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Átomos, moléculas e estequiometria

Química do A-Level · Tópico 2

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19:02

Átomos, Moléculas e Estequiometria

Aqui está um problema. Uma colher de chá única de água contém cerca de duzentos mil bilhões de bilhões de moléculas. Você nunca poderia contá-las — nem em uma vida, nem…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

2.1

Massas relativas de átomos e moléculas

Programa
  1. defina a unidade de massa atômica unificada como um décimo-e-doze da massa de um átomo de carbono-12
  2. defina massa atômica relativa, $A_r$, massa isotópica relativa, massa molecular relativa, $M_r$, e massa fórmula relativa em termos da unidade de massa atômica unificada

Fonte: Programa Cambridge International

Átomos 原子 são muito leves para serem pesados em gramas, então comparamos cada massa a um padrão. O padrão é a unidade de massa atômica unificada 统一原子质量单位 (símbolo u), definida como exatamente um décimo segundo da massa de um átomo de carbono-12.

Usando esta unidade, declaramos massas como números simples:

  • a massa atômica relativa 相对原子质量 $A_r$ de um elemento é a massa média de seus átomos comparada com $\tfrac{1}{12}$ de um átomo de carbono-12. É uma média sobre todos os isótopos 同位素, ponderada pela frequência de cada um.
  • a massa isotópica relativa 相对同位素质量 é a massa de um átomo de um único isótopo, comparada com $\tfrac{1}{12}$ de um átomo de carbono-12.
  • a massa molecular relativa 相对分子质量 $M_r$ de uma molécula 分子 é a soma das massas atômicas relativas de todos os seus átomos.
  • a massa fórmula relativa 相对式量 é a mesma ideia para uma substância que não é composta por moléculas (como um composto iônico). Some as massas atômicas relativas mostradas na fórmula.
Um gráfico de barras mostrando que o cloro é 75% cloro-35 e 25% cloro-37, com o cálculo da média ponderada resultando em uma massa atômica relativa de 35.5
A massa atômica relativa é uma média ponderada: os dois isótopos do cloro (75% ³⁵Cl, 25% ³⁷Cl) têm média Aᵣ = 35.5

Para encontrar $A_r$ a partir de dados de isótopos, multiplique a massa de cada isótopo por sua porcentagem, some esses valores e divida por 100.

Exemplo resolvido. O cloro é $75\%$ ${}^{35}\text{Cl}$ e $25\%$ ${}^{37}\text{Cl}$. Encontre sua massa atômica relativa.

$$A_r = \frac{(75 \times 35) + (25 \times 37)}{100} = \frac{2625 + 925}{100} = 35.5.$$

Exemplo resolvido. Um espectrômetro de massas mostra que o cobre é $69.2\%$ ${}^{63}\text{Cu}$ e $30.8\%$ ${}^{65}\text{Cu}$. Encontre sua massa atômica relativa.

$$A_r = \frac{(69.2 \times 63) + (30.8 \times 65)}{100} = \frac{4359.6 + 2002.0}{100} = 63.6.$$
Explorar

Laboratório de massa relativa

massa atômica relativa = média ponderada

Mude a abundância isotópica e veja a média ponderada se mover.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
atom/ˈætəm/ 原子 yuán zi
unified atomic mass unit/ˈjuːnɪfaɪd əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ 统一原子质量单位 tǒng yī yuán zi zhì liàng dān wèi
relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/ 相对原子质量 xiāng duì yuán zi zhì liàng
isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù
relative isotopic mass/ˈrelətɪv ˌaɪsəˈtɒpɪk mæs/ 相对同位素质量 xiāng duì tóng wèi sù zhì liàng
relative molecular mass/ˈrelətɪv məˈlekjʊlə mæs/ 相对分子质量 xiāng duì fèn zǐ zhì liàng
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子 fèn zǐ
relative formula mass/ˈrelətɪv ˈfɔːmjʊlə mæs/ 相对式量 xiāng duì shì liàng
mole/məʊl/ 摩尔 mó ěr
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ 阿伏伽德罗常量 ā fú gā dé luó cháng liàng
2.2

O mol e a constante de Avogadro

Programa
  1. defina e use o termo mol em termos da constante de Avogadro

Fonte: Programa Cambridge International

Uma balança de laboratório eletrônica moderna
Uma balança eletrônica moderna mede massa — a base dos cálculos de mol.

Químicos contam partículas em grupos chamados mols, assim como contamos ovos em dúzias.

Um mol 摩尔 (símbolo mol) é a quantidade de substância que contém o mesmo número de partículas que há em exatamente 12 g de carbono-12. Esse número é a constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量:

$$N_A = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$$

Portanto, um mol de qualquer coisa contém $6.02 \times 10^{23}$ partículas. As partículas podem ser átomos, moléculas ou íons 离子 — diga sempre quais são.

A massa de um mol em gramas é igual à massa relativa ($A_r$ ou $M_r$). Esta é a massa molar 摩尔质量, com unidades $\text{g mol}^{-1}$. A equação chave é:

$$n = \frac{m}{M}$$

onde $n$ é a quantidade em mols, $m$ é a massa em gramas, e $M$ é a massa molar.

Exemplo resolvido. Quantos mols estão em $8.0\ \text{g}$ de metano, $\text{CH}_4$? ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$.)

A massa molar é $M = 12 + 4(1) = 16\ \text{g mol}^{-1}$, portanto

$$n = \frac{m}{M} = \frac{8.0}{16} = 0.50\ \text{mol}.$$
Uma caixa central 'mols' ligada por setas duplas a massa, número de partículas, volume de gás e concentração de solução, cada seta rotulada com sua conversão
O mol é o centro de todos os cálculos de quantidade: converta para massa ($n=m/M$), partículas ($\times N_A$), volume de gás ($n=V/24$) ou solução ($n=cV$)
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Laboratório de massa molar

n = m / M

Mude a massa e veja os moles escalarem através da massa molar.

2.3

Fórmulas

Programa
  1. escreva fórmulas de compostos iônicos a partir de cargas iônicas e números de oxidação (mostrados por numeral romano), incluindo: (a) a previsão da carga iônica a partir da posição de um elemento na Tabela Periódica; (b) relembre os nomes e fórmulas dos seguintes íons: $\text{NO}_3^-$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{OH}^-$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$
  2. (a) escreva e construa equações (que devem estar balanceadas), incluindo equações iônicas (que não devem incluir íons espectadores); (b) use símbolos de estado adequados nas equações
  3. defina e use os termos fórmula empírica e molecular
  4. entenda e use os termos anidro, hidratado e água de cristalização
  5. calcule fórmulas empíricas e moleculares, usando dados fornecidos

Fonte: Programa Cambridge International

Um composto 化合物 é uma substância feita de dois ou mais elementos quimicamente ligados.

Cargas e fórmulas de compostos iônicos

Em um composto iônico 离子化合物, a carga positiva total equilibra a carga negativa total, resultando em neutralidade geral.

Você pode prever a carga de muitos íons a partir da posição do elemento na Tabela Periódica:

Grupo 1 2 13 15 16 17
Carga iônica usual $+1$ $+2$ $+3$ $-3$ $-2$ $-1$

O hidrogênio forma $\text{H}^+$, e os gases nobres do Grupo 18 normalmente não formam íons.

Alguns íons que você precisa saber pelo nome e fórmula:

Nome Fórmula
nitrato $\text{NO}_3^{-}$
carbonato $\text{CO}_3^{2-}$
sulfato $\text{SO}_4^{2-}$
hidróxido $\text{OH}^{-}$
amônio $\text{NH}_4^{+}$
zinco $\text{Zn}^{2+}$
prata $\text{Ag}^{+}$
bicarbonato $\text{HCO}_3^{-}$
fosfato $\text{PO}_4^{3-}$

Para um metal que pode ter mais de uma carga, um numeral romano indica o número de oxidação 氧化数. Por exemplo, ferro(II) é $\text{Fe}^{2+}$ e ferro(III) é $\text{Fe}^{3+}$. Para escrever uma fórmula, equilibre as cargas: óxido de ferro(III) é $\text{Fe}_2\text{O}_3$, porque dois $\text{Fe}^{3+}$ equilibram três $\text{O}^{2-}$.

Equações e símbolos de estado

Uma equação química deve estar balanceada 配平 — o mesmo número de cada tipo de átomo em ambos os lados. Adicione símbolos de estado 状态符号 para mostrar o estado de cada espécie: (s) sólido, (l) líquido, (g) gás e (aq) aquoso 水溶液 (dissolvido em água).

Uma equação iônica 离子方程式 mostra apenas os íons e moléculas que realmente mudam. Os íons que não mudam são íons espectadores 旁观离子, e você os omite. Por exemplo, a reação que forma cloreto de prata é:

$$\text{Ag}^{+}(\text{aq}) + \text{Cl}^{-}(\text{aq}) \rightarrow \text{AgCl}(\text{s})$$

Fórmulas empírica e molecular

A fórmula empírica 实验式 é a proporção inteira mais simples de átomos de cada elemento em um composto. A fórmula molecular 分子式 mostra o número real de átomos de cada elemento em uma molécula.

Por exemplo, o etano tem fórmula empírica $\text{CH}_3$, mas fórmula molecular $\text{C}_2\text{H}_6$.

Sólidos hidratados e anidros

Alguns sólidos retêm água dentro de seus cristais. Essa água é a água de cristalização 结晶水. Um sólido que a contém é hidratado 水合; o mesmo sólido com a água removida é anidro 无水.

Por exemplo, o sulfato de cobre(II) hidratado é $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$. Ao aquecê-lo, a água é eliminada, deixando o anidro $\text{CuSO}_4$.

Calculando fórmulas empíricas e moleculares

Para encontrar a fórmula empírica a partir de massas (ou percentagens em massa):

  1. divida a massa de cada elemento por sua $A_r$ para obter os mols.
  2. divida todos os valores de mols pelo menor deles.
  3. arredonde para os números inteiros mais próximos — essa razão é a fórmula empírica.

Para obter a fórmula molecular, você também precisa de $M_r$. Encontre quantas vezes a massa da fórmula empírica cabe em $M_r$, depois multiplique a fórmula por esse número.

Exemplo resolvido. Um composto é $40.0\%$ carbono, $6.7\%$ hidrogénio e $53.3\%$ oxigénio em massa. Encontre a sua fórmula empírica. ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$, O $= 16$.)

Pegue $100\ \text{g}$ e divida cada massa pela sua $A_r$ para obter mols: C $= 40.0/12 = 3.33$, H $= 6.7/1 = 6.7$, O $= 53.3/16 = 3.33$. Dividindo tudo pelo menor ($3.33$), obtemos uma razão C : H : O $= 1 : 2 : 1$, então a fórmula empírica é $\text{CH}_2\text{O}$.

O exemplo resolvido disposto em tabela: porcentagem em massa dividida pela Ar dá mols; dividido pelo menor, resulta na razão 1 para 2 para 1, logo a fórmula empírica é CH2O
A receita da fórmula empírica: divida pela Ar, divida pelo menor, leia a razão
Explorar

Rota de balanceamento de equações

Siga os átomos através de uma equação química para que ambos os lados correspondam.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
molar mass/ˈməʊlə mæs/ 摩尔质量 mó ěr zhì liàng
compound/ˈkɒmpaʊnd/ 化合物 huà hé wù
ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/ 离子化合物 lí zi huà hé wù
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 氧化数 yǎng huà shù
balanced/ˈbælənst/ 配平 pèi píng
state symbols/steɪt ˈsɪmblz/ 状态符号 zhuàng tài fú hào
aqueous/ˈeɪkwɪəs/ 水溶液 shuǐ róng yè
ionic equation/aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/ 离子方程式 lí zi fāng chéng shì
spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/ 旁观离子 páng guān lí zi
empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ 实验式 shí yàn shì
molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ 分子式 fēn zǐ shì
water of crystallisation/ˈwɔːtə ɒv ˌkrɪstəlaɪˈzeɪʃn/ 结晶水 jié jīng shuǐ
hydrated/haɪˈdreɪtɪd/ 水合的 shuǐ hé de
anhydrous/ænˈhaɪdrəs/ 无水的 wú shuǐ de
stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/ 化学计量 huà xué jì liàng
2.4

Massas e volumes reagentes

Programa
  1. realize cálculos incluindo o uso do conceito de mol, envolvendo: (a) massas de reação (a partir de fórmulas e equações), incluindo cálculos de rendimento percentual; (b) volumes de gases (ex.: na queima de hidrocarbonetos); (c) volumes e concentrações de soluções; (d) reagente limitante e reagente em excesso (Ao realizar cálculos, as respostas dos candidatos devem refletir o número de algarismos significativos fornecidos ou solicitados na questão. Ao arredondar para cima ou para baixo, os candidatos devem garantir que algarismos significativos não sejam desnecessariamente perdidos nem usados além do justificado (veja também a seção Requisitos Matemáticos).) (e) deduza relações estequiométricas a partir de cálculos como aqueles em 2.4.1(a)–(d)

Fonte: Programa Cambridge International

Uma titração sendo realizada
Uma titração encontra volumes reagentes com precisão.

Massas reagentes e rendimento percentual

Os números à frente de cada espécie em uma equação balanceada fornecem a razão molar — esta é a estequiometria 化学计量. Para encontrar uma massa reagente: converta a massa conhecida em mols, use a razão molar para encontrar os mols desejados, depois converta novamente para massa.

Exemplo resolvido. Que massa de óxido de magnésio se forma quando $4.8\ \text{g}$ de magnésio queima completamente? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

Mols de Mg $= 4.8/24 = 0.20\ \text{mol}$. A razão Mg : MgO é $1 : 1$, então $0.20\ \text{mol}$ de MgO se forma. Sua massa molar é $24 + 16 = 40\ \text{g mol}^{-1}$, logo

$$m = nM = 0.20 \times 40 = 8.0\ \text{g}.$$
A ponte do mol para o exemplo do magnésio: 4.8 gramas de magnésio divididos pela Ar fornecem 0.20 mols, a razão entre 1 e 1 fornece 0.20 móis de óxido de magnésio, multiplicados pela Mr resultam em 8.0 gramas
A ponte molar: massa para mols, razão, depois de volta para massa

Em reações reais, geralmente se obtém menos produto do que o máximo. O rendimento percentual 产率 compara a quantidade que você realmente produziu com a máxima possível:

$$\text{percentage yield} = \frac{\text{actual amount of product}}{\text{maximum possible amount}} \times 100\%$$

Agente limitante e reagente em excesso

Quando dois reagentes são misturados, um geralmente acaba primeiro. O agente limitante 限量试剂 é aquele que acaba — ele determina quanto produto se forma. O outro é o agente em excesso 过量试剂, pois há mais do que suficiente dele. Baseie sempre o cálculo no agente limitante.

Para identificá-lo: calcule os mols de cada reagente, divida cada um pelo seu número na equação, e o menor resultado será o agente limitante.

Queimar 4 moléculas de hidrogênio com 1 molécula de oxigênio faz 2 moléculas de água e deixa 2 moléculas de hidrogênio não reagidas
O agente limitante acaba primeiro e determina quanto produto se forma; o reagente restante está em excesso

Volumes de gases

Na mesma temperatura e pressão, volumes iguais de qualquer gás contêm iguais números de moléculas. Na temperatura e pressão ambiente (r.t.p.), um mol de qualquer gás ocupa $24.0\ \text{dm}^3$, portanto:

$$n = \frac{V}{24.0}\qquad (V \text{ in } \text{dm}^3 \text{ at r.t.p.})$$
Duas caixas de tamanho igual, uma de hidrogênio e uma de dióxido de carbono, cada uma contendo seis moléculas
Volumes iguais de gases na mesma temperatura e pressão contêm iguais números de moléculas, independentemente do gás

Isso é usado ao queimar hidrocarbonetos 碳氢化合物 (compostos apenas de carbono e hidrogênio), onde se comparam volumes gasosos.

Volumes e concentrações de soluções

A concentração 浓度 de uma solução é a quantidade de soluto 溶ute em cada decímetro cúbico de solução 溶液, medida em $\text{mol dm}^{-3}$:

$$n = c \times V$$

onde $c$ é a concentração e $V$ é o volume em $\text{dm}^3$. Lembre-se de que $1000\ \text{cm}^3 = 1\ \text{dm}^3$.

Exemplo resolvido. Em uma titração, $25.0\ \text{cm}^3$ de solução de hidróxido de sódio é neutralizado exatamente por $20.0\ \text{cm}^3$ de ácido clorídrico $0.100\ \text{mol dm}^{-3}$: $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Encontre a concentração do hidróxido de sódio.

Mols de HCl $= cV = 0.100 \times \dfrac{20.0}{1000} = 2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. A razão é $1 : 1$, então há $2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$ de NaOH em $25.0\ \text{cm}^3$:

$$c = \frac{n}{V} = \frac{2.00 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0800\ \text{mol dm}^{-3}.$$

Esta é a base de uma titulação 滴定, onde se encontra uma concentração desconhecida reagindo-a com uma solução cuja concentração já se conhece.

Uma bureta presa em um suporte acima de um erlenmeyer sobre uma placa branca
Em uma titração, uma bureta adiciona uma solução de concentração conhecida ao desconhecido no balão erlenmeyer, até a mudança do indicador

Algarismos significativos

Forneça sua resposta com um número sensato de algarismos significativos 有效数字 — geralmente corresponda aos dados da questão. Não escreva mais dígitos do que os dados suportam, nem arredonde tão cedo que perca precisão.

Explorar

Rota de massa reagida

Siga uma equação balanceada a partir da massa conhecida até a massa de produto prevista.

Explorar

Laboratório de volume gasoso

n = V / 24 dm3

Mude o volume gasoso e veja os mols escalonarem em condições ambientes.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
percentage yield/pəˈsentɪdʒ jiːld/ 产率 chǎn lǜ
limiting reagent/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈeɪdʒənt/ 限量试剂 xiàn liàng shì jì
excess reagent/ekˈses rɪˈeɪdʒənt/ 过量试剂 guò liàng shì jì
hydrocarbons/ˈhaɪdrəkɑːbənz/ 碳氢化合物 tàn qīng huà hé wù
concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 浓度 nóng dù
solute/ˈsɒljuːt/ 溶质 róng zhì
solution/səˈluːʃn/ 溶液 róng yè
titration/taɪˈtreɪʃn/ 滴定 dī dìng
significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ 有效数字 yǒu xiào shù zì
2.4

Dicas de prova

  • Converta volumes para $\text{dm}^3$ antes de usar a concentração ($25.0\ \text{cm}^3 = 0.0250\ \text{dm}^3$); a falta de $\div 1000$ é o erro de titração mais comum.
  • Use os números de balanceamento como a razão molar entre espécies — nunca os valores $M_r$.
  • Fórmula empírica: divida cada massa/porcentagem por $A_r$, depois pelo menor, depois escale para números inteiros; use $M_r$ para alcançar a fórmula molecular.
  • Para gases à r.t.p., use $\text{volume} = \text{moles} \times 24\ \text{dm}^3$; cite a equação que usa toda vez.
  • Dê a resposta com os mesmos algarismos significativos dos dados (geralmente 3) e sempre inclua unidades.

Aulas interativas sobre este tópico

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