Composição centensimal

Pela lei de Proust, as substâncias puras têm composição em massa constante e, consequentemente, puderam ser representadas por fórmulas.
As fórmulas eram determinadas experimentalmente através de resultados obtidos por análises quantitativas dos elementos presentes na substância e expressas em termos percentuais (indicavam quanto do componente havia em 100 partes da substância).
A fórmula (ou composição) centensimal não é o melhor tipo de fórmula porque pode corresponder a mais de uma substância, mas em termos didáticos, sua determinação nos leva a estabelecer relações que nos ajudarão em cálculos posteriores.
Exemplos:
1. Verifica-se experimentalmente que, na queima de 4,0g de cálcio, formam-se 5,6g de um composto de cálcio. Qual a fórmula percentual dessse composto?
Na queima do cálcio, há uma reação de síntese entre o cálcio e o oxigênio gerando um composto, denominado óxido de cálcio.
5,6g do composto __________________       4,0g de cálcio

100g do composto _____________________         x

x = 71,4g ----  71,4% de cálcio

5,6g do composto __________________       1,6g de oxigênio

100g do composto _____________________         x

x = 26,6g ----- 26,6% de oxigênio

2. Qual a composição centensimal do composto cuja fórmula é CaS, sabendo que 72g do composto possuem 40g de cálcio?
72g do composto ___________________  40g de cálcio
100g do composto __________________            x
x = 55,6g ----- 55,6% de cálcio

72g do composto  ______________________  32g de enxofre
100g do composto ____________________                 x
x = 44,4g  ----- 44,4% de enxofre

As leis ponderais - continuação

Outro cientista da época, Joseph Louis Proust (1754 - 1826), em 1799, analisando substâncias puras, observou que em sua composição em massa é constante, independente de seu processo de obtenção. Assim, por exemplo, a água, independente de sua origem ou de seu método de obtenção, sempre se forma por 11,1% em massa de hidrogênio e 88,9% em massa de oxigênio.

Assim, a composição da água apresentará sempre uma mesma relaçãoentre as massas de hidrogênio e oxigênio para qualquer massa de água.

Ou seja, na formação de água devemos ter a combinação de hidrogênio e oxigênio na proporção de 1 para 8 em massa. Se reagirmos 1 grama de hidrogênio com 8 gramas de oxigênio, obteremos 9 gramas de água, o que confirma também a lei de Lavoisier.
Em função desses resultados, Proust enunciou a segunda lei ponderal:
Lei das proporções constantes:
Toda substância apresenta uma proporção de massa constante em sua composição.

A lei de Proust foi posteriormente estendida a qualquer reação química:
Numa mesma reação química, há uma relação entre massas das substâncias participantes.

As leis ponderais e o átomo

No século XVIII, firmou-se, realmente, o caráter científico da Química. Vários gases foram descobertos e estudados.
Antoine Laurent Lavoisier (1742 - 1794), com a introdução da balança em seus experimentos, conseguiu pesar os materiais envolvidos antes e depois de uma transformação química, notando então que a massa permanecia constante. Esta observação experimental é conhecida como Lei da Conservação da Massa, que pode ser enunciada como:
Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.
O trabalho de Lavoisier, envolvendo cuidadosas pesagens, levou-o a descobrir e justificar fatos que outros cientistas não tinham conseguido efetuar por subestimarem o uso criterioso da balança. A experiência executada por Lavoisier, que permitiu a determinação dessa lei, pode ser representada por:

Em função desta e de várias outras experiências, Lavoisier concluiu que:
Num sistema fechado, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos.

Exemplo:

A partir do trabalho de Lavoisier, os químicos começaram a perceber a existência de certas regularidades que envolviam os fenõmenops químicos. às quais foi dado um tratamento matemático, permitindo que essas regularidades fossem expressas em leis. Genericamente, essas leis que relacionam massas são denominadas leis ponderais, sendo que a Lei da Conservação de Massa, de Lavoisier, é a primeira delas  e foi divulgada em 1789, na obra Tratado elementar de química.

Para relembrar as unidades

1) Faça a conversão de unidade pedida, conforme modelo:
a) 1,5 L = 1500 mL
b) 2,8 m³ = _____L
c) 0,054 L = ______mL
d) 328 cm = _______mL
e) 8700 mL = _______L
f) 0,3 m³ = _________cm³           

g) 3,3 . 10³ mL = _________L

h) 25 L = _________ cm³

i) 350 m³ = ________mL

j) 8,0 . 10¹⁰ mL = _________L

2) Transforme as massas para gramas (g):
a) 0,20 kg
b) 200 mg

c) 10 ^{-3 kg}

d) 5,0 . 10² mg

3) Transforme os volumes para litros (L): 

a) 1,0 dm³

b) 100 mL

c) 200 cm³

d) 3,0 m³

4) Transforme para kg:

a) 200 g

b) 2 . 10⁵ mg

c) 500 g

d) 100 mg

5) transforme para mL:

a) 1,0 L

b) 2,0 m³

c) 100 cm³

d) 20 L

e) 4 dm³

6) Transforme as pressões:

a) 1520 mm Hg para atm

b)  0,5 atm para mm Hg

c) 38 cm Hg para atm

d) 0,3 atm para cm Hg

Relação entre massa e volume

Massa e volume são propriedades mensuráveis da matéria. A massa de um corpo é determinada em balanças, comparando-a com outra massa conhecida denominada de padrão e sua unidade no Sistema Internacional (SI) é o kilograma (Kg). Já o volume corresponde ao espaço ocupado por determinada quantidade de matéria e sua unidade no SI é o metro cúbico (m3) (1 m3 = 1000 L).
 Massa e volume se relacionam e esta relação, denominada densidade, varia de substância para substância. Sendo uma propriedade espécífica, a densidade pode ser usada na caracterização de uma substância pura.
Exemplo:
Álcool etílico

Massa (g)	Volume (cm3)
O,8	1,0
400	500
800	1000

Água

Massa  (g)	Volume (cm3)
10	10
500	500
1000	1000

Observe que a relação massa/volume é constante:
Álcool:    massa  = 0,8 g/cm3        
              volume

Água:   massa   = 1,0 g/cm3        

           volume

A unidade de densidade é uma unidade de massa dividida por uma unidade de volume, que nos casos vistos, é grama/centimetro cúbico (g/cm3).

Observações:
A densidade é diretamente proporcional à massa e inversamente proporcional ao volume. Assim, para uma mesma massa, a substância que tiver a maior densidade ocupará menor volume e a que tiver menor densidade, ocupará um maior volume.
Uma substância menos densa "flutuará" sobre a mais densa (tal como o óleo de cozinha d = 0,9 g/cm3 e a água, d = 1,0 g/cm3)
Embora 1 mL seja rigorosamente igual a 1 cm3, em termos de volume, o cm3 é mais conveniente de ser usado, já que para sólidos não há como medir mL.

Tipos de misturas

Já vimos que, quando duas ou mais substâncias  químicas são colocadas em contato e preservam suas características químicas, originam uma mistura. de acordo com o aspecto, as misturas podem ser classificadas em: homogêneas e heterogêneas.

Homogêneas
Apresentam o mesmo aspecto em todos os pontos, isto é, são do ponto de vista visual, homogêneas ( mesmo que observadas em microscópios muito potentes).
Exemplos: água e álcool; água e sal de cozinha; ar.

Nota: as misturas de gases são sempre homogêneas.
As misturas homogêneas são também chamadas de soluções.

Atenção:
Dissolver: misturar substâncias que não reagem entre si, formando solução.
Diluir: acrescentar mais solvente a uma solução, por exemplo, acrescentar água.
Concentrar: adicionar mais soluto a uma solução ou retirar solvente, por exemplo, acrecentar mais açúcar à água.

Heterogêneas
Podemos distinguir seus componentes (visualmente oui através de microscópios).
Exemplos: água e areia; óleo e vinagre; leite.

Denomina-se fase a cada uma das partes homogêneas de uma mistura heterogênea.

Observações:
Toda mistura homogênea é monofásica. Por exemplo, uma mistura de 10 gases é monofásica, apesar de possuir 10 substâncias.
Uma substância pura pode ter aspecto heterogêneo, como por exemplo, água e gelo.

Substância simples e substância composta

Substância simples
É o tipo de susbstância que não pode ser decomposta por agentes físicos; não é capaz de originar outras substâncias. É formada por átomos de um mesmo elemento químico. Exemplos: H2, O2, N2, He, Fe.
Obsercações: algumas substâncias simples são formadas por moléculas constituídas por dois átomos do elemento (diatômicas) e, devem ser representadas com um índice 2 abaixo e à direita do símbolo. Se as representamos com apenas um átomo estaremos incorrendo em um erro, pois esta seria a representação do elemento e não da substância. Exemplo: H - elemento hidrogênio; H2 - substância simples hidrogênio.


Há átomos que permanecem isolados, não formando moléculas. Por exemplo, um átomo de hélio representa, simultaneamente, o elemento hélio e a substância simples hélio.


Os metais formam agregados de muitos átomos unidos. A representação correta seria Fen, Cun, Nan, etc., mas, por simplificação representamos os metais por seus símbolos (Fe, Cu, Na). Portanto, Na é a representação tanto do elemento sódio como da substância simples sódio, também conhecida como sódio metálico.

Há átomos que podem se agrupar de diferentes maneiras, formando moléculas diferentes e, portanto, substâncias diferentes. Por exemplo, dois átomos de oxigênio formam uma molécula da substância simples oxigênio (O2); três átomos do mesmo elemento formam a substância simples ozônio (O3). Este fenômeno é denominado alotropia, dizendo-se, então, que o O2 e o O3 sãp formas alotrópicas do elemento oxigênio.


Substância composta ou composto químico


É aquela que, por ação de um agente físico (calor, luz, eletricidade) sofre reação de decomposição, originando duas ou mais susbstâncias (que podem ser simples ou compostas). É formadas por átomos (ou íons) de elementos químicos diferentes. Exemplos: CO2, H2O, NH3, HCl, NaCl, KNO3.


Veja os exemplos de reações de decomposição: 

Resumindo:
Substância pura é aquela constituída por moléculas (ou agregados iônicos) quimicamente iguais:
simples - um só elemento;
compostas - mais de um elemento.

Mistura é o conjunto de duas ou mais substâncias. É obtida quando duas ou mais substâncias são colocadas em contato sem se alterar, isto é, quando eleas não reagem entre si.

Reagentes e produtos

Quando as substâncias interagem quimicamente (fenômeno químico) esta interação é representadfa por uma equação química que tem as seguintes características:
No primeiro membro (à esquerda), indicamos as substâncias que vão interagir e sofrer a transformação. Cada espécie de substância (se houver mais de uma) é separada da outra por um sinal de +. A esse conjunto damos o nome de reagentes.
No segundo membro (à direita), indicamos as substâncias que resultam da interação entre os reagentes, obtidas pela transformação dos reagentes.Separamos estas substâncias (se houver mais de uma) por um sinal de +. A esse conjunto damos o nome de produtos.
Entre os regantes e os produtos colocamos uma seta apontando no sentido dos produtos. Esta seta indica  transformação.
Sobre a seta ou embaixo dela colocamos alguns símbolos indicando as condições na qual a reação se efetiva (em alguns casos, as condições de ocorrênciatambém podem vir do lado das substâncias).

  Podemos exemplificar alguma reações:

Fenômeno físico e fenôneno químico

Chamamos de sistema ao conjunto de materiais que são isolados de todos os outros com a finalidade de serem estudados.
Se as caracterísitcas iniciais de um sistema são diferentes das finais, dizemos que ele sofreu uma transformação ou fenômeno.

Fenômeno físico
Ao aquecermos iodo puro, que é um sólido, cinzento e brilhante, observamos o aparecimento de vapores roxos, que em contanto com uma superfície fria, forma cristais cinzentos e brilhantes. Ao compararmos as propriedades da substância no estado inicial com as que aparecem no estado final, noatmos que são idênticas. Antes e depois do aquecimento, seguido de resfriamento, continuamos tendo iodo. Houve, nesse caso, uma mudança de estado físico, de sólido para gasoso, chamada sublimação e outra, de gasoso para sólido, chamada ressublimação. Ocorreu uma transformação física, pois a substância não se altera.
Podemos dizer então que fenômeno físico é o processo no qual não se formam novas substâncias (não há alteração da estrutura da matéria).
Exemplos:
as mudanças de estado físico;
Aquecer o ferro antes que fique incandescente;
Adicionar açúcar à água (formação de mistura).

Fenômeno químico
Aquecer sempre provoca mudança de estado?
Analisemos o que ocorre quando se aquece açúcar para fazer calda, por exemplo. Observaremos que as propriedades apresentadas inicialmente pelo açúcar vão se modificando ao longo do aquecimento e ao final teremos um sólido escuro, de propriedades bem distintas das do sólido inicial. Nesse caso teremos uma transformação química.
podemos então dizer que fenômeno químico é o processo no qual há alteração da estrutura da matéria, com formação de novas substâncias.
O fenômeno químico é comumente chamada de reação química.
Que observações experimentais devem indicar a ocorrência de de um fenômeno em que a matéria tenhas tido a sua estrutura alterada (fenômeno químico)?
Saída de gases (mesmo sem ter havido aquecimento);
Formação de precipitado (substância formada através de uma reação e que não é solúvel no meio onde está sendo formada, provocando uma turvação);
mudanças inesperadas de cor e aspecto.

Substância pura e mistura

Substância pura
Formada por moléculas ou agregados iônicos todos iguais entre si. Têm propriedades e caracterísitcas bem definidase composição química constante.
Mistura
É a reunião de duas ou mais substâncias puras que não interagem (as moléculas permanecem inalteradas - fenômeno físico). O álcool comercial, por exemplo, é uma mistura de etanol  (C2H5OH) e água (H2O); o ar é uma mistura de gases (N2, O2, etc.). A composição de uma mistura pode variar e, por esta razão, não podemos associar a ela uma fórmula.

Como diferenciar uma substância pura de uma mistura?
A maneira mais eficiente de diferenciar, na prática, uma mistura de uma substância pura consiste na análise de seus comportamentos quanto às mudanças de estado físico.
Comparando a ebulição da água pura com a da água salgada observa-se que a água pura começa e termina sua ebulição à mesma temperatura (t), enquanto que a água salgada (que é uma mistura) começa e termina sua ebulição em temperaturas diferentes (t1 e t2).
Observe a seguir o gráfico, temperatura x tempo, relativo ao aquecimento de água pura, do estado sólido (gelo) ao estado gasoso (vapor).
Se tivermos uma substância pura, as mudanças de fases irão ocorrer em condições constantes, ou seja bem definidas, daí serem chamadas de constantes físicas.
A passagem do estado sólido para o estado líquido (ou vice-versa) ocorre em uma determinada temperatura, chamada de Ponto de Fusão (PF). Já a passagem de líquido para o gasoso (ebulição) é chamada de Ponto de Ebulição (PE). Cada substância pura apresenta um ponto de fusão e um ponto de ebulição característico.
A pressão atmosférica (força que a atmosfera exerce sobre a Terra) é muito importante para o ponto de ebulição. Ao nível do mar, considera-se a pressão igual a 1 atmou 760 mmHg. Se a pressão for maior que este valor, o ponto de ebulição será maior, se a pressão for menor, o ponto de ebulição também será menor. Desta forma, a água ferve a 100 ºC ao nível do mar, enquanto que, em uma montanha, ferve abaixo de 100 ºC.
Para uma mistura como a de água e sal, o gráfico será do tipo:





Misturas eutéticas e misturas azeotrópicas
Existem misturas que, durante as mudanças de fases, se comportam como substâncias. Uma mistura com 95,57 partes de álcoolcom 4,43 partes de água, ferve à temperatura constanyte de 76,3 ºC, como se fosse uma única substância. A mistura, cuja temperatura de ebulição é constante, é chamada de azeotrópica (Esta é uma das razões por que não se consegue obter álcool puro através da destilação).

Comportamento de uma mistura azeotrópica

Outro caso é o de várias ligas metálicas (mistura de sólidos) que se fundem a uma temperatura constante, como se fossem uma única substância. A mistura cujo ponto de fusão é constante é chamada de mistura eutética. Ex.: ligas metálicas como bronze (cobre e estanho), latão (cobre e zinco).

Comportamento de uma mistura eutética

Substância química

A reunião dos elementos forma as substâncias, assim como a reunião de letras do alfabeto forma as palavras.
Os átomos dos elementos conhecidos podem reunir-se formando agrupamentos diferentes que podem ser moléculas ou agregados iônicos. O grupo de moléculas ou agregados iônicos representa então uma espécie química bem definida, a substância.
As moléculas são fornadas por átomos ligados entre si. A molécula é a menor porção de uma substância formada por átomos.
Os agregados iônicos não são formados por átomos e sim por íons, espécies químicas carreagadas eletricamente, que se mantêm reunidos em virtude da atração elétrica. Logo, a menor porção da substância iônica não é uma molécula e sim um agregado iônico.
Substâncias são diferentes espécies de matéria. Como as substâncias podem ser moleculares ou iônicas é importante concluir que:
                            
                                                 "Toda matéria é formada por átomos ou íons"

As substâncias são representadas por fórmulas. Há diversos tipos de fórmulas; a que indica o número de átomos de cada elemento presente é chamada fórmula molecular (no caso de substâncias formadas por moléculas) ou íon-fórmula (no cas de substâncias formadas por agregados iônicos).
Exemplos:
H2SO4 -  a fórmula indica que esta substância é formada por 2 átomos de hidrogênio, 1 átomo de enxofre e 4 átomos de oxigênio - fórmula molecular)

O2 - indica que a substância é formada por 2 átomos de oxigênio - fórmula molecular

NaCl - indica que a substância é formada por um íon Na+ e um íon Cl-, é o íon-fórmula.

Elemento químico

A matéria é formada por átomos. Apesar de conhercermos uma infinidade de matérias diferentes, só se conhecem um pouco mais de uma centena de tipos de átomos quimicamente diferentes. O conjunto de cada um desses tipos de átomos representa um elemento químico, que tem nome e símbolo próprios, usado internacionalmente.
O símbolo é a representação abreviada do elemento. Confecciona-se o símbolo utilizando-se a letra inicial maiúscula de seu nome latino e, quando necessário, esta é seguida de uma outra letra minúscula, em geral a segunda do nome. Algumas vezes a inicial maiúscula do nome latino do elemento não coincide com a inicial do seu noem em Português, o que pode gerar certa confusão. Veja exemplos:

ELEMENTOS	SÍMBOLOS
Hidrogênio	H
Carbono	C
Cálcio	Ca (são usadas duas letras para não confundir com o anterior)
Boro	B
Bromo	Br
Potássio	K (do latim kalium)
Sódio	Na (natrium)
Prata	Ag (argentum)
Chumbo	PB (plumbum)
Mercúrio	Hg (hidrargium)
Enxofre	S (sulfur)
Estanho	Sn (stannum)
Antimônio	Sb (stibium)
Cobre	Cu (cuprum)
Ouro	Au (aurum)

Principais Conceitos Relacionados à Matéria

Fases ou estados físicos da mátéria
A matéria pode-se apresentar em três fases: sólida, líquida e gasosa. As fases da matéria são interconversíveis.
Sólido: caracteriza-se por ter forma e volume definidos.
As forças de atração de suas partículas são maiores que as forças de repulsão.
Líquido: tem apenas o volume definido e não a forma. O líquido assume a forma do recipiente que o contém.
As forças de atração e repulsão se equivalem
Gasoso: não apresenta nem forma nem volume definidos.
As forças de repulsão são maiores que as de atração.

É importante lembrar a diferença entre evaporação e ebulição, embora ambas referem-se à passagem do líquido para o gasoso:
a evaporação ocorre em qualquer temperatura, de forma espontânea.
Exemplo: secagem da roupa no varal,
a ebulição ocorre de forma "forçada", em uma temperatura determinada. Exemplo disto é a água, que evapora em qualquer temperatura, mas entra em ebulição a 100 ºC.

Diferença entre gás e vapor:
Vapor: designação dada à matéria no estado gasoso, quando é capaz de existir em equilíbrio com o líquido ou com o sólido correspondente, podendo sofrer liquifação pelo simples abaixamento de temperatura ou aumento de pressão.
Gás: fluido elástico, impossível de ser liquefeito só por um aumento de pressão ou só por uma diminuição de temperatura, o que o diferencia do vapor,

A matéria

O estudo da matéria
O universo é composto por matéria e energia. existem diferentes qualidades de matéria ( denominadas substâncias) e diversos tipos de matéria. Matéria e energia são mensuráveis e estão intimamente relacionadas. Matéria é tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço (tem volume) e energia, é a capacidade de realizar trabalho, nas mais diferentes formas. A energia tem dois princípios: o da conservação e o da transformação, ou seja, a energia não pode ser destruída ou criada, apenas transformada.
A matéria tem propriedades que podem caracterizá-la e especificá-la: propriedades gerais, funcionais e específicas.
Propriedades gerais: inerentes a qualquer tipo de matéria (massa, volume, elasticidade, impenetrabilidade, divisibilidade, compressibilidade).
Propriedades funcionais: comuns a determinados grupos de substâncias, denominadas funções (ácidos, sais, etc.).
Propriedades específicas: características de cada tipo de matéria.
- Organolépticas: podem ser verificadas pelos sentidos ( estado de agregação, sabor, cor, odor, brilho)
- Químicas: responsáveis pelos tipos de transformações que cada matéria é capaz de sofrer.
- Físicas: correspondem a valores experimentais encontrados a partir do comportamento observado para cada tipo de matéria, quando este é submetido a determinadas condições, que naõ alteram a constituição da matéria, como, densidade, ponto de fusão e ponto de ebulição.