37966173 Quimica Aplicada A Engenharia 4s2m5d
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Sumário Sobre os Autores xiv Prefácio xv Introdução ao Estudante
1
xxi
Introdução à Química 1.1 1.2
1
Alumínio 2 O Estudo da Química 4
POR DENTRO DE
A Perspectiva Macroscópica 5 A Perspectiva Microscópica ou Particulada Representação Simbólica 9
1.3
6
A Ciência da Química: Observações e Modelos 10 As Observações na Ciência 11 Interpretando as Observações 12 Modelos na Ciência 13
1.4
Números e Medições na Química 14 Unidades 15 Números e Algarismos Significativos
18
1.5
Soluções de Problemas na Química e na Engenharia 21
1.6
Utilizando Proporções 21 Proporções em Cálculos Químicos 23 Problemas de Química Conceitual 25 A Visualização na Química 26 POR DENTRO DE Seleção de Material
Bicicletas
Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 31 Problemas e Exercícios 31
2
Átomos e Moléculas 2.1 2.2
e Quadros de
28 30
37
Polímeros 38 Estrutura Atômica e Massa 40
POR DENTRO DE
Conceitos Fundamentais do Átomo 40 Número Atômico e Número de Massa 41 Isótopos 41 Símbolos Atômicos 43 Massas Atômicas 43
2.3
Íons
45
Descrição Matemática 46 Íons e suas Propriedades 47 v
vi
Química Geral Aplicada à Engenharia
2.4
Compostos e Ligações Químicas
48
Fórmulas Químicas 48 Ligação Química 50
2.5
A Tabela Periódica
53
Períodos e Grupos 53 Metais, Ametais e Metalóides
2.6
56
Química Inorgânica e Orgânica
57
Química Inorgânica – Grupos Representativos e Metais de Transição Química Orgânica 59 Grupos Funcionais 63
3
2.7
Nomenclatura Química
2.8
Sistemas Binários 63 Nomeando Compostos Covalentes 64 Nomeando Compostos Iônicos 66 POR DENTRO DE Polietileno 68 Enfoque na Resolução de Problemas 71 Resumo 71 Problemas e Exercícios 72
63
Moléculas, Mols e Equações Químicas 3.1 3.2
58
Explosões 78 Fórmulas e Equações Químicas
77
POR DENTRO DE
79
Escrevendo Equações Químicas 80 Balanceando Equações Químicas 81 „ Conexões Matemáticas 84
3.3
3.4
Soluções Aquosas e Equações Iônicas Líquidas Soluções, Solventes e Solutos 87 Equações Químicas para Reações Aquosas Reações Ácido-Base 92
90
Interpretando Equações e Mol
96
86
Interpretando Equações Químicas 96 Número de Avogadro e o Mol 96 Determinando a Massa Molar 97
4
3.5
Cálculos Utilizando Mols e Massas Molares
3.6
Análise Elementar: Determinando as Fórmulas Empíricas e Moleculares Concentração em Quantidade de Matéria 105 Diluição 107 POR DENTRO DE Células de Combustível 109 Enfoque na Resolução de Problemas 111 Resumo 111 Problemas e Exercícios 112
Estequiometria 4.1
POR DENTRO DE
99 102
120 Gasolina e outros Combustíveis
121
Sumário
4.2
Fundamentos de Estequiometria
125
Obtendo Proporções a partir de uma Equação Química Balanceada
4.3 4.4 4.5 4.6
Reagentes Limitantes 130 Rendimentos Teóricos e Percentuais 137 Estequiometria de Solução 139 POR DENTRO DE Combustíveis Alternativos e Aditivos de Combustível 142 Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 144 Problemas e Exercícios 145
5
Gases 5.1 5.2
125
143
153
POR DENTRO DE Poluição Propriedades dos Gases 156
Pressão
do Ar
154
157
Medindo a Pressão 159 Unidades de Pressão 159
5.3
História e Aplicação da Lei dos Gases Unidades e a Lei do Gás Ideal
5.4 5.5
160
164
Pressão Parcial 166 Estequiometria de Reações Envolvendo Gases
170
Condições Padrão de Temperatura e Pressão 171
5.6
5.7
6
Teoria Cinético-Molecular e Ideal versus Gases Reais
A Tabela Periódica e Estrutura Atômica 6.1 6.2
193
Luzes Incandescentes e Fluorescentes O Espectro Eletromagnético 196
POR DENTRO DE
A Natureza Ondulatória da Luz 196 „ Conexões Matemáticas 198 A Natureza Particulada da Luz 200
6.3
173
Postulados do Modelo 173 „ Conexões Matemáticas 175 Gases Reais e Limitações da Teoria Cinética 177 Corrigindo a Equação de Gás Ideal 178 POR DENTRO DE Sensores de Gás 181 Manômetro de Capacitância 181 Calibrador Termoacoplado 182 Calibrador de Ionização 182 Espectrômetro de Massas 184 Enfoque na Resolução de Problemas 184 Resumo 185 Problemas e Exercícios 186
Os Espectros Atômicos O Átomo de Bohr
208
205
194
vii
viii
Química Geral Aplicada à Engenharia
6.4
O Modelo Atômico da Mecânica Quântica
210
„
Conexões Matemáticas 211 Energia Potencial e Orbitais 212 Números Quânticos 212 Visualização de Orbitais 216
6.5
O Princípio da Exclusão de Pauli e Configurações Eletrônicas 219 Energias de Orbitais e Configurações Eletrônicas Regra de Hund e o Princípio de Aufbau 222
7
220
6.6 6.7
A Tabela Periódica e as Configurações Eletrônicas 224 Tendências Periódicas nas Propriedades Atômicas 226
6.8
Tamanho Atômico 226 Energia de Ionização 228 Afinidade Eletrônica 231 POR DENTRO DE Fontes Modernas de Enfoque na Resolução de Problemas 234 Resumo 235 Problemas e Exercícios 236
Luz: LED e Lasers 232
Ligação Química e Estrutura Molecular 7.1 7.2
Compostos de Flúor Familiares A Ligação Iônica 244
POR DENTRO DE
242 243
Formação de Cátions 245 Formação de Ânions 246
7.3
A Ligação Covalente
250
Ligações Químicas e Energia 250 Ligações Químicas e Reações 252 Ligações Químicas e a Estrutura de Moléculas
7.4
253
Eletronegatividade e Polaridade da Ligação
255
Eletronegatividade 256 Polaridade da Ligação 257
7.5
Mantendo o Rastro da Ligação: Estruturas de Lewis Ressonância
7.6 7.7 7.8 7.9
265
Superposição de Orbitais e Ligação Química 267 Orbitais Híbridos 270 Arranjos das Moléculas 272 POR DENTRO DE Clorofluorocarbonetos 281 Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 284 Problemas e Exercícios 284
8
Moléculas e Materiais 8.1 8.2
283
290
Carbono 291 Fases Condensadas – Sólidos 293
POR DENTRO DE
259
Sumário
8.3
Ligação nos Sólidos: Metais, Isolantes e Semicondutores
ix
301
Modelos de Ligação Metálica 301 Teoria de Banda e Condutividade 303 Semicondutores 305
8.4
Forças Intermoleculares
309
Forças entre Moléculas 309 Forças de Dispersão 309 Forças Dipolo-Dipolo 311 Ligação de Hidrogênio 311
8.5
Fases Condensadas – Líquidos
315
Pressão de vapor 316 Ponto de Ebulição 317 Tensão Superficial 319
8.6
8.7
9
Polímeros
320
Polímeros de Adição 321 Polímeros de Condensação 324 Copolímeros 326 Propriedades Físicas 326 Polímeros e Aditivos 328 POR DENTRO DE Invenção de Novos Materiais Enfoque na Resolução de Problemas 331 Resumo 331 Problemas e Exercícios 332
Energia e Química 9.1 9.2
329
337
O Uso de Energia e a Economia Mundial Definindo Energia 341
POR DENTRO DE
Formas de Energia 341 Calor e Trabalho 342 Unidades de Energia 343
9.3
Transformação de Energia e Conservação de Energia Desperdício de Energia
9.4
346
Capacidade Calorífica e Calorimetria Capacidade Calorífica e Calor Específico Calorimetria 351
9.5
Entalpia
346
347
354
Definindo Entalpia 354 ΔH de Mudanças de Fases 355 Vaporização e Produção de Eletricidade 358 Calor de Reação 359 Ligações e Energia 359 Calores de Reação para Algumas Reações Específicas 360
9.6
9.7
Lei de Hess e Calores de Reação Lei de Hess 361 Reações de Formação e Lei de Hess
364
Energia e Estequiometria
366
361
344
338
x
Química Geral Aplicada à Engenharia
9.8
Densidade de Energia e Combustíveis 368 POR DENTRO DE Baterias 369 Enfoque na Resolução de Problemas 372 Resumo 373 Problemas e Exercícios 374
10 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica 10.1 POR DENTRO DE Reciclagem de Plásticos 10.2 Espontaneidade 383
381
382
Sentido da Natureza 383 Processos Espontâneos 384 Entalpia e Espontaneidade 385
10.3 Entropia
385
Probabilidade e Variação Espontânea 386 Definição de Entropia 388 Julgando as Variações de Entropia nos Processos
10.4 A Segunda Lei da Termodinâmica A Segunda Lei 390 Implicações e Aplicações
389
390
391
10.5 A Terceira Lei da Termodinâmica 10.6 Energia Livre de Gibbs 395
392
Energia Livre e Variação Espontânea 395 Energia Livre e Trabalho 398
10.7 Energia Livre e Reações Químicas
399
Implicações do ΔG° para uma Reação 400 10.8 POR DENTRO DE O Sistema Econômico Enfoque na Resolução de Problemas 406 Resumo 406 Problemas e Exercícios 407
11 Cinética Química
da Reciclagem
401
416
11.1 POR DENTRO DE A Destruição do Ozônio 417 11.2 Velocidades das Reações Químicas 420 Conceito de Velocidade e Velocidades de Reação 420 Estequiometria e Velocidade 421 Velocidade Média e Velocidade Instantânea 423
11.3 Leis de Velocidade e a Dependência da Concentração em
Relação às Velocidades
424
A Lei de Velocidade 424 Determinação da Lei de Velocidade
426
11.4 Leis de Velocidade Integrada „
430
Conexões Matemáticas 430 Lei de Velocidade Integrada de Ordem Zero 431 Lei de Velocidade Integrada de Primeira Ordem 432
Sumário
Lei de Velocidade Integrada de Segunda Ordem Meia-Vida 438
11.5 Temperatura e Cinética
434
440
Efeitos da Temperatura e Moléculas que Reagem Comportamento de Arrhenius 443 „ Fazendo Conexões Mentais 446
11.6 Mecanismos de Reação
440
448
Etapas Elementares e Mecanismos de Reação 449 Mecanismos e Velocidade: A Etapa Determinante de Velocidade
11.7 Catálise
11.8
xi
451
452
Catálisadores Homogêneos e Heterogêneos 452 Perspectiva Molecular da Catálise 454 Catálise e Engenharia de Processos 454 POR DENTRO DE O Ozônio Troposférico Enfoque na Resolução de Problemas 457 Resumo 458 Problemas e Exercícios 459
12 Equilíbrio Químico
455
470
12.1 POR DENTRO DE Cianeto de Hidrogênio 12.2 Equilíbrio Químico 473
471
Reações Diretas e Inversas 473 Relações Matemáticas 475
12.3 Constantes de Equilíbrio
476
A Expressão de Equilíbrio (Ação da Massa) 476 Equilíbrios de Fase Gasosa: Kp e Kc 478 Equilíbrios Homogêneos e Heterogêneos 479 Importância Numérica da Expressão de Equilíbrio 480 Manipulação Matemática de Constantes de Equilíbrio 482 Invertendo a Equação Química 482 Ajustando a Estequiometria da Reação Química 482 Constantes de Equilíbrio para uma Série de Reações 484 Unidades e a Constante de Equilíbrio 485
12.4 Concentrações no Equilíbrio
485
Concentrações no Equilíbrio a partir das Concentrações Iniciais Técnicas Matemáticas para Cálculos de Equilíbrio 490
12.5 Princípio de LeChatelier
486
491
O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Concentração de Reagente ou Produto 491 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Pressão Quando Estão Presentes Gases 493 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Temperatura 495 Efeito de um Catalisador no Equilíbrio 496
12.6 Equilíbrios de Solubilidade
497
Constante do Produto de Solubilidade 497 Definindo a Constante do Produto de Solubilidade A Relação entre Kps e a Solubilidade Molar 499 Efeito do Íon Comum 500
497
xii
Química Geral Aplicada à Engenharia
Confiabilidade no Uso de Concentrações em Quantidade de Matéria
12.7 Ácidos e Bases
502
502
A Teoria de Brøsnted-Lowry de Ácidos e Bases 503 O Papel da Água na Teoria de Brønsted-Lowry 503 Ácidos e Bases Fracos 505
12.8 Energia Livre e Equilíbrio Químico
508
Perspectiva Gráfica 508 Energia Livre e Condições Não-Padrão 509 12.9 POR DENTRO DE Boratos e Ácido Bórico Enfoque na Resolução de Problemas 512 Resumo 513 Problemas e Exercícios 513
13 Eletroquímica
511
522
13.1 POR DENTRO DE Corrosão 523 13.2 Reações de Oxirredução e Células Galvânicas
524
Reações de Oxirredução e Semi-reações 524 Construindo uma Célula Galvânica 525 Terminologia para Células Galvânicas 526 Perspectiva Atômica nas Células Galvânicas 527 Corrosão Galvânica e Corrosão Uniforme 528
13.3 Potenciais da Célula
530
Medindo o Potencial da Célula 530 Potenciais Padrão de Redução 533 Condições Não-Padrão 536
13.4 Potenciais da Célula e Equilíbrio
538
Potenciais da Célula e Energia Livre 538 Constantes de Equilíbrio 539
13.5 Baterias
541
Células Primárias 541 Células Secundárias 543 Limitações das Baterias 546
13.6 Eletrólise
546
Eletrólise e Polaridade 547 Eletrólise iva no Refino de Alumínio Eletrólise Ativa e Galvanoplastia 549
13.7 Eletrólise e Estequiometria
547
550
Corrente e Carga 550 Cálculos com a Utilização de Massas de Substâncias na Eletrólise 13.8 POR DENTRO DE Prevenção à Corrosão 555 Revestimentos 555 Proteção Catódica 557 A Prevenção à Corrosão no Espaço 557 Enfoque na Resolução de Problemas 558 Resumo 559 Problemas e Exercícios 559
553
Sumário
xiii
Apêndices Tabela Internacional de Peso Atômico 569 Constantes Físicas 571 Configurações Eletrônicas dos Átomos no Estado Fundamental 572 Calores Específicos e Capacidades Caloríficas de Algumas Substâncias Comuns 573 Dados Termodinâmicos Selecionados a 298,15 K 574 Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C 580 Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C 582 Constantes do Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C 583 I Potenciais Padrão de Redução em Soluções Aquosas a 25 °C 586 J Respostas dos Exercícios de “Verifique seu Entendimento” 590 K Respostas para os Exercícios Ímpares dos Finais de Capítulos 593 A B C D E F G H
Glossário
618
Índice Remissivo
634
Algumas Constantes Úteis
651
Algumas Relações Importantes
651
Tabela Internacional de Massas Atômicas Tabela Periódica dos Elementos
653
652
Prefácio A Origem deste Livro Como químicos, vemos conexões entre a química e praticamente tudo. Dessa forma, a idéia de que estudantes de engenharia devem aprender química parece evidente para a maioria dos químicos. Mas a química é apenas uma das muitas ciências com as quais um engenheiro deve estar familiarizado, e o currículo de graduação deve achar espaço para muitos tópicos. Conseqüentemente, os currículos de engenharia na maioria das universidades estão sendo reduzidos: atualmente, as aulas de química geral tradicional, que eram praticadas em um ano, ocupam um único semestre. Em muitos casos, essas instituições estão oferecendo uma disciplina desenvolvida especificamente para estudantes de engenharia. Quando as escolas – incluindo a nossa – começaram a oferecer essa disciplina, não havia livros no mercado com esse enfoque, e o conteúdo do material didático existente para os dois semestres tinha que ser sempre modificado para encaixar. Apesar de isso ser possível, está longe de ser o ideal. Era imprescindível um livro específico para essa disciplina. Escrevemos este livro para preencher essa lacuna. Nosso objetivo é ampliar o papel da química para muitas áreas da engenharia e tecnologia por meio de uma interação entre a química e a engenharia em uma variedade de tecnologias modernas. Para muitos estudantes de engenharia, a química é basicamente um pré-requisito para disciplinas que envolvem propriedades dos materiais. Essas disciplinas normalmente adotam uma abordagem fenomenológica dos materiais, em vez de enfatizar a perspectiva molecular da química. O objetivo deste livro é proporcionar conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que am a ciência dos materiais. Isso não significa que este livro se destine apenas à ciência dos materiais; a intenção deste trabalho é preparar os estudantes para pesquisas futuras na área. O livro fornece também conhecimento suficiente sobre ciência da química para um profissional tecnicamente habilitado. A engenharia, afinal de contas, é a aplicação criativa e prática de uma vastíssima gama de princípios científicos, de forma que seus praticantes devem ter uma grande base em ciências naturais.
Conteúdo e Organização O conteúdo completo de química geral tradicional não pode ser pensado significativamente em um semestre, logo, temos que decidir qual conteúdo incluir. Existem basicamente dois modelos utilizados para condensar o programa de química geral. O primeiro é tomar a abordagem de um livro introdutório e reduzir o aprofundamento da cobertura e o número de exemplos, mas manter aproximadamente tudo dos tópicos tradicionais. O segundo é tomar as decisões mais difíceis e fundamentais sobre quais tópicos da química são apropriados e relevantes para os leitores, nesse caso, futuros engenheiros. Escolhemos a última abordagem e construímos um livro de 13 capítulos com base nos fundamentos para satisfazer o que pensamos ser os objetivos da disciplina:
xvi
Química Geral Aplicada à Engenharia
• Fornecer uma introdução concisa, mas total à ciência da química. • Fornecer aos estudantes informações consistentes sobre os princípios de estrutura e de ligação, as quais servirão de base para estudos posteriores da ciência dos materiais. • Mostrar a conexão entre o comportamento molecular e as propriedades físicas observáveis. • Mostrar as conexões entre a química e as outras matérias estudadas pelos alunos de engenharia, especialmente matemática e física. Considerados em sua totalidade, os 13 capítulos deste livro representam mais material do que poderia ser encaixado em uma disciplina padrão de um semestre. Assim, os departamentos ou os professores individualmente necessitarão fazer algumas escolhas adicionais ao conteúdo que seja mais adequado para os seus estudantes. Julgamos que muitos professores não incluirão todo o material sobre equilíbrio do Capítulo 12, por exemplo. Em contrapartida, incluímos mais tópicos no Capítulo 8, sobre fases condensadas, do que muitos professores esperariam incluir em suas disciplinas.
Cobertura dos Tópicos A cobertura dos tópicos neste livro reflete o fato de que os químicos constantemente utilizam conceitos múltiplos para entender o campo deles; em geral utilizam mais de um modelo simultaneamente. Assim, o estudo da química que apresentamos aqui pode ser visto de múltiplas perspectivas: macroscópica, microscópica e simbólica. As duas últimas perspectivas são enfatizadas nos Capítulos 2 e 3 sobre átomos, moléculas e reações. Nos Capítulos 4 e 5, estabelecemos mais de uma conexão entre o microscópico e o macroscópico no nosso tratamento de estequiometria e gases. Retornamos à perspectiva microscópica para cobrir mais detalhes de estrutura atômica e de ligação química dos Capítulos 6 ao 8. Os aspectos de energia da química, incluindo as importantes conseqüências macroscópicas, são considerados nos Capítulos 9 e 10, e cinética e equilíbrio são tratados nos Capítulos 11 e 12, respectivamente. Finalmente, concluímos com o tratamento da eletroquímica e da corrosão, uma aplicação química importante para as disciplinas de engenharia.
Cobertura de Conteúdo Específico Sabemos que existem tópicos específicos na química que são vitais para os futuros engenheiros. Escolhemos tratá-los da seguinte forma: Química Orgânica: A química orgânica é importante em muitas áreas da engenharia, particularmente naquelas relacionadas às propriedades dos polímeros. Em vez de utilizarmos um único capítulo de orgânica, integramos nossa cobertura de química orgânica por todo o livro, enfocando em polímeros. Introduzimos os polímeros orgânicos na Seção 2.1 e usamos os polímeros e seus monômeros em muitos exemplos nesse capítulo. O Capítulo 2 também contém uma rica discussão de estruturas orgânicas lineares e grupos funcionais, e termina com uma seção sobre síntese, estrutura e propriedades do polietileno. O Capítulo 4 começa e termina com discussões sobre combustíveis, um tópico ao qual retornamos no Capítulo 9. O Capítulo 8 contém mais sobre carbono e polímeros, e a reciclagem de polímeros fornece o contexto para a consideração da segunda lei da termodinâmica, no Capítulo 10. Química Ácido-Base: As reações ácido-base representam outra importante área da química com aplicações na engenharia, e de novo integramos nossa cobertura em áreas apropriadas do livro. Inicialmente, definimos ácidos e bases na conjunção com a introdução a soluções no Capítulo 3. A estequiometria simples de soluções é apresentada no Capítulo 4. Final-
Prefácio
xvii
mente, um tratamento mais detalhado da química ácido-base é apresentado no contexto de equilíbrios, no Capítulo 12. Matemática: As habilidades matemáticas dos estudantes de engenharia geralmente são mais fortes que as de outros alunos, e a maioria dos estudantes, atendendo a uma disciplina do tipo para o qual este livro está direcionado, estará simultaneamente matriculada em uma disciplina introdutória de cálculo. Em razão disso, incluímos referências ao papel do cálculo na seção “Conexões Matemáticas”. Esses ensaios expandem e revisam os conceitos matemáticos à medida que dizem respeito ao tópico específico estudado, e aparecem sempre que as ligações entre o tópico em mãos e a matemática parecem especialmente significativas. Estes quadros têm a intenção de ser suplementares, de tal forma que aqueles estudantes cursando uma disciplina de pré-cálculo não sejam prejudicados. Não se pretende com a inclusão de cálculo dificultar o material apresentado, mas apresentar as conexões naturais entre as várias matérias estudadas.
Conexões entre Química e Engenharia Uma vez que este livro é direcionado a disciplinas desenvolvidas para estudantes de engenharia, esforçamo-nos para apresentar a química nos contextos que realmente interessam a eles. Os vínculos entre química e engenharia são centrais na estrutura do livro. Cada capítulo começa e termina com uma seção denominada “POR DENTRO DE”, que introduz um modelo ou tema que mostra a interação entre química e engenharia. Essa seção representa apenas o começo das conexões, e o tema introduzido nela aparece regularmente por todo o capítulo. Optamos por circular nas nossas aplicações de engenharia sempre que possível, assim, por todo o livro, discutimos as inovações-chave recentes em vários campos. Por exemplo, o Capítulo 1 contém uma breve abordagem dos OLED (diodos orgânicos emissores de luz), um novo avanço que pode eventualmente substituir as telas de cristal líquido em dispositivos como câmeras digitais e monitores de tela plana para computadores. Os OLED são visitados novamente mais tarde no Capítulo 6. No Capítulo 2, discutimos o novo polímero UHMWPE (polietileno de ultra alta massa molecular), que é mais forte e mais leve que o KevlarTM e o está substituindo no enchimento de coletes à prova de bala. No Capítulo 3, incluímos uma seção de “Por dentro de” inteira sobre células de combustível e suas possíveis aplicações futuras em carros e notebooks.
Abordagem para a Resolução de Problemas A resolução de problemas é uma parte-chave nas disciplinas de química do ensino superior e é especialmente importante como uma habilidade transferida amplamente para os estudantes de engenharia. Em razão disso, este livro inclui problemas resolvidos do início ao fim. Todos os nossos Problemas-Modelo incluem uma seção de “Estratégia” logo após o enunciado do problema, na qual enfatizamos os conceitos e as relações que devem ser considerados para trabalhar no problema. Após a solução, geralmente incluímos a seção denominada “Analise sua Resposta”, que ajuda os estudantes a aprenderem a estimar se a resposta obtida é razoável. Finalmente, cada exemplo termina com um problema ou uma
xviii
Química Geral Aplicada à Engenharia
pergunta da seção “Verifique seu Entendimento” para ajudar o estudante a generalizar ou estender o que ele aprendeu no Problema-Modelo. Acreditamos que a experiência em química geral ajudará os estudantes de engenharia a desenvolver melhores habilidades na resolução de problemas. Além disso, percebemos que essas habilidades podem ser transferidas para outras matérias no currículo de engenharia mesmo quando o conteúdo de química não está envolvido. Adequadamente, incluímos uma característica única ao final de cada capítulo, a seção “Enfoque na Resolução de Problemas”. Nessa seção, as perguntas apresentadas não exigem uma resposta numérica, mas pede-se ao estudante que identifique a estratégia ou o raciocínio a ser utilizado no problema. Em geral, as perguntas propostas exigem que os estudantes identifiquem informações que ainda faltam para a resolução do problema. Na maioria dos casos, não é possível chegar a uma resposta numérica final utilizando as informações fornecidas; assim, os estudantes são forçados a desenvolver uma solução, em vez de apenas identificar e executar um algoritmo. Os exercícios apresentados no final de cada capítulo incluem problemas adicionais dessa natureza, o que significa que a seção “Enfoque na Resolução de Problemas” pode ser totalmente incorporada à disciplina. Esse recurso didático é resultado de um projeto de avaliação de resolução de problemas nas aulas de química, financiado pela Fundação Nacional da Ciência (National Science Foundation – NSF).
Características do Texto Empregamos uma série de recursos, alguns dos quais já citados anteriormente, que permitirão que os estudantes identifiquem a utilidade da química e entendam as conexões com a engenharia. • “POR DENTRO DE ”: Cada capítulo é construído em torno da seção “Por dentro de”, na qual são apresentados temas que abrem e fecham cada capítulo e que mostram as conexões entre engenharia e química. Além de a seção abrir e fechar cada capítulo, os temas apresentados por ela são entrelaçados por todo o capítulo, freqüentemente fornecendo o contexto para pontos de discussão ou problemas-modelo. Este símbolo especial da seção “Por dentro de” é utilizado para identificar os locais onde as idéias apresentadas na seção de abertura do capítulo são revisitadas no livro.
1
• “ENFOQUE NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS ”: Professores de engenharia afirmam unanimemente que os calouros precisam praticar resolução de problemas. Entretanto, é importante fazer aqui uma distinção entre problemas e exercícios. Os exercícios fornecem uma oportunidade de praticar uma habilidade limitada, enquanto os problemas exigem etapas múltiplas e raciocínio fora do contexto da informação fornecida. A seção “Enfoque na Resolução de Problemas” oferece aos estudantes a oportunidade de desenvolver e praticar verdadeiras habilidades na resolução de problemas. Essa seção, que aparece no final de cada um dos capítulos, inclui uma mistura de questões qualitativas e quantitativas que enfocam o processo de busca por uma solução para um problema, não a solução em si. Em razão disso, incluímos também problemas similares adicionais no material de final de capítulo. • “Conexões Matemáticas”: Em nossa experiência, uma peculiaridade que distingue os estudantes de engenharia dos outros estudantes de química geral é o alto nível de intimidade com a matemática. Normalmente, a maioria dos estudantes que tem aulas do tipo para o qual este livro foi escrito também terá aula de cálculo. Portanto, parece
1 Introdução à Química
A
tualmente, as aplicações da nanociência estão surgindo principalmente na tecnologia de computadores. Mas, no futuro, engenheiros devem projetar e montar bombas de ar ou outras minúsculas máquinas utilizando engrenagens e outras peças fabricadas em escala atômica. As decisões desses profissionais serão guiadas pelo conhecimento dos tamanhos e das propriedades dos átomos de diferentes elementos. Tais aparelhos poderão ser construídos átomo por átomo: cada átomo seria especificado com base em critérios de design relevante e manobrado para a posição com a utilização de minúsculas ferramentas. Essas nanomáquinas serão montadas não por parafusos ou rebites, mas pelas forças de atração entre os diferentes átomos – por meio de ligações químicas. Evidentemente, esses engenheiros do futuro terão que compreender os átomos e as forças que os ligam, isto é, terão que compreender a química. Pelo menos por enquanto, essa engenharia relacionada aos átomos permanece ainda como uma possibilidade a ser concretizada no futuro. E quanto aos engenheiros de hoje? Quanto de suas decisões depende do conhecimento da química? E, de sua própria perspectiva como um estudante de engenharia, quais são os reais motivos para você estudar química? O Conselho de Atribuição para Engenharia e Tecnologia (Accreditation Board for Engineering and Technology – Abet) é uma organização profissional que supervisiona o ensino de engenharia. De acordo com a definição da Abet: “Engenharia é a profissão cujo conhecimento das ciências matemáticas e naturais obtido por meio de estudos, experiências e prática é aplicado com bom senso para o desenvolvimento de maneiras de utilizar, economicamente, os materiais e as forças da natureza em benefício da humanidade”. Logo, como ciência, a química é claramente incluída no campo de conhecimento à disposição de um engenheiro. Ainda assim, os estudantes de engenharia nem sempre reconhecem o papel da química na profissão que escolheram. Um dos principais objetivos deste livro é inspirar uma avaliação do papel da química em muitas áreas da engenharia e tecnologia, e na interação entre a química e a engenharia, em uma variedade de tecnologias modernas. O estudo da química envolve um vasto número de conceitos e habilidades. A filosofia deste livro é apresentar algumas idéias básicas e aplicá-las aos aspectos da engenharia, 1
2
Química Geral Aplicada à Engenharia
em que a química é importante. Cada capítulo começará com um exemplo da química relacionada à engenharia. Alguns desses exemplos, como a queima de combustíveis, envolverão aplicações bem claras de princípios químicos e reações. Em outros casos, o papel da química pode não ser tão aparente. No Capítulo 6, estudaremos como a evolução do conhecimento das propriedades químicas estimulou o projeto de diferentes fontes de luz, da simples lâmpada incandescente até os lasers modernos e os diodos orgânicos de emissão de luz (organic light emitting diodes – Oled). Outros temas envolverão o projeto e a seleção de materiais para diversos usos e a importância da química em questões de engenharia ambiental. Todas as seções de abertura de capítulo apresentam títulos que começam com “Por dentro de”. As questões apontadas nessas seções guiarão nossa exploração dos fundamentos relevantes de química apresentados em cada capítulo. Nosso primeiro caso contempla a produção e história do alumínio como material estrutural.
Objetivos do Capítulo Após dominar o assunto deste capítulo, você deverá ser capaz de „ descrever como a química e a engenharia auxiliaram na transformação do alumínio de
um metal precioso a um material estrutural barato. „ explicar a utilidade das perspectivas macroscópica, microscópica e simbólica na com-
preensão dos sistemas químicos. „ desenhar figuras para ilustrar fenômenos químicos simples (como as diferenças entre
sólidos, líquidos e gases) em escala molecular. „ explicar, com suas próprias palavras, a diferença entre o raciocínio indutivo e dedutivo. „ utilizar proporções adequadas para a conversão de medidas de uma unidade para outra. „ expressar os resultados de cálculos utilizando o número correto de algarismos
significativos.
1 POR DENTRO DE 1.1 Alumínio Quando está com sede, você tem várias opções para saciá-la, como água, sucos, refrigerantes etc. E quando opta por um refrigerante de lata, dificilmente você fará seguinte pergunta: “De onde veio a lata que contém este refrigerante, e por que ela é feita de alumínio?”. A lata de alumínio se tornou tão comum que é fácil tomá-la por verdade. O que faz do alumínio um material fascinante para esse tipo de aplicação e como ele se tornou parte tão comum de nossa vida? Você provavelmente pode identificar algumas propriedades do alumínio que tornam seu uso em uma lata de refrigerante adequado. Comparado à maioria dos outros metais, o alumínio é leve, mas bem forte. Desse modo, uma lata de alumínio típica é bem mais leve que uma lata comparável de estanho ou aço. Isso significa que a lata não adiciona muito peso se comparado ao do refrigerante em si; conseqüentemente, as latas são mais fáceis de ser manuseadas e mais baratas para ser transportadas. Uma lata de refrigerante feita de chumbo seria certamente menos conveniente. O fato de o alumínio não sofrer facilmente reações químicas que poderiam degradá-lo à medida que as latas são transportadas e armazenadas é também importante. Porém, apesar de todas essas características da lata de
Introdução à Química
3
alumínio serem positivas, elas não teriam muita utilidade prática se o alumínio não fosse prontamente disponível e razoavelmente barato. A grande disponibilidade do alumínio é resultado de uma colaboração impressionante entre a ciência básica da química e as ciências aplicadas da engenharia. No século XIX, o alumínio era um metal raro e precioso. Na Europa, Napoleão era o imperador de uma parte considerável do continente e ele impressionava seus convidados com o uso de extravagantes talheres de alumínio. Nos Estados Unidos, os arquitetos queriam um material que causasse impacto para ser utilizado no cume do Washington Monument, um tributo ao “pai de nosso país”, e então escolheram o alumínio. Pesando 100 onças (cerca de 2,8 kg), o cume do monumento era a maior peça única de alumínio puro jamais projetada naquela época. Contudo, hoje chapas de alumínio pesando mais que 45 kg são encontradas com regularidade em muitas lojas de metal. Por que o alumínio era tão caro naquela época e o que mudou para que ele se tornasse tão ível agora? Uma discussão inicial dessa questão pode ser imaginada em termos da Figura 1.1, que expressa bem amplamente as interações da sociedade humana com a Terra. A sociedade, representada pelo globo, tem necessidades de bens e materiais. Atualmente, e para o futuro
A matéria flui da ecosfera para a economia humana como matéria-prima.
Sociedade humana
Ecosfera
A matéria flui da economia humana para a ecosfera como lixo.
Figura 1.1 As interações da sociedade humana com a Terra podem ser pensadas amplamente em termos da conversão da matéria a partir da matéria-prima em lixo. Muito da engenharia consiste em esforços para otimizar os processos utilizados nessas conversões. Como ciência da matéria, a química é um importante elemento do conhecimento explorado na engenharia desses processos.
1
xxi
Introdução à Química 1.1 1.2
1
Alumínio 2 O Estudo da Química 4
POR DENTRO DE
A Perspectiva Macroscópica 5 A Perspectiva Microscópica ou Particulada Representação Simbólica 9
1.3
6
A Ciência da Química: Observações e Modelos 10 As Observações na Ciência 11 Interpretando as Observações 12 Modelos na Ciência 13
1.4
Números e Medições na Química 14 Unidades 15 Números e Algarismos Significativos
18
1.5
Soluções de Problemas na Química e na Engenharia 21
1.6
Utilizando Proporções 21 Proporções em Cálculos Químicos 23 Problemas de Química Conceitual 25 A Visualização na Química 26 POR DENTRO DE Seleção de Material
Bicicletas
Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 31 Problemas e Exercícios 31
2
Átomos e Moléculas 2.1 2.2
e Quadros de
28 30
37
Polímeros 38 Estrutura Atômica e Massa 40
POR DENTRO DE
Conceitos Fundamentais do Átomo 40 Número Atômico e Número de Massa 41 Isótopos 41 Símbolos Atômicos 43 Massas Atômicas 43
2.3
Íons
45
Descrição Matemática 46 Íons e suas Propriedades 47 v
vi
Química Geral Aplicada à Engenharia
2.4
Compostos e Ligações Químicas
48
Fórmulas Químicas 48 Ligação Química 50
2.5
A Tabela Periódica
53
Períodos e Grupos 53 Metais, Ametais e Metalóides
2.6
56
Química Inorgânica e Orgânica
57
Química Inorgânica – Grupos Representativos e Metais de Transição Química Orgânica 59 Grupos Funcionais 63
3
2.7
Nomenclatura Química
2.8
Sistemas Binários 63 Nomeando Compostos Covalentes 64 Nomeando Compostos Iônicos 66 POR DENTRO DE Polietileno 68 Enfoque na Resolução de Problemas 71 Resumo 71 Problemas e Exercícios 72
63
Moléculas, Mols e Equações Químicas 3.1 3.2
58
Explosões 78 Fórmulas e Equações Químicas
77
POR DENTRO DE
79
Escrevendo Equações Químicas 80 Balanceando Equações Químicas 81 „ Conexões Matemáticas 84
3.3
3.4
Soluções Aquosas e Equações Iônicas Líquidas Soluções, Solventes e Solutos 87 Equações Químicas para Reações Aquosas Reações Ácido-Base 92
90
Interpretando Equações e Mol
96
86
Interpretando Equações Químicas 96 Número de Avogadro e o Mol 96 Determinando a Massa Molar 97
4
3.5
Cálculos Utilizando Mols e Massas Molares
3.6
Análise Elementar: Determinando as Fórmulas Empíricas e Moleculares Concentração em Quantidade de Matéria 105 Diluição 107 POR DENTRO DE Células de Combustível 109 Enfoque na Resolução de Problemas 111 Resumo 111 Problemas e Exercícios 112
Estequiometria 4.1
POR DENTRO DE
99 102
120 Gasolina e outros Combustíveis
121
Sumário
4.2
Fundamentos de Estequiometria
125
Obtendo Proporções a partir de uma Equação Química Balanceada
4.3 4.4 4.5 4.6
Reagentes Limitantes 130 Rendimentos Teóricos e Percentuais 137 Estequiometria de Solução 139 POR DENTRO DE Combustíveis Alternativos e Aditivos de Combustível 142 Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 144 Problemas e Exercícios 145
5
Gases 5.1 5.2
125
143
153
POR DENTRO DE Poluição Propriedades dos Gases 156
Pressão
do Ar
154
157
Medindo a Pressão 159 Unidades de Pressão 159
5.3
História e Aplicação da Lei dos Gases Unidades e a Lei do Gás Ideal
5.4 5.5
160
164
Pressão Parcial 166 Estequiometria de Reações Envolvendo Gases
170
Condições Padrão de Temperatura e Pressão 171
5.6
5.7
6
Teoria Cinético-Molecular e Ideal versus Gases Reais
A Tabela Periódica e Estrutura Atômica 6.1 6.2
193
Luzes Incandescentes e Fluorescentes O Espectro Eletromagnético 196
POR DENTRO DE
A Natureza Ondulatória da Luz 196 „ Conexões Matemáticas 198 A Natureza Particulada da Luz 200
6.3
173
Postulados do Modelo 173 „ Conexões Matemáticas 175 Gases Reais e Limitações da Teoria Cinética 177 Corrigindo a Equação de Gás Ideal 178 POR DENTRO DE Sensores de Gás 181 Manômetro de Capacitância 181 Calibrador Termoacoplado 182 Calibrador de Ionização 182 Espectrômetro de Massas 184 Enfoque na Resolução de Problemas 184 Resumo 185 Problemas e Exercícios 186
Os Espectros Atômicos O Átomo de Bohr
208
205
194
vii
viii
Química Geral Aplicada à Engenharia
6.4
O Modelo Atômico da Mecânica Quântica
210
„
Conexões Matemáticas 211 Energia Potencial e Orbitais 212 Números Quânticos 212 Visualização de Orbitais 216
6.5
O Princípio da Exclusão de Pauli e Configurações Eletrônicas 219 Energias de Orbitais e Configurações Eletrônicas Regra de Hund e o Princípio de Aufbau 222
7
220
6.6 6.7
A Tabela Periódica e as Configurações Eletrônicas 224 Tendências Periódicas nas Propriedades Atômicas 226
6.8
Tamanho Atômico 226 Energia de Ionização 228 Afinidade Eletrônica 231 POR DENTRO DE Fontes Modernas de Enfoque na Resolução de Problemas 234 Resumo 235 Problemas e Exercícios 236
Luz: LED e Lasers 232
Ligação Química e Estrutura Molecular 7.1 7.2
Compostos de Flúor Familiares A Ligação Iônica 244
POR DENTRO DE
242 243
Formação de Cátions 245 Formação de Ânions 246
7.3
A Ligação Covalente
250
Ligações Químicas e Energia 250 Ligações Químicas e Reações 252 Ligações Químicas e a Estrutura de Moléculas
7.4
253
Eletronegatividade e Polaridade da Ligação
255
Eletronegatividade 256 Polaridade da Ligação 257
7.5
Mantendo o Rastro da Ligação: Estruturas de Lewis Ressonância
7.6 7.7 7.8 7.9
265
Superposição de Orbitais e Ligação Química 267 Orbitais Híbridos 270 Arranjos das Moléculas 272 POR DENTRO DE Clorofluorocarbonetos 281 Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 284 Problemas e Exercícios 284
8
Moléculas e Materiais 8.1 8.2
283
290
Carbono 291 Fases Condensadas – Sólidos 293
POR DENTRO DE
259
Sumário
8.3
Ligação nos Sólidos: Metais, Isolantes e Semicondutores
ix
301
Modelos de Ligação Metálica 301 Teoria de Banda e Condutividade 303 Semicondutores 305
8.4
Forças Intermoleculares
309
Forças entre Moléculas 309 Forças de Dispersão 309 Forças Dipolo-Dipolo 311 Ligação de Hidrogênio 311
8.5
Fases Condensadas – Líquidos
315
Pressão de vapor 316 Ponto de Ebulição 317 Tensão Superficial 319
8.6
8.7
9
Polímeros
320
Polímeros de Adição 321 Polímeros de Condensação 324 Copolímeros 326 Propriedades Físicas 326 Polímeros e Aditivos 328 POR DENTRO DE Invenção de Novos Materiais Enfoque na Resolução de Problemas 331 Resumo 331 Problemas e Exercícios 332
Energia e Química 9.1 9.2
329
337
O Uso de Energia e a Economia Mundial Definindo Energia 341
POR DENTRO DE
Formas de Energia 341 Calor e Trabalho 342 Unidades de Energia 343
9.3
Transformação de Energia e Conservação de Energia Desperdício de Energia
9.4
346
Capacidade Calorífica e Calorimetria Capacidade Calorífica e Calor Específico Calorimetria 351
9.5
Entalpia
346
347
354
Definindo Entalpia 354 ΔH de Mudanças de Fases 355 Vaporização e Produção de Eletricidade 358 Calor de Reação 359 Ligações e Energia 359 Calores de Reação para Algumas Reações Específicas 360
9.6
9.7
Lei de Hess e Calores de Reação Lei de Hess 361 Reações de Formação e Lei de Hess
364
Energia e Estequiometria
366
361
344
338
x
Química Geral Aplicada à Engenharia
9.8
Densidade de Energia e Combustíveis 368 POR DENTRO DE Baterias 369 Enfoque na Resolução de Problemas 372 Resumo 373 Problemas e Exercícios 374
10 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica 10.1 POR DENTRO DE Reciclagem de Plásticos 10.2 Espontaneidade 383
381
382
Sentido da Natureza 383 Processos Espontâneos 384 Entalpia e Espontaneidade 385
10.3 Entropia
385
Probabilidade e Variação Espontânea 386 Definição de Entropia 388 Julgando as Variações de Entropia nos Processos
10.4 A Segunda Lei da Termodinâmica A Segunda Lei 390 Implicações e Aplicações
389
390
391
10.5 A Terceira Lei da Termodinâmica 10.6 Energia Livre de Gibbs 395
392
Energia Livre e Variação Espontânea 395 Energia Livre e Trabalho 398
10.7 Energia Livre e Reações Químicas
399
Implicações do ΔG° para uma Reação 400 10.8 POR DENTRO DE O Sistema Econômico Enfoque na Resolução de Problemas 406 Resumo 406 Problemas e Exercícios 407
11 Cinética Química
da Reciclagem
401
416
11.1 POR DENTRO DE A Destruição do Ozônio 417 11.2 Velocidades das Reações Químicas 420 Conceito de Velocidade e Velocidades de Reação 420 Estequiometria e Velocidade 421 Velocidade Média e Velocidade Instantânea 423
11.3 Leis de Velocidade e a Dependência da Concentração em
Relação às Velocidades
424
A Lei de Velocidade 424 Determinação da Lei de Velocidade
426
11.4 Leis de Velocidade Integrada „
430
Conexões Matemáticas 430 Lei de Velocidade Integrada de Ordem Zero 431 Lei de Velocidade Integrada de Primeira Ordem 432
Sumário
Lei de Velocidade Integrada de Segunda Ordem Meia-Vida 438
11.5 Temperatura e Cinética
434
440
Efeitos da Temperatura e Moléculas que Reagem Comportamento de Arrhenius 443 „ Fazendo Conexões Mentais 446
11.6 Mecanismos de Reação
440
448
Etapas Elementares e Mecanismos de Reação 449 Mecanismos e Velocidade: A Etapa Determinante de Velocidade
11.7 Catálise
11.8
xi
451
452
Catálisadores Homogêneos e Heterogêneos 452 Perspectiva Molecular da Catálise 454 Catálise e Engenharia de Processos 454 POR DENTRO DE O Ozônio Troposférico Enfoque na Resolução de Problemas 457 Resumo 458 Problemas e Exercícios 459
12 Equilíbrio Químico
455
470
12.1 POR DENTRO DE Cianeto de Hidrogênio 12.2 Equilíbrio Químico 473
471
Reações Diretas e Inversas 473 Relações Matemáticas 475
12.3 Constantes de Equilíbrio
476
A Expressão de Equilíbrio (Ação da Massa) 476 Equilíbrios de Fase Gasosa: Kp e Kc 478 Equilíbrios Homogêneos e Heterogêneos 479 Importância Numérica da Expressão de Equilíbrio 480 Manipulação Matemática de Constantes de Equilíbrio 482 Invertendo a Equação Química 482 Ajustando a Estequiometria da Reação Química 482 Constantes de Equilíbrio para uma Série de Reações 484 Unidades e a Constante de Equilíbrio 485
12.4 Concentrações no Equilíbrio
485
Concentrações no Equilíbrio a partir das Concentrações Iniciais Técnicas Matemáticas para Cálculos de Equilíbrio 490
12.5 Princípio de LeChatelier
486
491
O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Concentração de Reagente ou Produto 491 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Pressão Quando Estão Presentes Gases 493 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Temperatura 495 Efeito de um Catalisador no Equilíbrio 496
12.6 Equilíbrios de Solubilidade
497
Constante do Produto de Solubilidade 497 Definindo a Constante do Produto de Solubilidade A Relação entre Kps e a Solubilidade Molar 499 Efeito do Íon Comum 500
497
xii
Química Geral Aplicada à Engenharia
Confiabilidade no Uso de Concentrações em Quantidade de Matéria
12.7 Ácidos e Bases
502
502
A Teoria de Brøsnted-Lowry de Ácidos e Bases 503 O Papel da Água na Teoria de Brønsted-Lowry 503 Ácidos e Bases Fracos 505
12.8 Energia Livre e Equilíbrio Químico
508
Perspectiva Gráfica 508 Energia Livre e Condições Não-Padrão 509 12.9 POR DENTRO DE Boratos e Ácido Bórico Enfoque na Resolução de Problemas 512 Resumo 513 Problemas e Exercícios 513
13 Eletroquímica
511
522
13.1 POR DENTRO DE Corrosão 523 13.2 Reações de Oxirredução e Células Galvânicas
524
Reações de Oxirredução e Semi-reações 524 Construindo uma Célula Galvânica 525 Terminologia para Células Galvânicas 526 Perspectiva Atômica nas Células Galvânicas 527 Corrosão Galvânica e Corrosão Uniforme 528
13.3 Potenciais da Célula
530
Medindo o Potencial da Célula 530 Potenciais Padrão de Redução 533 Condições Não-Padrão 536
13.4 Potenciais da Célula e Equilíbrio
538
Potenciais da Célula e Energia Livre 538 Constantes de Equilíbrio 539
13.5 Baterias
541
Células Primárias 541 Células Secundárias 543 Limitações das Baterias 546
13.6 Eletrólise
546
Eletrólise e Polaridade 547 Eletrólise iva no Refino de Alumínio Eletrólise Ativa e Galvanoplastia 549
13.7 Eletrólise e Estequiometria
547
550
Corrente e Carga 550 Cálculos com a Utilização de Massas de Substâncias na Eletrólise 13.8 POR DENTRO DE Prevenção à Corrosão 555 Revestimentos 555 Proteção Catódica 557 A Prevenção à Corrosão no Espaço 557 Enfoque na Resolução de Problemas 558 Resumo 559 Problemas e Exercícios 559
553
Sumário
xiii
Apêndices Tabela Internacional de Peso Atômico 569 Constantes Físicas 571 Configurações Eletrônicas dos Átomos no Estado Fundamental 572 Calores Específicos e Capacidades Caloríficas de Algumas Substâncias Comuns 573 Dados Termodinâmicos Selecionados a 298,15 K 574 Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C 580 Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C 582 Constantes do Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C 583 I Potenciais Padrão de Redução em Soluções Aquosas a 25 °C 586 J Respostas dos Exercícios de “Verifique seu Entendimento” 590 K Respostas para os Exercícios Ímpares dos Finais de Capítulos 593 A B C D E F G H
Glossário
618
Índice Remissivo
634
Algumas Constantes Úteis
651
Algumas Relações Importantes
651
Tabela Internacional de Massas Atômicas Tabela Periódica dos Elementos
653
652
Prefácio A Origem deste Livro Como químicos, vemos conexões entre a química e praticamente tudo. Dessa forma, a idéia de que estudantes de engenharia devem aprender química parece evidente para a maioria dos químicos. Mas a química é apenas uma das muitas ciências com as quais um engenheiro deve estar familiarizado, e o currículo de graduação deve achar espaço para muitos tópicos. Conseqüentemente, os currículos de engenharia na maioria das universidades estão sendo reduzidos: atualmente, as aulas de química geral tradicional, que eram praticadas em um ano, ocupam um único semestre. Em muitos casos, essas instituições estão oferecendo uma disciplina desenvolvida especificamente para estudantes de engenharia. Quando as escolas – incluindo a nossa – começaram a oferecer essa disciplina, não havia livros no mercado com esse enfoque, e o conteúdo do material didático existente para os dois semestres tinha que ser sempre modificado para encaixar. Apesar de isso ser possível, está longe de ser o ideal. Era imprescindível um livro específico para essa disciplina. Escrevemos este livro para preencher essa lacuna. Nosso objetivo é ampliar o papel da química para muitas áreas da engenharia e tecnologia por meio de uma interação entre a química e a engenharia em uma variedade de tecnologias modernas. Para muitos estudantes de engenharia, a química é basicamente um pré-requisito para disciplinas que envolvem propriedades dos materiais. Essas disciplinas normalmente adotam uma abordagem fenomenológica dos materiais, em vez de enfatizar a perspectiva molecular da química. O objetivo deste livro é proporcionar conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que am a ciência dos materiais. Isso não significa que este livro se destine apenas à ciência dos materiais; a intenção deste trabalho é preparar os estudantes para pesquisas futuras na área. O livro fornece também conhecimento suficiente sobre ciência da química para um profissional tecnicamente habilitado. A engenharia, afinal de contas, é a aplicação criativa e prática de uma vastíssima gama de princípios científicos, de forma que seus praticantes devem ter uma grande base em ciências naturais.
Conteúdo e Organização O conteúdo completo de química geral tradicional não pode ser pensado significativamente em um semestre, logo, temos que decidir qual conteúdo incluir. Existem basicamente dois modelos utilizados para condensar o programa de química geral. O primeiro é tomar a abordagem de um livro introdutório e reduzir o aprofundamento da cobertura e o número de exemplos, mas manter aproximadamente tudo dos tópicos tradicionais. O segundo é tomar as decisões mais difíceis e fundamentais sobre quais tópicos da química são apropriados e relevantes para os leitores, nesse caso, futuros engenheiros. Escolhemos a última abordagem e construímos um livro de 13 capítulos com base nos fundamentos para satisfazer o que pensamos ser os objetivos da disciplina:
xvi
Química Geral Aplicada à Engenharia
• Fornecer uma introdução concisa, mas total à ciência da química. • Fornecer aos estudantes informações consistentes sobre os princípios de estrutura e de ligação, as quais servirão de base para estudos posteriores da ciência dos materiais. • Mostrar a conexão entre o comportamento molecular e as propriedades físicas observáveis. • Mostrar as conexões entre a química e as outras matérias estudadas pelos alunos de engenharia, especialmente matemática e física. Considerados em sua totalidade, os 13 capítulos deste livro representam mais material do que poderia ser encaixado em uma disciplina padrão de um semestre. Assim, os departamentos ou os professores individualmente necessitarão fazer algumas escolhas adicionais ao conteúdo que seja mais adequado para os seus estudantes. Julgamos que muitos professores não incluirão todo o material sobre equilíbrio do Capítulo 12, por exemplo. Em contrapartida, incluímos mais tópicos no Capítulo 8, sobre fases condensadas, do que muitos professores esperariam incluir em suas disciplinas.
Cobertura dos Tópicos A cobertura dos tópicos neste livro reflete o fato de que os químicos constantemente utilizam conceitos múltiplos para entender o campo deles; em geral utilizam mais de um modelo simultaneamente. Assim, o estudo da química que apresentamos aqui pode ser visto de múltiplas perspectivas: macroscópica, microscópica e simbólica. As duas últimas perspectivas são enfatizadas nos Capítulos 2 e 3 sobre átomos, moléculas e reações. Nos Capítulos 4 e 5, estabelecemos mais de uma conexão entre o microscópico e o macroscópico no nosso tratamento de estequiometria e gases. Retornamos à perspectiva microscópica para cobrir mais detalhes de estrutura atômica e de ligação química dos Capítulos 6 ao 8. Os aspectos de energia da química, incluindo as importantes conseqüências macroscópicas, são considerados nos Capítulos 9 e 10, e cinética e equilíbrio são tratados nos Capítulos 11 e 12, respectivamente. Finalmente, concluímos com o tratamento da eletroquímica e da corrosão, uma aplicação química importante para as disciplinas de engenharia.
Cobertura de Conteúdo Específico Sabemos que existem tópicos específicos na química que são vitais para os futuros engenheiros. Escolhemos tratá-los da seguinte forma: Química Orgânica: A química orgânica é importante em muitas áreas da engenharia, particularmente naquelas relacionadas às propriedades dos polímeros. Em vez de utilizarmos um único capítulo de orgânica, integramos nossa cobertura de química orgânica por todo o livro, enfocando em polímeros. Introduzimos os polímeros orgânicos na Seção 2.1 e usamos os polímeros e seus monômeros em muitos exemplos nesse capítulo. O Capítulo 2 também contém uma rica discussão de estruturas orgânicas lineares e grupos funcionais, e termina com uma seção sobre síntese, estrutura e propriedades do polietileno. O Capítulo 4 começa e termina com discussões sobre combustíveis, um tópico ao qual retornamos no Capítulo 9. O Capítulo 8 contém mais sobre carbono e polímeros, e a reciclagem de polímeros fornece o contexto para a consideração da segunda lei da termodinâmica, no Capítulo 10. Química Ácido-Base: As reações ácido-base representam outra importante área da química com aplicações na engenharia, e de novo integramos nossa cobertura em áreas apropriadas do livro. Inicialmente, definimos ácidos e bases na conjunção com a introdução a soluções no Capítulo 3. A estequiometria simples de soluções é apresentada no Capítulo 4. Final-
Prefácio
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mente, um tratamento mais detalhado da química ácido-base é apresentado no contexto de equilíbrios, no Capítulo 12. Matemática: As habilidades matemáticas dos estudantes de engenharia geralmente são mais fortes que as de outros alunos, e a maioria dos estudantes, atendendo a uma disciplina do tipo para o qual este livro está direcionado, estará simultaneamente matriculada em uma disciplina introdutória de cálculo. Em razão disso, incluímos referências ao papel do cálculo na seção “Conexões Matemáticas”. Esses ensaios expandem e revisam os conceitos matemáticos à medida que dizem respeito ao tópico específico estudado, e aparecem sempre que as ligações entre o tópico em mãos e a matemática parecem especialmente significativas. Estes quadros têm a intenção de ser suplementares, de tal forma que aqueles estudantes cursando uma disciplina de pré-cálculo não sejam prejudicados. Não se pretende com a inclusão de cálculo dificultar o material apresentado, mas apresentar as conexões naturais entre as várias matérias estudadas.
Conexões entre Química e Engenharia Uma vez que este livro é direcionado a disciplinas desenvolvidas para estudantes de engenharia, esforçamo-nos para apresentar a química nos contextos que realmente interessam a eles. Os vínculos entre química e engenharia são centrais na estrutura do livro. Cada capítulo começa e termina com uma seção denominada “POR DENTRO DE”, que introduz um modelo ou tema que mostra a interação entre química e engenharia. Essa seção representa apenas o começo das conexões, e o tema introduzido nela aparece regularmente por todo o capítulo. Optamos por circular nas nossas aplicações de engenharia sempre que possível, assim, por todo o livro, discutimos as inovações-chave recentes em vários campos. Por exemplo, o Capítulo 1 contém uma breve abordagem dos OLED (diodos orgânicos emissores de luz), um novo avanço que pode eventualmente substituir as telas de cristal líquido em dispositivos como câmeras digitais e monitores de tela plana para computadores. Os OLED são visitados novamente mais tarde no Capítulo 6. No Capítulo 2, discutimos o novo polímero UHMWPE (polietileno de ultra alta massa molecular), que é mais forte e mais leve que o KevlarTM e o está substituindo no enchimento de coletes à prova de bala. No Capítulo 3, incluímos uma seção de “Por dentro de” inteira sobre células de combustível e suas possíveis aplicações futuras em carros e notebooks.
Abordagem para a Resolução de Problemas A resolução de problemas é uma parte-chave nas disciplinas de química do ensino superior e é especialmente importante como uma habilidade transferida amplamente para os estudantes de engenharia. Em razão disso, este livro inclui problemas resolvidos do início ao fim. Todos os nossos Problemas-Modelo incluem uma seção de “Estratégia” logo após o enunciado do problema, na qual enfatizamos os conceitos e as relações que devem ser considerados para trabalhar no problema. Após a solução, geralmente incluímos a seção denominada “Analise sua Resposta”, que ajuda os estudantes a aprenderem a estimar se a resposta obtida é razoável. Finalmente, cada exemplo termina com um problema ou uma
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Química Geral Aplicada à Engenharia
pergunta da seção “Verifique seu Entendimento” para ajudar o estudante a generalizar ou estender o que ele aprendeu no Problema-Modelo. Acreditamos que a experiência em química geral ajudará os estudantes de engenharia a desenvolver melhores habilidades na resolução de problemas. Além disso, percebemos que essas habilidades podem ser transferidas para outras matérias no currículo de engenharia mesmo quando o conteúdo de química não está envolvido. Adequadamente, incluímos uma característica única ao final de cada capítulo, a seção “Enfoque na Resolução de Problemas”. Nessa seção, as perguntas apresentadas não exigem uma resposta numérica, mas pede-se ao estudante que identifique a estratégia ou o raciocínio a ser utilizado no problema. Em geral, as perguntas propostas exigem que os estudantes identifiquem informações que ainda faltam para a resolução do problema. Na maioria dos casos, não é possível chegar a uma resposta numérica final utilizando as informações fornecidas; assim, os estudantes são forçados a desenvolver uma solução, em vez de apenas identificar e executar um algoritmo. Os exercícios apresentados no final de cada capítulo incluem problemas adicionais dessa natureza, o que significa que a seção “Enfoque na Resolução de Problemas” pode ser totalmente incorporada à disciplina. Esse recurso didático é resultado de um projeto de avaliação de resolução de problemas nas aulas de química, financiado pela Fundação Nacional da Ciência (National Science Foundation – NSF).
Características do Texto Empregamos uma série de recursos, alguns dos quais já citados anteriormente, que permitirão que os estudantes identifiquem a utilidade da química e entendam as conexões com a engenharia. • “POR DENTRO DE ”: Cada capítulo é construído em torno da seção “Por dentro de”, na qual são apresentados temas que abrem e fecham cada capítulo e que mostram as conexões entre engenharia e química. Além de a seção abrir e fechar cada capítulo, os temas apresentados por ela são entrelaçados por todo o capítulo, freqüentemente fornecendo o contexto para pontos de discussão ou problemas-modelo. Este símbolo especial da seção “Por dentro de” é utilizado para identificar os locais onde as idéias apresentadas na seção de abertura do capítulo são revisitadas no livro.
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• “ENFOQUE NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS ”: Professores de engenharia afirmam unanimemente que os calouros precisam praticar resolução de problemas. Entretanto, é importante fazer aqui uma distinção entre problemas e exercícios. Os exercícios fornecem uma oportunidade de praticar uma habilidade limitada, enquanto os problemas exigem etapas múltiplas e raciocínio fora do contexto da informação fornecida. A seção “Enfoque na Resolução de Problemas” oferece aos estudantes a oportunidade de desenvolver e praticar verdadeiras habilidades na resolução de problemas. Essa seção, que aparece no final de cada um dos capítulos, inclui uma mistura de questões qualitativas e quantitativas que enfocam o processo de busca por uma solução para um problema, não a solução em si. Em razão disso, incluímos também problemas similares adicionais no material de final de capítulo. • “Conexões Matemáticas”: Em nossa experiência, uma peculiaridade que distingue os estudantes de engenharia dos outros estudantes de química geral é o alto nível de intimidade com a matemática. Normalmente, a maioria dos estudantes que tem aulas do tipo para o qual este livro foi escrito também terá aula de cálculo. Portanto, parece
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tualmente, as aplicações da nanociência estão surgindo principalmente na tecnologia de computadores. Mas, no futuro, engenheiros devem projetar e montar bombas de ar ou outras minúsculas máquinas utilizando engrenagens e outras peças fabricadas em escala atômica. As decisões desses profissionais serão guiadas pelo conhecimento dos tamanhos e das propriedades dos átomos de diferentes elementos. Tais aparelhos poderão ser construídos átomo por átomo: cada átomo seria especificado com base em critérios de design relevante e manobrado para a posição com a utilização de minúsculas ferramentas. Essas nanomáquinas serão montadas não por parafusos ou rebites, mas pelas forças de atração entre os diferentes átomos – por meio de ligações químicas. Evidentemente, esses engenheiros do futuro terão que compreender os átomos e as forças que os ligam, isto é, terão que compreender a química. Pelo menos por enquanto, essa engenharia relacionada aos átomos permanece ainda como uma possibilidade a ser concretizada no futuro. E quanto aos engenheiros de hoje? Quanto de suas decisões depende do conhecimento da química? E, de sua própria perspectiva como um estudante de engenharia, quais são os reais motivos para você estudar química? O Conselho de Atribuição para Engenharia e Tecnologia (Accreditation Board for Engineering and Technology – Abet) é uma organização profissional que supervisiona o ensino de engenharia. De acordo com a definição da Abet: “Engenharia é a profissão cujo conhecimento das ciências matemáticas e naturais obtido por meio de estudos, experiências e prática é aplicado com bom senso para o desenvolvimento de maneiras de utilizar, economicamente, os materiais e as forças da natureza em benefício da humanidade”. Logo, como ciência, a química é claramente incluída no campo de conhecimento à disposição de um engenheiro. Ainda assim, os estudantes de engenharia nem sempre reconhecem o papel da química na profissão que escolheram. Um dos principais objetivos deste livro é inspirar uma avaliação do papel da química em muitas áreas da engenharia e tecnologia, e na interação entre a química e a engenharia, em uma variedade de tecnologias modernas. O estudo da química envolve um vasto número de conceitos e habilidades. A filosofia deste livro é apresentar algumas idéias básicas e aplicá-las aos aspectos da engenharia, 1
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em que a química é importante. Cada capítulo começará com um exemplo da química relacionada à engenharia. Alguns desses exemplos, como a queima de combustíveis, envolverão aplicações bem claras de princípios químicos e reações. Em outros casos, o papel da química pode não ser tão aparente. No Capítulo 6, estudaremos como a evolução do conhecimento das propriedades químicas estimulou o projeto de diferentes fontes de luz, da simples lâmpada incandescente até os lasers modernos e os diodos orgânicos de emissão de luz (organic light emitting diodes – Oled). Outros temas envolverão o projeto e a seleção de materiais para diversos usos e a importância da química em questões de engenharia ambiental. Todas as seções de abertura de capítulo apresentam títulos que começam com “Por dentro de”. As questões apontadas nessas seções guiarão nossa exploração dos fundamentos relevantes de química apresentados em cada capítulo. Nosso primeiro caso contempla a produção e história do alumínio como material estrutural.
Objetivos do Capítulo Após dominar o assunto deste capítulo, você deverá ser capaz de „ descrever como a química e a engenharia auxiliaram na transformação do alumínio de
um metal precioso a um material estrutural barato. „ explicar a utilidade das perspectivas macroscópica, microscópica e simbólica na com-
preensão dos sistemas químicos. „ desenhar figuras para ilustrar fenômenos químicos simples (como as diferenças entre
sólidos, líquidos e gases) em escala molecular. „ explicar, com suas próprias palavras, a diferença entre o raciocínio indutivo e dedutivo. „ utilizar proporções adequadas para a conversão de medidas de uma unidade para outra. „ expressar os resultados de cálculos utilizando o número correto de algarismos
significativos.
1 POR DENTRO DE 1.1 Alumínio Quando está com sede, você tem várias opções para saciá-la, como água, sucos, refrigerantes etc. E quando opta por um refrigerante de lata, dificilmente você fará seguinte pergunta: “De onde veio a lata que contém este refrigerante, e por que ela é feita de alumínio?”. A lata de alumínio se tornou tão comum que é fácil tomá-la por verdade. O que faz do alumínio um material fascinante para esse tipo de aplicação e como ele se tornou parte tão comum de nossa vida? Você provavelmente pode identificar algumas propriedades do alumínio que tornam seu uso em uma lata de refrigerante adequado. Comparado à maioria dos outros metais, o alumínio é leve, mas bem forte. Desse modo, uma lata de alumínio típica é bem mais leve que uma lata comparável de estanho ou aço. Isso significa que a lata não adiciona muito peso se comparado ao do refrigerante em si; conseqüentemente, as latas são mais fáceis de ser manuseadas e mais baratas para ser transportadas. Uma lata de refrigerante feita de chumbo seria certamente menos conveniente. O fato de o alumínio não sofrer facilmente reações químicas que poderiam degradá-lo à medida que as latas são transportadas e armazenadas é também importante. Porém, apesar de todas essas características da lata de
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alumínio serem positivas, elas não teriam muita utilidade prática se o alumínio não fosse prontamente disponível e razoavelmente barato. A grande disponibilidade do alumínio é resultado de uma colaboração impressionante entre a ciência básica da química e as ciências aplicadas da engenharia. No século XIX, o alumínio era um metal raro e precioso. Na Europa, Napoleão era o imperador de uma parte considerável do continente e ele impressionava seus convidados com o uso de extravagantes talheres de alumínio. Nos Estados Unidos, os arquitetos queriam um material que causasse impacto para ser utilizado no cume do Washington Monument, um tributo ao “pai de nosso país”, e então escolheram o alumínio. Pesando 100 onças (cerca de 2,8 kg), o cume do monumento era a maior peça única de alumínio puro jamais projetada naquela época. Contudo, hoje chapas de alumínio pesando mais que 45 kg são encontradas com regularidade em muitas lojas de metal. Por que o alumínio era tão caro naquela época e o que mudou para que ele se tornasse tão ível agora? Uma discussão inicial dessa questão pode ser imaginada em termos da Figura 1.1, que expressa bem amplamente as interações da sociedade humana com a Terra. A sociedade, representada pelo globo, tem necessidades de bens e materiais. Atualmente, e para o futuro
A matéria flui da ecosfera para a economia humana como matéria-prima.
Sociedade humana
Ecosfera
A matéria flui da economia humana para a ecosfera como lixo.
Figura 1.1 As interações da sociedade humana com a Terra podem ser pensadas amplamente em termos da conversão da matéria a partir da matéria-prima em lixo. Muito da engenharia consiste em esforços para otimizar os processos utilizados nessas conversões. Como ciência da matéria, a química é um importante elemento do conhecimento explorado na engenharia desses processos.
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