quinta-feira, 10 de fevereiro de 2011

QUÍMICA – ENSINO MÉDIO – 3ª SÉRIE

UNIDADE 1 – ENERGIA E AS TRANFORMAÇÕES QUÍMICAS

Capítulo 1 – O calor e as transformações

Embora seja um conceito básico para o entendimento da maioria dos fenômenos de interesse da Ciência, não é simples definir energia. A definição clássica, apresentada no capítulo 7, do volume 1, desta coleção: a capacidade de realizar trabalho - está relacionada ao uso das primeiras máquinas térmicas, nas quais a energia química dos combustíveis era usada para a produção do vapor que as movimentava.
Praticamente todas as formas de energia que conhecemos dependem, direta ou indiretamente, da energia luminosa que recebemos do Sol. A fotossíntese é o processo fundamental pelo qual as plantas usam a energia solar para transformar gás carbônico e água em alimento. Nosso corpo depende da energia dos alimentos, que em última instância vem das plantas, para executar suas funções vitais. A energia usada nos transportes e na produção da maioria dos materiais provém de combustíveis fósseis (formados da decomposição de plantas e animais), de hidroelétricas (a vazão dos rios está relacionada à evaporação da água dos oceanos e à chuva no continente) e mesmo dos mais recentes biocombustíveis. A obtenção de tanta energia para consumo humano tem causado muitos problemas ambientais - a poluição nas grandes cidades, o aumento do efeito estufa e a chuva ácida, entre tantos outros.

Adaptado de MORTIMER, E. F.;
Química Nova na Escola, n. 7, 1988. p. 30.

Exercícios

1. No capítulo 7, do volume 1, desta coleção, falamos sobre as máquinas a vapor. Como você explica a utilização da energia química para o funcionamento das primeiras máquinas a vapor?

2. Qual o tipo de energia envolvida no processo de fotossíntese? Qual a importância desse processo para os seres vivos?

3. Você saberia explicar por que o uso de combustíveis fósseis é apontado como um dos causadores do efeito estufa?

Contexto1

Como o Conde Rumford desconfiou da concepção de calórico como substância?

A matéria e a energia podem se apresentar sob diversas formas: um corpo em movimento possui energia cinética, uma mola distendida, energia potencial; já os combustíveis utilizados nos veículos automotivos armazenam energia química. Essas formas de energia podem se transformar umas nas outras: a mola distendida, ao ser liberada, ganha movimento, o que significa que sua energia potencial se converte em energia cinética. Analogamente, a energia química contida na gasolina, por exemplo, pode ser transformada, através do processo de combustão, em energia cinética, aproveitada para movimentar um veículo.
Contudo, a idéia de que a energia se apresenta em diversas formas não surgiu espontaneamente. Até o século XVIII acreditava-se que o calor fosse uma espécie de fluido misterioso, invisível, denominado calórico, o qual fluía espontaneamente de um corpo mais quente para um corpo mais frio. O calórico era concebido como uma substância permeável, de massa desprezível e que ocupava lugar no espaço (as substâncias tendem a se expandir quando aquecidas e se contrair quando resfriadas). Essa idéia já foi aceita por muitos cientistas no passado: Lavoisier, por exemplo, listava o calórico como uma das substâncias elementares. A teoria do calórico associado à substância foi inicialmente colocada em xeque por Benjamin Tompson, Conde Rumford, por não poder explicar o aquecimento de objetos de outra maneira que não por meio de uma fonte de calor. Rumford, ao observar que a perfuração de um canhão levava ao aquecimento das peças metálicas, aquecimento este suficiente para levar a água à ebulição, deparou-se com a seguinte questão: De onde vinha o calor produzido?

"Estando recentemente encarregado da superintendência da perfuração de canhões, numa oficina de arsenal militar em Munique, fiquei impressionado com o considerável grau de calor que uma peça metálica adquire, em pequeno tempo, sendo perfurada; e com o calor até mais intenso (maior que o da água fervente como comprovarei pela experiência) das lascas metálicas originadas pela perfuração. Quanto mais eu pensava nesses fenômenos mais eles pareciam ser para mim curiosos e interessantes. Uma completa investigação deles parecia, ao mesmo tempo, oferecer uma satisfatória interpretação para a natureza oculta do calor e nos tornar capazes de tecer algumas conjeturas razoáveis em relação à existência ou não de um fluido ígneo: um assunto que há muito tempo tem dividido a opinião dos filósofos. (...)"

De acordo com o modelo aceito para o calórico, ele deveria ser transferido de um corpo para outro, o que não fazia sentido, pois as peças observadas estavam à mesma temperatura. Após realizar uma série de experimentos e tentar explicá-Ias através da teoria do calórico, Rumford resolveu apresentar um outro caminho para explicar o processo, lançando a idéia do calor como uma espécie de movimento. Tal idéia constituiu a base da teoria cinético-molecular.
Esse modelo pode ser utilizado para explicar o processo de transferência de calor de um corpo a uma temperatura maior para outro a uma temperatura menor. Vamos tomar como exemplo a mistura de um copo de água quente com um copo de água fria. As moléculas de água em temperatura mais alta possuem maior agitação que aquelas presentes no copo de água fria. Ao serem misturadas, parte da energia cinética das moléculas do líquido quente é transferida para as do líquido frio e assim sucessivamente, até que a mistura final atinja o equilíbrio térmico.
A idéia de calor como um processo de transferência de energia permite enunciar a Lei Zero da Termodinâmica a qual estabelece que, quando dois sistemas em temperaturas diferentes são colocados em contato, o calor flui do sistema de maior para o de menor temperatura. Assim, se um sistema A está em equilíbrio térmico com B, e este último está em equilíbrio térmico com C, então A e C também estão em equilíbrio térmico.

Exercícios para entender o texto

1. Qual a profissão de Benjamin Thompson?

2. Qual era a concepção de calor aceita até o século XVIII?

3. Que indícios levaram Rumford a duvidar da teoria do calórico?

4. Um aluno adaptou uma bexiga sobre uma garrafa plástica de refrigerante e mergulhou o sistema sobre um recipiente contendo água quente (figura 1). Após algum tempo observou que a bexiga inchou. Como podemos explicar o fenômeno utilizando a teoria cinético molecular? Como a teoria do calórico explicava o mesmo fenômeno?
Fig. 1 – A) Uma bexiga é amarrada na boca de uma garrafa vazia.
B) Colocada a garrafa em água quente, observa-se o aumento de volume da bexiga.

5. Termos como "agasalho bem quentinho", "faz frio" ou "faz calor" estão presentes no nosso dia-a-dia. Você já parou para pensar o que eles realmente significam? O agasalho bem quentinho é realmente quente? Essas expressões podem ser consideradas cientificamente corretas? Se não, como poderíamos reescrevê-Ias, de forma a torná-Ias cientificamente corretas?

6. Discuta o uso da expressão "feche a porta para o frio não entrar" utilizando o conceito científico de transferência de calor.

Laboratório

Temperatura e sensação de quente e frio

Objetivos

Ø Correlacionar os processos de transferência de calor com medidas de temperatura.
Ø Mostrar que a sensação de quente e frio pode levar a conclusões equivocadas

Material

Ø 3 cubas de vidro
Ø 1,5 L de água
Ø cubos de gelo
Ø 1 bloco de cerâmica ou qualquer outro piso "frio" e
Ø 1 pedaço de madeira utilizada para pisos, ambos com um furo para encaixar 1 termômetro
Ø 1 termômetro de laboratório.

Procedimento
Parte A
Ø Aqueça aproximadamente 500 mL de água a cerca de 60 DC e transfira para uma das cubas (cuba 1).
Ø Transfira 500 mL de água para outra cuba e acrescente cubos de gelo (cuba 2).
Ø Na terceira cuba, coloque apenas a água restante à temperatura ambiente (cuba 3).
Ø Mergulhe suas mãos simultaneamente nas cubas 1 (água quente) e 2 (água fria) e espere cerca de 10 a 15 segundos (figura 2).
Ø Retire-as e, imediatamente, mergulhe-as na cuba 3.
Ø Descreva a sensação experimentada por ambas as mãos.

Parte B

Ø Coloque suas mãos sobre o piso cerâmico e o de madeira. Anote suas observações com relação à sensação de quente e frio.

Ø Introduza o termômetro de laboratório em ambos os orifícios, aguarde alguns segundos e anote as temperaturas:

piso cerâmico: _____ piso de madeira: _____

Resultados e discussões

1. Qual a sensação que você teve ao transferir suas mãos das cubas 1 e 2, respectivamente, para a cuba 3? Como você interpreta essa sensação?

2. Como você correlaciona a sensação de quente e frio com a temperatura do piso cerâmico e a do piso de madeira? Como podemos explicar o uso freqüente da expressão "piso frio"?

3. Algumas mães, para avaliar se seus filhos estão com febre ou não, colocam a palma da mão sobre a testa da criança. Discuta o procedimento, considerando a medida sendo tomada por uma mãe em estado febril.
Analisando os processos de transferência de calor

Pudemos concluir (de acordo com o 1º experimento) que nem sempre a sensação de quente e frio corresponde à temperatura do sistema. No caso da comparação entre o piso cerâmica e o de madeira ocorre uma transferência de calor do nosso corpo para ambos os materiais que pode ser explicada em termos do coeficiente de condutividade térmica de cada material, que é o motivo porque sentimos as maçanetas das portas mais frias do que o ar ou a parede, apesar de todos estarem à mesma temperatura.
Materiais que apresentam elevados coeficientes de condutividade térmica são conhecidos como bons condutores de calor, como os metais em geral; valores baixos são característicos de substâncias isolantes térmicas, como a lã, por exemplo. É devido a este coeficiente que escolhemos panelas de metal (ferro, aço inoxidável, cobre ou alumínio), mas com cabos de poliuretano ou madeira e utilizamos recipientes de isopor (poliestireno) para conservar alimentos quentes ou frios, isolados da temperatura ambiente.
A partir da Tab.1 é possível entender a sensação térmica ao encostarmos na cerâmica ou na madeira ou mesmo em uma peça de metal à temperatura ambiente. Um maior coeficiente de condutividade térmica implica maior taxa de transferência de calor por unidade de tempo, ou seja, a transferência de calor do seu corpo ("quente") a 36,5 °C para o material é mais rápida e o fluxo de calor faz você sentir o corpo "mais frio", apesar de estar à temperatura ambiente.

Tab 1 - Valores de coeficiente de condutividade térmica para alguns materiais a 20°C.

Ao analisarmos processos de transferências de calor, outra grandeza importante é o calor específico (c), que pode ser definido como a quantidade de calor (Q) que um grama de determinado material deve ganhar ou perder para que sua temperatura varie de um grau Celsius (equação 1).
onde: Q-quantidade de calor m-massa do objeto ΔT-variação de temperatura
Tab 2 - Calores específicos (c) de alguns materiais.

Um material que possua alto calor específico aquece e também se esfria com mais dificuldade do que um material de baixo calor específico (considerando massas iguais); isso porque a equação nos informa que quanto maior o calor específico, maior a energia térmica armazenada pela substância. Analisando essa tabela, entendemos porque é necessário fornecer muito mais calor para aquecer uma amostra de água do que uma amostra de mesma massa de ferro, por exemplo.
Para avaliarmos a tendência de armazenar energia na forma de calor de um objeto, utilizamos a grandeza capacidade térmica (C), que é uma grandeza dependente da massa e é utilizada para caracterizar objetos, como frascos, garrafas e outros. Um mesmo material pode apresentar diferentes capacidades térmicas, dependendo da massa do objeto, mas tem sempre o mesmo calor específico.
C-capacidade térmica Q-quantidade de calor fornecida ΔT-variação de temperatura
Tab 1 - Valores de coeficiente de condutividade térmica Tab 2 - Calores específicos (c) de alguns materiais.
para alguns materiais a 20°C.


Determinação experimental da energia térmica envolvida nas transformações

A teoria do calórico nos deixou como herança a unidade de energia caloria (quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 14,5 °e para 15,5 °).
As transferências de calor são determinadas experimentalmente, através de medidas de variações de temperatura, em um equipamento denominado calorímetro (fig.3 pág.17).
Quando um corpo é colocado no interior do calorímetro, a uma temperatura diferente do líquido em seu interior (água), haverá troca de calor até que o equilíbrio térmico seja alcançado. Nesse caso, a quantidade de calor envolvida (Q) no processo é determinada a partir da variação da temperatura (ΔT) da massa de água (m), cujo calor específico (c) é igual a 1,0 cal.g-1.°C-1, através do Q = m.c.ΔT
Pelo PCE, sabemos que o calor transferido pelos corpos a uma temperatura maior é igual ao calor recebido por aqueles a temperaturas mais baixas.
Digamos que uma barra de ferro contendo 21,0 g do metal a 90,2 °C foi introduzida em um calorímetro contendo 50,0 g de água a 20°C. Vamos supor que a medida da temperatura final seja 23,2 °C. Oual o calor específico do ferro?

Exercícios

Calor e unidades para expressá-lo

A idéia do calórico não foi abandonada tão facilmente. Para ser aceita completamente a idéia de calor como energia, tornava-se necessário obter, experimentalmente, a relação entre a unidade de calor (caloria) e a unidade de energia (N.m). Entre os trabalhos que contribuíram para estabelecer que o calor é uma forma de energia, devemos destacar a experiência do físico James P. Joule, que conseguiu provar que qualquer tipo de trabalho pode ser expresso através de um valor preciso equivalente em calorias.
Ele também determinou com precisão a relação numérica entre trabalho (expresso em N.m) e calor (calorias). Em sua homenagem, a unidade de trabalho ou energia (N.m) utilizada pelo SI é o joule (J).
Entre as diversas experiências realizadas por Joule com esta finalidade, uma delas tornou-se muito conhecida e destacou-se das demais (fig. 4; pág.18).

Joule deixava cair, de certa altura (h) um objeto de massa (m), de forma que, durante a queda, as pás mergulhadas na água começavam a girar. Como conseqüência do movimento das pás, ocorria a elevação da temperatura da água, a qual era determinada através do termômetro acoplado ao sistema.
Joule calculou a energia transferida para as pás (conversão de energia potencial Ep = mOBJ . g . h em energia cinética) que provocavam a agitação das moléculas de água. Entretanto, conhecendo a massa de água no recipiente era possível calcular a energia térmica transferida para o sistema (Q = mag.c.ΔT).

Suponha que a experiência de Joule tenha sido realizada com um objeto de massa igual a 3,0 kg, caindo de uma altura (h) de 2,0 m em um local onde a aceleração da gravidade (g) é igual a 9,8 m/s2. Para se obter uma elevação sensível na temperatura, deixou-se o objeto cair 50 vezes. As sucessivas quedas do objeto provocaram um aumento de 7,0 °C na temperatura de 100 g de água.

Dessa forma, a energia potencial total convertida em movimento das pás (energia cinética) foi:
Ep = 50 . m. g . h = 50 . 3 . 9,8 . 2 = 2940 N.m ou 2940 J (1)

Por outro lado, a elevação da temperatura da água seria obtida caso fosse fornecida a seguinte quantidade de calor: Q = mag.c.ΔT= 100 . 1 . 7 = 700 cal (2)

Igualando as expressões (1) e (2) temos: 700 cal = 2940 J, portanto: 1 cal = 4,2 J.

Comparando os valores de energia potencial (Ep) e a energia térmica transferida para a água (Q), Joule conseguiu estabelecer a relação procurada. Em seus experimentos obteve a relação:1 cal = 4,15 J, em excelente concordância com a atualmente estabelecida: 1 cal = 4,18 J.

Como calcular calorias dos alimentos

Se você parar para observar os rótulos da grande maioria dos alimentos, vai notar que, além do valor energético, são indicadas as quantidades de carboidratos, gorduras e proteínas. Trata-se de classes de compostos orgânicos essenciais aos organismos vivos denominados macronutrientes.

O valor energético, em calorias, dos alimentos é medido por meio da quantidade de energia liberada pelo alimento quando ele é queimado num equipamento chamado bomba calorimétrica (fig. 6, pág. 21). Uma porção de alimento é colocada numa câmara que contém oxigênio em excesso para garantir a combustão completa. O calor produzido pela queima dos alimentos provoca o aumento da temperatura da água que circunda a câmara. A quantidade de energia liberada é determinada a partir do aumento da temperatura da água, medida através de um termômetro de alta sensibilidade. Geralmente, são realizadas diversas medidas, calculando-se a média de várias determinações.

A queima de 1 g de carboidrato e de 1 g de proteína libera aproximadamente 4 kcal; já um grama de gordura produz cerca de 9 kcal.

A quantidade de energia liberada na queima desses macronutrientes é independente do tipo de comida e da presença ou não de outros nutrientes. Uma refeição contendo 10 g de gordura, 15 g de carboidratos e 20g de proteína deve fornecer ao nosso organismo 230kcal:

10g de gordura à 90kcal +
15g de carboidratos à 60kcal +
20 g de proteína à 80kcal
Total: 230 Cal = 230kcal

Note que a substituição de açúcar por gordura deve aumentar o valor energético do alimento, uma vez que a energia liberada na queima da segunda é mais do que o dobro da primeira. É o que ocorre no caso dos chocolates dietéticos, por exemplo, indicados para dietas com restrição de açúcares a pessoas que sofrem de diabetes.
O chocolate é composto por massa de cacau, açúcar, aromatizante e conservante. No chocolate dietético, o açúcar é substituído por uma substância adoçante (edulcorante), como aspartame ou sorbitol. Para manter a consistência do chocolate, ao tirar o açúcar é necessário aumentar a quantidade de massa de cacau, o que leva ao aumento no teor de Iipídios (gordura).


Fig. 6 - Bomba calorimétrica - A combustão se inicia com uma ignição elétrica. O calor liberado na combustão é proporcional à variação da temperatura da água contida no recipiente externo.

Um alimento diet é aquele de cuja composição original foi "retirada" alguma substância e que serve a dietas especiais com restrições, por exemplo, de açúcares, de gorduras, de sódio, de aminoácidos ou de proteínas. Não são, portanto, indicados para dietas hipocalóricas, embora alguns produtos dietéticos também apresentem um teor calórico reduzido.

Já os produtos light são permitidos pelo governo quando atributos dele, como a taxa de gordura ou de açúcar, forem comprovadamente reduzidos ou baixos. São, portanto, alimentos com redução de, no mínimo, 25%. de calorias ou de qualquer outro componente destinados a dietas com reduzidos teores calóricos (dietas hipocaIóricas).




A química dos alimentos

É comum ouvirmos dizer que nosso corpo "queima carboidratos", que ocorre através de uma seqüência de reações, que liberam energia em quantidades adequadas às nossas necessidades. Para discutir a conversão dos alimentos em energia, utiliza-se o termo metabolismo.

Os carboidratos, também conhecidos como glicídios ou hidratos de carbono, são a principal fonte de energia do corpo humano. Eles podem ser encontrados em pães, biscoitos, cereais, macarrão, arroz, grãos, frutas, açúcar, mel e alimentos que contenham açúcar. No nosso organismo, tais substâncias são convertidas em glicose, que se dissolve na corrente sangüínea e pode ser transportada até às células, onde ocorre a respiração celular: C6H12O6 + 6 O2 à 6 CO2 + 6 H2O + energia

A respiração celular permite que as células obtenham energia a partir de oxigênio e de nutrientes apropriados. Quando a alimentação de um indivíduo não contém carboidratos em quantidade suficiente para suprir as necessidades de seu corpo, as células podem usar os aminoácidos provenientes da quebra de proteínas, ou então os ácidos graxos e glicerina, produtos da hidrólise de gorduras como fonte de energia.

As proteínas são polímeros de aminoácidos (polipeptídeos), encontradas em alimentos como feijão, carne, leite, peixe e ovos. Após ingestão, as proteínas são hidrolisadas em aminoácidos essenciais, dos quais parte é rearranjada nas diversas proteínas que constituem o organismo e parte é metabolizada pelo organismo para produzir energia. A conversão de aminoácidos resulta em dióxido de carbono (eliminado pela respiração), água (presente no suor e na urina) e uréia (presente na urina). Contudo, como nosso corpo é constituído principalmente de proteínas, a via metabólica principal operante é a síntese de proteínas, a partir de aminoácidos essenciais.

As gorduras ou lipídios são triglicerídeos resultantes da reação de esterificação de ácidos graxas e glicerina.

Os Lipídios

Podem ser classificados como saturados ou insaturados, sendo que os primeiros estão associados a doenças cardiovasculares e arteriosclerose. Uma dieta saudável deve associar a ingestão adequada de carboidratos, proteínas e gorduras, além de vitaminas e minerais.
Até recentemente, a pirâmide alimentar (figura 7), apresentada oficialmente em 1992 pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA), era sugerida como um bom guia nutricional em muitos manuais sobre educação alimentar.
Em uma pirâmide alimentar, os alimentos presentes na base devem ser os mais consumidos e a base da dieta, enquanto que quanto mais no topo constar o alimento, menor a quantidade que deve ser ingerida na semana.
Fig. 7 - Pirâmide alimentar - Proposta pelo USDA (Departamento de Agricultura dos Estados Unidos) em 1992, tinha por objetivo transmitir a mensagem "gordura é ruim".
O guia recomendava que as pessoas evitassem gorduras e comessem alimentos ricos em carboidratos, como pães, cereais em flocos, arroz e massas, com o objetivo de reduzir o consumo total de gordura saturada que eleva o nível de colesterol. Contudo, alguns pesquisadores descobriram que o consumo elevado de carboidratos refinados, como o pão branco e o arroz branco, pode desequilibrar os níveis de glicose e insulina do corpo. Mais ainda, nas sociedades em que as pessoas consomem uma quantidade relativamente grande de gorduras mono e poli-insaturadas, os índices de desenvolvimento de doenças cardíacas são, em geral, mais baixos. Substituir esses carboidratos por gorduras saudáveis, como os óleos de oliva ou de milho, por exemplo, reduz o risco de desenvolvimento de doença cardíaca.

Recentemente, um novo guia da pirâmide alimentar foi sugerido por pesquisadores do Departamento de Nutrição da Escola de Saúde Pública da Universidade de Harvard. A nova pirâmide incentiva o consumo de gorduras saudáveis e cereais integrais e recomenda que se evitem os carboidratos refinados, a manteiga e a carne vermelha (figura 8).
Fig. 8 - Nova pirâmide alimentar. Os autores propõem uma distinção entre tipos saudáveis e prejudiciais de gorduras e carboidratos.

Como os hábitos de consumo de lá são diferentes dos de cá, pesquisadores brasileiros montaram uma pirâmide alimentar adaptada à nossa realidade (figura 9).
Fig. 9 - Pirâmide alimentar adaptada para o Brasil. Pesquisadores incluíram alimentos típicos da mesa do brasileiro, como feijão e mandioca.

Outra grande novidade do novo guia de Harvard, mantida nas adaptações brasileiras é a recomendação da prática de exercícios físicos e o controle de peso. O objetivo é simples: atentar para as
necessidades diárias, evitando, assim, um problema que vem crescendo mundialmente, a obesidade.
A quantidade de energia diária, em kcal, necessária para os seres humanos depende da idade, do peso, da altura e do trabalho físico que realizam. Em geral, supondo níveis de atividade leves, a ingestão recomendada para um adolescente do sexo masculino de 15-18 anos é de, aproximadamente, 45 kcal/kg. Já as meninas de mesma faixa etária devem ingerir o equivalente a 40 kcal/kg.

Pelo princípio de conservação de energia, parte da energia ingerida através dos alimentos é utilizada para manter nossas atividades vitais (metabolismo basal) e parte para realizar trabalho (ler, assistir TV, andar, correr, nadar, etc). Se a energia proveniente da ingestão de alimentos é superior à energia gasta através do metabolismo basal e exercícios físicos, o corpo acumula o excesso em forma de lipídio (gordura). Acumular reservas energéticas na forma de Iipídios é bastante útil para os animais, pois os lipídios apresentam o maior poder calorífico, ou seja, mais energia é armazenada na mesma massa e quanto menor a massa, mais fácil a locomoção do animal. Além disso, o tecido adiposo tem função de isolar termicamente o animal.

A tabela ilustra os valores médios de energia consumida por uma pessoa de 70 kg ao realizar algumas atividades físicas.

Nível de atividade
Exemplo
Energia gasta por hora (kcal)
Muito suave
Sentar, escrever, assistir TV, dirigir o carro
60-150
Suave
Caminhar lentamente, esportes leves como golf
150-300
Moderado

Caminhar rapidamente, esportes moderados como: andar de bicicleta, dançar, jogar tênis
300-450

Forte
Trabalho pesado, nadar, correr, jogar futebol, basquete
450-720
Tab 4 - Valores médios de energia consumida por uma pessoa de 70 kg.(1997).


Obesidade: um problema do mundo globalizado

A obesidade é hoje um dos dez principais problemas de saúde pública do mundo, na avaliação da Organização Mundial da Saúde (OMS). Estima-se que existam 700 milhões de pessoas com sobrepeso - peso pouco além do considerado saudável - e outros 300 milhões de obesos, dos quais pelo menos um terço está nos países em desenvolvimento.

Entre os problemas gerados pelo excesso de peso são apontados maior propensão ao desenvolvimento da hipertensão e do diabetes tipo 2, que amplia o risco de problemas na circulação capazes de afetar o coração ou o cérebro.

O excesso de peso é mais visível nos países mais ricos e industrializados, como os Estados Unidos, a Inglaterra e a Alemanha, onde o número de obesos triplicou nos últimos 20 anos. Somente nos Estados Unidos - onde a disponibilidade diária per capita é de 3 800 kcal, 50% acima do recomendado pela OMS -, um terço da população adulta está com sobrepeso e outros 30% são obesos. Esse mal se expande também pelos países em desenvolvimento que aderem ao estilo de vida norte-americano, marcado pelo sedentarismo, refeições fartas e biscoitos em abundância, a qualquer hora, enfim, pelo consumo excessivo de alimentos ricos em açúcares e gorduras. Em conseqüência do fenômeno apelidado de. globesidade, nem os franceses, que sempre apreciaram seus corpos esbeltos, conseguem se manter na linha: por lá 11,3% da população já é obesa.
No Brasil, em pouco mais de 20 anos, de 1975 a 1997, o número de obesos pelo menos dobrou - são hoje quase 17 milhões de pessoas (9,6% da população) com índice de massa corpórea (IMC = massa / (altura)2) acima de 30.

Hoje, a obesidade supera os índices de desnutrição, e o perfil nutricional do brasileiro encontra-se numa fase de transição em que a desnutrição diminuiu e a obesidade aumentou, aproximando-se do quadro norte-americano.

O Ministério da Saúde criou uma política nacional de alimentação e nutrição que, entre outras medidas, tornou obrigatória a discriminação das calorias nos rótulos dos alimentos industrializados e obrigou as prefeituras a empregarem 70% do orçamento, destinado à alimentação de alunos do ensino público, na compra de alimentos frescos, como frutas e verduras.

Adaptado de: Zorzeto,R.; Bicudo, F. Revista Fapesp, p.32, n. 94, dez. 2003.

Dividida em grupos, a classe deve preparar seminários breves (10 a 15 minutos) sobre as seguintes questões:

1. Comparação entre a pirâmide alimentar apresentada pela USDA, no início da década de 90, com a atualmente proposta por especialistas da Universidade de Harvard e a adaptada para o Brasil, discutindo as principais diferenças entre elas.

2. Pesquisa sobre a composição dos alimentos normalmente ingeridos pelos estudantes da série ou da escola. Elaboração de uma tabela contendo o valor energético, em kcal, por porção consumida dos alimentos mais consumidos durante as refeições.

3. Comparação da alimentação dos alunos da escola ou da série com as sugestões da atual pirâmide, discutindo possíveis modificações, de forma a tornar a dieta mais saudável.

4. Proposta para uma dieta saudável, a ser executada durante uma semana pela classe.

Os temas devem ser escolhidos com duas semanas de antecedência, tempo suficiente para elaboração da pesquisa e de um texto, o qual deve ser entregue ao professor no dia da apresentação. Os textos entregues podem ser editados e transformados em uma revista (ou um vídeo!) sobre nutrição, produto de um trabalho da série, cujo lançamento pode ser marcado por um almoço oferecido pelos alunos aos coordenadores e professores na cantina da escola.

QUÍMICA – ENSINO MÉDIO – 3ª SÉRIE

UNIDADE 1 – ENERGIA E AS TRANFORMAÇÕES QUÍMICAS

Capítulo 1 – O calor e as transformações

Embora seja um conceito básico para o entendimento da maioria dos fenômenos de interesse da Ciência, não é simples definir energia. A definição clássica, apresentada no capítulo 7, do volume 1, desta coleção: a capacidade de realizar trabalho - está relacionada ao uso das primeiras máquinas térmicas, nas quais a energia química dos combustíveis era usada para a produção do vapor que as movimentava.
Praticamente todas as formas de energia que conhecemos dependem, direta ou indiretamente, da energia luminosa que recebemos do Sol. A fotossíntese é o processo fundamental pelo qual as plantas usam a energia solar para transformar gás carbônico e água em alimento. Nosso corpo depende da energia dos alimentos, que em última instância vem das plantas, para executar suas funções vitais. A energia usada nos transportes e na produção da maioria dos materiais provém de combustíveis fósseis (formados da decomposição de plantas e animais), de hidroelétricas (a vazão dos rios está relacionada à evaporação da água dos oceanos e à chuva no continente) e mesmo dos mais recentes biocombustíveis. A obtenção de tanta energia para consumo humano tem causado muitos problemas ambientais - a poluição nas grandes cidades, o aumento do efeito estufa e a chuva ácida, entre tantos outros.

Adaptado de MORTIMER, E. F.;
Química Nova na Escola, n. 7, 1988. p. 30.

Exercícios

1. No capítulo 7, do volume 1, desta coleção, falamos sobre as máquinas a vapor. Como você explica a utilização da energia química para o funcionamento das primeiras máquinas a vapor?

2. Qual o tipo de energia envolvida no processo de fotossíntese? Qual a importância desse processo para os seres vivos?

3. Você saberia explicar por que o uso de combustíveis fósseis é apontado como um dos causadores do efeito estufa?

Contexto1

Como o Conde Rumford desconfiou da concepção de calórico como substância?

A matéria e a energia podem se apresentar sob diversas formas: um corpo em movimento possui energia cinética, uma mola distendida, energia potencial; já os combustíveis utilizados nos veículos automotivos armazenam energia química. Essas formas de energia podem se transformar umas nas outras: a mola distendida, ao ser liberada, ganha movimento, o que significa que sua energia potencial se converte em energia cinética. Analogamente, a energia química contida na gasolina, por exemplo, pode ser transformada, através do processo de combustão, em energia cinética, aproveitada para movimentar um veículo.
Contudo, a idéia de que a energia se apresenta em diversas formas não surgiu espontaneamente. Até o século XVIII acreditava-se que o calor fosse uma espécie de fluido misterioso, invisível, denominado calórico, o qual fluía espontaneamente de um corpo mais quente para um corpo mais frio. O calórico era concebido como uma substância permeável, de massa desprezível e que ocupava lugar no espaço (as substâncias tendem a se expandir quando aquecidas e se contrair quando resfriadas). Essa idéia já foi aceita por muitos cientistas no passado: Lavoisier, por exemplo, listava o calórico como uma das substâncias elementares. A teoria do calórico associado à substância foi inicialmente colocada em xeque por Benjamin Tompson, Conde Rumford, por não poder explicar o aquecimento de objetos de outra maneira que não por meio de uma fonte de calor. Rumford, ao observar que a perfuração de um canhão levava ao aquecimento das peças metálicas, aquecimento este suficiente para levar a água à ebulição, deparou-se com a seguinte questão: De onde vinha o calor produzido?

"Estando recentemente encarregado da superintendência da perfuração de canhões, numa oficina de arsenal militar em Munique, fiquei impressionado com o considerável grau de calor que uma peça metálica adquire, em pequeno tempo, sendo perfurada; e com o calor até mais intenso (maior que o da água fervente como comprovarei pela experiência) das lascas metálicas originadas pela perfuração. Quanto mais eu pensava nesses fenômenos mais eles pareciam ser para mim curiosos e interessantes. Uma completa investigação deles parecia, ao mesmo tempo, oferecer uma satisfatória interpretação para a natureza oculta do calor e nos tornar capazes de tecer algumas conjeturas razoáveis em relação à existência ou não de um fluido ígneo: um assunto que há muito tempo tem dividido a opinião dos filósofos. (...)"

De acordo com o modelo aceito para o calórico, ele deveria ser transferido de um corpo para outro, o que não fazia sentido, pois as peças observadas estavam à mesma temperatura. Após realizar uma série de experimentos e tentar explicá-Ias através da teoria do calórico, Rumford resolveu apresentar um outro caminho para explicar o processo, lançando a idéia do calor como uma espécie de movimento. Tal idéia constituiu a base da teoria cinético-molecular.
Esse modelo pode ser utilizado para explicar o processo de transferência de calor de um corpo a uma temperatura maior para outro a uma temperatura menor. Vamos tomar como exemplo a mistura de um copo de água quente com um copo de água fria. As moléculas de água em temperatura mais alta possuem maior agitação que aquelas presentes no copo de água fria. Ao serem misturadas, parte da energia cinética das moléculas do líquido quente é transferida para as do líquido frio e assim sucessivamente, até que a mistura final atinja o equilíbrio térmico.
A idéia de calor como um processo de transferência de energia permite enunciar a Lei Zero da Termodinâmica a qual estabelece que, quando dois sistemas em temperaturas diferentes são colocados em contato, o calor flui do sistema de maior para o de menor temperatura. Assim, se um sistema A está em equilíbrio térmico com B, e este último está em equilíbrio térmico com C, então A e C também estão em equilíbrio térmico.

Exercícios para entender o texto

1. Qual a profissão de Benjamin Thompson?

2. Qual era a concepção de calor aceita até o século XVIII?

3. Que indícios levaram Rumford a duvidar da teoria do calórico?

4. Um aluno adaptou uma bexiga sobre uma garrafa plástica de refrigerante e mergulhou o sistema sobre um recipiente contendo água quente (figura 1). Após algum tempo observou que a bexiga inchou. Como podemos explicar o fenômeno utilizando a teoria cinético molecular? Como a teoria do calórico explicava o mesmo fenômeno?
Fig. 1 – A) Uma bexiga é amarrada na boca de uma garrafa vazia.
B) Colocada a garrafa em água quente, observa-se o aumento de volume da bexiga.

5. Termos como "agasalho bem quentinho", "faz frio" ou "faz calor" estão presentes no nosso dia-a-dia. Você já parou para pensar o que eles realmente significam? O agasalho bem quentinho é realmente quente? Essas expressões podem ser consideradas cientificamente corretas? Se não, como poderíamos reescrevê-Ias, de forma a torná-Ias cientificamente corretas?

6. Discuta o uso da expressão "feche a porta para o frio não entrar" utilizando o conceito científico de transferência de calor.

Laboratório

Temperatura e sensação de quente e frio

Objetivos

Ø Correlacionar os processos de transferência de calor com medidas de temperatura.
Ø Mostrar que a sensação de quente e frio pode levar a conclusões equivocadas

Material

Ø 3 cubas de vidro
Ø 1,5 L de água
Ø cubos de gelo
Ø 1 bloco de cerâmica ou qualquer outro piso "frio" e
Ø 1 pedaço de madeira utilizada para pisos, ambos com um furo para encaixar 1 termômetro
Ø 1 termômetro de laboratório.

Procedimento
Parte A
Ø Aqueça aproximadamente 500 mL de água a cerca de 60 DC e transfira para uma das cubas (cuba 1).
Ø Transfira 500 mL de água para outra cuba e acrescente cubos de gelo (cuba 2).
Ø Na terceira cuba, coloque apenas a água restante à temperatura ambiente (cuba 3).
Ø Mergulhe suas mãos simultaneamente nas cubas 1 (água quente) e 2 (água fria) e espere cerca de 10 a 15 segundos (figura 2).
Ø Retire-as e, imediatamente, mergulhe-as na cuba 3.
Ø Descreva a sensação experimentada por ambas as mãos.

Parte B

Ø Coloque suas mãos sobre o piso cerâmico e o de madeira. Anote suas observações com relação à sensação de quente e frio.

Ø Introduza o termômetro de laboratório em ambos os orifícios, aguarde alguns segundos e anote as temperaturas:

piso cerâmico: _____ piso de madeira: _____

Resultados e discussões

1. Qual a sensação que você teve ao transferir suas mãos das cubas 1 e 2, respectivamente, para a cuba 3? Como você interpreta essa sensação?

2. Como você correlaciona a sensação de quente e frio com a temperatura do piso cerâmico e a do piso de madeira? Como podemos explicar o uso freqüente da expressão "piso frio"?

3. Algumas mães, para avaliar se seus filhos estão com febre ou não, colocam a palma da mão sobre a testa da criança. Discuta o procedimento, considerando a medida sendo tomada por uma mãe em estado febril.
Analisando os processos de transferência de calor

Pudemos concluir (de acordo com o 1º experimento) que nem sempre a sensação de quente e frio corresponde à temperatura do sistema. No caso da comparação entre o piso cerâmica e o de madeira ocorre uma transferência de calor do nosso corpo para ambos os materiais que pode ser explicada em termos do coeficiente de condutividade térmica de cada material, que é o motivo porque sentimos as maçanetas das portas mais frias do que o ar ou a parede, apesar de todos estarem à mesma temperatura.
Materiais que apresentam elevados coeficientes de condutividade térmica são conhecidos como bons condutores de calor, como os metais em geral; valores baixos são característicos de substâncias isolantes térmicas, como a lã, por exemplo. É devido a este coeficiente que escolhemos panelas de metal (ferro, aço inoxidável, cobre ou alumínio), mas com cabos de poliuretano ou madeira e utilizamos recipientes de isopor (poliestireno) para conservar alimentos quentes ou frios, isolados da temperatura ambiente.
A partir da Tab.1 é possível entender a sensação térmica ao encostarmos na cerâmica ou na madeira ou mesmo em uma peça de metal à temperatura ambiente. Um maior coeficiente de condutividade térmica implica maior taxa de transferência de calor por unidade de tempo, ou seja, a transferência de calor do seu corpo ("quente") a 36,5 °C para o material é mais rápida e o fluxo de calor faz você sentir o corpo "mais frio", apesar de estar à temperatura ambiente.

Tab 1 - Valores de coeficiente de condutividade térmica para alguns materiais a 20°C.

Ao analisarmos processos de transferências de calor, outra grandeza importante é o calor específico (c), que pode ser definido como a quantidade de calor (Q) que um grama de determinado material deve ganhar ou perder para que sua temperatura varie de um grau Celsius (equação 1).
onde: Q-quantidade de calor m-massa do objeto ΔT-variação de temperatura
Tab 2 - Calores específicos (c) de alguns materiais.

Um material que possua alto calor específico aquece e também se esfria com mais dificuldade do que um material de baixo calor específico (considerando massas iguais); isso porque a equação nos informa que quanto maior o calor específico, maior a energia térmica armazenada pela substância. Analisando essa tabela, entendemos porque é necessário fornecer muito mais calor para aquecer uma amostra de água do que uma amostra de mesma massa de ferro, por exemplo.
Para avaliarmos a tendência de armazenar energia na forma de calor de um objeto, utilizamos a grandeza capacidade térmica (C), que é uma grandeza dependente da massa e é utilizada para caracterizar objetos, como frascos, garrafas e outros. Um mesmo material pode apresentar diferentes capacidades térmicas, dependendo da massa do objeto, mas tem sempre o mesmo calor específico.
C-capacidade térmica Q-quantidade de calor fornecida ΔT-variação de temperatura
Tab 1 - Valores de coeficiente de condutividade térmica Tab 2 - Calores específicos (c) de alguns materiais.
para alguns materiais a 20°C.


Determinação experimental da energia térmica envolvida nas transformações

A teoria do calórico nos deixou como herança a unidade de energia caloria (quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 14,5 °e para 15,5 °).
As transferências de calor são determinadas experimentalmente, através de medidas de variações de temperatura, em um equipamento denominado calorímetro (fig.3 pág.17).
Quando um corpo é colocado no interior do calorímetro, a uma temperatura diferente do líquido em seu interior (água), haverá troca de calor até que o equilíbrio térmico seja alcançado. Nesse caso, a quantidade de calor envolvida (Q) no processo é determinada a partir da variação da temperatura (ΔT) da massa de água (m), cujo calor específico (c) é igual a 1,0 cal.g-1.°C-1, através do Q = m.c.ΔT
Pelo PCE, sabemos que o calor transferido pelos corpos a uma temperatura maior é igual ao calor recebido por aqueles a temperaturas mais baixas.
Digamos que uma barra de ferro contendo 21,0 g do metal a 90,2 °C foi introduzida em um calorímetro contendo 50,0 g de água a 20°C. Vamos supor que a medida da temperatura final seja 23,2 °C. Oual o calor específico do ferro?

Exercícios

Calor e unidades para expressá-lo

A idéia do calórico não foi abandonada tão facilmente. Para ser aceita completamente a idéia de calor como energia, tornava-se necessário obter, experimentalmente, a relação entre a unidade de calor (caloria) e a unidade de energia (N.m). Entre os trabalhos que contribuíram para estabelecer que o calor é uma forma de energia, devemos destacar a experiência do físico James P. Joule, que conseguiu provar que qualquer tipo de trabalho pode ser expresso através de um valor preciso equivalente em calorias.
Ele também determinou com precisão a relação numérica entre trabalho (expresso em N.m) e calor (calorias). Em sua homenagem, a unidade de trabalho ou energia (N.m) utilizada pelo SI é o joule (J).
Entre as diversas experiências realizadas por Joule com esta finalidade, uma delas tornou-se muito conhecida e destacou-se das demais (fig. 4; pág.18).

Joule deixava cair, de certa altura (h) um objeto de massa (m), de forma que, durante a queda, as pás mergulhadas na água começavam a girar. Como conseqüência do movimento das pás, ocorria a elevação da temperatura da água, a qual era determinada através do termômetro acoplado ao sistema.
Joule calculou a energia transferida para as pás (conversão de energia potencial Ep = mOBJ . g . h em energia cinética) que provocavam a agitação das moléculas de água. Entretanto, conhecendo a massa de água no recipiente era possível calcular a energia térmica transferida para o sistema (Q = mag.c.ΔT).

Suponha que a experiência de Joule tenha sido realizada com um objeto de massa igual a 3,0 kg, caindo de uma altura (h) de 2,0 m em um local onde a aceleração da gravidade (g) é igual a 9,8 m/s2. Para se obter uma elevação sensível na temperatura, deixou-se o objeto cair 50 vezes. As sucessivas quedas do objeto provocaram um aumento de 7,0 °C na temperatura de 100 g de água.

Dessa forma, a energia potencial total convertida em movimento das pás (energia cinética) foi:
Ep = 50 . m. g . h = 50 . 3 . 9,8 . 2 = 2940 N.m ou 2940 J (1)

Por outro lado, a elevação da temperatura da água seria obtida caso fosse fornecida a seguinte quantidade de calor: Q = mag.c.ΔT= 100 . 1 . 7 = 700 cal (2)

Igualando as expressões (1) e (2) temos: 700 cal = 2940 J, portanto: 1 cal = 4,2 J.

Comparando os valores de energia potencial (Ep) e a energia térmica transferida para a água (Q), Joule conseguiu estabelecer a relação procurada. Em seus experimentos obteve a relação:1 cal = 4,15 J, em excelente concordância com a atualmente estabelecida: 1 cal = 4,18 J.

Como calcular calorias dos alimentos

Se você parar para observar os rótulos da grande maioria dos alimentos, vai notar que, além do valor energético, são indicadas as quantidades de carboidratos, gorduras e proteínas. Trata-se de classes de compostos orgânicos essenciais aos organismos vivos denominados macronutrientes.

O valor energético, em calorias, dos alimentos é medido por meio da quantidade de energia liberada pelo alimento quando ele é queimado num equipamento chamado bomba calorimétrica (fig. 6, pág. 21). Uma porção de alimento é colocada numa câmara que contém oxigênio em excesso para garantir a combustão completa. O calor produzido pela queima dos alimentos provoca o aumento da temperatura da água que circunda a câmara. A quantidade de energia liberada é determinada a partir do aumento da temperatura da água, medida através de um termômetro de alta sensibilidade. Geralmente, são realizadas diversas medidas, calculando-se a média de várias determinações.

A queima de 1 g de carboidrato e de 1 g de proteína libera aproximadamente 4 kcal; já um grama de gordura produz cerca de 9 kcal.

A quantidade de energia liberada na queima desses macronutrientes é independente do tipo de comida e da presença ou não de outros nutrientes. Uma refeição contendo 10 g de gordura, 15 g de carboidratos e 20g de proteína deve fornecer ao nosso organismo 230kcal:

10g de gordura à 90kcal +
15g de carboidratos à 60kcal +
20 g de proteína à 80kcal
Total: 230 Cal = 230kcal

Note que a substituição de açúcar por gordura deve aumentar o valor energético do alimento, uma vez que a energia liberada na queima da segunda é mais do que o dobro da primeira. É o que ocorre no caso dos chocolates dietéticos, por exemplo, indicados para dietas com restrição de açúcares a pessoas que sofrem de diabetes.
O chocolate é composto por massa de cacau, açúcar, aromatizante e conservante. No chocolate dietético, o açúcar é substituído por uma substância adoçante (edulcorante), como aspartame ou sorbitol. Para manter a consistência do chocolate, ao tirar o açúcar é necessário aumentar a quantidade de massa de cacau, o que leva ao aumento no teor de Iipídios (gordura).


Fig. 6 - Bomba calorimétrica - A combustão se inicia com uma ignição elétrica. O calor liberado na combustão é proporcional à variação da temperatura da água contida no recipiente externo.

Um alimento diet é aquele de cuja composição original foi "retirada" alguma substância e que serve a dietas especiais com restrições, por exemplo, de açúcares, de gorduras, de sódio, de aminoácidos ou de proteínas. Não são, portanto, indicados para dietas hipocalóricas, embora alguns produtos dietéticos também apresentem um teor calórico reduzido.

Já os produtos light são permitidos pelo governo quando atributos dele, como a taxa de gordura ou de açúcar, forem comprovadamente reduzidos ou baixos. São, portanto, alimentos com redução de, no mínimo, 25%. de calorias ou de qualquer outro componente destinados a dietas com reduzidos teores calóricos (dietas hipocaIóricas).




A química dos alimentos

É comum ouvirmos dizer que nosso corpo "queima carboidratos", que ocorre através de uma seqüência de reações, que liberam energia em quantidades adequadas às nossas necessidades. Para discutir a conversão dos alimentos em energia, utiliza-se o termo metabolismo.

Os carboidratos, também conhecidos como glicídios ou hidratos de carbono, são a principal fonte de energia do corpo humano. Eles podem ser encontrados em pães, biscoitos, cereais, macarrão, arroz, grãos, frutas, açúcar, mel e alimentos que contenham açúcar. No nosso organismo, tais substâncias são convertidas em glicose, que se dissolve na corrente sangüínea e pode ser transportada até às células, onde ocorre a respiração celular: C6H12O6 + 6 O2 à 6 CO2 + 6 H2O + energia

A respiração celular permite que as células obtenham energia a partir de oxigênio e de nutrientes apropriados. Quando a alimentação de um indivíduo não contém carboidratos em quantidade suficiente para suprir as necessidades de seu corpo, as células podem usar os aminoácidos provenientes da quebra de proteínas, ou então os ácidos graxos e glicerina, produtos da hidrólise de gorduras como fonte de energia.

As proteínas são polímeros de aminoácidos (polipeptídeos), encontradas em alimentos como feijão, carne, leite, peixe e ovos. Após ingestão, as proteínas são hidrolisadas em aminoácidos essenciais, dos quais parte é rearranjada nas diversas proteínas que constituem o organismo e parte é metabolizada pelo organismo para produzir energia. A conversão de aminoácidos resulta em dióxido de carbono (eliminado pela respiração), água (presente no suor e na urina) e uréia (presente na urina). Contudo, como nosso corpo é constituído principalmente de proteínas, a via metabólica principal operante é a síntese de proteínas, a partir de aminoácidos essenciais.

As gorduras ou lipídios são triglicerídeos resultantes da reação de esterificação de ácidos graxas e glicerina.

Os Lipídios

Podem ser classificados como saturados ou insaturados, sendo que os primeiros estão associados a doenças cardiovasculares e arteriosclerose. Uma dieta saudável deve associar a ingestão adequada de carboidratos, proteínas e gorduras, além de vitaminas e minerais.
Até recentemente, a pirâmide alimentar (figura 7), apresentada oficialmente em 1992 pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA), era sugerida como um bom guia nutricional em muitos manuais sobre educação alimentar.
Em uma pirâmide alimentar, os alimentos presentes na base devem ser os mais consumidos e a base da dieta, enquanto que quanto mais no topo constar o alimento, menor a quantidade que deve ser ingerida na semana.
Fig. 7 - Pirâmide alimentar - Proposta pelo USDA (Departamento de Agricultura dos Estados Unidos) em 1992, tinha por objetivo transmitir a mensagem "gordura é ruim".
O guia recomendava que as pessoas evitassem gorduras e comessem alimentos ricos em carboidratos, como pães, cereais em flocos, arroz e massas, com o objetivo de reduzir o consumo total de gordura saturada que eleva o nível de colesterol. Contudo, alguns pesquisadores descobriram que o consumo elevado de carboidratos refinados, como o pão branco e o arroz branco, pode desequilibrar os níveis de glicose e insulina do corpo. Mais ainda, nas sociedades em que as pessoas consomem uma quantidade relativamente grande de gorduras mono e poli-insaturadas, os índices de desenvolvimento de doenças cardíacas são, em geral, mais baixos. Substituir esses carboidratos por gorduras saudáveis, como os óleos de oliva ou de milho, por exemplo, reduz o risco de desenvolvimento de doença cardíaca.

Recentemente, um novo guia da pirâmide alimentar foi sugerido por pesquisadores do Departamento de Nutrição da Escola de Saúde Pública da Universidade de Harvard. A nova pirâmide incentiva o consumo de gorduras saudáveis e cereais integrais e recomenda que se evitem os carboidratos refinados, a manteiga e a carne vermelha (figura 8).
Fig. 8 - Nova pirâmide alimentar. Os autores propõem uma distinção entre tipos saudáveis e prejudiciais de gorduras e carboidratos.

Como os hábitos de consumo de lá são diferentes dos de cá, pesquisadores brasileiros montaram uma pirâmide alimentar adaptada à nossa realidade (figura 9).
Fig. 9 - Pirâmide alimentar adaptada para o Brasil. Pesquisadores incluíram alimentos típicos da mesa do brasileiro, como feijão e mandioca.

Outra grande novidade do novo guia de Harvard, mantida nas adaptações brasileiras é a recomendação da prática de exercícios físicos e o controle de peso. O objetivo é simples: atentar para as
necessidades diárias, evitando, assim, um problema que vem crescendo mundialmente, a obesidade.
A quantidade de energia diária, em kcal, necessária para os seres humanos depende da idade, do peso, da altura e do trabalho físico que realizam. Em geral, supondo níveis de atividade leves, a ingestão recomendada para um adolescente do sexo masculino de 15-18 anos é de, aproximadamente, 45 kcal/kg. Já as meninas de mesma faixa etária devem ingerir o equivalente a 40 kcal/kg.

Pelo princípio de conservação de energia, parte da energia ingerida através dos alimentos é utilizada para manter nossas atividades vitais (metabolismo basal) e parte para realizar trabalho (ler, assistir TV, andar, correr, nadar, etc). Se a energia proveniente da ingestão de alimentos é superior à energia gasta através do metabolismo basal e exercícios físicos, o corpo acumula o excesso em forma de lipídio (gordura). Acumular reservas energéticas na forma de Iipídios é bastante útil para os animais, pois os lipídios apresentam o maior poder calorífico, ou seja, mais energia é armazenada na mesma massa e quanto menor a massa, mais fácil a locomoção do animal. Além disso, o tecido adiposo tem função de isolar termicamente o animal.

A tabela ilustra os valores médios de energia consumida por uma pessoa de 70 kg ao realizar algumas atividades físicas.

Nível de atividade
Exemplo
Energia gasta por hora (kcal)
Muito suave
Sentar, escrever, assistir TV, dirigir o carro
60-150
Suave
Caminhar lentamente, esportes leves como golf
150-300
Moderado

Caminhar rapidamente, esportes moderados como: andar de bicicleta, dançar, jogar tênis
300-450

Forte
Trabalho pesado, nadar, correr, jogar futebol, basquete
450-720
Tab 4 - Valores médios de energia consumida por uma pessoa de 70 kg.(1997).


Obesidade: um problema do mundo globalizado

A obesidade é hoje um dos dez principais problemas de saúde pública do mundo, na avaliação da Organização Mundial da Saúde (OMS). Estima-se que existam 700 milhões de pessoas com sobrepeso - peso pouco além do considerado saudável - e outros 300 milhões de obesos, dos quais pelo menos um terço está nos países em desenvolvimento.

Entre os problemas gerados pelo excesso de peso são apontados maior propensão ao desenvolvimento da hipertensão e do diabetes tipo 2, que amplia o risco de problemas na circulação capazes de afetar o coração ou o cérebro.

O excesso de peso é mais visível nos países mais ricos e industrializados, como os Estados Unidos, a Inglaterra e a Alemanha, onde o número de obesos triplicou nos últimos 20 anos. Somente nos Estados Unidos - onde a disponibilidade diária per capita é de 3 800 kcal, 50% acima do recomendado pela OMS -, um terço da população adulta está com sobrepeso e outros 30% são obesos. Esse mal se expande também pelos países em desenvolvimento que aderem ao estilo de vida norte-americano, marcado pelo sedentarismo, refeições fartas e biscoitos em abundância, a qualquer hora, enfim, pelo consumo excessivo de alimentos ricos em açúcares e gorduras. Em conseqüência do fenômeno apelidado de. globesidade, nem os franceses, que sempre apreciaram seus corpos esbeltos, conseguem se manter na linha: por lá 11,3% da população já é obesa.
No Brasil, em pouco mais de 20 anos, de 1975 a 1997, o número de obesos pelo menos dobrou - são hoje quase 17 milhões de pessoas (9,6% da população) com índice de massa corpórea (IMC = massa / (altura)2) acima de 30.

Hoje, a obesidade supera os índices de desnutrição, e o perfil nutricional do brasileiro encontra-se numa fase de transição em que a desnutrição diminuiu e a obesidade aumentou, aproximando-se do quadro norte-americano.

O Ministério da Saúde criou uma política nacional de alimentação e nutrição que, entre outras medidas, tornou obrigatória a discriminação das calorias nos rótulos dos alimentos industrializados e obrigou as prefeituras a empregarem 70% do orçamento, destinado à alimentação de alunos do ensino público, na compra de alimentos frescos, como frutas e verduras.

Adaptado de: Zorzeto,R.; Bicudo, F. Revista Fapesp, p.32, n. 94, dez. 2003.

Dividida em grupos, a classe deve preparar seminários breves (10 a 15 minutos) sobre as seguintes questões:

1. Comparação entre a pirâmide alimentar apresentada pela USDA, no início da década de 90, com a atualmente proposta por especialistas da Universidade de Harvard e a adaptada para o Brasil, discutindo as principais diferenças entre elas.

2. Pesquisa sobre a composição dos alimentos normalmente ingeridos pelos estudantes da série ou da escola. Elaboração de uma tabela contendo o valor energético, em kcal, por porção consumida dos alimentos mais consumidos durante as refeições.

3. Comparação da alimentação dos alunos da escola ou da série com as sugestões da atual pirâmide, discutindo possíveis modificações, de forma a tornar a dieta mais saudável.

4. Proposta para uma dieta saudável, a ser executada durante uma semana pela classe.

Os temas devem ser escolhidos com duas semanas de antecedência, tempo suficiente para elaboração da pesquisa e de um texto, o qual deve ser entregue ao professor no dia da apresentação. Os textos entregues podem ser editados e transformados em uma revista (ou um vídeo!) sobre nutrição, produto de um trabalho da série, cujo lançamento pode ser marcado por um almoço oferecido pelos alunos aos coordenadores e professores na cantina da escola.

E aí moçada, agora começou aí vai alguns esquemas de estudo!

Esquema de estudo – 2° Ano - Cap. 1 – Química – Profa Ana Paula (a partir da pág. 16)

Fórmulas das substâncias iônicas

No experimento demonstrativo utilizamos o cloreto de sódio (sal de cozinha). Ele é formado por cátions de sódio, Na+, e ânions de cloro, Cl-, chamado cloreto. O número de cátions é igual ao número de ânions. A sua fórmula não representa uma molécula de cloreto de sódio, mesmo porque a molécula não existe. A fórmula representa uma proporção entre os íons positivos e os negativos. Numa substância iônica, a fórmula sempre representa a proporção mínima entre os íons.

Exemplo: a) Qual é a fórmula da substância formada pelo ânion cloreto, CI-, e o cátion potássio, K+?
R: KCI, pois os dois íons têm uma carga apenas.

b) Qual é a fórmula da substância formada pelos íons cloreto, CI- e cálcio, Ca2+?
R: CaCI2, nesse caso são necessários dois cloretos para cada cálcio, pois o cálcio, Ca2+, tem duas cargas positivas e, para neutralizá-Ias, são necessárias duas cargas negativas, dois CI-.

c) Qual é a fórmula da substância formada pelos íons Ca2+ e S2-?
R: CaS, como as cargas são iguais, a proporção é de 1 :1.

Você já deve ter percebido que há uma ordem na escrita da fórmula da substância iônica: primeiro escreve-se o símbolo do cátion e, em seguida, o símbolo do ânion. É NaCI e não CINa.

Nomenclatura

O nome das substâncias iônicas segue regra diversa: escreve-se primeiro o nome do ânion seguido de um de e, depois, o nome do cátion.

Exemplo: a) NaCI chama-se cloreto de sódio.
b) CaCI2 chama-se cloreto de cálcio.

A tabela abaixo apresenta os símbolos e as cargas dos principais íons (cátions e ânions) encontrados na natureza.
Os nomes dos cátions simples (um só elemento) recebem o nome do próprio elemento.
Exemplo: a) cátion estrôncio é Sr2+. b) cátion zinco é Zn2+.

Quando o elemento apresentar mais do que um cátion, seus nomes devem ser acrescidos de um algarismo romano entre parênteses, que indica a carga.
Exemplo: cátion ferro (II) é o Fe2+ b) cátion ferro (III) é o Fe3+.

Os nomes dos ânions simples são formados pelo radical do nome do elemento, acrescido de um sufixo eto. Exemplo: a) cloreto significa CI-. b) sulfeto (S2-) c) fosfeto (P3-) d) óxido (O2-)

Exercícios pág. 18
Fórmulas das substâncias iônicas com íons poliatômicos

Os ânions poliatômicos mais comuns resultam da combinação de um elemento ametal com o oxigênio.

Exemplo: a) O SO32-, o sulfito, é um agregado de quatro átomos: um de enxofre e três de oxigênio, e os quatro átomos unidos têm dois elétrons a mais. Portanto, um ânion sulfito tem no total 40 prótons: 16 do enxofre e 24 dos três oxigênios, e 42 elétrons.
Temos também o SO42-, o sulfato. Note que, nos ânions compostos pelo oxigênio e outro ametal, o ânion que tem menor número de oxigênios recebe o sufixo ito, e o ânion com maior número de oxigênios o sufixo ato.

b) nitrato, N03-, e o nitrito, N02-.

No caso de haver vários ânions comuns oxigenados do mesmo elemento, usam-se os prefixos hipo ou per. Exemplo: CIO- , ClO2- ' CIO3- , CIO4-, todos os quatro ânions contêm cloro e oxigênio. Neste caso, o ClO2- é chamado de clorito e o CIO- é o hipoclorito, com o prefixo hipo indicando "antes do clorito". ° CIO3- é o clorato e o CIO4- é o perclorato, com o prefixo per indicando "após o clorato".


Para se escrever a fórmula de uma substância iônica com íons poliatômicos, são necessários alguns cuidados.
Exemplo: a) sulfeto de amônia à amônia (NH4+) e sulfeto (S2-) à (NH4)2S

b) sulfato de alumínio à alumínio (Al3+) e sulfato (SO42-) à Al2(SO4)3

Toda vez que for preciso indicar um número subscrito maior do que um, para indicar a proporção de íons poliatômicos na fórmula de uma substância iônica. utiliza-se o recurso dos parênteses.


Exercícios pág. 19

Tabelas dos principais íons (cátions e ânions)










Estrutura de cristais

Cada sólido cristalino tem uma estrutura própria. A forma geométrica do cristal depende diretamente da organização de suas partículas.
Fig. 7 pág. 20 - Compare as formas dos cristais de neve com a estrutura do gelo.

Cristais iônicos

No caso de cristais iônicos, as estruturas dependem das proporções entre os íons, no NaCI, as proporções são 1:1, pois têm cargas iguais. Isso não significa que eles tenham estruturas iguais, pois há outros fatores que influenciam, os raios dos íons, por exemplo.

No cloreto de sódio, NaCI, o cloreto é um ânion bem maior do que o cátion de sódío:

Raio iônico do cloreto = 1,81.10-10 m = 18,1 nm.
Raio iônico do sódio = 0,97*.10-10 m = 9,7* nm.

A estrutura cristalina é cúbica e cada cátion é rodeado por seis ânions e cada ânion é rodeado por seis cátions. Veja a Fig. 8 pág. 20.

Como se determina a estrutura de um sólido cristalino? Como se determina a distância entre dois íons? Como se determina o ângulo entre as ligações dos átomos?

Em 1912, Max von Laue (1879-1960) descobriu que sólidos cristalinos provocavam difrações em raios X. Pouco tempo depois, dois cientistas ingleses, pai e filho, William H. Bragg (1862-1942) e Lawrence Bragg (1890-1971) deram início à cristalografia, ciência que estuda as estruturas dos cristais, usando as difrações dos raios X para colher informações que possibilitam a determinação das distâncias, dos planos de alinhamentos dos átomos, íons ou moléculas de uma estrutura cristalina.
Para "enxergar" essas distâncias e esses alinhamentos, coloca-se um cristal na trajetória dos raios X. O feixe de raios, após atravessar o cristal, é projetado em uma chapa sensível aos raios X.
Na chapa, aparecem pontos regularmente distribuídos que recebem um tratamento geométrico espacial bastante sofisticado que possibilita a interpretação da estrutura cristalina daquele cristal.
Observar a fig. 10 da pág. 21

Fusão de uma substância iônica
As moléculas não são capazes de transportar a carga elétrica; elas não têm carga elétrica como os íons e, assim, não são atraídas pelos eletrodos; portanto, não são orientadas no seu movimento.
Na substância iônica, ocorre a "separação” dos íons na fusão, como representada na Figura 12 A idéia de separação não se refere à distância entre os íons, mas sim à aquisição de movimentos independentes dos cátions e dos ânions. Dá-se o nome de dissociação iônica a esta separação.
Representa-se a dissociação iônica com equações do seguinte modo:

Dissociação iônica do cloreto de sódio: Dissociação iônica do cloreto de cálcio:
NaCI(s) à Na+(I) + Cl-(I) CaCI2(s) à Ca2+ (I) + 2 CI-(I)

Dissociação iônica do hidróxido de sódio: Dissociação iônica do sulfato de alumínio:
NaOH(s) à Na+(l) + OH-(I) AI2(S04)3(s) à 2 AI3+(I) + 3 SO42- (I)

Como a água é capaz de dissolver uma substância iônica

Uma substancia iônica é formado por cátions e ânions. Cada cátion é rodeado por vários ânions, e vice-versa. Os íons se mantêm unidos pelas forças de atração entre os cátions e os ânions, que superam as forças de repulsão dos cátions entre si e dos ânions entre si.
Fig. 13

Para dissolver, o solvente tem com os íons uma forte interação , que deve ser suficiente para separar os cátions dos ânions e mantê-Ios separados, formando novas ligações com as moléculas do solvente.
A água é uma substância molecular, contudo, suas moléculas apresentam uma polaridade. Numa mesma molécula, um lado dela é mais positivo, e o outro lado é mais negativo.

Fig 14 - A molécula da água é polar. Sua geometria não-linear já foi verificada por difração de raios X.

A molécula da água interage com os cátions com o seu lado negativo e com os ânions com o seu lado positivo. O esquema abaixo ilustra uma dissolução aquosa de uma substância iônica.
Fig 15 - A água interage com os ânions com o seu pólo positivo e com os cátions com o pólo negativo.

Após separar os cátions dos ânions e vice-versa, a água os mantém separados, pois os rodeia. Nas substâncias iônicas, a dissolução em água também é uma dissociação. Usa-se também uma equação que representa a dissociação iônica por dissolução aquosa. Veja o exemplo:

Dissociação do cloreto de cálcio por dissolução em água: CaCI2(s) à Ca2+ (aq) + 2 CI- (aq).

Na equação, escreve-se entre parênteses, ao lado direito do símbolo das partículas iônicas dissociadas, na mesma linha, aq, indicando solução aquosa, informando que a água é a responsável pela dissociação. Exercícios
Nem toda substância iônica sofre dissociação em água

Há substâncias iônicas que são pouco solúveis em água. Admite-se, nesses casos, que as forças de atração entre os seus íons sejam mais fortes do que as forças de interação com as moléculas polares da água. Algumas dessas substâncias são solúveis em soluções ácidas ou em soluções básicas, porém são insolúveis em água. Abaixo, segue uma tabela de solubilidade das substâncias iônicas (aproximação).
Toda substância iônica que se dissolve em água provoca condutibilidade elétrica. Por essa razão, as águas de rios, lagos, da torneira, do mar conduzem corrente elétrica. Praticamente toda a água que encontramos na natureza é provida de íons dos mais diversos. Observe o rótulo dessa água mineral natural.

Fig.16; pág. 26 (Exemplo: cloretoà 0,17 mg/L)

Experimento de demonstração
A água e a atração elétrica

Material: torneira com água e balão de borracha (bexiga)
Procedimento:
Ø Atrite nos cabelos um balão de borracha (bexiga) com ar dentro, não precisa estar muito cheio.
Ø Abra a torneira com água de modo a escoar um filete fino e contínuo de água.
Ø Aproxime o balão do filete de água, sem encostar na água e observe.
Conclusão e discussão:
A curvatura no filete de água que ocorre ao aproximar-se o balão de borracha eletrizado é mais um indício da polaridade da água. Para que a água desvie seu curso, é necessário que ela seja atraída pelas cargas elétricas do balão eletrizado.
Fig. 17 - A água polarizada é atraída pelo campo elétrico criado pelo balão eletrizado.
A dissolução de substâncias moleculares em água

As substâncias moleculares, ao ser adicionadas à água, apresentam propriedades diferentes que dependem de sua composição molecular. As diferentes propriedades são:
Ø Substâncias moleculares que não se dissolvem em água.
Ø Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução não-condutora de eletricidade.
Ø Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução condutora de eletricidade.

Substâncias moleculares que não se dissolvem em água
As gorduras, por exemplo, são constituídas de substâncias moleculares que não se dissolvem em água. As substâncias dos derivados de petróleo também não se dissolvem em água. As moléculas dessas substâncias que não se dissolvem em água são, em geral, moléculas grandes e apolares. As interações entre as moléculas da água e as moléculas grandes e apolares dessas substâncias são fracas. São muito menores do que as interações das moléculas apolares entre si.

Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução não-condutora de eletricidade
Ao dissolver a substância, a água separa as moléculas da substância sem alterá-Ias. Estas interagem com as moléculas da água com uma atração equivalente às forças com que as próprias moléculas da substância dissolvida se atraem, formando uma solução só de moléculas, moléculas de água e moléculas da substância dissolvida.
Exemplo: álcool etílico, etanol, C2H5OH, o álcool de cana. É infinitamente solúvel em água. A solução aquosa praticamente não conduz corrente elétrica; é, portanto, uma solução molecular, constituída por moléculas de água e moléculas de álcool etílico. Essas substâncias que se dissolvem em água, formando uma solução aquosa molecular não-condutora de eletricidade, têm, em geral, moléculas menores e polares.

Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução condutora de eletricidade
Algumas substâncias moleculares têm um comportamento bem característico ao ser dissolvidas em água. Elas são moleculares, afinal, puras, no estado líquido, não são condutoras, porém, ao serem dissolvidas em água, que também é molecular, formam uma solução condutora.
Como explicar isso?
Quando se dissolve uma substância molecular, as interações entre as moléculas de água com as moléculas da substância dissolvida podem ser muito fortes. Dependendo dessa forte interação, pode ocorrer, além da dissolução molecular, uma ionização das moléculas da substância dissolvida.
Vejamos um exemplo: o ácido acético glacial, ácido acético puro (H3CCOOH), é molecular, não conduz corrente elétrica. Porém, ao se adicionar água ao mesmo, ele passa a conduzir corrente elétrica.
O que ocorre?
Ao se dissolver o ácido acético, além da dissolução molecular, ocorre a ionização de suas moléculas: a água consegue quebrar a molécula do ácido acético, segundo a equação:

H3CCOOH (l) à H3CCOO- (aq) + H+ (aq)

Os íons, cátion de hidrogênio, H+, e o ânion, acetato, H3CCOO-, são os transportadores de carga elétrica na solução condutora.
Fig. 18 - Modelo da ionização do ácido acético em água.

Então, uma solução aquosa de ácido acético é constituída de quatro tipos de partículas: moléculas de água, moléculas de ácido acético, cátions de hidrogênio e ânions de acetato. A ionização ocorre com substâncias moleculares, cujas moléculas são pequenas e muito polares. As interações com a água são tão intensas que as moléculas chegam a se quebrar em íons formando soluções condutoras.
Esquema de estudo – 2° Ano - Cap. 1 – Química – Profa Ana Paula (a partir da pág. 16)

Fórmulas das substâncias iônicas

No experimento demonstrativo utilizamos o cloreto de sódio (sal de cozinha). Ele é formado por cátions de sódio, Na+, e ânions de cloro, Cl-, chamado cloreto. O número de cátions é igual ao número de ânions. A sua fórmula não representa uma molécula de cloreto de sódio, mesmo porque a molécula não existe. A fórmula representa uma proporção entre os íons positivos e os negativos. Numa substância iônica, a fórmula sempre representa a proporção mínima entre os íons.

Exemplo: a) Qual é a fórmula da substância formada pelo ânion cloreto, CI-, e o cátion potássio, K+?
R: KCI, pois os dois íons têm uma carga apenas.

b) Qual é a fórmula da substância formada pelos íons cloreto, CI- e cálcio, Ca2+?
R: CaCI2, nesse caso são necessários dois cloretos para cada cálcio, pois o cálcio, Ca2+, tem duas cargas positivas e, para neutralizá-Ias, são necessárias duas cargas negativas, dois CI-.

c) Qual é a fórmula da substância formada pelos íons Ca2+ e S2-?
R: CaS, como as cargas são iguais, a proporção é de 1 :1.

Você já deve ter percebido que há uma ordem na escrita da fórmula da substância iônica: primeiro escreve-se o símbolo do cátion e, em seguida, o símbolo do ânion. É NaCI e não CINa.

Nomenclatura

O nome das substâncias iônicas segue regra diversa: escreve-se primeiro o nome do ânion seguido de um de e, depois, o nome do cátion.

Exemplo: a) NaCI chama-se cloreto de sódio.
b) CaCI2 chama-se cloreto de cálcio.

A tabela abaixo apresenta os símbolos e as cargas dos principais íons (cátions e ânions) encontrados na natureza.
Os nomes dos cátions simples (um só elemento) recebem o nome do próprio elemento.
Exemplo: a) cátion estrôncio é Sr2+. b) cátion zinco é Zn2+.

Quando o elemento apresentar mais do que um cátion, seus nomes devem ser acrescidos de um algarismo romano entre parênteses, que indica a carga.
Exemplo: cátion ferro (II) é o Fe2+ b) cátion ferro (III) é o Fe3+.

Os nomes dos ânions simples são formados pelo radical do nome do elemento, acrescido de um sufixo eto. Exemplo: a) cloreto significa CI-. b) sulfeto (S2-) c) fosfeto (P3-) d) óxido (O2-)

Exercícios pág. 18
Fórmulas das substâncias iônicas com íons poliatômicos

Os ânions poliatômicos mais comuns resultam da combinação de um elemento ametal com o oxigênio.

Exemplo: a) O SO32-, o sulfito, é um agregado de quatro átomos: um de enxofre e três de oxigênio, e os quatro átomos unidos têm dois elétrons a mais. Portanto, um ânion sulfito tem no total 40 prótons: 16 do enxofre e 24 dos três oxigênios, e 42 elétrons.
Temos também o SO42-, o sulfato. Note que, nos ânions compostos pelo oxigênio e outro ametal, o ânion que tem menor número de oxigênios recebe o sufixo ito, e o ânion com maior número de oxigênios o sufixo ato.

b) nitrato, N03-, e o nitrito, N02-.

No caso de haver vários ânions comuns oxigenados do mesmo elemento, usam-se os prefixos hipo ou per. Exemplo: CIO- , ClO2- ' CIO3- , CIO4-, todos os quatro ânions contêm cloro e oxigênio. Neste caso, o ClO2- é chamado de clorito e o CIO- é o hipoclorito, com o prefixo hipo indicando "antes do clorito". ° CIO3- é o clorato e o CIO4- é o perclorato, com o prefixo per indicando "após o clorato".


Para se escrever a fórmula de uma substância iônica com íons poliatômicos, são necessários alguns cuidados.
Exemplo: a) sulfeto de amônia à amônia (NH4+) e sulfeto (S2-) à (NH4)2S

b) sulfato de alumínio à alumínio (Al3+) e sulfato (SO42-) à Al2(SO4)3

Toda vez que for preciso indicar um número subscrito maior do que um, para indicar a proporção de íons poliatômicos na fórmula de uma substância iônica. utiliza-se o recurso dos parênteses.


Exercícios pág. 19

Tabelas dos principais íons (cátions e ânions)










Estrutura de cristais

Cada sólido cristalino tem uma estrutura própria. A forma geométrica do cristal depende diretamente da organização de suas partículas.
Fig. 7 pág. 20 - Compare as formas dos cristais de neve com a estrutura do gelo.

Cristais iônicos

No caso de cristais iônicos, as estruturas dependem das proporções entre os íons, no NaCI, as proporções são 1:1, pois têm cargas iguais. Isso não significa que eles tenham estruturas iguais, pois há outros fatores que influenciam, os raios dos íons, por exemplo.

No cloreto de sódio, NaCI, o cloreto é um ânion bem maior do que o cátion de sódío:

Raio iônico do cloreto = 1,81.10-10 m = 18,1 nm.
Raio iônico do sódio = 0,97*.10-10 m = 9,7* nm.

A estrutura cristalina é cúbica e cada cátion é rodeado por seis ânions e cada ânion é rodeado por seis cátions. Veja a Fig. 8 pág. 20.

Como se determina a estrutura de um sólido cristalino? Como se determina a distância entre dois íons? Como se determina o ângulo entre as ligações dos átomos?

Em 1912, Max von Laue (1879-1960) descobriu que sólidos cristalinos provocavam difrações em raios X. Pouco tempo depois, dois cientistas ingleses, pai e filho, William H. Bragg (1862-1942) e Lawrence Bragg (1890-1971) deram início à cristalografia, ciência que estuda as estruturas dos cristais, usando as difrações dos raios X para colher informações que possibilitam a determinação das distâncias, dos planos de alinhamentos dos átomos, íons ou moléculas de uma estrutura cristalina.
Para "enxergar" essas distâncias e esses alinhamentos, coloca-se um cristal na trajetória dos raios X. O feixe de raios, após atravessar o cristal, é projetado em uma chapa sensível aos raios X.
Na chapa, aparecem pontos regularmente distribuídos que recebem um tratamento geométrico espacial bastante sofisticado que possibilita a interpretação da estrutura cristalina daquele cristal.
Observar a fig. 10 da pág. 21

Fusão de uma substância iônica
As moléculas não são capazes de transportar a carga elétrica; elas não têm carga elétrica como os íons e, assim, não são atraídas pelos eletrodos; portanto, não são orientadas no seu movimento.
Na substância iônica, ocorre a "separação” dos íons na fusão, como representada na Figura 12 A idéia de separação não se refere à distância entre os íons, mas sim à aquisição de movimentos independentes dos cátions e dos ânions. Dá-se o nome de dissociação iônica a esta separação.
Representa-se a dissociação iônica com equações do seguinte modo:

Dissociação iônica do cloreto de sódio: Dissociação iônica do cloreto de cálcio:
NaCI(s) à Na+(I) + Cl-(I) CaCI2(s) à Ca2+ (I) + 2 CI-(I)

Dissociação iônica do hidróxido de sódio: Dissociação iônica do sulfato de alumínio:
NaOH(s) à Na+(l) + OH-(I) AI2(S04)3(s) à 2 AI3+(I) + 3 SO42- (I)

Como a água é capaz de dissolver uma substância iônica

Uma substancia iônica é formado por cátions e ânions. Cada cátion é rodeado por vários ânions, e vice-versa. Os íons se mantêm unidos pelas forças de atração entre os cátions e os ânions, que superam as forças de repulsão dos cátions entre si e dos ânions entre si.
Fig. 13

Para dissolver, o solvente tem com os íons uma forte interação , que deve ser suficiente para separar os cátions dos ânions e mantê-Ios separados, formando novas ligações com as moléculas do solvente.
A água é uma substância molecular, contudo, suas moléculas apresentam uma polaridade. Numa mesma molécula, um lado dela é mais positivo, e o outro lado é mais negativo.

Fig 14 - A molécula da água é polar. Sua geometria não-linear já foi verificada por difração de raios X.

A molécula da água interage com os cátions com o seu lado negativo e com os ânions com o seu lado positivo. O esquema abaixo ilustra uma dissolução aquosa de uma substância iônica.
Fig 15 - A água interage com os ânions com o seu pólo positivo e com os cátions com o pólo negativo.

Após separar os cátions dos ânions e vice-versa, a água os mantém separados, pois os rodeia. Nas substâncias iônicas, a dissolução em água também é uma dissociação. Usa-se também uma equação que representa a dissociação iônica por dissolução aquosa. Veja o exemplo:

Dissociação do cloreto de cálcio por dissolução em água: CaCI2(s) à Ca2+ (aq) + 2 CI- (aq).

Na equação, escreve-se entre parênteses, ao lado direito do símbolo das partículas iônicas dissociadas, na mesma linha, aq, indicando solução aquosa, informando que a água é a responsável pela dissociação. Exercícios
Nem toda substância iônica sofre dissociação em água

Há substâncias iônicas que são pouco solúveis em água. Admite-se, nesses casos, que as forças de atração entre os seus íons sejam mais fortes do que as forças de interação com as moléculas polares da água. Algumas dessas substâncias são solúveis em soluções ácidas ou em soluções básicas, porém são insolúveis em água. Abaixo, segue uma tabela de solubilidade das substâncias iônicas (aproximação).
Toda substância iônica que se dissolve em água provoca condutibilidade elétrica. Por essa razão, as águas de rios, lagos, da torneira, do mar conduzem corrente elétrica. Praticamente toda a água que encontramos na natureza é provida de íons dos mais diversos. Observe o rótulo dessa água mineral natural.

Fig.16; pág. 26 (Exemplo: cloretoà 0,17 mg/L)

Experimento de demonstração
A água e a atração elétrica

Material: torneira com água e balão de borracha (bexiga)
Procedimento:
Ø Atrite nos cabelos um balão de borracha (bexiga) com ar dentro, não precisa estar muito cheio.
Ø Abra a torneira com água de modo a escoar um filete fino e contínuo de água.
Ø Aproxime o balão do filete de água, sem encostar na água e observe.
Conclusão e discussão:
A curvatura no filete de água que ocorre ao aproximar-se o balão de borracha eletrizado é mais um indício da polaridade da água. Para que a água desvie seu curso, é necessário que ela seja atraída pelas cargas elétricas do balão eletrizado.
Fig. 17 - A água polarizada é atraída pelo campo elétrico criado pelo balão eletrizado.
A dissolução de substâncias moleculares em água

As substâncias moleculares, ao ser adicionadas à água, apresentam propriedades diferentes que dependem de sua composição molecular. As diferentes propriedades são:
Ø Substâncias moleculares que não se dissolvem em água.
Ø Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução não-condutora de eletricidade.
Ø Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução condutora de eletricidade.

Substâncias moleculares que não se dissolvem em água
As gorduras, por exemplo, são constituídas de substâncias moleculares que não se dissolvem em água. As substâncias dos derivados de petróleo também não se dissolvem em água. As moléculas dessas substâncias que não se dissolvem em água são, em geral, moléculas grandes e apolares. As interações entre as moléculas da água e as moléculas grandes e apolares dessas substâncias são fracas. São muito menores do que as interações das moléculas apolares entre si.

Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução não-condutora de eletricidade
Ao dissolver a substância, a água separa as moléculas da substância sem alterá-Ias. Estas interagem com as moléculas da água com uma atração equivalente às forças com que as próprias moléculas da substância dissolvida se atraem, formando uma solução só de moléculas, moléculas de água e moléculas da substância dissolvida.
Exemplo: álcool etílico, etanol, C2H5OH, o álcool de cana. É infinitamente solúvel em água. A solução aquosa praticamente não conduz corrente elétrica; é, portanto, uma solução molecular, constituída por moléculas de água e moléculas de álcool etílico. Essas substâncias que se dissolvem em água, formando uma solução aquosa molecular não-condutora de eletricidade, têm, em geral, moléculas menores e polares.

Substâncias moleculares que se dissolvem em água e formam uma solução condutora de eletricidade
Algumas substâncias moleculares têm um comportamento bem característico ao ser dissolvidas em água. Elas são moleculares, afinal, puras, no estado líquido, não são condutoras, porém, ao serem dissolvidas em água, que também é molecular, formam uma solução condutora.
Como explicar isso?
Quando se dissolve uma substância molecular, as interações entre as moléculas de água com as moléculas da substância dissolvida podem ser muito fortes. Dependendo dessa forte interação, pode ocorrer, além da dissolução molecular, uma ionização das moléculas da substância dissolvida.
Vejamos um exemplo: o ácido acético glacial, ácido acético puro (H3CCOOH), é molecular, não conduz corrente elétrica. Porém, ao se adicionar água ao mesmo, ele passa a conduzir corrente elétrica.
O que ocorre?
Ao se dissolver o ácido acético, além da dissolução molecular, ocorre a ionização de suas moléculas: a água consegue quebrar a molécula do ácido acético, segundo a equação:

H3CCOOH (l) à H3CCOO- (aq) + H+ (aq)

Os íons, cátion de hidrogênio, H+, e o ânion, acetato, H3CCOO-, são os transportadores de carga elétrica na solução condutora.
Fig. 18 - Modelo da ionização do ácido acético em água.

Então, uma solução aquosa de ácido acético é constituída de quatro tipos de partículas: moléculas de água, moléculas de ácido acético, cátions de hidrogênio e ânions de acetato. A ionização ocorre com substâncias moleculares, cujas moléculas são pequenas e muito polares. As interações com a água são tão intensas que as moléculas chegam a se quebrar em íons formando soluções condutoras.
Esquema de estudo – 1° Ano - Cap. 1 – Química – Profa Ana Paula(a partir da pág. 16)

Como prever em qual estado físico encontra-se uma substância, a certa temperatura?


A temperatura de ebulição e o estado físico da substância

A uma temperatura acima da temperatura de ebulição, a substância estará no estado gasoso. A uma temperatura abaixo da temperatura de ebulição, essa mesma substância estará líquida ou sólida.
Exemplo:
1. Qual é o estado físico da água a 130°C?
2. Qual é o estado físico do ferro na superfície do sol a 3 000 °C?

Temperatura de liquefação

Será que a temperatura de liquefação de uma substância é igual à temperatura de ebulição?
R: Toda substância se liquefaz à mesma temperatura em que ferve. A temperatura de liquefação de uma substância é outra propriedade característica das substâncias.


Temperatura de fusão e o estado físico de uma substância

Uma substância acondicionada a uma temperatura abaixo da sua temperatura de fusão se encontra no estado sólido. Essa mesma substância, a uma temperatura acima da sua temperatura de fusão, encontra-se no estado líquido ou gasoso, dependendo da temperatura em que a substância estiver ser maior ou não do que a sua temperatura de ebulição.

Temperatura de solidificação

Será que a temperatura de fusão de uma substância é igual à temperatura de solidificação?
R: Toda substância se fundi à mesma temperatura em que solidifica.


Resumindo: para prever em qual estado físico uma substância é encontrada, precisamos comparar a temperatura do local onde a substância se situa com suas temperaturas de fusão e de ebulição.

ü Se a temperatura em que a substância estiver for menor do que sua temperatura de fusão, ela estará no estado sólido.
ü Se a temperatura em que a substância estiver for maior do que sua temperatura de ebulição, ela estará no estado gasoso.
ü Se a temperatura em que a substância estiver for maior do que a sua temperatura de fusão, porém menor do que a sua temperatura de ebulição, ela se encontrará no estado líquido.

Obs: a) a fusão e a ebulição são processos endotérmicos, isto é, necessita de receber energia do ambiente para ocorrer.
b) a liquefação e a solidificação são exotérmicos, ou seja, a energia é liberada no decorrer do processo.
c) A pressão influi na temperatura de fusão e de ebulição de uma substância. Por essa razão, a tabela de temperatura de fusão e de ebulição das substâncias indica sempre a pressão em que a medida foi realizada, em geral em ambiente ao nível do mar a uma atmosfera (1 atm).
d) um exemplo da influencia da pressão é a utilização da “panela de pressão” para cozinhar os alimentos mais rapidamente (pág. 21).


Exercícios



Estados físicos e a matéria

São três os estados físicos da matéria: sólido, líquido e gasoso. As substâncias podem ser encontradas nos três estados físicos dependendo da temperatura e da pressão a que estão submetidas.O ferro é sólido em qualquer região da superfície do planeta; porém, se aquecido acima de sua temperatura de fusão (1 535°C), se liquefaz. O gás butano, que é usado nos isqueiros, torna-se líquido se resfriado e pressionado. Assim que escapa da alta pressão de dentro do cilindro, ele se vaporiza, voltando ao estado gasoso.
Alguns materiais parecem não ser sólidos nem líquidos, nem gasosos, porém a maior parte desses materiais são misturas de substâncias em mais de um estado.
Por exemplo: leite é uma mistura de água com gorduras (não dissolvidas na água, estado líquido), lactose (dissolvida na água), proteínas (estado sólido), sais minerais (dissolvidos no líquido) e outras substâncias.

Características gerais dos três estados físicos

Sólido
Líquido
Gás
Forma
Definida
Variável
Variável
Volume
Praticamente invariável
Praticamente invariável
Muito variável
Compressibilidade
Quase nenhuma
Pouca
Grande
Dilatação térmica
Pequena
Pequena
Grande
Quadro 1 - Resumo das características gerais dos estados físicos.

O estado líquido e as partículas

Ao se observar um líquido este se apresenta por igual, com a mesma aparência. Essa continuidade também é notada quando se observa uma porção de água utilizando-se um microscópio de maior poder de resolução até hoje existente. Porém, você já deve ter lido ou ouvido falar que a água é formada por partículas chamadas de moléculas. Onde estão as moléculas?
As moléculas não são vistas nem com o uso de microscópios de altíssimo poder de resolução. As moléculas fazem parte da Teoria Atômico-Molecular, (um conjunto de idéias que explicam as propriedades e transformações que ocorrem com a matéria, mesmo que as moléculas não possam ser vistas a olho nu).
Obs: microscópios de maior poder de resolução conseguem imagens de partículas de 10-6 cm e uma molécula de água tem uma dimensão de 10-8 cm.
Uma característica do estado líquido é não ter uma forma definida. Como isso pode ser explicado considerando-se a substância no estado líquido formada de partículas?
Admite-se que as partículas no estado líquido estejam próximas umas das outras; porém, elas se movimentam, isto é, elas não estão fixas, e não há uma organização entre elas. Quanto maior a temperatura do líquido, maior é a movimentação das partículas. Assim, a energia tem o papel de aumentar a agitação das partículas, mantendo praticamente as mesmas distâncias umas das outras.

O estado sólido e as partículas

Uma característica do estado sólido é ter uma forma definida. Como isso pode ser explicado considerando-se a substância no estado sólido formada de partículas?
Admite-se que as partículas no estado sólido estejam próximas umas das outras; porém, diferentemente do líquido em que as partículas se movimentam, umas em relação às outras, elas estão "paradas", organizadas, formando um bloco mais "rígido" com uma forma definida. No estado sólido, o movimento é principalmente de vibração; há quase nenhum movimento de translação, e quanto maior a temperatura, maior é esse movimento de vibração.

O estado gasoso e as partículas

Os gases não têm forma nem volume definidos. Como o estado gasoso pode ser entendido com o modelo de partículas? Admite-se que as partículas no estado gasoso tenham muito movimento de translação e de rotação e estejam muito distantes umas das outras.

Ver fig. 6 pág. 32
Analisando e interpretando os gráficos das mudanças de estado físico

Durante o aquecimento da água no estado sólido, a energia provoca a mudança de temperatura, que vai aumentando até atingir a temperatura de fusão. Porém, durante a fusão, a temperatura permanece constante até que toda a água se funda. Durante o aquecimento no estado líquido, a temperatura se eleva gradativamente; mas, ao atingir a temperatura de ebulição, a temperatura se estabiliza: permanece a mesma durante toda a ebulição.
Gráfico 3 – Variações de temperatura durante as mudanças de estado físico da água.

Análise do gráfico da variação de temperatura de uma mistura durante as mudanças de estado

A principal diferença entre os gráficos de mudanças de estado de uma substância e de uma mistura está na variação ou não da temperatura durante as mudanças de estado. Enquanto a temperatura durante a mudança de estado de uma substância se estabiliza, a temperatura durante a mudança de estado de uma mistura varia.

As substâncias: suas temperaturas de fusão, de ebulição e as partículas

As substâncias têm uma temperatura de fusão e de ebulição; já as misturas não têm uma única temperatura de fusão nem de ebulição. Como explicar esses fatos com o modelo de partículas?
Para explicá-Ios, vamos admitir que as partículas de uma mesma substância sejam iguais; assim, elas se atraem com a mesma força e precisam, para a mudança de estado, atingir a mesma energia para se separarem na ebulição ou adquirirem movimento na fusão.
Assim, pode-se explicar, por exemplo, por que uma substância tem maior temperatura de fusão do que a outra pensando em maior atração entre as partículas de uma substância que tenha maior ponto de fusão. A idéia de que a energia provoca mudanças de estado e, conseqüentemente, promove o movimento das partículas permite comparar a atração entre as partículas (inobservável) comparando as temperaturas de fusão (observável).
Densidade de substâncias

Introdução: outra propriedade que permite identificar substâncias é a densidade. Para entender o que é densidade e como se utiliza esta propriedade para identificar substâncias, acompanhe os raciocínios a seguir.
1. Existem panelas feitas de alumínio, de aço inox e de cobre. Como diferenciar essas panelas?
2. É correto dizer que uma peça de alumínio é mais leve do que uma peça de ferro? Mesmo que elas sejam de tamanhos bem diferentes?
3. Você seria capaz de erguer uma estátua de alumínio de uma pessoa? E uma estátua de ferro?

Massa e volume

Massa e volume são grandezas fundamentais para o estudo da matéria. Afinal, matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço, ou seja, tem volume.

Massa: podemos considerar como uma medida da quantidade de determinado material. A determinação da massa ocorre por comparação da amostra com um padrão de massa conhecida. A unidade de massa recomendada pelos cientistas internacionalmente é o quilograma (kg).

1 quilograma (Kg)
equivale a
0,001 ton
1 000 g
1 000 000 mg

Volume: é a medida do espaço ocupado por um corpo. As unidades de volume são derivadas das unidades de distância. A unidade de distância recomendada pelo SI é o metro. Geralmente, usamos as unidades litro (L) e mililitro (mL), que são correspondentes a dm3 e cm3, respectivamente.

1 dm3 ou 1 L
equivale a
0,001 m3
1 000 mL

Comparando dois cubos iguais

Observe a figura:
Os dois cubos são idênticos em relação ao volume, porém suas massas são diferentes. Por que isto acontece?
Essa grandeza, que expressa qual é a massa de um corpo em certo volume desse corpo, é chamada de densidade, que indica qual é a massa que há em um certo volume do material. Em geral, a massa é expressa em gramas, e o volume, em centímetros cúbicos (g/cm3).
Matematicamente: onde: d é densidade, m é massa e V é volume

Portanto, a densidade é uma razão entre a massa e o volume de um corpo. Por exemplo, a densidade do alumínio é 2,7 g/cm3. Diz-se 2,7 gramas por centímetro cúbico.

Determinando a densidade de um sólido regular

Numa balança, determina-se a massa do sólido. O volume pode ser medido pelo deslocamento de um líquido dentro de uma proveta. Usando-se a fórmula, calcula-se a densidade dividindo a massa obtida na pesagem pelo volume lido no deslocamento do líquido (fig.10; pág. 38).
Obs: A densidade de um sólido depende da temperatura em que ele se encontra.

Substâncias
Densidade (g/cm3)
Alumínio
2,7
Ferro
7,86
Chumbo
11,3
Cobre
8,9
Ouro
19,3
Platina
21,5
Cloreto de sódio
2,17
Diamante
3,51

A tabela de densidades indica que a densidade do ouro é 19,3 g/cm3, isto é, cada cm3 de ouro tem uma massa de 19,3 g. Por isso, um objeto de ouro é muito pesado. A platina tem uma densidade maior do que o ouro: 21,5 g/cm3.

Densidade de sólidos e as partículas

As diferenças de densidade de substâncias no estado sólido podem ser explicadas com o modelo de partículas da Teoria Atômico-Molecular quando se pensa de duas maneiras diferentes:

a) Que as partículas de substâncias diferentes tenham massas diferentes.

Imagine que as partículas de determinada substâncias sejam esféricas, do mesmo tamanho que as partículas de outra, organizadas da mesma maneira, porém mais pesadas.

Fig.13
Com volumes iguais, qual o cubo mais denso?

R: A densidade da substância que tiver as partículas mais pesadas vai ser maior.


b) Que as partículas das duas substâncias tenham a mesma massa, sejam do mesmo tamanho, porém estejam organizadas de maneira diferente.
Fig.14
Com massas iguais, qual corpo é mais denso?

R: A densidade da substância que tiver suas partículas mais compactadas, devido à organização estrutural interna, vai ser maior.

Densidade dos líquidos e as partículas

Admite-se que as partículas de um líquido estejam em movimento, portanto as densidades não podem ser explicadas pela organização de uma estrutura. São mais plausíveis explicações que considerem as massas de cada partícula e seus tamanhos e as distâncias entre elas. Assim, considerando-se as substâncias mais densas teriam as partículas mais pesadas e/ou mais juntas.
Por exemplo, se você comparar a massa de um litro de álcool etílico com a massa de um litro de água, verá que um litro de água pesa mais. A densidade da água a 25 °C é 1,0 g/cm3, isto é, cada centímetro cúbico de água tem massa de 1,0 g. O álcool etílico tem densidade igual a 0,79 g/cm3, portanto cada centímetro cúbico de álcool tem massa de 0,79 g.
Como o volume de um líquido pode ser medido diretamente num recipiente com uma proveta, a determinação experimental da densidade de um líquido pode ser feita medindo-se o volume num instrumento de medida de volume de laboratório e a massa em uma balança. Para medir a massa de um líquido numa balança, é preciso sempre medir a massa do recipiente que acondiciona o líquido e subtrair a diferença. .
Porém, há instrumentos que medem a densidade indiretamente, explorando uma propriedade dos líquidos: corpos menos densos que o líquido flutuam nele.
Conclusão sobre as densidades das substâncias no estado líquido

As substâncias no estado líquido têm uma densidade definida, portanto a densidade pode ser medida com facilidade usando-se densímetros (leia box à página 46). É outra propriedade que permite identificá-Ias.
Observe e analise a tabela 10, que mostra algumas densidades de substâncias que são líquidas à temperatura de 25°C.
Substância
Densidade
(g/cm3)
Água
1,00
Glicerina
1,26
Etanol (álcool etílico)
0,79
Éter etílico
0,71
Metanol
0,79
Benzeno
0,88
Acetona
0,79
Acetato de etila
0,90
Tetracloreto de carbono
1,59
Tabela 10 - Densidades de algumas substâncias no estado líquido, à temperatura de 25°C.

A densidade de misturas

A densidade de uma mistura varia conforme a sua composição. Por exemplo, misturas de água com álcool têm densidades que variam de acordo com a quantidade dos componentes.
A tabela abaixo indica as densidades de misturas água/álcool para algumas misturas.

% em volume de etanol
na mistura água/etanol
Densidades
(g/cm3)
0
1,000
2,5
0,996
5,0
0,993
7,5
0,990
10,0
0,986
12,5
0,984
15,0
0,981
17,5
0,978
20,0
0,975
22,5
0,972
25,0
0.970
27,5
0,967
30,0
0,963
32,5
0,960
35,0
0,957
37,5
0,953
40,0
0.949
42,5
0,945
45,0
0,940
47,5
0,937
50,0
0,931
52,5
0,926
55,0
0,920
57,5
0,916
60,0
0,911
62,5
0,905
65,0
0,899
67,5
0,893
70,0
0,887
72,5
0,881
75,0
0,874
77,5
0,866
80,0
0,860
82,5
0,854
85,0
0,846
87,5
0,838
90,0
0,830
92,5
0,822
95,0
0,813
97,5
0,803
100,0
0,791
Exercícios
Solubilidade

Algumas substâncias se dissolvem em outras com facilidade, por exemplo, água e álcool. Outras substâncias não se dissolvem com a mesma facilidade, como por exemplo, água e óleo vegetal. Por que isso ocorre? Por que algumas substâncias dissolvem e outras não?
Quando se adiciona uma substância à outra, e ela se mistura completamente formando um material homogêneo, diz-se que uma substância se dissolveu na outra. A substância que é dissolvida é chamada de soluto, e a que dissolve o soluto é chamada de solvente.
O soluto é dissolvido pelo solvente. O solvente dissolve o soluto.

Quase sempre é fácil caracterizar o soluto e o solvente. Por exemplo, no caso de adicionar sal na água, o sal é soluto, e a água é o solvente. Porém, às vezes não fica tão fácil caracterizar qual substância dissolveu e qual substância foi dissolvida, como no caso de água e álcool em proporções iguais.

Seguindo este raciocínio, temos a solubilidade como propriedade da matéria e pode ser definido como a quantidade máxima de uma substância que é possível dissolver-se numa determinada quantidade de solvente, a certa temperatura. A solubilidade é expressa em gramas de soluto por 100 gramas de solvente.

Ela depende de vários fatores:
Ø Do solvente usado: uma substância pode ser solúvel num determinado solvente e insolúvel em outro;
Ø Da quantidade de solvente utilizada;
Ø Da quantidade de substância utilizada;
Ø Da temperatura em que se faz a dissolução.

Por exemplo: a solubilidade do sulfato de cobre (II) em água é 20,7 g/100 g de água a 20°C. Isso significa que, em 100 g de água é possível dissolver, no máximo; 20,7 g de sulfato de cobre (II) a 20°C. Veja a tabela:

Substância
Solubilidade
(g/100 g de água)
Sulfato de cobre (II)
20,7
Nitrato de potássio
31,6
Enxofre
0
Silicato de magnésio (talco)
0
Bicarbonato de sódio
9,6
lodo
0,029
Álcool etílico
infinita
Cloreto de sódio
36,0
Tabela 12 - Solubilidade de algumas substâncias a 20°C

Soluções saturadas: São aquelas em que não é possível dissolver mais nada de um soluto. Nelas já se atingiu a quantidade máxima de soluto possível de dissolver naquela quantidade de solvente.

Soluções insaturadas: São aquelas em que ainda é possível dissolver mais de um determinado soluto.

Como a solubilidade varia com a temperatura, é sempre necessário expressar qual é a temperatura em que a solubilidade foi determinada. A solubilidade de uma substância em geral aumenta com maiores temperaturas, porém isso não é uma regra geral. O gráfico 5 mostra a variação da solubilidade de algumas substâncias com a variação de temperatura.
Gráfico 5 - Variação da solubilidade de algumas substâncias com a variação de temperatura.
Síntese: as substâncias e as propriedades físicas

Qualquer material encontrado no planeta e fora dele é formado de substâncias. As substâncias podem ser identificadas através de suas propriedades. Muitas vezes, uma substância é encontrada misturada com outra(s) substância(s); nesse caso, se necessário, a substância desejada é separada das outras.
Cada substância tem um único conjunto de propriedades que a caracteriza. Às vezes uma substância tem alguma propriedade organoléptica, tal como cheiro, cor, sabor, que lhe é muito característica. Isso ajuda muito na sua identificação. A amônia tem um cheiro tão próprio que dificilmente alguém se enganaria ao manuseá-Ia. Outras substâncias parecem não ter cor nem cheiro, nem sabor como, por exemplo, a insípida, inodora e aparente incolor água.
As propriedades das substâncias são muitas: tenacidade, ductilidade, condutibilidade térmica, condutibilidade elétrica, índice de refração, dureza, viscosidade e outras. Contudo, na Química utilizam-se principalmente as quatro propriedades estudadas neste capítulo: temperatura de ebulição, temperatura de fusão, densidade e solubilidade, além, é claro, das propriedades organolépticas. O conjunto dessas propriedades caracteriza uma substância. A tabela 13 exibe as propriedades de algumas substâncias.

Substância
Temperatura de fusão (°C)
Temperatura de ebulição (°C)
Solubilidade em água (g/100g de água)
Densidade a 20°C (g/cm3)
Cor no estado físico à temperatura ambiente
Água
0
100
--
1,0
aparentemente incolor
Álcool etílico
-117
78,5

0,789
incolor
Acetona
-95,35
56,2

0,790
incolor
Ácido sulfúrico
10,36
340

1,84
incolor
Mercúrio
-38,87
356,7
insolúvel
13,55
prateado
Naftaleno
80,5
218
0,003
1,025
branco
Sulfato de cobre (II)
110
150
20,7
2,284
azul
Ferro
1535
2885
insolúvel
7,86
prateado
Alumínio
660
2467
insolúvel
2,70
prateado
Benzeno
5,5
80,1
0,07
0,879
incolor
Tolueno
-95
110,6
insolúvel
0,867
incolor
Trinitrotolueno (TNT)
82
explode a 240
0,15 a quente
1,65
branco
Chumbo
327,5
1740
insolúvel
11,3
cinza prateado escuro
Estanho
231,97
2270
insolúvel
7,3
prateado
Zinco
420
--
insolúvel
7,1
prateado
Crômio
1875
--
insolúvel
7,2
prateado
Níquel
1453
--
insolúvel
8,9
prateado
Cobalto
1495
--
insolúvel
8,9
prateado

Analisando a tabela 13, você pode constatar que existem algumas substâncias com temperaturas de fusão muito próximas, por exemplo, a acetona (-95,35°C) e o tolueno (-95°C), e outras, como, naftaleno (80,5°C) e o trinitrotolueno (82°C). Porém as outras propriedades são bem diferentes: a acetona e tolueno têm temperaturas de ebulição bem diferentes; tolueno (110,6 °C) e acetona (56°C), o que sugeriria distingui-Ios pela medida dos seus pontos de ebulição. Contudo um químico mais experiente sabe que isso não é nada recomendável, já que ambos os líquidos são altamente inflamáveis. Nesse caso, pode-se distingui-Ios pelas densidades que são relativamente próximas. Seria necessário um densímetro bem preciso. Mas a diferença entre as solubilidades indica que a melhor maneira para distingui-Ios é fazer uso dessa propriedade. Em dois tubos de ensaio com água, coloca-se uma gota de cada líquido; o que não dissolver é o tolueno.
O exemplo mostra que a caracterização de uma substância e, muitas vezes, a necessária distinção de outras pode e deve ser feita com o uso de uma ou de outra propriedade, dependendo de vários fatores que precisam ser analisados caso a caso.