Nome do Aluno

OrganizadoresMaria Eunice Ribeiro MarcondesMarcelo Giordan

Elaboradores

Isaura Maria Gonalves VidottiLuciane Hiromi AkahoshiMaria Eunice Ribeiro MarcondesYvone Mussa EsperidioSilvia Maria Leite Agostinho

Qumica

5mdulo

GOVERNO DO ESTADO DE SO PAULO

Governador: Geraldo Alckmin

Secretaria de Estado da Educao de So Paulo

Secretrio: Gabriel Benedito Issac Chalita

Coordenadoria de Estudos e Normas Pedaggicas CENP

Coordenadora: Sonia Maria Silva

UNIVERSIDADE DE SO PAULO

Reitor: Adolpho Jos Melfi

Pr-Reitora de Graduao

Sonia Teresinha de Sousa Penin

Pr-Reitor de Cultura e Extenso Universitria

Adilson Avansi Abreu

FUNDAO DE APOIO FACULDADE DE EDUCAO FAFE

Presidente do Conselho Curador: Selma Garrido Pimenta

Diretoria Administrativa: Anna Maria Pessoa de Carvalho

Diretoria Financeira: Slvia Luzia Frateschi Trivelato

PROGRAMA PR-UNIVERSITRIO

Coordenadora Geral: Eleny Mitrulis

Vice-coordenadora Geral: Sonia Maria Vanzella Castellar

Coordenadora Pedaggica: Helena Coharik Chamlian

Coordenadores de rea

Biologia:

Paulo Takeo Sano Lyria Mori

Fsica:

Maurcio Pietrocola Nobuko Ueta

Geografia:

Sonia Maria Vanzella Castellar Elvio Rodrigues Martins

Histria:

Ktia Maria Abud Raquel Glezer

Lngua Inglesa:

Anna Maria Carmagnani Walkyria Monte Mr

Lngua Portuguesa:

Maria Lcia Victrio de Oliveira Andrade Neide Luzia de Rezende Valdir Heitor Barzotto

Matemtica:

Antnio Carlos Brolezzi Elvia Mureb Sallum Martha S. Monteiro

Qumica:

Maria Eunice Ribeiro Marcondes Marcelo Giordan

Produo Editorial

Dreampix Comunicao

Reviso, diagramao, capa e projeto grfico: Andr Jun Nishizawa, Eduardo Higa Sokei,Mariana Pimenta Coan, Mario Guimares Mucida e Wagner Shimabukuro

Cartas aoAluno

Carta daPr-Reitoria de Graduao

Caro aluno,

Com muita alegria, a Universidade de So Paulo, por meio de seus estudantese de seus professores, participa dessa parceria com a Secretaria de Estado daEducao, oferecendo a voc o que temos de melhor: conhecimento.

Conhecimento a chave para o desenvolvimento das pessoas e das naese freqentar o ensino superior a maneira mais efetiva de ampliar conhecimentosde forma sistemtica e de se preparar para uma profisso.

Ingressar numa universidade de reconhecida qualidade e gratuita o desejode tantos jovens como voc. Por isso, a USP, assim como outras universidadespblicas, possui um vestibular to concorrido. Para enfrentar tal concorrncia,muitos alunos do ensino mdio, inclusive os que estudam em escolas particularesde reconhecida qualidade, fazem cursinhos preparatrios, em geral de altocusto e inacessveis maioria dos alunos da escola pblica.

O presente programa oferece a voc a possibilidade de se preparar para enfrentarcom melhores condies um vestibular, retomando aspectos fundamentais daprogramao do ensino mdio. Espera-se, tambm, que essa reviso, orientadapor objetivos educacionais, o auxilie a perceber com clareza o desenvolvimentopessoal que adquiriu ao longo da educao bsica. Tomar posse da prpriaformao certamente lhe dar a segurana necessria para enfrentar qualquersituao de vida e de trabalho.

Enfrente com garra esse programa. Os prximos meses, at os exames emnovembro, exigiro de sua parte muita disciplina e estudo dirio. Os monitorese os professores da USP, em parceria com os professores de sua escola, estose dedicando muito para ajud-lo nessa travessia.

Em nome da comunidade USP, desejo-lhe, meu caro aluno, disposio e vigorpara o presente desafio.

Sonia Teresinha de Sousa Penin.

Pr-Reitora de Graduao.

Carta daSecretaria de Estado da Educao

Caro aluno,

Com a efetiva expanso e a crescente melhoria do ensino mdio estadual,os desafios vivenciados por todos os jovens matriculados nas escolas da redeestadual de ensino, no momento de ingressar nas universidades pblicas, vm seinserindo, ao longo dos anos, num contexto aparentemente contraditrio.

Se de um lado nota-se um gradual aumento no percentual dos jovens aprovadosnos exames vestibulares da Fuvest o que, indubitavelmente, comprova aqualidade dos estudos pblicos oferecidos , de outro mostra quo desiguaistm sido as condies apresentadas pelos alunos ao conclurem a ltima etapada educao bsica.

Diante dessa realidade, e com o objetivo de assegurar a esses alunos o patamarde formao bsica necessrio ao restabelecimento da igualdade de direitosdemandados pela continuidade de estudos em nvel superior, a Secretaria deEstado da Educao assumiu, em 2004, o compromisso de abrir, no programadenominado Pr-Universitrio, 5.000 vagas para alunos matriculados na terceirasrie do curso regular do ensino mdio. uma proposta de trabalho que buscaampliar e diversificar as oportunidades de aprendizagem de novos conhecimentose contedos de modo a instrumentalizar o aluno para uma efetiva insero nomundo acadmico. Tal proposta pedaggica buscar contemplar as diferentesdisciplinas do currculo do ensino mdio mediante material didtico especialmenteconstrudo para esse fim.

O Programa no s quer encorajar voc, aluno da escola pblica, a participardo exame seletivo de ingresso no ensino pblico superior, como espera seconstituir em um efetivo canal interativo entre a escola de ensino mdio ea universidade. Num processo de contribuies mtuas, rico e diversificadoem subsdios, essa parceria poder, no caso da estadual paulista, contribuirpara o aperfeioamento de seu currculo, organizao e formao de docentes.

Prof. Sonia Maria Silva

Coordenadora da Coordenadoria de Estudos e Normas Pedaggicas

Apresentaoda rea

A Qumica tem sido vista como vil por muitos dos segmentos sociais quea desconhecem. Enquanto cincia, ela contribui para compreendermos as pro-priedades dos materiais, suas transformaes e suas estruturas em um nvel deorganizao inacessvel aos nossos sentidos. J os qumicos, desempenhamum papel importante na construo do conhecimento sobre processos e pro-dutos que servem ao bem estar das pessoas. Alimentos, roupas, medicamen-tos, habitaes so alguns exemplos de segmentos da indstria e daagropecuria, nos quais o conhecimento qumico fundamental.

fato tambm que os impactos causados pelas atividades humanas nomeio ambiente tm sido cada vez mais graves. O aumento do efeito estufa e areduo da camada de oznio so exemplos de atividades que dependem datransformao dos materiais. Ainda assim, a Qumica no a responsvel poresses fenmenos indesejveis. O conhecimento produzido pelos qumicos um dos instrumentos determinantes para aprofundar ou diminuir os impactoscausados pelas atividades humanas no meio ambiente. Saber aplicar essesconhecimentos a partir de critrios e valores definidos pela sociedade umdos principais instrumentos para tomar decises sobre o controle dessas ativi-dades e tambm para equacionar a complexa relao bem-estar social e meioambiente.

Os conhecimentos abordados nesse Programa fornecem uma viso geralda fenomenologia das transformaes qumicas, suas interpretaes em ter-mos de modelos microscpicos e suas representaes simblicas. Conheceras transformaes significa tambm saber utiliz-las para nosso prprio bem-estar. Assim, importante conhecer aspectos quantitativos das transforma-es para evitar desperdcios, utilizar racionalmente a energia envolvida noprocesso, controlar a rapidez da transformao e seu rendimento. Estudar aspropriedades das substncias e interpret-las em termos dos modelos de liga-o qumica tambm contribui para evitar riscos sade e contaminaoambiental e para compreender os processos de produo de novos materiais emedicamentos.

Defendemos o estudo da Qumica que no seja memorstico. Como alter-nativa, convidamos voc a compreender processos qumicos e estabelecerrelaes entre o conhecimento cientfico, suas aplicaes e implicaes so-ciais, econmicas, ambientais e polticas.

Apresentaodo mdulo

Sabemos que as transformaes qumicas envolvem energia. Assim comopodemos prever as quantidades de reagentes e produtos que participam deuma reao, podemos prever tambm a quantidade de energia liberada ouabsorvida numa transformao qumica.

Alm de energia trmica que voc j conhece das reaes de combusto as transformaes podem fornecer energia eltrica, como nas pilhas eltri-cas. Podem tambm ser provocadas pela energia eltrica, como o caso daobteno de alguns metais pelo processo da eletrlise. Pode-se, ainda, obterenergia a partir de processos que ocorrem no ncleo de alguns tomos.

Neste mdulo, voc vai aprofundar seus conhecimentos sobre essas fon-tes de energia, alm de aprender a fazer previses e propor explicaes sobrea origem e as diferentes manifestaes da energia em processos qumicos.

Com esse conhecimento, voc ser capaz de entender muitos dos fatospresentes em nosso dia-a-dia, como o funcionamento de usinas termoeltricase nucleares, das pilhas eltricas, comparar o poder calorfico de combustveis,e ter conhecimento para se posicionar frente a questes energticas.

So propostos questes e exerccios ao longo do texto para que voc vinteragindo com o conhecimento j adquirido e ampliando-o com novos co-nhecimentos. So apresentados tambm exerccios complementares para quevoc possa aplicar seu conhecimento em situaes novas.

Este mdulo composto por 5 unidades:

Unidade 1 Transformaes Qumicas e Energia

Unidade 2 Transformaes Qumicas e Energia Trmica

Unidade 3 Transformaes Qumicas e Energia Eltrica

Unidade 4 A Energia Nuclear

Unidade 5 Exerccios Complementares

Unidade 1

Transformaes

Para os homens das cavernas, que dispunham, inicialmente, apenas de suafora muscular, o controle e o uso do fogo, produzido a princpio pela com-busto da madeira, significou uma ruptura definitiva com a vida animal. Astransformaes qumicas, como a coco de alimentos, a produo de utens-lios cermicos, metais (como o ferro) e ligas metlicas (como o bronze), s setornaram possveis com a energia calorfica do fogo.

A utilizao do fogo e da trao animal na agricultura desencadeou umprocesso de sedentarizao, que culminou com a instalao de grandes imp-rios, aprofundando a diviso do trabalho e da sociedade em classes. A energiada mo-de-obra escrava passou a ser responsvel pela manuteno da econo-mia, mesmo entre povos como os gregos, que dispunham de tecnologia capazde explorar outras fontes elica e hidrulica, por exemplo.

Durante a Idade Mdia, generalizou-se o uso de rodas dgua, de moinhosde vento e da trao animal na agricultura.

O alto-forno a carvo vegetal, j no sculo XIV, permitiu a fabricao deinstrumentos agrcolas, que proporcionavam maior produtividade, aumentan-do o consumo energtico. Para alimentar o alto-forno, as florestas foram sen-do dizimadas, e o carvo mineral, um recurso esgotvel, substituiu o vegetal.

Com o advento da mquina a vapor, no sculo XVII, a chamada Revolu-o Industrial ganhou impulso. A mquina passa a ser o principal instrumentode trabalho nas fbricas, embora ainda coexistindo com formas de produoartesanal. As diferenas sociais e o consumo energtico aumentam. A grandetransformao ocorre na indstria txtil, com o tear a vapor, e nos transportes,com a locomotiva.

O petrleo, embora conhecido desde a Antiguidade, foi obtido pela pri-meira vez atravs de perfurao de poos em 1859. Utilizado na soluo doproblema de iluminao urbana, hoje um dos responsveis pela movimenta-o de motores de exploso, devido s caractersticas de seus derivados.

Os fenmenos eltricos j eram conhecidos desde o sculo VI a.C., mas aproduo de corrente eltrica de forma controlada s foi obtida a partir dos traba-lhos de Luigi Galvani (1737-1798), fsico e mdico, e Alessandro Volta (1745-

qumicas e energia1

1 Texto adaptado de GEPEQ. Interaes e Transformaes I Qumica para o Ensino Mdio. So Paulo:EDUSP, 2003.

OrganizadoresMaria EuniceRibeiro Marcondes

Marcelo Giordan

ElaboradoresIsaura MariaGonalves Vidotti

Yvone MussaEsperidio

1827), fsico, ambos italianos. Volta descobriu que a corrente eltrica poderia semanifestar na interao de metais e solues, construindo, em 1800, uma pilha.

Michael Faraday (1791-1867), mais tarde, verifica relaes de proporcio-nalidade entre quantidade de matria e corrente eltrica. Dos estudos de Faradaye de outros cientistas, pde-se concluir que as transformaes poderiam gerarcorrente eltrica e esta poderia gerar transformaes.

Atualmente, o grande uso das transformaes qumicas que geram ener-gia eltrica na fabricao de diversos tipos de pilhas e baterias. Muitos pro-dutos, como os metais, so obtidos a partir de transformaes que consomemenergia eltrica.

A energia nuclear passa a ser difundida aps o final da Segunda GrandeGuerra, pretensamente como substituta s fontes no renovveis. possvelobter energia eltrica a partir de transformaes nucleares. No entanto, pro-blemas decorrentes dessa fonte de energia do futuro, como proliferao dearmas, problemas ambientais, a questo do lixo atmico e os riscos de aciden-tes, ainda no foram equacionados.

Algumas fontes de energia no Brasil podem ser observadas na tabela 1.

Fontes de Energia

No renovvel

Petrleo Carvo Gs Natural Urnio

Refinaria Siderurgia Gasmetro enriquecido

GLP carvo metalrgico gs

Querosene carvo-vapor

Gasolina

Diesel Termoeltrica

leo combustvel ELETRICIDADE

Renovvel

Lenha Cana Biomassa Sol, Vento, Mar Quedas dgua

Carvoaria Destilaria Biodigestor Hidreltrica

Carvo vegetal lcool Biogs

Lenha Bagao

Tabela 1

Ao aquecer o sistema sua temperatura aumenta; portanto, o sistema recebe algo.Ao se resfriar, o sistema entrega algo. Este algo foi chamado calor.

Galileu (1613) admitia o calor como matria. Esta matria extraordinria, capaz de penetrar em todo corpo e sair dele. A substncia (corpo ou fluido) termgenano gerada nem destruda e sim redistribuda entre os corpos. Ao aumentar aquantidade de fluido termgeno ou calorgeno no corpo, a temperatura aumenta;diminuindo-a a temperatura tambm diminui. Quando no existe praticamente subs-tncia termgena, a temperatura atinge o valor mnimo possvel, ou seja, o zeroabsoluto.

F. Bacon (1620), baseando-se na observao de que um pedao de ferro se aque-ce quando submetido a fortes golpes de um martelo (fato conhecido por qualquerferreiro) e tambm no fato de ser possvel gerar fogo por atrito, concluiu: o calor oresultado do movimento das partculas que constituem um corpo e a temperatura determinada pela velocidade com que estas partculas se movimentam.(KRICHEYSKI, I. R., PETRIANOV, I. V. Termodinmica para muchos. Moscou: Edi-torial MIR, 1980) (traduo nossa)

Desde que o homem primitivo aprendeu a utilizar o fogo para o seu bene-ficio (aquecer-se, defender-se, cozinhar alimentos), a obteno de energia apartir de transformaes qumicas, em especial as combustes, tem exercidopapel fundamental nas sociedades.

Durante muitos sculos, a combusto da madeira e de outros materiaiscomo leos e gorduras foi utilizada como fonte de energia. lcool, gasolina,leo diesel, lenha, carvo mineral, gs liquefeito de petrleo e querosene soexemplos de combustveis atualmente utilizados em diferentes setores de ati-vidades do homem. Nossa prpria vida depende da energia proveniente dacombusto da glicose em nossas clulas. Foguetes so colocados em rbitaterrestre graas combusto de materiais apropriados, como o gs hidrog-nio. Tambm nas usinas termeltricas, o calor produzido em combustes transformado em energia eltrica.

Muitas interpretaes tm sido propostas para as manifestaes de ener-gia, como luz e calor, observadas nas transformaes qumicas e em especialnas combustes, como a teoria do flogstico e a idia sobre o calrico admiti-da por Lavoisier e Dalton. Nenhuma dessas teorias, no entanto, esclareceu aorigem do calor, de onde ele vem, porque se manifesta.

OrganizadoresMaria EuniceRibeiro Marcondes

Marcelo Giordan

ElaboradoresIsaura MariaGonalves Vidotti

Yvone MussaEsperidio

Unidade 2

Transformaes qumicase energia trmica

TRANSFORMAES EXOTRMICAS E ENDOTRMICASConsidere as informaes sobre algumas transformaes qumicas, conti-

das na tabela a seguir.

Transformao

2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s)

C2H

6O (l) +3 O

2 (g) 2 CO

2 (g) + 3 H

2O (l)

Fe2O

3 (s) +3 CO (g) 2 Fe (s) + 3 CO

2 (g)

6 H2O (l) + 6 CO

2 (g) C

6H

12O

6 (s) + 6 O

2 (g)

N2 (g) + 3 H

2 (g) 2 NH

3 (g)

Condies para ocorrer areao

Os reagentes recebem ener-gia inicial de uma chama oude uma fasca eltrica.

Os reagentes recebem ener-gia inicial de uma chama oude uma fasca eltrica.

Fornecimento contnuo decalor.

A reao ocorre atravs daabsoro de luz solar ener-gia radiante.

A reao ocorre a cerca de500C e sob presso de 200a 300 atm.

Envolve energia?

A reao se desenvolve com produode luz e 1204 kJ de energia, na formade calor, por 2 mols de Mg.

Apesar da energia inicial, a reao sedesenvolve com produo de 2800 kJ/mol de glicose, na forma de calor.

A reao absorve 128,4 kJ de energiana forma de calor por mol de Fe

2O

3 con-

sumido.

So formados no interior das clulas ve-getais, hidratos de carbono e gs oxig-nio, com absoro de 2800 kJ de calor.

A reao ocorre com absoro de 46 kJde energia por 2 mol de amnia.

Os dados tabelados mostram que as transformaes qumicas so sempreacompanhadas de efeitos energticos, podendo ocorrer com produo ou ab-soro de energia.

Reaes que produzem energia so chamadas exotrmicas e as que a ab-sorvem so chamadas endotrmicas. A combusto do etanol (C

2H

6O) e a oxi-

dao do metal magnsio so exemplos de transformaes exotrmicas, poisse realizam com liberao de energia, na forma de luz e calor. Por outro lado,a obteno de metais como o ferro e a fotossntese so exemplos de transfor-maes endotrmicas, pois se realizam com fornecimento contnuo de ener-gia. O calor associado a uma transformao qumica chamado calor de rea-o e recebe o nome da transformao ao qual corresponde. Se a transfor-mao envolve a formao de uma substncia, ele chamado calor deformao.Se envolver a combusto, chamado calor de combusto etc.

A quantidade de calor mobilizada numa transformao qumica pode serincluda na equao que a representa, como um reagente, no caso de absor-o de calor, ou como produto, no caso de liberao de calor. Essa quantidadede calor relaciona-se proporcionalmente s massas dos reagentes e produtosenvolvidos nessa transformao.

AtividadeLevando em conta essas idias, represente as transformaes citadas na

tabela incluindo a energia ou como reagente ou como produto , conside-rando tambm que a energia relaciona-se proporcionalmente s massas dosreagentes e produtos envolvidos.

O que representam os valores de energia includos nas equaes escritas?

ENTALPIA DE REAOA energia associada a uma transformao, quando reagentes e produtos esto

mesma presso, denominada entalpia de reao ou calor de reao, sendorepresentada pelo smbolo H (variao de entalpia). Sendo assim, uma outraforma de expressar a energia mobilizada numa transformao usar a notaoH (lembrando que tambm se pode express-la incluindo-a na equao que arepresenta, como j visto).

Convencionou-se que o sinal positivo que precede o valor do H significacalor fornecido e o sinal negativo, calor produzido.

Considerando que nas transformaes exotrmicas o contedo de energiadecresce quando os reagentes se transformam em produtos, o sinal negativodo H significa tambm decrscimo do contedo de energia, ocorrendo ooposto no caso das transformaes endotrmicas.

Ex.:

a) Formao da amnia: N2 (g) + 3 H

2 (g) 2 NH

3 (g) H = - 46 kJ

b) Decomposio da gua: H2O (g) H

2 (g) + O

2 (g) H= + 241,6 kJ

AtividadeConsidere novamente a equao que representa a obteno de ferro

2 Fe2O

3 (s) + 6 CO (g) + 256,8 kJ 4 Fe (s) + 6 CO

2 (g)

Reescreva essa equao:

a) para um mol de ferro; para um mol de CO; para um mol de Fe2O

3;

b) usando a notao H.

Faa agora voc1. (Fuvest) Considere as reaes de fotossntese e de combusto da glicose,

representadas abaixo.

6 CO2 (g) + 6 H

2O (l) C

6H

12O

6 (s) + 6 O

2 (g)

C6H

12O

6 (s) + 6 O

2 (g) 6 CO

2 (g) + 6 H

2O (l)

Sabendo-se que a energia envolvida na combusto de um mol de glicose 2,8 . 106J, ao sintetizar meio mol de glicose, a planta

a) libera 1,4 . 106 Jb) libera 2,8 . 106 Jc) absorve 1,4 . 106 Jd) absorve 2,8 . 106 Je) absorve 5,6 . 106 J

2. Muitos atletas, ao sofrerem contuses, na falta de gelo ou gua quente,podem fazer compressas com bolsas plsticas contendo gua e um slido,que pode ser cloreto de clcio anidro ou nitrato de amnio. Estas substnciasficam separadas no interior do recipiente.

CaCl2 (s) Ca2+ (aq) + 2 Cl- (aq) H= - 82,8 kJ

26,2 kJ + NH4NO

3 (s) NH

4+

(aq) + NO

3- (aq)

Qual dos slidos seria o mais indicado, no caso de ser usado numa contusoque requer compressas frias?

COMO MEDIR, EXPERIMENTALMENTE, A ENERGIAENVOLVIDA NAS TRANSFORMAES QUMICAS?Combusto do etanol

A figura mostra o equipamento usado para de-terminar a quantidade de energia trmica fornecidapela combusto do etanol (combustvel usado noBrasil como substituto da gasolina e de outros de-rivados do petrleo). O calor produzido pela quei-ma do etanol (contido na lamparina) aquece mas-sa conhecida de gua (contida no bquer usadocomo calormetro). Conhecendo a massa de com-bustvel queimado e conhecendo a variao de tem-peratura da gua, possvel obter com aproximao ovalor do calor de combusto do combustvel. Paraefetuar esse clculo, siga o roteiro, utilizando os dados apresentados a seguir:

Volume de gua no calormetro = 400 cm3

Temperatura inicial da gua = 18C

Temperatura final da gua = 28C

Massa de etanol queimado = 0,92 g

Calor especfico da gua = 1 cal/g.C ou 4,18 J.g-1.C-

1. A capacidade de um material absorver ou perder calor uma proprieda-de caracterstica desse material, conhecida como calor especfico. Sabendoque o calor especfico da gua representa a quantidade de calor necessriapara elevar em 1C a temperatura de 1 g de gua, quantas calorias so neces-srias para elevar de 1C a temperatura de 400 cm3 de gua? (considerandod

gua = 1 g/cm3; a massa de 400 cm3 de gua igual a 400 g).

(Lembrete: Uma caloria (cal) a quantidade de energia necessria para elevarem 1C a temperatura de 1 g de gua. Uma caloria igual a 4,18 joules (J))

2. A energia liberada na queima do lcool fez com que 400 g de guasofressem um aumento de temperatura de 10C. Qual a quantidade de energiaabsorvida pelos 400 g de gua? Calcule essa energia em joules, lembrandoque 1 cal = 4,18 J.

3. Considerando que a massa molar do etanol 46 g/mol, qual a quanti-dade de matria, em mols de lcool, contida em 0,92 g de etanol?

4. Levando em conta que o calor absorvido pela gua foi fornecido pelaqueima dessa quantidade de mols de lcool, qual a quantidade de energia, emJoules, fornecida por mol de lcool queimado? Esse o calor de combustodo etanol.

5. Expresse o calor desenvolvido na combusto do lcool etanol, em kJ/mol de etanol, sabendo que 1 kJ = 1000 J.

6. Represente a transformao por equao devidamente balanceada, in-cluindo a energia expressa em kJ/mol de etanol.

7. Considerando que o calor de combusto do etanol 1,38 . 103 kJ/mol,quais as possveis causas dos valores serem diferentes?

A eficincia de um combustvel geralmente avaliada em relao quanti-dade de calor que ele capaz de produzir. A quantidade de calor produzida porunidade de massa (ou de volume) do material combustvel referida como seupoder calorfico, que pode ser expresso em kcal/kg, em kJ/kg ou em kJ/mol.

Pode-se considerar as combustes como transformaes qumicas que envol-vem a queima de um material combustvel em presena de oxignio, sendo fre-qentemente utilizadas com o objetivo de obter energia na forma de calor. Nessesentido, pode-se ento dizer que os combustveis so geradores de calor.

Considerando que os combustveis so potencialmente capazes de liberarenergia por combusto, deve-se pensar que eles tm armazenado um certo con-tedo de energia, que se manifesta na forma de calor e luz quando ocorre acombusto. Sendo assim, nas transformaes exotrmicas, parte da energia queestava armazenada nos reagentes ficou armazenada nos produtos e parte foiliberada para o ambiente. Nesses casos, quando os reagentes se transformamnos produtos, o contedo de energia do sistema decresce, pois calor remetidopara o ambiente. Por raciocnio anlogo, pode-se concluir tambm que nas trans-formaes endotrmicas o contedo de energia do sistema cresce. Sendo assim,pode-se representar as transformaes exotrmicas e as endotrmicas por dia-gramas, como os mostrados a seguir e tomados como exemplo.

Faa agora voc1. a) A queima de 2,8 g do gs etileno, C

2H

6, faz a temperatura de um

calormetro subir 10,7C. Sabendo que para variar em 1oC a temperatura docalormetro so necessrias 3,1 kcal, determine o calor de combusto dessegs, expressando-o em kJ/mol.

b) Considerando que os produtos da combusto so CO2 e H

2O, represente

a combusto desse gs por meio de uma equao e por meio de um diagrama.

2. Represente por um diagrama a formao do NO2, a partir dos gases

nitrognio e oxignio.

33,2 kJ + N2 (g) + O

2 (g) NO

2 (g)

Quem tem maior contedo de energia, reagentes ou produtos?

DE ONDE VEM A ENERGIA QUE SE MANIFESTA NASTRANSFORMAES QUMICAS?

Considere que a cera da vela representada pela frmula C20

H42

. Deter-minou-se experimentalmente o calor de solidificao da cera, encontrando-se o valor 49,5 kJ/mol. Determinou-se tambm por meios adequados o calorde combusto da cera, tendo-se encontrado o valor 9562,0 kJ/mol. Compa-rando os valores encontrados, verificamos que

QSolidificao

Uma possvel explicao considerar que na solidificao ocorrem atraesentre as molculas, que resultam na formao de ligaes intermoleculares. Aenergia liberada na solidificao estava armazenada nessas ligaes.

Sendo a combusto uma transformao qumica, ao se admitir que elaenvolve um rearranjo de tomos, estamos supondo que ela resulta do rompi-mento de ligaes entre os tomos (foras atrativas entre os tomos), queconstituem as partculas de cera, e formao de novas ligaes nos produtos.O saldo energtico entre esses processos corresponde ao calor liberado nacombusto. Portanto, o calor que se manifesta nas transformaes qumicastem sua origem nas ligaes que constituem as partculas das substncias.

Energia de ligaoA quantidade de energia necessria para romper um mol de ligaes a

25C e 1 atm chamada energia de ligao. Essa mesma quantidade libera-da na formao de um mol de ligaes.

A ruptura de ligaes um processo endotrmico ( preciso fornecer ener-gia para que isso acontea) e a formao de ligaes processo exotrmico.

Na partcula H2, existe uma ligao entre os dois tomos de hidrognio.

Quando suficientemente aquecido, o hidrognio gasoso (H2) transformado

em 2 mols de tomos isolados. Assim:

436 kJ + H-H (g) 2 H (g)

1 mol de molculas de hidrognio dois mols de tomos de hidrognio

Conclui-se, ento, que a ligao entre dois tomos de hidrognio, repre-sentada por H-H, est associada a um valor de energia equivalente a 436 kJ,que o valor da energia de ligao H-H.

Os valores das energias de ligao podem ser determinados experimental-mente. Eles dependem da temperatura e da presso em que a reao ocorre.Por essa razo, os dados de energia de ligao especificam a temperatura e apresso em que foram determinados.

Considerando que 1 mol de metano (CH4) contm quatro mols de ligaes

C-H, calcule o valor da energia de ligao C-H no metano, em kJ/mol, saben-do que so necessrios 1660 kJ de energia para atomiz-lo (romper as liga-es entre os tomos), segundo a equao:

1660 kJ + C (g) + 4 H (g)

Alguns valores de energia de ligao, em kJ/mol, so dados a seguir:

E(O-H)

= 464; E(O=O)

= 498; E(C=C)

= 598; E(C-O)

= 360; E(C=O)

= 805.

Faa agora voc1. Conhecendo o valor da energia de ligao C-H, calcule o valor da ener-

gia associada ligao C-C no etano.

2840 kJ + (g) 2 C (g) + 6 H (g)

2. Determine a energia necessria para atomizar um mol de molculas demetanol (romper as ligaes entre os tomos), de acordo com a equao:

(g) C (g) + 4 H (g) + O (g)

PARA QUE SERVE O CONHECIMENTO DAS ENERGIASDE LIGAO?

Uma das utilidades do conhecimento das energias de ligao compreen-der a estrutura das substncias. Assim, benzeno (C

6H

6) uma substncia lqui-

da, inflamvel, pouco reativa e txica que, se inalada, pode causar a morte. Em1865, a estrutura dessa substncia foi proposta por August Kekul. Segundoele, o benzeno poderia ser representado pela seguinte frmula estrutural.

Nota-se que nesta estrutura os tomos de carbono se ligam alternadamentepor ligaes simples e duplas. Como verificar se esta estrutura realmente ado benzeno?

O seguinte procedimento permite encontrar a resposta para essa questo:

Ciclohexeno, um hidrocarboneto que contm uma ligao C=C, pode setransformar em ciclohexano quando reage com hidrognio gasoso.

+ H-H (g) + 120 kJ

Essa transformao sugere que, se o benzeno for hidrogenado, tendo eletrs ligaes duplas, deveriam ser produzidos: 3 mol de ligaes x 120 kJ/molde ligaes = 360 kJ.

No entanto, quando benzeno se transforma em ciclohexano, so produzi-dos apenas 208 kJ de energia.

+ 3 H-H (g) + 208 kJ

Tal fato levou a novas investigaes sobre a estrutura do benzeno, e hoje aestrutura aceita :

USANDO ENERGIAS DE LIGAO PARA DETERMINARO CALOR ENVOLVIDO NUMA TRANSFORMAOQUMICA

Uma outra utilidade do conhecimento das energias de ligao a possibi-lidade de avaliar, com bastante aproximao, o calor associado a uma trans-formao qumica, utilizando-se os valores de energia associados s ligaese as frmulas estruturais das substncias que participam dessa transformaoqumica. Para isso, considera-se que, de acordo com as idias de Dalton, atransformao qumica envolva um rearranjo de tomos e que esse rearranjoocorra atravs da ruptura das ligaes nas espcies reagentes e formao denovas ligaes nos produtos da transformao. Seja, por exemplo, a desidra-tao intramolecular do etanol:

+

Ligaes rompidas nos reagentes

5 mols de ligaes C-H 5 mol x 415 kJ/mol = 2075 kJ

1 mol de ligaes C-C 1 mol x 350 kJ/mol = 350 kJ

1 mol de ligaes C-O 1 mol x 360 kJ/mol = 360 kJ

1 mol de ligaes O-H 1 mol x 464 kJ/mol = 464 kJ

total absorvido = + 3249 kJ

saldo energtico = + 3249 3186 = + 63 kJ

Ligaes formadas nos produtos

2 mols de ligaes H-O 2 mol x 464kJ/mol = 928 kJ

4 mol de ligaes C-H 4 mol x 415 kJ/mol = 1660 kJ

1 mol de ligaes C=C 1 mol x 598 kJ/mol = 598 kJ

total liberado = - 3186 kJ

O balano energtico entre a ruptura e a formao de ligaes resultounum saldo positivo. necessrio fornecer 63 kJ de energia para transformarum mol de etanol em um mol de eteno. A reao em estudo endotrmica.

Faa agora voc1. O etanol pode sofrer tambm uma desidratao intermolecular, desde

que as condies experimentais sejam modificadas.

2 +

ter etlico

Calcule a energia associada a essa transformao. Ela endo ouexotrmica? Justifique.

2. (Fuvest adaptado) Duas possibilidades de arranjos dos tomos C, H e O,para o agregado que corresponde partcula C

2H

6O so apresentadas a seguir:

A e B so compostos de mesma frmula molecular, C2H

6O, sendo um

deles o lcool etlico e o outro o ter dimetlico.

Considere que a combusto de ambos os compostos pode ser representa-da pela mesma equao

C2H

6O + 3 O

2 2 CO

2 + 3 H

2O

Considere tambm que o calor de combusto de A = 1410 kJ/mol e o deB = 1454 kJ/mol

Utilizando os valores mdios de energias de ligao, em kJ/mol, identifi-que A e B, explicando o raciocnio usado.

E(O-H)

= 464; E(C-C)

= 350; E(C-H)

= 415; E(C-O)

= 360

USANDO OS CALORES DE FORMAO DOSPARTICIPANTES DE UMA TRANSFORMAO QUMICAPARA DETERMINAR A ENERGIA NELA ENVOLVIDA

A variao de entalpia que acompanha a formao de um mol de substn-cia no estado padro (sua forma mais estvel dentre as formas em que elapode se apresentar), a 25C e 1 atm de presso, chamada calor de formaoou entalpia de formao. Entre as substncias O

2 (oxignio) e O

3 (oznio),

por exemplo, o estado padro do elemento oxignio O2 e no O

3. Do carbo-

no a grafite e no o diamante. Considerando que no se pode determinar aentalpia absoluta de uma substncia, os qumicos resolveram, ento, estabele-cer uma escala arbitrria de entalpias atribuindo entalpia zero aos elementosqumicos no estado padro.

Na transformao de formao da gua H2 (g) + O

2 (g) H

2O (g) o

valor da entalpia da transformao Hf = H

Produtos - H

reagentes = H

gua - (H

hidrognio

+ Hoxignio

) = - 242 kJ (a 25 oC e 1 atm.). (obs.: H = entalpia de formao)

Faa agora voc1. (Fuvest) A entalpia de combusto da grafite a gs carbnico 94 kcal/

mol. A do monxido de carbono gasoso a gs carbnico 68 kcal/mol.Desses dados, pode-se concluir que a entalpia de combusto da graf ite amonxido de carbono gasoso, expressa em kcal/mol, vale:

a) + 13b) + 26c) 13d) 26e) 162

O CALOR MOBILIZADO NUMA TRANSFORMAOQUMICA REALIZADA NUMA NICA ETAPA DIFERENTEDO CALOR TOTAL MOBILIZADO QUANDO ATRANSFORMAO SE PROCESSA EM VRIAS ETAPAS?

O homem gasta continuamente energia para manter a temperatura do seucorpo e executar as funes vitais, como respirar, fazer circular o sangue oumover-se de um lado para outro. Essa energia tem como fonte a glicose prove-niente dos alimentos e o oxignio do ar inspirado. Na queima de um mol deglicose, so produzidos 2814 kJ de energia. Essa queima pode se dar numanica etapa como mostra a equao

C6H

12O

6 + 6 O

2 6 CO

2 + 6 H

2O

No entanto, a combusto da glicose no organismo ocorre numa sucessode mais de 20 etapas.

Considere que ela envolva apenas as etapas relacionadas a seguir:

Etapa I C6H

12O

6 2 C

3H

6O

3 H= - 88 kJ

glicose cido ltico

Etapa II 2 C3H

6O

3 + 6 O

2 6 CO

2 + 6 H

2O H= - 2726 kJ

Pode-se perceber que a energia liberada na formao de 2 mols de cidoltico (etapa I) consumida na etapa II (combusto de 2 mols de cido ltico).Isso equivale a somar as equaes escritas, e tambm os valores dos H.

H = - 2814 kJ/mol de glicoseEncontra-se, dessa forma, o valor da energia associada combusto de 1

mol de glicose, como se essa transformao tivesse ocorrido numa nica etapa.

Quando uma transformao qumica pode ser expressa como a soma deuma srie de transformaes intermedirias, seu H corresponde soma dosH das transformaes que constituem as etapas intermedirias. Ou ento:

O efeito energtico que acompanha uma transformao independe dos es-tados intermedirios, s depende dos estados inicial e final. Esta afirmao conhecida como lei de Hess, e de fato um dos princpios mais importantes eteis da Qumica. Esta lei possibilita a determinao terica do H de uma trans-formao, sem mesmo process-la experimentalmente, desde que seja possvel

consider-la como a soma de transformaes intermedirias sucessivas, cujosH sejam conhecidos. Foi assim que os bilogos puderam esclarecer a dinmi-ca da digesto nos seres vivos, processando por etapas, fora do ser vivo, rea-es complexas, cujos H so impossveis de serem determinados diretamente.Considere a energia envolvida na metalurgia do ferro como ilustrao dessa lei,tambm chamada lei da aditividade dos calores de reao.

O processamento do minrio pode ser representado pela seguinte equaoglobal:

(1) Fe2O

3 (s) + 3 C (s) + 3/2 O

2 (g) 2 Fe (s) + 3 CO

2 (g) + energia.

Minrio de ferro, carvo e calcrio transformam-se em ferro-gusa e esc-ria, sendo este processo um exemplo de transformao que envolve transfor-maes intermedirias sucessivas, em que os produtos de uma so os reagentesde outra, umas endo outras exotrmicas. Conhecendo-se os calores das etapasintermedirias, possvel avaliar quanta energia mobilizada no processoglobal. Algumas etapas so:

(2) C (s) + O2 (g) CO (g) = - 112,3 kJ

(3) 3 Fe2O

3 (s) + CO (g) 2 Fe

3O

4 (s) + CO

2 (g) = + 401,3 kJ (300C)

(4) Fe3O

4 (s) + CO (g) 3 FeO (s) + CO

2 (g) = + 33,4 kJ (600C)

(5) FeO (s) + CO (g) Fe (s) + CO2 (g) = - 13,8 kJ (600C)

O Fe3O

4 produzido em (3) consumido em (4) e o FeO produzido em (4)

consumido em (5); representa-se o consumo desses produtos somando-se asequaes como se fossem equaes algbricas, de modo a eliminar os taisprodutos intermedirios e obter a equao global (1). Para isso, os coeficien-tes dos produtos intermedirios devem ser igualados. Sendo assim, deve-semultiplicar a equao (4) por 2; a equao (5) por 6 e a equao (2) por 9, poisesse o total de mols de CO consumido na transformao. Como existe re-lao de proporcionalidade entre o calor envolvido e a quantidade de matriade reagentes e produtos, tambm se deve multiplicar os valores dos rH pelosrespectivos fatores. Assim:

9 C (s) + 9/2 O2 (g) 9 CO (g) = - 1010,7 kJ

3 Fe2O

3 (s) + CO (g) 2 Fe

3O

4 (s) + CO

2 (g) = + 401,3 kJ

2 Fe3O

4 (s) + 2 CO (g) 6 FeO (s) + 2 CO

2 (g) = + 66,8 kJ

6 FeO (s) + 6 CO (g) 6 Fe (s) + 6 CO2 (g) = - 82,8 kJ

Equao global encontrada:

3 Fe2O

3 (s) + 9 C (s) + 9/2 O

2 (g) 6 Fe (s) + 9 CO

2 (g) H = - 625,4 kJ

1. Qual o valor do por mol de ferro produzido?A grandeza desse valor de energia explica o calor sentido nas proximida-

des do alto-forno.

Considere os seguintes fatos:

Um rdio pode funcionar perfeitamente com 4 pilhas de 1,5 V, do tipo A

Um automvel deixa de funcionar se a bateria eltrica arrear

Voc j pensou como funcionam e de que modo so formadas as pilhas ebaterias eltricas que fornecem energia para tantas finalidades? Voc sabe queso transformaes qumicas que geram a energia eltrica nas pilhas e baterias?

J estudamos as transformaes que geram energia trmica e que delanecessitam para se processar as transformaes exotrmicas e as endotr-micas. Da mesma forma, h transformaes qumicas que geram energia el-trica e outras que ocorrem a partir desta. Essas transformaes qumicas rece-bem o nome de reaes de xido-reduo.

Para entender o processo de xido-reduo vamos considerar a reao dequeima do magnsio:

Uma fita de magnsio apresenta brilho metlico e cor prateada. Ao serqueimada em uma chama, na presena de oxignio do ar, se forma um slidobranco, o xido de magnsio, MgO.

Mg (s) + O2 (g) MgO (s) (1)

Dizemos que houve oxidao do magnsio e reduo do oxignio.

O QUE OXIDAO E O QUE REDUO?As reaes de oxidao-reduo tm esse nome porque, historicamente,

este foi o nome dado s reaes que envolviam a combinao entre o oxig-nio e outro elemento.

As reaes de oxidao-reduo, hoje em dia, so as que envolvem trocade eltrons entre diferentes espcies qumicas. O magnsio, por exemplo, um metal que, ao se combinar formando o composto inico MgO, perde doiseltrons. Este processo chamado de oxidao (lembre-se do modelo de li-gao inica!). O oxignio, elemento mais eletronegativo, ganha os dois el-trons doados pelo magnsio, processo esse chamado de reduo.

Com este conceito, voc capaz de entender outras reaes de oxidao-reduo que ocorrem ao seu redor.

OrganizadoresMaria EuniceRibeiro Marcondes

Marcelo Giordan

ElaboradoresMaria EuniceRibeiro Marcondes

Silvia Maria LeiteAgostinho

Unidade 3

Transformaes qumicase energia eltrica

PROPOSTA DE EXPERIMENTO:Coloque em um bquer uma chapa de zinco metlico imersa em uma so-

luo de sulfato de cobre (II) e observe.

Figura 1 - Reao de xido-reduo entre zinco metlico e sulfato de cobre II.

A chapa de zinco tem cor prateada e a soluo de sulfato de cobre azul.Em pouco tempo, aps a imerso, a chapa de zinco se torna escura, com ump marrom sendo depositado, enquanto a soluo de cobre (II) se torna maisclara (cuidado com a concentrao da soluo, somente em soluo diludavoc conseguir ver a mudana de cor!).

A transformao qumica que ocorre pode ser representada pela equao:

Zn (s) + Cu2+ (aq) Zn2+ (aq) + Cu (s) (2)

Embora possa no ser perceptvel, o zinco da lmina metlica est se trans-formando em ons Zn2+, solveis em gua. O zinco perde eltrons se transfor-mando em ons zinco (incolores em soluo de sulfato). Os ons cobre (II)ganham eltrons e se transformam em cobre metlico (o p marrom deposita-do sobre a chapa de zinco). Tem-se assim, uma reao de xido-reduo.

A combusto do carvo outro exemplo de reao de oxidao-reduo:

C (grafite) + O2

(g) CO2 (g) (3)

Quando a reao ocorre entre ons mais fcil evidenciar o ganho e aperda de eltrons entre as espcies reagentes. Em outros casos, entretanto, atransferncia de eltrons no evidente. Como voc pode reconhecer queesta uma transformao de xido-reduo?

Para responder a essa questo, vamos recorrer ao conceito de nmero deoxidao, que facilita o entendimento do processo e o estabelecimento daproporo das espcies reagentes representadas na equao qumica. Atribui-se um nmero de oxidao a cada elemento constituinte de uma substncia.

D-se o nome de nmero de oxidao (Nox), carga positiva, negativaou zero atribuda ao elemento, quando livre ou combinado, em uma substn-cia qualquer. O nmero de oxidao de um elemento pode variar, depen-dendo da substncia.

Para se atribuir o nmero de oxidao, h algumas regras a seguir, comomostramos a seguir:

o nmero de oxidao de qualquer elemento quando livre, isto , nocombinado ou formando uma substncia simples, zero. Exemplo: o magnsiometlico na equao 1, o oxignio na equao 1, o zinco na equao 2, ocarbono e o oxignio na equao 3;

o nmero de oxidao do hidrognio +1 na maioria dos compostos,excetuando-se os hidretos metlicos, em que 1 (lembrar que, neste caso,os metais ligados ao hidrognio so menos eletronegativos do que este);

o nmero de oxidao do oxignio quando combinado 2, excetuan-do-se nos perxidos (em que 1);

o nmero de oxidao dos metais alcalinos nos compostos +1 (verifi-que a posio dos mesmos na tabela peridica);

o nmero de oxidao dos halognios nos haletos (compostos entrehalognios e metais, sem participao do oxignio) 1.

Pode-se reconhecer uma reao de xido-reduo pela variao do nmerode oxidao de um dado elemento na espcie reagente e no produto formado.

Por exemplo, para a reao de combusto do carvo; vamos atribuir osnmeros de oxidao:

C (grafite) + O2 (g) CO

2 (g)

Nox oxignio 0 -2

Nox carbono 0 +4

Para atribuir o valor +4 para o C na molcula de CO2, deve-se considerar: 2

tomos de O (nox 2) 2 x 2 = -4, como a molcula neutra, nox C deve ser +4.

A variao do nmero de oxidao de cada espcie reagente :

oxignio: 0 -2

carbono: 0 +4

Sabemos que, nesse processo, o carbono sofre oxidao e o oxignio so-fre reduo. Comparando com a variao de nmero de oxidao, vemos quepara o carbono o nox aumenta e para o oxignio diminui.

Este tipo de variao verificado em outros processos de xido-reduo,pois o nmero de oxidao foi definido de tal forma que a oxidao correspondesempre a um aumento desse nmero e a reduo uma diminuio.

Podemos considerar que a oxidao do carbono foi provocada pelo oxignio(oxidante) e que a reduo do oxignio foi provocada pelo carbono (redutor).

A reao de corroso do ferro pode ser representada pela equao:

2 Fe (s) + 3/2 O2 (g) + x H

2O (l) Fe

2O

3 . x H

2O (aq)

1. Atribua os nmeros de oxidao do ferro e do oxignio nos reagentes enos produtos. Identifique qual deles foi oxidado e qual foi reduzido.

2. Nessa reao, o O2 o oxidante (que causa a oxidao de outra espcie)

e o Fe (s) o redutor (que causa a reduo). Voc concorda com essa afirmao?

Faa agora voc1. Verifique se as equaes abaixo representam reaes de xido-reduo:

a) NH3 (g) + H

2O (g) NH

4+ (aq) + OH- (aq)

b) 2 Fe2O

3 (s) + 2 CO (g) 4 FeO (s) + 2 CO

2 (g)

c) 2 BaO (s) + H2O (l) Ba(OH)

2 (s)

d) Al (s) + 3 H+ (aq) Al3+ (aq) + 3/2 H2 (g)

2. Identifique qual o oxidante e qual o redutor nas seguintes transfor-maes:

a) Obteno de sal de cozinha (cloreto de sdio) a partir de sdio metlicoe de gs cloro.

b) Obteno de gua a partir dos gases hidrognio e oxignio.

VERIFICANDO A PROPORO ENTRE REAGENTES EPRODUTOS

Muitas equaes de xido-reduo envolvem espcies inicas em soluo(ctions e/ou nions). possvel, neste caso, para melhor entendimento doprocesso, represent-lo na forma de duas semi-equaes, uma de oxidao ea outra de reduo. Tomemos o exemplo da reao entre zinco metlico e osons de cobre. Esta transferncia pode ser representada da seguinte forma:

Semi-equao de oxidao: Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-

Semi-equao de reduo: Cu2+ (aq) + 2 e- Cu (s)

Pode-se escrever a equao da transformao somando-se as semi-equaes:

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-

Cu2+ (aq) + 2 e- Cu (s)

Equao global balanceada: Zn (s) + Cu2+ (aq) Zn2+ (aq) + Cu (s)

Como voc pode verificar, na representao da equao balanceada h con-servao da quantidade de tomos e tambm de cargas e do nmero de eltrons.

Considere a reao que ocorre entre o metal zinco e uma soluo de cido:

Zn (s) + H+ (aq) Zn2+ (aq) + H2 (g)

Esta uma reao de xido-reduo; faamos o balanceamento por meiodas semi-equaes:

oxidao: Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-

reduo: H+ (aq) + e- H2 (g)

Para que se tenha o mesmo nmero de eltrons envolvidos, reescrevemosa reao de reduo da seguinte forma:

2 H+ (aq) + 2 e- H2 (g)

Somando as duas semi-equaes, esse processo pode ser representado por:

2 H+ (aq) + 2 e- H2 (g)

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-

Zn (s) + 2 H+ (aq) Zn2+ (aq) + H2 (g)

A linguagem das semi-equaes inicas importante por vrias razes:

fica evidente a troca de eltrons entre as espcies;

o balanceamento da equao global fica mais fcil;

percebe-se que as semi-reaes, sendo tratadas separadamente, podemfacilitar o entendimento de outros processos; isto , so gerais.

Faa agora voc1. Faa o balanceamento das equaes que representam os seguintes pro-

cessos:

a) reao do metal chumbo com soluo de ons prata (por exemplo, solu-o de AgNO

3);

b) reao entre metal sdio e gua (cuidado, altamente exotrmica).

TRANSFORMAES QUMICAS QUE GERAM ENERGIAELTRICA

Reaes espontneas de xido-reduoVoc verificou que existem inmeras reaes de xido-reduo que ocor-

rem espontaneamente na natureza. A reao entre o zinco e os ons de cobre(equao 1) um exemplo. Quando o contato entre o oxidante e o redutor direto, a troca de eltrons resulta na corroso do zinco. O que acontece se oseltrons cedidos pelo zinco forem levados a percorrer um fio condutor el-trico e, em outro local do sistema, forem transportados aos ons de cobre? Este o princpio do funcionamento de uma pilha. A passagem dos eltrons a-travs de um circuito externo pode ser aproveitada, por exemplo, para acen-der uma lmpada, fazer funcionar um carto musical e assim por diante.

A figura 2 ilustra o sistema assim construdo.Em dois recipientes distintos foram colocadas

solues de sulfato de zinco e sulfato de cobre.Entre os dois compartimentos colocado um tubode vidro contendo uma soluo de cloreto de po-tssio e algodo nas duas extremidades, que cha-mado de ponte salina. Os terminais imersos destetubo fazem uma conexo eltrica (atravs de ons)entre os dois recipientes.

No compartimento A imersa uma placa dezinco, enquanto no compartimento B imersa umaplaca de cobre. As placas de zinco e de cobre sointerligadas com emprego de jacars e de fios decobre, colocando-se no caminho uma resistncia

eltrica. Se esta resistncia eltrica corresponder a uma lmpada de baixa po-tncia, voc vai observar que ela se acende e vai constatar a gerao de ener-gia eltrica. Assim funciona a pilha conhecida como Pilha de Daniel.

Como funciona essa pilha?Embora os dois reagentes estejam em compartimentos separados, a rea-

o que ocorre a mesma que foi estudada anteriormente: o zinco oxidadoa ons Zn2+, perdendo eltrons que so levados pelo fio, passando pela lmpa-da, e chegam ao compartimento B, onde so transferidos aos ons de cobre,que so reduzidos a cobre metlico.

Assim, podemos escrever a equao que representa essa transformao:Zn (s) + Cu2+ (aq) Zn2+ (aq) + Cu (s)Os ons Zn2+ so solveis, passando para a soluo. Porm, isto causaria

um excesso de cargas positivas na soluo, acarretando na no continuidadeda reao. A ponte salina, assim, fornece ons de carga negativa (no exemploacima, ons cloreto, Cl-), que garantiro a eletroneutralidade da soluo.

No compartimento B, ons Cu2+ (aq) reagem formando Cu (s) que se de-posita na lmina. O que acontece com o balano de cargas na soluo? Qual o papel da ponte salina neste caso?

Por que o sistema qumico gerou energia eltrica? Se a lmpada do circui-to externo for substituda por um voltmetro, vamos verificar que existe umadiferena de potencial. No caso da pilha de Daniel, ela igual a 1,1 V quandoas concentraes de Zn2+ e Cu2+ so iguais a 1,0 mol.L-1.

Voc viu que quando se constri a pilha, os processos de oxidao e dereduo passam a ocorrer em locais distintos. Chama-se de nodo o local emque ocorre a oxidao e de ctodo o local em que ocorre a reduo. Na lin-

Figura 2 Pilha de Daniel.

guagem eletroqumica, a palavra local pode ser substituda por eletrodo. Ele-trodo uma associao de um condutor eletrnico (o metal zinco, por exem-plo) e um condutor inico (o on de zinco, por exemplo). Entre estes conduto-res existe uma interface em que podem ocorrer transformaes de oxidaoou de reduo. Na interface zinco-ons de zinco se observa a semi-reao deoxidao, descrita pela semi-equao:

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-

Na outra interface, se observa a semi-reao de reduo, descrita pelasemi-equao:

Cu2+ (aq) + 2 e- Cu (s)O nodo, na pilha (nos sistemas que geram energia eltrica), o plo

negativo (aquele que libera eltrons para o circuito externo). O ctodo, ondeocorre a reduo, o plo positivo, aquele que recebe os eltrons que prov-em do fio externo.

A existncia de uma interface metal-on metlico responsvel por umadiferena de potencial a que se d o nome de Potencial de Eletrodo. Estepotencial tem um valor que depende do carter mais espontneo ou menosespontneo da semi-reao, ocorrendo no sentido da oxidao ou da reduo.Existem metais mais ativos, que so oxidados mais facilmente (zinco umexemplo) e existem metais menos ativos, mais nobres, cujos ons so reduzi-dos mais facilmente (ons de cobre II um exemplo). Uma tabela de poten-ciais com a semi-reao descrita pela semi-equao

H+ (aq) + 1 e- H2 (g) foi construda e atribuiu-se a esta semi-reao o

valor zero de potencial numa escala relativa de valores.

Tabela 2 Potenciais de reduo padro de diversas semi-reaes

Potenciais Padres de Reduo (T = 298,16 K)

Reaes de reduo E (volts)

F2 (g) + 2 e-

H2O

2 (l) + 2 H+ (aq) + 2 e-

MnO4

- (aq) + 4 H+ (aq) + 3 e-

PbO2 (s) + HSO

4- (aq) + H+ (aq) + 2 e-

2 HOCl (aq) + 2 H+ (aq) + 2 e-

MnO4

- (aq) + 8 H+ (aq) + 5 e-

Cl2 (g) + 2 e-

Cr2O

72- (aq) + 14 H+ (aq) + 6 e-

MnO2 (s) + 4 H+ (aq) + 2 e-

O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e-

Br2 (l) + 2 e-

HONO (aq) + H+ (aq) + e-

HNO3 (aq) + 3 H+ (aq) + 3 e-

Ag+ (aq) + e-

Fe3+ (aq) + e-

Fe(OH)3 (s) + e-

I3

- (aq) + 2 e-

Cu+ (aq) + e-

2 F- (aq)

2 H2O (l)

MnO2 (s) + 2 H

2O (l)

PbSO4 (s) + H

2O (l)

Cl2 (g) + 2 H

2O (l)

Mn2+ (aq) + 4 H2O (l)

2 Cl- (aq)

2 Cr3+ (aq) + 7 H2O (l)

Mn2+ (aq) + 2 H2O (l)

2 H2O (l)

2 Br- (aq)

NO (g) + H2O (l)

NO (g) + 2 H2O (l)

Ag (s)

Fe2+ (aq)

Fe(OH)2 (s) + OH- (aq)

3 I- (aq)

Cu (s)

+ 2,65

+ 1,77

+ 1,695

+ 1,685

+ 1,63

+ 1,51

+ 1,3595

+ 1,33

+ 1,23

+ 1,229

+1,0652

+ 1,00

+0,96

+0,7991

+0,771

+0,56

+0,536

+0,521

NiO2 (s) + H

2O (l) + 2 e-

O2 (g) + 2 H

2O (l) + 4 e-

Ag2O (s) + H

2O (l) + 2 e-

Cu2+ (aq) + 2 e-

HSO4

- (aq) + 3 H+ (aq) + 2 e-

HgO (s) + H2O (l) + 2 e-

2 H+ (aq) + 2 e-

MnO2 (s) + 2 H

2O (l) + 2 e-

Pb2+ (aq) + 2 e-

Sn2+ (aq) + 2 e-

PbSO4 (s) + H+ (aq) + 2 e-

Fe2+ (aq) + 2 e-

Cd(OH)2 (s) +2 e-

Zn2+ (aq) + 2 e-

H2O (l) + 2 e-

Zn(OH)2 (s) + 2 e-

Al3+ (aq) + 3 e-

Ca2+ (aq) + 2 e-

Mg2+ (aq) + 2 e-

Na+ (aq) + e-

Ni(OH)2 (s) + 2 OH- (aq)

4 OH- (aq)

2 Ag (s) + 2 OH- (aq)

Cu (s)

H2SO

3 (aq) + H

2O (l)

Hg (l) + 2 OH- (aq)

H2 (g)

Mn(OH)2 (s) + 2 OH- (aq)

Pb (s)

Sn (s)

Pb (s) + HSO4

- (aq)

Fe (s)

Cd (s) + 2 OH- (aq)

Zn (s)

H2 (g) + 2 OH- (aq)

Zn (s) + 2 OH- (aq)

Al (s)

Ca (s)

Mg (s)

Na (s)

+0,49

+0,41

+ 0,345

+0,34

+0,20

+0,0984

0,00

-0,05

-0,126

-0,136

-0,356

-0,440

-0,761

-0,763

-0,83

-1,245

-1,66

-2,87

-2,37

-2,714

Potenciais Padres de Reduo (T = 298,16 K)

Reaes de reduo E (volts)

A tabela 2 mostra os potenciais padres de eletrodo: so valores a 25C epara ons em concentraes unitrias, isto , 1 mol.L-1.

Procure na tabela os potenciais de reduo dos ons Cu2+ e dos ons Zn2+ ecompare-os. Como voc relaciona esses valores com maior ou menor tendn-cia de acorrer a reao de reduo?

COMO CALCULAR A FORA ELETROMOTRIZ DE UMAPILHA?

Considere novamente a pilha de Daniel. Como mencionado anteriormen-te, existe nessa pilha uma diferena de potencial igual a 1,1 V. Para se conhe-cer a diferena de potencial de uma pilha (tambm chamada de clula galv-nica), basta calcular a diferena entre o potencial de reduo do ctodo (ele-trodo em que ocorre o processo de reduo) e o potencial de reduo donodo (eletrodo em que ocorre o processo de oxidao). Assim, na pilha deDaniel as semi-equaes de reduo e os potenciais padres so os seguintes:

E/V

Zn2+ (aq) + 2 e- Zn (s) -0,76

Cu2+ (aq) + 2 e- Cu (s) +0,34

A diferena de potencial padro da pilha ser:

+ 0,34 - (-0,76) = 1,10 V

Esta diferena de potencial se chama de fora eletromotriz (fem): a ten-so mxima que uma clula galvnica pode fornecer. Na prtica, a medida dafem feita com um voltmetro de elevada resistncia interna e o valor experi-mental, com preciso de 0,01 V, se iguala ao valor calculado, desde que apilha se encontre na condio padro.

Atravs da pilha ilustrada e das duassemi-equaes, possvel calcular opotencial dessa pilha. Experimentalmen-te, utilizando-se um voltmetro, o valorencontrado foi de 0,11 V.

Comparando-se os potenciais de re-duo, pode-se verificar que o Sn2+ temmaior tendncia a se reduzir (potencial de reduo maior). O Ni, portanto, seoxidar. Pode-se escrever as semi-equaes e a equao global:

Ni (s) Ni+2 (aq) + 2 e-

Sn2+ (aq) + 2 e- Sn (s)

Sn2+ (aq) + Ni (s) Ni2+ (aq) + Sn (s)

A diferena de potencial ser dada pela diferena dos potenciais de reduo:

DE = Ectodo

Enodo

Assim:

DE = -0,14 (-0,25)

DE = 0,11 V

Verifica-se que o valor encontrado o mesmo que o lido no voltmetro.

E a pilha comum, chamada de pilha seca, como funciona? Quais so asespcies reagentes?

Se desmontssemos uma dessas pilhas, poderamosobservar:

A pilha seca formada por uma pasta de xido demangans (MnO

2) embebida em soluo de cloreto de

amnio (NH4Cl), uma barra de grafite e um invlucro

de zinco. As reaes que ocorrem durante o funciona-mento da pilha so:

2 MnO2 (s) + 2 NH

4+ (aq) + 2 e- Mn

2O

3 (s) + 2 NH

3 (aq) + H

2O (l)

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-

Essa reao gera um potencial de 1,5 V.

1. Por que utilizamos pilhas de diferentes tamanhos (como as utilizadasem controles remotos e rdios), sabendo que a composio delas a mesma eque fornecem a mesma fora eletromotriz?

Bateria de automvel

Ni2+ (aq) + 2 e- Ni (s) Eo = -0,25 V

Sn2+ (aq) + 2 e- Sn (s) Eo = -0,14 V

As baterias de automveis tambm so pilhas eletroqumicas.

Faa agora voc1. Considere uma pilha constituda pelas semi-pilhas: Mg/MgSO

4 e Cu/

CuSO4. Sabe-se que o metal magnsio tem maior tendncia de se oxidar que o

cobre, podendo-se representar essa clula eletroltica como Mg, Mg2+/Cu2+,Cu. Nesse processo:

- que metal perde eltrons?

- que espcie recebe eltrons?

- que espcie sofre oxidao?

- que espcie sofre reduo?

- escreva a semi-equao de oxidao

- escreva a semi-equao de reduo

- qual o sentido de movimento dos eltrons na parte externa do circuito?

- qual o sentido de movimento dos ons positivos na ponte salina?

- qual o ctodo (plo positivo)?

- qual o nodo (plo negativo)?

2. (UFSC) Dadas as semi-reaes:

2 Fe3+ (aq) + 2 e- 2 Fe2+ (aq) Eored

= + 0,77 V

Cl2 (g) + 2 e- 2 Cl- (aq) Eo

red = + 1,36 V

Calcule o potencial para a reao:

2 Fe2+ (aq) + Cl2 (g) 2 Fe3+ (aq) + 2 Cl- (aq)

e diga se ela espontnea ou no, assinalando a opo correta.

a) 0,59 V e a reao no espontnea.

b) 0,59 V e a reao no espontnea.

c) 0,59 V e a reao espontnea.

d) 2,13 V e a reao no espontnea.

e) 2,13 V e a reao espontnea.

3. (PUC-MG) Considere as equaes incompletas e os dados da tabela aseguir:

Pb (s) + Mg2+ (aq)

Br- (aq) + Fe2+ (aq)

Pb2+ (aq) + Ni (s)

Zn (s) + Ag+ (aq)

Potenciais-padro de reduo

Elemento Pb Mg Br Fe Ni Zn Ag

Valor Eo (V) -0,13 -2,36 1,07 -0,44 -0,25 -0,76 0,80

As reaes que podem ocorrer espontaneamente so:

a) I e II

b) I e IV

c) I, III, IV

d) III e IV

e) II e III

TRANSFORMAES QUE OCORREM COM CONSUMODE ENERGIA ELTRICA ELETRLISE

As reaes de xido-reduo espontneas podem gerar energia eltrica,como acontece nas pilhas. Ser que possvel provocar transformaes qu-micas de xido-reduo que no ocorreriam espontaneamente?

Na Figura 3 tem-se a pilha de Daniel ligada a um tubo em U contendosoluo aquosa de iodeto de potssio e bastes de grafite imersos. As duasclulas so ligadas por fios e jacars.

Aps alguns minutos, pode ser notada a ocorrnciade vrias transformaes na clula B. Na interface I, aadio de gotas de fenolftalena mostra uma cor ver-melha (ou rsea) no contorno do grafite. Na interfaceII, a soluo antes incolor adquire cor amarela.

Sabendo-se que a pilha de Daniel gera energia econhecendo-se qual o nodo (eletrodo da oxidao) equal o ctodo (eletrodo de reduo) da mesma, pode-mos interpretar o que acontece na clula B.

A cor rsea indica a formao de uma soluo de carter alcalino na vizi-nhana da interface I. Esse fato pode ser explicado considerando-se a reaode reduo da gua, a partir dos eltrons provenientes do eletrodo de zinco,de acordo com a seguinte equao:

2 H2O (l) + 2 e- H

2 (g)+ 2 OH- (aq)

A cor amarela na interface II uma evidncia da formao de I2, que em

soluo aquosa apresenta essa cor. Ocorre, portanto, a oxidao do iodeto aiodo, que pode ser representada pela semi-equao:

2 I- (aq) I2 (aq)+ 2 e-

Os eltrons produzidos so utilizados na reduo dosons Cu2+ da pilha de Daniel.

Verifique voc mesmo, comparando os potenciais dereduo padro, se as reaes que ocorrem no comparti-mento B so espontneas ou no espontneas.

Processos de xido-reduo que ocorrem s custasde uma energia eltrica fornecida por um sistema exter-no recebem o nome de eletrlise, que significa decom-posio pela passagem da corrente eltrica.

A eletrlise encontra muitas aplicaes industriais,como na fabricao de produtos provenientes da guado mar. O esquema ao lado mostra os produtos obtidosa partir do cloreto de sdio.

Figura 3 - Pilha de Danielconectada a um tubo em U.

A partir da salmoura obtm-se, por eletrlise, o gs cloro, o gs hidrog-nio e uma soluo de hidrxido de sdio:

2 Cl- (aq) Cl2 (g) + 2 e-

2 H2O (l) + 2 e- H

2 (g) + 2 OH- (aq)

O cloreto de sdio quando aquecido se funde, sendo possvel sofrereletrlise quando se passa uma corrente eltrica no lquido. Obtm-se, almde cloro, o metal sdio.

Escreva as equaes que representam a oxidao e a reduo que aconte-cem nesse processo, bem como a equao global.

A gua tambm pode sofrer eletrlise. Entretanto, ela no boa condutorade corrente eltrica.

Como se pode fazer para que o processo de eletrlise da gua seja efici-ente? Considere, por exemplo, a adio gua de uma substncia que condu-za facilmente a corrente (um eletrlito), mas que no apresente reao, isto ,que no sofra eletrlise nas mesmas condies da gua. O que voc acha: oprocesso seria mais eficiente?

Na prtica, comum, para se fazer a eletrlise da gua, a adio de cidosulfrico, de forma a obter uma soluo aquosa diluda. So utilizados eletro-dos de platina, que permanecem inalterados durante o processo. Dessa forma,so obtidos os gases hidrognio e oxignio:

Reduo dos ons H+ da soluo cida, de acordo com a semi-equao:

2 H+ (aq) + 2 e- H2 (g)

Oxidao da gua gerando oxignio, de acordo com a semi-equao:

H2O (l) O

2 (g) + 2 e- + 2 H+ (aq)

Escreva a equao que representa o processo global de eletrlise da gua.

Cloro

Substncia que tempe-ratura ambiente (25C)encontra-se na forma deum gs, mais denso queo ar, e apresenta coresverdeada.

Usos:

- desinfeco de gua(tratamento de gua),

- produo de plsticos,tipo PVC,

- branqueador em in-dstria txtil e papel ecelulose etc.

Hidrognio

O hidrognio, tempe-ratura ambiente, gsinodoro, inspido, poucosolvel em gua e pou-co denso.

Usos:

- em soldas especiais,

- em bales e dirigveis,at mesmo em transpor-te de pessoas, mas foiabandonado depois deum grave acidente como dirigvel Hindenburg(1937),

- combustvel de fogue-tes espaciais e provveluso em outros veculosetc.

Unidade 4

A energia nuclear

OrganizadoresMaria EuniceRibeiro Marcondes

Marcelo Giordan

ElaboradoresLuciane HiromiAkahoshi

Maria EuniceRibeiro Marcondes

Como estamos estudando neste mdulo, as transformaes qumicas ocor-rem com envolvimento de energia. O homem utiliza de muitas maneiras aenergia produzida pelas transformaes qumicas, como o caso da energiatrmica proveniente da queima de combustveis fsseis ou de biomassa, e daenergia eltrica gerada por pilhas e baterias.

Considere os dados apresentados a seguir, em que so comparadas dife-rentes fontes de energia.

fonte de energia

queima no organismo de 1 g de acar

queima completa de 1 g de gasolina

fisso de 1 g de Urnio-235

tempo aproximado que a energia produzida

poderia manter uma lmpada de 1000 watt

acesa

um pouco menos que 3 minutos

8 minutos

1,21 x 107 minutos (23 anos)

(adaptado de Snyder, C H, The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things, Wiley, 2nd ed., 1995)

A quantidade de energia produzida por processos nucleares muito maiorque a produzida pelas transformaes qumicas. O homem aprendeu h pou-co tempo a utilizar a energia que proveniente de transformaes de ncleosatmicos. A fisso um processo que ocorre no ncleo de alguns tomos.Certamente voc j ouviu falar de usinas nucleares, em que a energia eltrica produzida por transformaes nucleares, e no poder de destruio das bom-bas atmicas, cuja exploso tambm resultado de reaes nucleares.

1. Como voc explica a energia trmica envolvida numa transformaoqumica?

2. Como voc explica a energia eltrica gerada numa transformao qumica?

Os modelos explicativos que utilizamos para interpretar a energia nas trans-formaes qumicas no envolvem qualquer modificao do ncleo dos to-mos participantes.

Para podermos entender a energia envolvida numa transformao nuclear,precisamos conhecer alguns dos processos que acontecem no ncleo atmico.

RADIAES NUCLEARESSabemos, hoje, que certos tomos emitem ra-

diaes provenientes de transformaes que envol-vem as partculas constituintes do ncleo. Essa pro-priedade foi percebida no final do sculo XIX, comos estudos que Antoine Becquerel (18521908) rea-lizou com compostos de urnio (U). Marie (18671934) e Pierre Curie (18591906) descobriram e iso-laram outros elementos com as mesmas proprieda-des radioativas, o rdio (Ra) e o polnio (Po). Embo-ra o fenmeno fosse conhecido, os cientistas noconseguiam elaborar modelos que explicassem es-ses fatos. Como voc j estudou no mdulo 1, osestudos de Rutherford, j no incio do sculo XX,levaram proposio do modelo de tomo nuclear,

com os prtons concentrados no ncleo. Em seus estudos, Rutherford per-cebeu trs diferentes tipos de radiaes emitidas por compostos de urnio,que apresentavam diferentes poderes de penetrao na matria e podiam serseparadas pela aplicao de um campo eltrico. Em 1932, os estudos de J.Chadwick trouxeram mais informaes sobre o ncleo atmico, com a des-coberta dos nutrons. Assim, foi sendo possvel conhecer a natureza dasradiaes emitidas.

Considere os seguintes fatos que ocorrem na natureza:

tomos de carbono14 sofrem decaimento radioativo, transforman-do-se em tomos de nitrognio14;

tomos de urnio238 decaem formando tomos de trio234.

Como voc pode lembrar, do mdulo 1, um elemento pode apresentartomos com diferentes quantidades de nutrons em seu ncleos, o que re-presenta nmero de massa diferente (prtons + nutrons). Assim, o C-14 um dos istopos do elemento carbono.

Para entender o decaimento do carbono14 formando nitrognio14,vamos considerar as quantidades de prtons e nutrons constituintes dosncleos. Devemos saber, tambm, que nesse processo h emisso de ra-diao de carga negativa, identificada como eltrons.

1. Quantos nutrons o nucldeo C-14 apresenta?(Nucldeo o nome que se d ao ncleo do tomo com um dado nmero atmico e

nmero de massa)

2. Quantos nutrons o nitrognio-14 apresenta?

Comparando o nmero de prtons e nutrons de cada um dos nucldeos,temos:

Quantidade de

Elemento Prtons Nutrons

carbono 6 8

nitrognio 7 7

Assim, podemos perceber que nesse processo ocorre a diminuio de umnutron pelo nucldeo carbono14, e o aumento de um prton. Como o que

caracteriza um elemento seu nmero atmico, ou seja, a quantidade deprtons, no se tem mais carbono, e sim nitrognio (Z = 7). Ocorreu umatransmutao nuclear, isto , o carbono se converteu em nitrognio.

Como j mencionado, nesse processo de decaimento radioativo so de-tectadas radiaes de carga negativa, identificadas como sendo eltrons. Essetipo de processo, em que eltrons so ejetados do ncleo, chamado dedecaimento (letra do alfabeto grego, beta), que pode ser representado por:

n p + ou, mais detalhadamente:

Podemos escrever a equao qumica que representa o decaimento do car-bono-14:

ou

Considere agora um dos istopos de elemento hidrognio, o hidrognio3, chamado de trtio. Sabe-se que o trtio decai por emisso de radiao ,convertendo-se em hlio3, que um istopo estvel do elemento hlio. Aequao que representa esse processo de decaimento :

A emisso de um eltron a partir do ncleo de trtio tem como conse-qncia o aumento de um prton e a conservao do nmero de massa.

Vamos considerar o decaimento do urnio238, com formao de trio234. Nesse processo, so detectadas partculas carregadas positivamente. Es-sas partculas foram chamadas por Rutherford de partculas (letra alfa, doalfabeto grego).

Sabendo que as partculas so constitudas por dois prtons e dois nu-trons, calcule o nmero de massa da partcula .

Fazendo uma comparao da quantidade de prtons e nutrons de cadaum dos nucldeos tem-se:

Prtons Nutrons

92 146

90 144

A equao que representa esse processo de decaimento pode ser escrita daseguinte forma:

Compare a partcula com o ncleo do elemento hlio.

Um outro exemplo de decaimento por emisso de partculas o queacontece com o elemento radio226. O rdio (Ra) tem nmero atmico 88, setransmutando no elemento radnio (Rn), cujo nmero atmico 86.

Escreva a equao que representa o decaimento do radio-226 por emissode partculas .

O terceiro tipo de radiao detectada nas experincias de Rutherford foichamada de radiao (letra gama do alfabeto grego). Esse tipo de radiaono sofre efeito de um campo eltrico externo, indicando que no possui car-ga. A radiao uma forma de radiao eletromagntica de alta energia, que emitida nos decaimentos nucleares, no tendo massa e no apresentandocarga eltrica.

Faa agora voc

1. O elemento sofre decaimento radioativo por emisso de partcula

. Que elemento formado nesse processo?2. Escreva a equao que representa a transmutao do netnio237 (Np,

Z = 93) em protactnio (Pa, Z = 91) por emisso de partcula .

Com os estudos sobre a radioatividade, o conhecimento do homem sobrea estrutura da matria se ampliou. As transformaes qumicas podiam serexplicadas em termos de rearranjo de tomos, de quebra e formao de li-gaes, ligaes estas formadas por atraes eletrostticas entre os eltronsdos elementos que constituem a substncia. Um outro tipo de transformao,a transmutao natural, passou a ser conhecida e entendida atravs do conhe-cimento do ncleo atmico. O ncleo, formado por prtons e nutrons, podeemitir partculas, transformando-se em outro elemento.

Mas ser que as transmutaes poderiam ser provocadas artificialmente?Em 1933, um ano aps o descobrimento do nutron, os cientistas FredericJoliot e Irene Curie Joliot produziram o primeiro elemento radioativo artifici-almente, bombardeando boro10 com partculas :

Nesse processo, foi detectada a emisso de uma partcula com massa se-melhante do eltron, mas com desvio contrrio quando submetida a umcampo eltrico. Essa partcula, tem carga positiva e foi chamada de psitron.

GERANDO ENERGIA ATRAVS DE REAES NUCLEARESO aproveitamento da energia nuclear na gerao de energia eltrica, como

feito hoje em dia, foi resultado de muitos estudos que procuravam entendere controlar o comportamento dos ncleos e suas interaes com as radiaes.

Considere como a energia gerada numa usina nuclear:

Elementos trans-urnicos

Dos 111 elementos co-nhecidos atualmente, so-mente os elementos ato amercio (Z = 95) exis-tem na natureza (excetoo Tc, Pm, At e Fr). Os ele-mentos transurnicosso todos sintticos.

Fonte:

Numa usina nuclear, a reao nuclear gera energia, que utilizada para vapo-rizar gua. O vapor dgua movimenta uma turbina, gerando energia eltrica.

AtividadesCompare a usina nuclear com uma termeltrica.

Qual a reao nuclear envolvida nesse processo? O combustvel nuclear o urnio238 enriquecido, cujo ncleo, quando bombardeado com nu-trons, sofre uma clivagem em ncleos de menor nmero atmico, gerandotambm nutrons e energia. Esse tipo de reao foi conhecida em 1938, comos estudos de Otto Hahn e Fritz Strassmann, cientistas alemes que trabalha-vam em pesquisas sobre a radioatividade.

Nesse ano, Hahn e Strassmann isolaram um istopo de brio (Z = 56) aobombardearem um tomo de urnio com nutrons. Esta descoberta era indita,e os pesquisadores no sabiam como explic-la. O entendimento de tal transfor-mao foi possvel com os estudos de Lise Meitner, uma pesquisadora alem,que concluiu que o tomo de urnio se clivava em dois outros tomos de menornmero de prtons. Reaes desse tipo so chamadas de fisso nuclear.

Os estudos mostraram que o istopo U-235 sofre fisso mais eficiente-mente. Porm, mais de 99% do urnio encontrado na natureza do istopo U-238. Assim, foram desenvolvidas tcnicas para separar o istopo U-235 do U-238, processo esse chamado de enriquecimento do urnio.

O processo de fisso nuclear pode ser descrito pela equao:

Compare a energia liberada nessa transformao com a liberada naqueima do lcool combustvel ou da gasolina.

Urnio - ocorrncia na natureza

UO2 - pechblenda; U

3O

8 - uranita; Cu(UO

2)

2(PO

4)

2.8H

2O - mica de urnio;

K2(UO

2) (VO

4)

2.3H

2O - carnalita

O Brasil possui a sexta maior reserva de urnio do mundo, com cerca de

309000 t de U3O

8 nos Estados do Cear (142000 t), da Bahia (93200 t), Paran e

Minas Gerais, entre outras ocorrncias.

(Fonte: www.ambientebrasil.com.br/.../energia/ nuclear)

Os nutrons gerados nessa reao de fisso podem interagir com outroncleo de U-235, causando a fisso de outros ncleos e assim sucessivamen-te, liberando, dessa forma, quantidades de energia ainda maiores. isto o queacontece em um reator atmico.

O processo de reao em cadeia que acontece na fisso pode ser represen-tado conforme figura ao lado:

Em um reator nuclear so utilizados materiais paracontrolar a reao em cadeia e a quantidade de energialiberada. Estes materiais so constitudos de boro, hfnioou cdmio, substncias que absorvem nutrons.

No processo de fisso nuclear, so formados produ-tos residuais tambm radioativos, como csio-137,estrncio-90, iodo-131, e plutnio-239. O plutnio, quan-do separado dos outros produtos formados, pode ser usa-do na fabricao de armas nucleares. Os resduos radioa-tivos so retirados do reator e armazenados em piscinasde resfriamento no interior da prpria usina.

(Para saber mais sobre o lixo radioativo, consulte:www.energiatomica.hpg.ig.com.br/cnen.html)

Como ns bem sabemos, o conhecimento da fisso nu-clear levou construo da bomba atmica. So usados naconstruo de uma bomba o istopo U-235 ou o Po-239.

Para que ocorra a reao em cadeia, necessria umacerta quantidade de urnio-235 (aproximadamente 3,5kg), pois caso contrrio a reao no se sustenta. Em umabomba atmica, utilizam-se dois tubos isolados contendo

massas de urnio que no so capazes de sustentar, separadamente, a reaoem cadeia. Provoca-se a unio dos tubos por uma reao de exploso de TNT,formando-se um bloco maior capaz de efetivar a reao em cadeia (conformeilustrao anterior). Com isso, ocorre a liberao de grande quantidade ener-gia e de elementos radioativos, provocando uma tragdia sem precedentes.

O esquema a seguir ilustra o funcionamento da bomba de urnio:

(Fonte: www.profcupido.hpg.ig.com.br/atomo.htm)

Esquema Snyder (Snyder, CH, The Extraordinary Che-mistry of Ordinary Things,Wiley, 2a ed., 1995, p. 84).

Muitos cientistas estiveram envolvidos na produo de conhecimento quepermitiu a construo da bomba atmica. Alguns deles foram responsveispelo Projeto Manhattan, como J. R. Oppenheimer, que levou construo dasbombas que os Estados Unidos fizeram explodir nas cidades de Hiroshima eNagasaki, no Japo, j no final da Segunda Guerra Mundial, causando enor-me destruio, doenas e mortes.

Para saber mais sobre a bomba atmica e o Projeto Manhattan, consulte,por exemplo, as seguintes pginas:

www.energiatomica.hpg.ig.com.br/ad31.htm

www.if.ufrj.br/teaching/radioatividade/fnebomba.html

Outro processo nuclear que gera grande quantidade de energia a fusonuclear. Nas reaes de fuso, dois ncleos interagem, formando um niconcleo, com maior nmero de prtons e emitindo energia. Essas reaes, en-tretanto, necessitam de altas temperaturas para ocorrerem, da ordem de 10 a100 milhes de graus Celsius.

A energia produzida no sol proveniente de reaes de fuso nuclear.Podemos representar o processo pela equao:

Essa reao de fuso pode ser usada na construo de bombas atmicas, achamada bomba de hidrognio. A energia necessria para dar incio fuso proveniente de uma reao de fisso nuclear. Nenhuma bomba de hidrogniofoi usada em conflitos, mas algumas foram detonadas para testes de pesquisa.

Faa agora voc1. (PUCCAMP) O istopo 131 do iodo (Z = 53), utilizado no diagnstico

de molstias da tireide, pode ser obtido pelo bombardeamento do istopo130 do telrio (Z = 52), representado a seguir:

Nessa equao radioqumica, X corresponde a(o):

a) prton

b) nutron

c) psitron

d) partcula

e) partcula 2. (Vunesp) Quando um tomo do istopo 228 do trio libera uma part-

cula alfa (ncleo do hlio com 2 prtons e nmero de massa 4), transforma-se

em um tomo de rdio, de acordo com a equao:

Os valores de x e y so, respectivamente:

a) 88 e 228

b) 89 e 226

c) 90 e 224

d) 91 e 227

e) 92 e 250

3. (Fuvest) Quando nutrons atingem ncleos de tomos de nitrogniocom nmero de massa 14, h formao de tomos de carbono com o mesmonmero de massa que o dos ncleos bombardeados. Qual a equao nuclearcompleta dessa reao? (Z - C: 6, N: 7)

RISCOS NO USO DA ENERGIA NUCLEARAtualmente, os processos mais usados para se obter energia eltrica no

mundo so: usinas hidreltricas (uso da fora da gua represada para moverturbinas); usinas termoeltricas (uso de combustveis fsseis para produzirvapor que move turbinas) e usinas nucleares (uso semelhante ao das termo-eltricas, mas que utilizam como combustvel materiais radioativos liberandoenergia por fisso nuclear). Todos esses processos apresentam vantagens edesvantagens ao gerar energia eltrica. Geralmente, as desvantagens se rela-cionam a problemas ambientais como inundao de enormes reas (hidrel-tricas), produo de gases poluentes (termoeltricas) e armazenamento de lixoatmico (nucleares).

Ao utilizarmos energia nuclear, tambm h riscos de contaminao doambiente por material radioativo, tanto devido a problemas no transporte emanipulao do combustvel nuclear, quanto a acidentes em usinas nucleares.Ainda h os resduos radioativos que se formam na fisso, cujo destino noest resolvido at hoje.

Um dos mais graves acidentes recentes de que se tem notcia foi o ocor-rido na usina de Chernobyl (Ucrnia), onde o reator contendo o combustvelnuclear (urnio enriquecido U-235) explodiu, liberando na atmosfera umanuvem radioativa que afetou uma grande rea e, devido aos ventos, pode serdetectada em vrios pontos do nosso planeta. O que mais se teme nesse tipode acidente no so apenas os efeitos imediatos que essa radiao pode pro-vocar nos seres vivos, mas tambm o fato de que ela atua de forma invisvel edurante muitos anos.

Por que a durao dos efeitos da radiao pode ser de muitos anos?

Os efeitos do lanamento de produtos radioativos da fisso nuclear naatmosfera duram muitos anos porque a transformao em material noradioativo pode ser muito demorada, e assim eles continuam a emitir ra-diao. Para se conhecer o tempo em que um material radioativo se desin-tegra, comum se utilizar o tempo de meia-vida tempo em que suaradiao cai metade. Portanto, dependendo da quantidade de materiallanado, a radiao emitida pode levar dezenas e at centenas de anospara se apresentar numa faixa que no provoque tantos danos. Esse tem-po de meia-vida pode ser entendido tambm como o tempo necessriopara desintegrar a metade dos tomos radioativos existentes em uma dadaamostra. A tabela ao lado mostra o tempo de meia-vida de alguns istoposradioativos.

Aps o acidente de Chernobyl, foram detectados, por toda a Europa, mui-tos nucldeos radioativos. Por exemplo, o estrncio-90, que emite radiao ,foi detectado em baixa concentrao. Esse nucldeo tem caractersticas seme-lhantes s do clcio, e por isso poderia se instalar nos ossos, causando muitosdanos. Alm deste, foram detectados iodo-131, csio-134, csio-137, telrio-132, entre outros.

A Rosa de Hiro-shimaVINCIUS DE MORAES

Pensem nas crianasMudas telepticasPensem nas meninasCegas inexatasPensem nas mulheresRotas alteradasPensem nas feridasComo rosas clidasMas oh no se esqueamDa rosa da rosaDa rosa de HiroshimaA rosa hereditriaA rosa radioativaEstpida e invlidaA rosa com cirroseA anti-rosa atmicaSem cor sem perfumeSem rosa sem nada.

Meia-vida

4,5 x 109 anos

7,1 x 108 anos

30 anos

2,06 anos

5,26 anos

8 anos

28,1 anos

2,3 meses

3,0 segundos

18 meses

10,6 dias

Istopo

O iodo-131, que emite radiao na sua desintegrao, foi o elementoque causou a curto prazo maior preocupao aos europeus, no s por suameia-vida, mas tambm pela quantidade depositada. Este elemento, ao seringerido ou inalado, afeta a tireide, podendo provocar uma radioatividadenesse rgo 100 vezes maior do que em qualquer outro rgo. O problema foiminimizado com a distribuio e o consumo de tabletes contendo iodo noradioativo, para saturar a tireide, evitando sua absoro.

Outros elementos preocupantes foram o csio-137 e o csio-134, que emi-tem radiao e, devido a sua vida mais longa e propriedades qumicas seme-lhantes ao do potssio, poderiam se distribuir pelos msculos de todo o corpo.

O Brasil tambm teve um srio acidente nuclear envolvendo o csio-137.Aconteceu em setembro de 1987, na cidade de Goinia. Esse acidente se ini-ciou quando dois sucateiros encontraram uma cpsula de csio (utilizada notratamento de cncer) abandonada no antigo prdio do Instituto Goiano de Ra-dioterapia e a levaram para ser vendida a um ferro-velho. No ferro-velho, aspessoas por curiosidade violaram a blindagem dessa cpsula e liberaram cercade 19 g de cloreto de csio em p, iniciando ento a contaminao. Essa conta-minao afetou 249 pessoas, das quais 49 foram internadas. Destas, 21 tiveramtratamento mdico intensivo, 10 ficaram em estado grave, uma teve o antebraoamputado e quatro morreram. Alm disso, gerou-se no acidente cerca de 13toneladas de lixo radioativo, que dever ficar armazenado por pelo menos 300anos, tempo necessrio para o csio-137 decair dez meias-vidas e sua atividaderadioativa atingir um valor prximo ao da radiao de fundo.

USOS DE RADIOISTOPOSO ser humano vem usando os radioistopos no s na produo de ener-

gia, mas tambm para outros fins, tanto em pesquisa bsica como em apli-caes tecnolgicas. A seguir, temos alguns exemplos desse uso.

Irradiao de alimentosA irradiao uma tcnica utilizada para conservar alimentos, redu-

zindo as perdas devido a processos fisiolgicos (brotamento, maturaoe envelhecimento) e eliminando ou reduzindo microorganismos, para-sitas e pragas, sem prejudicar o alimento. Essa irradiao feita, atual-mente, com equipamentos de cobalto-60 que emitem radiao ; ou seja,os alimentos so submetidos a essa radiao ionizante de forma contro-lada e por tempo limitado.

Esse processo pode ser aplicado no alimento j embalado ou a granel. Essaradiao pode impedir a multiplicao de microorganismos que podem causara deteriorao dos alimentos, como bactrias e fungos, por meio da alterao desua estrutura molecular. Tambm pode inibir a maturao de frutas e legumes,atravs de alteraes nos processos fisiolgicos dos tecidos da planta. Geral-mente, nesse processo h mnimas alteraes qumicas nos alimentos e nenhu-ma dessas alteraes conhecidas so nocivas ou perigosas, tendo ento a apro-vao da Organizao Mundial da Sade (OMS). De acordo com o CENA (Centrode Energia Nuclear na Agricultura/USP Campus Piracicaba) h inmeras van-tagens em irradiar alimentos sobre os mtodos tradicionais de conservao dealimentos como apresentado a seguir.

um processo a frio que pode descontaminar alimentos congelados semcausar efeitos indesejveis em sua propriedades organolticas e fsico-qumicas.

Atividade o nmero dedesintegraes nuclea-res de seus tomos porunidade de tempo. Umadas unidades que me-dem a atividade deno-mina-se curie (Ci), home-nagem a Madame Curie,descobridora do ele-mento rdio. Mas a uni-dade mais recente obecquerel (Bq) que sig-nifica uma desintegraopor segundo.

1 Ci = 3,7 . 1010 Bq

Radiao de fundo aradiao proveniente desubstncias que contmelementos como urnio,trio, rdio, polnio,radnio que podem serencontradas natural-mente em diferentesquantidades em rochas,nas praias, nas guas domar e rios e at mesmona atmosfera.

Cebolas irradiadas h seismeses (direita) e cebolasno irradiadas (esquerda)Fonte:

Como a radiao tem elevado poder de penetrao, o processo pode serusado para tratar uma grande variedade de alimentos, numa considervel faixade tamanhos e formas, com pouca ou nenhuma manipulao ou processamento.

Pode facilitar a distribuio e venda de frutas frescas, vegetais e carnespelo aumento da vida til desses produtos, sem alterar a sua qualidade.

Pode substituir os tratamentos qumicos que deixam resduos nos alimentos.

No caso de produtos avcolas, a irradiao oferece um mtodo de custoefetivo para garantir ao consumidor proteo contra doenas transmitidas poralimentos, principalmente salmonelose e campilobacteriose.

No aumenta a temperatura do alimento (pasteurizao a frio).

Possibilidade de tratamento do alimento em embalagens que temem ca-lor e gua.

Diminui o tempo de cozimento de certos alimentos, principalmente de-sidratados.

Permite atingir organismos (ovos e larvas de insetos, vermes etc.) dentrodos alimentos.

Fonte:

DataoPara estimar a idade do nosso planeta, utiliza-se um mtodo de comparao

das quantidades de urnio e chumbo presentes em minrios de urnio, que sepresume existirem desde a formao da Terra. Esse processo se baseia no fatode o chumbo (Pb-206) presente nesses minrios ser formado pelo decaimentodo istopo urnio-238 atravs de vrias emisses radioativas. Portanto, por essaanlise, a idade da Terra parece ser de aproximadamente 2,8 . 109 anos.

Assim como a meia-vida do urnio utilizada para determinar a idade daTerra, a idade de fsseis pode ser verificada pela determinao da quantidadede istopo carbono-14.

Na natureza existem trs istopos do carbono, nas seguintes propores:

cerca de 98,9% (no radioativo)

cerca de 1,1% (no radioativo)

cerca de 0,000001% ou 10 partes por bilho (radioativo)

O carbono-14 formado na alta atmosfera devido a choques de nutronsprovenientes dos raios csmicos com o nitrognio do ar. Ele se desintegraemitindo radiao , devolvendo o nitrognio-14. A formao e a desinte-grao do carbono ocorrem na atmosfera quase com a mesma velocidade,mantendo ento uma porcentagem constante desse elemento na atmosfera.

Esse carbono-14 incorporado pelas plantas, atravs do CO2 atmosfrico,

para a realizao da fotossntese e, atravs das cadeias alimentares, vo sendoincorporados por outros seres vivos. Com isso, a proporo desse elementopermanece constante na atmosfera e em todos os seres vivos. Quando umaplanta ou animal morre, pra de incorporar o elemento carbono e, portanto, aquantidade de carbono-14 comea a diminuir, caindo metade a cada 5730anos (tempo de meia-vida do carbono-14). Por isso, para se determinar a ida-de de um fssil, encontra-se o teor de carbono-14 nele presente e, a partir da

curva de decaimento, pode-se estimar quanto tempo se passouda morte d