilíbrio de autoionização da á guaágua, mesmo uma amostra de á guaágua pura contém pequenas quantidades dos íons H⁺ e OH⁻. Se as concentrações dos dois íons forem iguais, os valores de pH e pOH também serão iguais. Dessa forma, pode-se substituir o pOH por pH:

pH = 14 − pH

2 pH = 14

pH = 7 = pOH

Diz-se quêque uma solução a 25 °C, com valor de pH (ou pOH) igual a 7, é neutra, pois tem quantidades iguais de íons H⁺ e OH⁻. Soluções ácidas têm pH menor do quêque 7, e soluções básicas têm pH maior do quêque 7. O inverso é válido para os valores de pOH. Essas informações estão resumidas a seguir.

Valores de pH e pOH em função das concentrações dos íons H⁺ e OH⁻

Página duzentos e noventa e três293

Não é apenas a á guaágua pura quêque pódepode sêrser neutra. Se as concentrações de H⁺ e OH⁻ em qualquer solução forem iguais, o pH será 7. Apesar de os valores de pH e pOH poderem atingir magnitudes negativas ou maiores do quêque 14, essas situações não são comuns. Por isso, a escala de pH varia de 0 até 14, pois é nesse intervalo quêque se encontram a grande maioria das soluções naturais ou preparadas em laboratório.

Vale destacar quêque a espécie química íon hidrogênio H⁺ dificilmente existe em solução aquosa, porque ela se associa a moléculas de á guaágua, formando íons hidrônio (H₃O⁺).

Atualmente, a escala de pH se aplica a uma vasta gama de processos. Por causa das possíveis variações nos processos de medição e nas condições do equilíbrio químico, as concentrações de H⁺ e de OH⁻ não devem sêrser associadas a um único valor da escala, e sim a faixas de valores de pH.

Faixas de pH de alguns materiais

Fonte: SACKHEIM, GiórgiGeorge I.; LEHMAN, Dennis D. Química e bioquímica para ciências biomédicas. 8. ed. Barueri: Manole, 2001. p. 203.

ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• A titulação é uma técnica de laboratório utilizada para determinar a concentração desconhecida de uma substância. O vídeo a seguir apresenta uma titulação de ácido clorídrico com hidróxido de sódio.
TITULAÇÃO de ácido clorídrico com hidróxido de sódio em mesma concentração: pHmetro. São Paulo: úspiUSP, 2019. 1 vídeo (6 min). Publicado pelo Portal de videoaulas e-Aulas da Universidade de São Paulo. Disponível em: https:// eaulas.usp.br/portal/video?idItem=23926. Acesso em: 3 out. 2024.

• êsteEste texto apresenta os sistemas-tampão, equilíbrios químicos quêque têm a propriedade de resistir a variações de pH causadas por uma diluição ou pela adição de ácidos ou bases.
FIORUCCI, AntônioAntonio Rogério; SOARES, Márlon Herbert Flora Barbosa; CAVALHEIRO, Éder Tadeu Gomes. O conceito de solução tampão. Química Nova na Escola, [s. l.], n. 13, p. 18-21, maio 2001. Disponível em: https://livro.pw/tgtid. Acesso em: 3 out. 2024.

Página duzentos e noventa e quatro294

FORMAÇÃO CIDADÃ
O equilíbrio químico na formação da amônia

A amônia é amplamente utilizada na produção de fertilizantes nitrogenados adotados em práticas agrícolas ao redor do mundo. Essas substâncias libéramliberam nitrogênio no solo, o qual é absorvido pelas plantas e integrado aos seus processos vitais. Estima-se quêque cerca de 90% da amônia produzida globalmente seja destinada à agricultura.

Como comentado no Tema anterior, o processo de síntese da amônia foi aperfeiçoado em escala industrial pelo químico alemão CalCarl Bosch, em um método quêque ficou conhecido como síntese de Haber-Bosch.

Relembre a reação.

N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g)

(delta)"ΔH⁰ = −92,22 kJ/mol (a 298 K)

A grande inovação trazida pela síntese de Haber-Bosch foi a utilização do gás nitrogênio do ar atmosférico, tornando o processo economicamente viável. Durante a Primeira Guerra Mundial, quando a Alemanha enfrentou dificuldades de importar fertilizantes naturais por causa de embargos, o trabalho dêêssesdesses cientistas foi fundamental para o desenvolvimento de um método de conversão do gás nitrogênio atmosférico em fertilizantes.

Essa é uma das muitas contribuições dos químicos para a ssossiedadesociedade: desenvolver soluções quêque tornem os processos industriais mais eficientes e sustentáveis.

ATIVIDADES

1. Como o desenvolvimento da síntese de Haber-Bosch influenciou o curso da Primeira Guerra Mundial e o avanço da agricultura moderna?

2. Qual é a relação entre o desenvolvimento de um novo processo mais eficiente e econômico para a obtenção de um material e seu preêçopreço no mercado? Quais seriam as possíveis consequências dêêssedesse avanço para a ssossiedadesociedade?

3. Analisando o sistema em equilíbrio de produção da amônia, pesquise como os cientistas Haber e Bosch resolveram o dilema do aumento da produtividade de amônia.

Página duzentos e noventa e cinco295

ATIVIDADES

1. Qual é a concentração de HBr(g) em um sistema em equilíbrio no qual as concentrações de H₂(g) e Br₂(g) são iguais a 0,100 mol/L?

2. Considere a reação em equilíbrio N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) e a constante de equilíbrio igual a 4,0 ⋅ 10⁻². Calcule o valor de concentração do tetróxido de dinitrogênio, sabendo quêque a concentração de dióxido de nitrogênio é igual a:

a) 1,00 mol/L.

b) 0,500 mol/L.

3. Considere as reações em equilíbrio representadas pelas equações a seguir. Em quêque sentido o equilíbrio será deslocado se a pressão do sistema for aumentada? Justifique cada caso.

a) I₂(g) ⇌ 2 I(g)

b) H₂(g) + C(éli)"ℓ₂(g) ⇌ 2 HC(éli)"ℓ(g)

c) 2 SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 SO₃(g)

4. Considere o equilíbrio descrito pela equação.

2 SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 SO₃(g)

Dados os valores de constante de equilíbrio a diferentes tempera-túrastemperaturas, defina se a reação dirétadireta é endotérmica ou exotérmica e justifique.

5. Quais são os valores de pH e pOH de uma solução de ácido clorídrico com concentração de 0,10 mol/L e de uma solução de ácido acético com a mesma concentração?

6. Em seu caderno, elabore um texto apresentando a importânssiaimportância do princípio de Le Châtelier para a indústria.

7. Considere o gráfico apresentado a seguir. Em seguida, responda ao quêque se pede.

a) dêz-crevaDescreva o quêque acontece com a concentração dos reagentes e do produto ao longo do tempo.

b) Em seu caderno, faça uma representação gráfica da concentração das substâncias em função do tempo, no qual seja possível observar o quêque acontece após adição de um catalisador.

8. Um aquarista realizou um teste de pH em um dos seus aquários onde vivem peixes chamados tetra negro (Gymnocorymbus ternetzi). Esses peixes estão acostumados com um ambiente com pH entre 6,0 e 7,0. Na amostra da á guaágua, ele utilizou o indicador azul de bromotimol, substância quêque muda de côrcor a depender do pH da solução. Ela tem côrcor amarelo intenso em pH ácido, começa a mudar de côrcor em uma faixa de pH de 6,0 a 7,6 (chamada de intervalo de viragem) e passa por um vêrdeverde até um azul-escuro em pH básico.

a) Considerando quêque a côrcor da amostra ficou azulada, qual orientação você apresentaria para o aquarista?

b) Analisando a escala de pH (0 a 14), apresente as faixas de valores de pH para as cores apresentadas: amarelo, vêrdeverde e azul.

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ORGANIZANDO AS IDEIAS

Analise o esquema a seguir, quêque apresenta e relaciona os principais conceitos estudados nesta Unidade.

A relação entre os conceitos é uma característica do conhecimento formal, científico e escolar. Aqui, apresenta-se uma síntese esquemática dos principais conceitos trabalhados nesta Unidade. No caderno, elabore seu próprio esquema, organizando os principais conceitos da Unidade, incluindo nele outros termos e outras ideias quêque se relacionam ao quêque foi estudado e realizando as associações quêque considerar importantes. Por fim, elabore um pequeno texto conectando os conceitos e as ideias presentes no esquema. Essa é uma boa forma de estudar e compreender melhor os conceitos.