Química do IGCSE

Tudo ao seu redor é feito de pequenas partículas 粒子 — estas podem ser átomos 原子, moléculas 分子 ou íons 离子. A teoria cinética das partículas 粒子动理论 diz que essas partículas estão sempre em movimento. Como as partículas estão próximas, como são organizadas e como se movem decide se a matéria é um sólido 固体, um líquido 液体 ou um gás 气体.

Propriedades observáveis

Você não precisa de um microscópio para diferenciar os três estados. Eles se comportam de maneira diferente:

• Um sólido tem forma fixa e volume 体积 fixo. Não flui e você não pode compress 压缩 (apertá-lo para menores).
• Um líquido tem volume fixo, mas não tem forma fixa. Flui e assume a forma de seu recipiente. É quase impossível comprimi-lo.
• Um gás não tem forma fixa nem volume fixo. Flui e espalha-se para preencher todo o recipiente. Um gás é fácil de comprimir.

A tabela abaixo resume essas propriedades. Densidade 密度 significa quanto massa 质量 está compactada em um determinado volume.

A imagem das partículas

A teoria cinética das partículas explica essas propriedades olhando para três coisas: a separação 间距 das partículas (o quão distantes estão), sua arranjo 排列 (o padrão) e seu movimento 运动 (como se movem).

Fortes forças de atração 引力 mantêm as partículas unidas. Em um sólido, essas forças são fortes o suficiente para manter cada partícula no lugar, então um sólido mantém sua forma. Em um líquido, as forças são mais fracas, então as partículas podem se mover. Em um gás, as partículas movem-se tão rápido que as forças praticamente não atuam, então o gás se espalha.

Ao aquecer ou esfriar uma substância, ela pode mudar de um estado para outro. Você precisa saber o nome de cada mudança.

Um sólido puro derrete a uma temperatura fixa, o ponto de fusão 熔点. Um líquido puro ebule a uma temperatura fixa, o ponto de ebulição 沸点. A mesma substância congela em seu ponto de fusão e condensa em seu ponto de ebulição.

Alguns poucos substâncias mudam diretamente de sólido para gás sem primeiro derreter. Isso é chamado de sublimação 升华. Na foto abaixo, iodo sólido aquecido em um béquer transforma-se diretamente em gás roxo; o gás então esfria no balão redondo de gelo acima e volta a ser sólido.

Explicando mudanças de estado com a teoria das partículas

Cada mudança de estado é realmente uma mudança na energia 能量 das partículas.

• Quando você aquece um sólido, as partículas ganham energia e vibram mais rápido. No ponto de fusão, as partículas têm energia suficiente para se soltar de seus lugares fixos e deslizar ao redor — o sólido derrete.
• Quando você aquece um líquido, as partículas se movem mais rápido. No ponto de ebulição, elas têm energia suficiente para escapar completamente das forças de atração e se tornarem um gás.
• O resfriamento faz o oposto. As partículas perdem energia, movem-se mais lentamente e as forças de atração as puxam de volta para junto.

Durante uma mudança de estado, a energia é usada para romper as forças de atração, não para fazer as partículas se moverem mais rápido. É por isso que a temperatura permanece constante enquanto uma substância está derretendo ou fervendo.

Curvas de aquecimento e resfriamento

Uma curva de aquecimento 加热曲线 é um gráfico de temperatura contra tempo à medida que você aquece uma substância uniformemente. Uma curva de resfriamento 冷却曲线 é o mesmo gráfico, mas enquanto a substância esfria.

Em uma curva de aquecimento, há duas partes planas (horizontais):

• A primeira parte plana está no ponto de fusão. Aqui, sólido e líquido estão ambos presentes. A energia térmica rompe as forças que mantêm o sólido unido, então a temperatura não sobe.
• A segunda parte plana está no ponto de ebulição. Aqui, líquido e gás estão ambos presentes, e a temperatura novamente permanece constante.

Uma curva de resfriamento é o inverso. Ela tem uma parte plana no ponto de ebulição (o gás condensa) e uma parte plana no ponto de fusão (o líquido congela). À medida que as partículas desaceleram, energia térmica 热能 é liberada para o ambiente.

Um gás empurra as paredes do seu recipiente. Esse empurrão, distribuído sobre a área da parede, é a pressão 压强 do gás. A pressão vem das partículas do gás batendo nas paredes.

Efeito da temperatura

Se você aquecer uma massa fixa de gás mantendo a pressão constante, seu volume aumentará.

Usando a teoria das partículas: aquecer dá às partículas mais energia cinética 动能, então elas se movem mais rápido. Elas batem nas paredes com mais força e frequência. Para manter a pressão constante, o gás deve ocupar mais espaço, então o volume fica maior.

Se, em vez disso, o volume for fixo (um recipiente selado e rígido), aquecer o gás aumenta a pressão, porque as partículas mais rápidas colidem 碰撞 com as paredes com mais força e frequência.

Efeito da pressão

Se você aumentar a pressão sobre uma massa fixa de gás mantendo a temperatura constante, seu volume diminuirá. Apertar o gás em um espaço menor significa que as partículas batem nas paredes com mais frequência, o que é o que significa uma pressão maior.

Difusão 扩散 é a dispersão de partículas de uma região onde estão aglomeradas para uma região onde estão espalhadas — isto é, de alta concentração 浓度 para baixa concentração. Isso acontece porque as partículas estão sempre se movendo em direções aleatórias.

A difusão explica por que você pode cheirar comida do outro lado de uma sala: as partículas do odor se movem e se misturam com o ar até chegarem ao seu nariz. A difusão ocorre em gases e líquidos, mas não em sólidos, porque as partículas sólidas não podem se mover de um lugar para outro.

Taxa de difusão e massa molecular

Partículas de gás mais leves movem-se mais rápido que as mais pesadas na mesma temperatura. Portanto, um gás com menor massa molecular relativa 相对分子质量 (uma massa menor para cada molécula) tem uma taxa 速率 de difusão mais rápida.

Um experimento clássico mostra isso. Algodão embebido em amônia 氨气 ($\text{NH}_3$) é colocado em uma extremidade de um tubo de vidro longo. Algodão embebido em cloreto de hidrogênio 氯化氢 ($\text{HCl}$) é colocado na outra extremidade. Ambos os gases difundem ao longo do tubo e se encontram formando um anel branco de cloreto de amônio 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

A amônia tem $M_r = 17$ e o cloreto de hidrogênio tem $M_r = 36.5$. A amônia é mais leve, então ela difunde mais rápido e percorre uma distância maior ao longo do tubo. O anel branco forma-se mais próximo da extremidade do cloreto de hidrogênio.

Exemplo resolvido. Bromo ($M_r = 160$) e amônia ($M_r = 17$) são liberados simultaneamente das extremidades opostas de um tubo longo. Qual percorre uma distância maior antes de se encontrarem? Compare as massas moleculares relativas. A massa molecular relativa da amônia ⟨$M_r$⟩ é muito menor, então suas moléculas se movem mais rápido na mesma temperatura e difundem mais rapidamente. Portanto, a amônia percorre uma distância maior, e os dois gases se encontram mais próximo da extremidade do bromo. A regra é sempre "mais leve significa mais rápido" - argumente com base em $M_r$, nunca no tamanho da fórmula no papel.

• Durante a fusão e ebulição, a temperatura permanece constante (as partes planas de uma curva de aquecimento), porque a energia rompe as forças entre as partículas em vez de fazê-las se moverem mais rápido.
• A evaporação ocorre apenas na superfície e a qualquer temperatura; a ebulição ocorre em todo o líquido a uma temperatura fixa.
• Explique o comportamento dos gases usando a teoria das partículas: aquecer um gás a volume constante eleva a pressão porque as partículas batem nas paredes com mais força e frequência — as próprias partículas não ficam maiores.
• A difusão é mais rápida para partículas mais leves (menor $M_r$) e não pode ocorrer em sólidos. No tubo de amônia/cloreto de hidrogênio, a amônia mais leve percorre mais distância, então o anel branco forma-se mais próximo da extremidade HCl.

Todas as substâncias são feitas de cerca de 100 blocos construtivos simples. Saber como eles estão ligados permite classificar toda substância em um de três grupos.

• Um elemento 元素 é uma substância feita de apenas um tipo de átomo 原子. Você não pode quebrá-lo em algo mais simples por meio de uma reação química. Exemplos: cobre, oxigênio, carbono.
• Um composto 化合物 é dois ou mais elementos quimicamente ligados (ligados) juntos. Os átomos estão ligados em uma proporção fixa. Exemplos: água, dióxido de carbono. Um composto possui propriedades diferentes dos elementos que o compõem.
• Uma mistura 混合物 é duas ou mais substâncias que estão apenas misturadas, não quimicamente ligadas. As partes mantêm suas próprias propriedades e podem ser separadas por métodos físicos. Exemplo: ar.

A diferença chave: em um composto, os elementos estão ligados e só podem ser separados por reações químicas; em uma mistura, eles não estão ligados e são fáceis de separar.

Dentro do átomo

Todo átomo possui um centro pequeno e denso chamado núcleo 原子核. Ao redor dele, elétrons 电子 movem-se em camadas 电子层 (níveis de energia). O núcleo contém dois tipos de partícula: prótons 质子和 nêutrons 中子。

Cada partícula possui uma massa relativa e uma carga relativa 电荷. Você deve memorizar esses valores:

Um átomo não possui carga líquida porque tem números iguais de prótons ($+1$ cada) e elétrons ($-1$ cada).

Número atômico e número de massa

Dois números descrevem um átomo:

• O número atômico 质子数 (também chamado de número atômico 原子序数) é o número de prótons no núcleo. Ele indica qual elemento é o átomo.
• O número de massa 质量数 (também chamado de número nucleônico 核子数) é o número total de prótons e nêutrons no núcleo.

Então o número de nêutrons $=$ número de massa $-$ número atômico.

Configuração eletrônica

Os elétrons preenchem as camadas de dentro para fora. A primeira camada suporta até 2 elétrons; as próximas camadas suportam até 8 cada (para os primeiros 20 elementos). A configuração eletrônica 电子排bur lista quantos elétrons estão em cada camada, começando de dentro.

Por exemplo, um átomo com 13 elétrons tem a configuração $2,8,3$. Sódio (número atômico 11) é $2,8,1$. Cálcio (número atômico 20) é $2,8,8,2$.

A configuração se liga à Tabela Periódica 周期表:

• O número de um Grupo 族 (Grupos I a VII) é igual ao número de elétrons na camada externa. Então $2,8,1$ está no Grupo I.
• O número de um Período 周期 é igual ao número de camadas que contêm elétrons. Então $2,8,1$ tem três camadas, logo está no Período 3.
• Os gases nobres 稀有气体 no Grupo VIII (ou 0) possuem uma camada externa cheia, o que os torna muito pouco reativos.

Isótopos 同位素 são átomos do mesmo elemento que possuem o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons. Como o número de prótons é o mesmo, eles são o mesmo elemento. Como o número de nêutrons é diferente, eles possuem números de massa diferentes.

Você escreve um átomo com seu número de massa em cima e número atômico embaixo, como $^{12}_{6}\text{C}$. Para um íon, você adiciona a carga, como $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

Isótopos de um elemento possuem propriedades químicas iguais. Isso ocorre porque reações químicas envolvem apenas elétrons, e isótopos têm o mesmo número de elétrons e a mesma configuração eletrônica. (Os nêutrons extras alteram apenas a massa.)

Calculando a massa atômica relativa

A massa atômica relativa 相对原子质量 ($A_r$) de um elemento é a massa média de seus átomos, considerando a frequência de cada isótopo. A abundância 丰度 é a porcentagem de cada isótopo.

Por exemplo, o cloro é 75% $^{35}\text{Cl}$ e 25% $^{37}\text{Cl}$:

Exemplo resolvido. O boro tem dois isótopos, $^{10}\text{B}$ e $^{11}\text{B}$, e a sua $A_r$ é 10.8. Encontre a percentagem de cada um. Seja a abundância de $^{11}\text{B}$ igual a $x$, então a abundância de $^{10}\text{B}$ é $(100 - x)$. Então

então $11x + 1000 - 10x = 1080$, resultando em $x = 80$. O boro é 80% $^{11}\text{B}$ e 20% $^{10}\text{B}$. Verifique contra o senso comum: 10.8 está mais próximo de 11, portanto, o isótopo mais pesado deve ser o mais comum. Se sua resposta atribuir a maioria ao isótopo mais distante de $A_r$, você os inverteu.

Um íon 离子 é um átomo (ou grupo de átomos) que perdeu ou ganhou elétrons, possuindo assim uma carga elétrica.

• Um átomo metálico perde elétrons para formar um íon positivo, chamado ** cátion** 阳离子.
• Um átomo ametal ganha elétrons para formar um íon negativo, chamado ânion 阴离子.

Átomos fazem isso para obter uma camada externa completa, como um gás nobre.

Como se forma uma ligação iônica

Uma ligação iônica 离子键 é uma forte atração eletrostática 静电引力 entre íons de cargas opostas (um íon $+$ e um íon $-$ atraem-se mutuamente).

Ligações iônicas formam-se entre um metálico 金属 e um ametal 非金属. Considere o cloreto de sódio, $\text{NaCl}$. O sódio ($2,8,1$) cede seu único elétron externo ao cloro ($2,8,7$). Agora o sódio é $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) e o cloro é $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). Ambos possuem camadas externas completas, e as cargas opostas atraem-se.

Você pode representar isso com um diagrama ponto-e-x: desenhe os elétrons da camada externa de cada átomo como pontos para um elemento e cruzes para o outro, mostrando depois o elétron se movendo do metal para o ametal.

Estrutura e propriedades de compostos iônicos

Um composto iônico 离子化合物 não é formado por moléculas 分子 separadas. Os íons compactam-se num retículo 晶格 gigante — um padrão regular de enormes quantidades de íons positivos e negativos alternados 交替.

Essa estrutura explica as propriedades:

Uma ligação covalente 共价键 forma-se quando dois átomos compartilham um par de elétrons. Ao compartilhar, cada átomo obtém uma camada externa completa (configuração de gás nobre). Ligações covalentes formam-se entre átomos ametais.

Algumas moléculas para saber:

• $\text{H}_2$ — dois átomos de hidrogênio compartilham um par de elétrons (uma ligação simples).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — cada um compartilha um par de elétrons.
• $\text{H}_2\text{O}$ — o oxigênio compartilha um par com cada um dos dois átomos de hidrogênio.
• $\text{NH}_3$ — o nitrogênio compartilha um par com cada um dos três átomos de hidrogênio.
• $\text{CH}_4$ — o carbono compartilha um par com cada um dos quatro átomos de hidrogênio.
• $\text{O}_2$ e $\text{CO}_2$ possuem ligações duplas (dois pares compartilhados); $\text{N}_2$ tem uma ligação tripla (três pares compartilhados); $\text{C}_2\text{H}_4$ e $\text{CH}_3\text{OH}$ também usam pares compartilhados.

Em um diagrama ponto-e-x para uma molécula, desenhamos os elétrons externos de cada átomo e mostramos quais pares são compartilhados na sobreposição entre os átomos.

Propriedades de compostos moleculares simples

Essas substâncias são formadas por moléculas pequenas e separadas.

• Possuem baixos pontos de fusão e ebulição. As ligações covalentes dentro de cada molécula são fortes, mas as forças intermoleculares 分子间作用力 (as forças entre uma molécula e outra) são fracas, exigindo pouca energia para separar as moléculas.
• São maus condutores de eletricidade, pois as moléculas não possuem carga líquida e nem elétrons livres ou íons para transportar carga.

Alguns compostos covalentes não são moléculas pequenas. Em vez disso, milhões de átomos são ligados por ligações covalentes formando uma única estrutura covalente gigante 巨型共价结构. As duas que você precisa saber são ambas formas de carbono.

Diamante 金刚石: cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos de carbono. Isso cria uma rede 3-D muito forte e rígida. O diamante é extremamente duro, por isso é usado em ferramentas de corte 切割工具.

Grafite 石墨: cada átomo de carbono está ligado a apenas outros três, formando camadas planas 层. Existem forças fracas entre as camadas, permitindo que deslizem umas sobre as outras — isso faz do grafite um bom lubrificante 润滑剂. O quarto elétron externo de cada carbono é livre; esses elétrons deslocalizados 离域电子 podem se mover, fazendo com que o grafite conduza eletricidade e seja usado como eletrodo 电极.

Óxido de silício(IV) 二氧化硅 ($\text{SiO}_2$) possui uma estrutura covalente gigante semelhante à do diamante, sendo também muito duro e tendo um ponto de fusão muito alto.

Um metal é uma estrutura gigante de íons positivos rodeados por um 'mar' de elétrons deslocalizados livres para se mover por todo o metal. A ligação metálica 金属键 é a forte atração eletrostática entre esses íons positivos e o mar de elétrons.

Isso explica duas propriedades fundamentais dos metais:

• Boa condutividade elétrica: os elétrons deslocalizados são livres para se mover e transportar carga pelo metal.
• Maleabilidade 展性 (pode ser martelado em chapas) e ductilidade 延性 (pode ser esticado em fios): as camadas de íons positivos podem deslizarem umas sobre as outras sem romper a ligação metálica, permitindo que o metal mude de forma em vez de se quebrar.

• Número de nêutrons = número de massa − número de prótons. O número de prótons é o que determina a qual elemento um átomo pertence.
• Isótopos possuem as mesmas propriedades químicas porque reações envolvem apenas elétrons, e isótopos compartilham a mesma configuração eletrônica; apenas a massa difere.
• Correspondência entre estrutura e propriedades: iônico = retículo gigante (alto ponto de fusão; conduz apenas fundido ou em solução aquosa); molecular simples = forças fracas entre moléculas (baixo ponto de fusão; não conduz); covalente gigante = muito duro, ponto de fusão muito alto.
• Grafite conduz e é deslizante (um elétron livre por carbono; camadas deslizam); diamante não faz nenhum dos dois (todos os quatro elétrons ligados, sendo duro e não condutor). Metais conduzem e dobram graças ao mar de elétrons deslocalizados.
• Para a massa atômica relativa, calcule a média ponderada: $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.

Uma fórmula 化学式 mostra quais átomos 原子 estão em uma substância e quantos de cada tipo existem. Existem dois tipos de fórmula que você deve conhecer.

• A fórmula molecular 分子式 é o número real de cada átomo em uma molécula 分子. Para a glicose, é $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
• A fórmula empírica 实验式 é a razão inteira mais simples de átomos ou íons 离子 em um composto 化合物. Para a glicose, é $\text{CH}_2\text{O}$.

Determinando uma fórmula

Se for dado um modelo ou diagrama, basta contar os átomos de cada elemento e escrevê-los como uma fórmula.

Para um composto iônico 离子化合物, você pode determinar a fórmula a partir das cargas dos íons. A carga total positiva deve equilibrar a carga total negativa, pois o composto não possui carga líquida. Alguns íons comuns:

Por exemplo, $\text{Na}^{+}$ e $\text{O}^{2-}$: são necessários dois $\text{Na}^{+}$ para equilibrar um $\text{O}^{2-}$, logo a fórmula é $\text{Na}_2\text{O}$.

Uma equação mostra como os reativos 反应物 (as substâncias iniciais) mudam para formar os produtos 生成物 (as substâncias formadas).

• Uma equação verbal 文字方程式 usa nomes: magnésio + oxigênio → óxido de magnésio.
• Uma equação simbólica 化学方程式 usa fórmulas e deve estar balanceada 配平 — o mesmo número de cada átomo de ambos os lados.

Adicionamos símbolos de estado 状态符号 entre parênteses para mostrar o estado físico: $(s)$ sólido, $(l)$ líquido, $(g)$ gasoso, e $(aq)$ para aquoso 水溶液 (dissolvido em água).

Equações iônicas

Uma equação iônica 离子方程式 mostra apenas os íons que realmente mudam. Íons que são iguais em ambos os lados são íons espectadores 旁观离子 e são omitidos. Por exemplo, quando um ácido reage com uma base:

A massa atômica relativa 相对原子质量 ($A_r$) de um elemento 元素 é a massa 质量 média de seus átomos comparada a $\tfrac{1}{12}$ da massa de um $^{12}\text{C}$ átomo.

A massa molecular relativa 相对分子质量 ($M_r$) é a soma das massas atômicas relativas de todos os átomos na molécula. Para compostos iônicos, usamos a massa fórmula relativa 相对式量, encontrada da mesma maneira a partir da fórmula.

Massas reagindo por proporção simples

Às vezes você pode encontrar uma massa reagindo sem usar a mola. Se 24 g de magnésio produzem 40 g de óxido de magnésio, então 12 g de magnésio (metade da quantidade) produzem 20 g de óxido de magnésio.

A mola 摩尔 (símbolo mol) é a unidade para a quantidade de matéria 物质的量. Uma mola de qualquer substância contém $6.02 \times 10^{23}$ partículas 粒子 (átomos, íons ou moléculas). Este número é a constante de Avogadro 阿伏伽德罗常数.

A massa molar 摩尔质量 é a massa de uma mola, em gramas por mola (g/mol). Seu valor numérico é igual ao $A_r$ ou $M_r$. A relação chave é:

Exemplo resolvido. Quantas moles há em 36 g de água? Massa molar da água $= 18$ g/mol.

Para encontrar o número de partículas, multiplique as moles pela constante de Avogadro.

Volumes de gases

À temperatura e pressão ambiente (r.t.p.), uma mola de qualquer gás ocupa o mesmo volume 体积. Este volume molar do gás 摩尔气体体积 é $24 \text{ dm}^3$.

Exemplo resolvido. Que volume $0.25$ mol de dióxido de carbono ocupa à r.t.p.?

Concentração de soluções

A concentração 浓度 de uma solução 溶液 pode ser dada em $\text{g/dm}^3$ ou em $\text{mol/dm}^3$.

Lembre-se de converter volume: $1 \text{ dm}^3 = 1000 \text{ cm}^3$, então divida um volume em $\text{cm}^3$ por 1000.

A maioria dos cálculos segue os mesmos passos: converta a quantidade conhecida em moles, use a equação balanceada para encontrar as moles do que você quer, depois converta de volta para massa, volume ou concentração.

Exemplo resolvido. Que massa de óxido de magnésio se forma quando 12 g de magnésio queimam completamente? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

Moles de Mg $= 12 / 24 = 0.5$ mol. A razão Mg : MgO é $1 : 1$, então $0.5$ mol de MgO se forma. Sua massa molar é $24 + 16 = 40$ g/mol, então a massa é $0.5 \times 40 = 20$ g — a mesma resposta que o método de proporção simples acima.

Reagente limitante

Quando dois reagentes são misturados, muitas vezes um acaba primeiro. Este é o reagente limitante 限量反应物. Ele determina quanto produto pode se formar; qualquer outro reagente está em excesso (sobra).

Exemplo resolvido. 8 g de hidrogênio reagem com 8 g de oxigênio: $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$. Qual é o reagente limitante e qual massa de água se forma? ($A_r$: H $= 1$, O $= 16$.)

Moles de $\text{H}_2 = 8 / 2 = 4$ mol; moles de $\text{O}_2 = 8 / 32 = 0.25$ mol. A equação precisa de $2\text{H}_2$ para cada um $\text{O}_2$, então $0.25$ mol de $\text{O}_2$ reage com apenas $0.5$ mol de $\text{H}_2$. Há muito mais hidrogênio do que isso, então oxigênio é o reagente limitante e o hidrogênio está em excesso. O oxigênio faz $2 \times 0.25 = 0.5$ mol de água, então a massa é $0.5 \times 18 = 9$ g. Sempre trabalhe em moles, não em massas — o reagente com menor massa nem sempre é o que acaba.

Cálculo de titration

Em uma titration 滴定 você mede o volume de uma solução que reage com outra. Do volume e concentração você encontra as moles de um soluto 溶质, então usa a razão da equação para encontrar as moles, concentração ou volume do outro.

Exemplo resolvido. $25.0 \text{ cm}^3$ de solução de hidróxido de sódio é neutralizada exatamente por $20.0 \text{ cm}^3$ de $0.10 \text{ mol/dm}^3$ ácido clorídrico. $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Encontre a concentração do hidróxido de sódio.

Moles de HCl $= 0.10 \times \dfrac{20.0}{1000} = 0.0020$ mol. A razão é $1 : 1$, então há $0.0020$ mol de NaOH em $25.0 \text{ cm}^3$:

Fórmulas empíricas e moleculares a partir de dados

Para encontrar uma fórmula empírica a partir de massas ou percentuais:

1. Divida a massa (ou %) de cada elemento pelo seu $A_r$.
2. Divida todas as respostas pelo menor delas para obter a razão mais simples.

Para encontrar a fórmula molecular, compare a massa da fórmula empírica com a real $M_r$ e multiplique até ajustar.

Exemplo resolvido. Um composto contém $40\%$ cálcio, $12\%$ carbono e $48\%$ oxigênio em massa. Encontre sua fórmula empírica. ($A_r$: Ca $= 40$, C $= 12$, O $= 16$.)

Divida cada porcentagem pelo seu $A_r$: Ca $= 40/40 = 1$, C $= 12/12 = 1$, O $= 48/16 = 3$. A proporção é $1 : 1 : 3$, então a fórmula empírica é $\text{CaCO}_3$.

Percentuais

• Rendimento percentual 产率 compara quanto produto você obteve realmente com o máximo que poderia obter: $\dfrac{\text{actual}}{\text{theoretical}} \times 100$.
• Composição percentual em massa 质量分数 de um elemento $= \dfrac{\text{mass of the element}}{M_r} \times 100$.
• Pureza percentual 纯度 $= \dfrac{\text{mass of pure substance}}{\text{mass of impure sample}} \times 100$.

Exemplo resolvido. Encontre o percentual em massa de nitrogênio no nitrato de amônio, $\text{NH}_4\text{NO}_3$. ($A_r$: N $= 14$, H $= 1$, O $= 16$.)

$M_r = (2 \times 14) + (4 \times 1) + (3 \times 16) = 80$. A massa de nitrogênio é $2 \times 14 = 28$, então

Exemplo resolvido. Uma reação poderia produzir no máximo 5.0 g de produto, mas apenas 4.0 g foi coletado na prática. Calcule o rendimento percentual.

Algum produto sempre é perdido — deixado no aparelho, ou consumido em reações secundárias — então o rendimento quase nunca é $100\%$.

Exemplo resolvido. Uma amostra de 50 g de carbonato de cálcio impuro contém 45 g de carbonato de cálcio puro. Encontre sua pureza percentual.

• Sempre transforme massas, volumes de gás e concentrações em moles primeiro, use a razão da equação balanceada, depois converta de volta. Nunca compare massas diretamente através de uma equação.
• Fórmulas-chave: $n = \dfrac{\text{mass}}{M_r}$, volume de gás $= n \times 24\ \text{dm}^3$ à r.t.p., e concentração $= \dfrac{n}{\text{volume in dm}^3}$. Converta cm³ para dm³ dividindo por 1000.
• Para balancear uma equação simbólica você só pode mudar os números grandes na frente de uma fórmula, nunca os subscritos pequenos dentro dela.
• O reagente limitante é aquele que acaba (menos moles uma vez considerada a razão); ele define quanto produto se forma. O outro reagente está em excesso.
• Rendimento percentual = real ÷ teórico × 100; pureza percentual = massa da substância pura ÷ massa da amostra × 100. Ambos são sempre 100% ou menos.

Eletrólise 电解 é a decomposição (decomposition 分解) de um composto iônico 离子化合物 — quando está fundido 熔融 ou em solução aquosa 水溶液 — passando uma corrente elétrica 电流 através dele.

Só funciona quando a substância está fundida ou dissolvida, porque então os íons 离子 estão livres para se mover e carregar a corrente. Um composto iônico sólido não pode ser eletrolisado porque seus íons estão travados no lugar.

A célula eletrolítica

A configuração é chamada de célula eletrolítica 电解池. Dois eletrodos 电极 (condutores sólidos) mergulham no eletrólito 电解质 — a substância fundida ou aquosa sendo decomposta.

• O ânodo 阳极 é o eletrodo positivo ($+$).
• O catodo 阴极 é o eletrodo negativo ($-$).

Os eletrodos são frequentemente inertes 惰性 (não reagem), como platina 铂 ou carbono/grafite 石墨.

O que é formado em cada eletrodo

Existe uma regra simples:

• Metais 金属 ou hidrogênio 氢气 são formados no cátodo.
• Não-metais 非金属 (exceto hidrogênio) são formados no ânodo.

Para soluções aquosas, o produto pode depender se a solução é diluída 稀 ou concentrada 浓. Aqui estão os três exemplos centrais:

Exemplo resolvido. Preveja os produtos da eletrólise do cloreto de zinco fundido, $\text{ZnCl}_2$. Como está fundido, apenas íons de zinco e íons de cloreto estão presentes - não há água para complicar as coisas. O zinco é um metal, então forma-se no cátodo: $\text{Zn}^{2+}$ íons ganham elétrons e zinco prateado aparece. O cloro é um não-metal, então forma-se no ânodo: gás cloro verde-claro borbulha para fora. Sempre verifique o estado primeiro. Um composto fundido simplesmente fornece seus próprios dois elementos, enquanto um aquoso traz a água para a competição - é por isso que a solução de cloreto de sódio concentrada dá hidrogênio no cátodo em vez de sódio.

Como a carga se move

Durante a eletrólise:

• Elétrons 电子 movem-se através dos fios (o circuito externo 外电路) a partir da fonte de alimentação.
• No cátodo, íons positivos ganham elétrons. Ganhar elétrons é redução 还原.
• No ânodo, íons negativos perdem elétrons. Perder elétrons é oxidação 氧化.
• Dentro do eletrólito, os íons movem-se: íons positivos vão para o cátodo e íons negativos vão para o ânodo.

Você pode escrever uma equação de semirreação 半反应式 para cada eletrodo. Para o brometo de chumbo(II) fundido:

Eletrólise de sulfato de cobre(II)

O produto no ânodo depende do eletrodo:

• Com eletrodos de carbono inertes: cobre 铜 forma-se no cátodo e oxigênio forma-se no ânodo. A cor azul da solução desbota lentamente à medida que o cobre é removido.
• Com eletrodos de cobre: cobre forma-se no cátodo, enquanto o próprio ânodo dissolve-se na solução. A cor azul permanece a mesma. Isso é usado para purificar o cobre.

Galvanoplastia

Galvanoplastia 电镀 significa cobrir um objeto metálico com uma fina camada de outro metal. Isso melhora sua aparência e sua resistência à corrosão 腐蚀 (ferrugem e desgaste).

Para galvanoplastiar um objeto:

• o objeto a ser revestido torna-se o cátodo;
• o metal de revestimento torna-se o ânodo;
• o eletrólito é uma solução contendo íons do metal de revestimento.

Uma pilha a combustível 燃料电池 usa hidrogênio e oxigênio para gerar eletricidade diretamente. O único produto químico é a água.

É útil comparar uma pilha a combustível com um motor a gasolina normal em um veículo.

Vantagens da pilha a combustível: o único produto é a água, então não polui o ar, e ela converte energia química em eletricidade eficientemente. Desvantagens: o hidrogênio é difícil de armazenar e transportar com segurança, e produzir o hidrogênio ainda pode usar energia de combustíveis fósseis.

• No cátodo (negativo) você obtém um metal ou hidrogênio; no ânodo (positivo) você obtém um não-metal. Íons positivos movem-se para o cátodo, íons negativos para o ânodo.
• Um composto fundido apenas fornece seus dois elementos. Uma solução aquosa pode dar algo diferente (cloreto de sódio concentrado dá hidrogênio e cloro, não sódio).
• Redução é ganho de elétrons (no cátodo); oxidação é perda de elétrons (no ânodo). Lembre-se de OIL RIG.
• Em uma equação de semirreação os átomos e as cargas devem estar equilibrados, com os elétrons no lado correto: $\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ (cátodo).
• Para galvanoplastiar um objeto, torne-o o cátodo, torne o metal de revestimento o ânodo e use uma solução contendo íons do metal de revestimento.

Em toda reação química, a energia é transferida. A reação é exotérmica ou endotérmica, dependendo da direção do fluxo de energia.

• Uma reação exotérmica 放热反应 libera energia térmica 热能 para o ambiente 环境. Então a temperatura do ambiente sobe para cima.
• Uma reação endotérmica 吸热反应 absorve energia térmica do ambiente. Então a temperatura do ambiente desce para baixo.

Exemplos de reações exotérmicas são combustão 燃烧 (queimar um combustível) e neutralização 中和 (um ácido reagindo com uma base). Um exemplo de reação endotérmica é a decomposição térmica decomposition 分解 de um composto (quebrá-lo usando calor).

A quantidade de energia térmica transferida em uma reação é chamada de variação de entalpia 焓变. Ela é escrita como $\Delta H$ e tem estes sinais:

• $\Delta H$ é negativo para uma reação exotérmica, porque a energia sai dos químicos.
• $\Delta H$ é positivo para uma reação endotérmica, porque a energia é absorvida.

As partículas não reagem toda vez que se encontram. A energia de ativação 活化能 ($E_a$) é a menor quantidade de energia que partículas colidindo 碰撞 particles 粒子 devem ter antes que possam reagir. É como uma colina que as partículas precisam ultrapassar antes que a reação possa acontecer.

Um diagrama de caminho de reação 反应进程图 mostra como as energias mudam conforme uma reação ocorre. A energia está no eixo vertical, e o progresso da reação está no eixo horizontal.

• A linha começa no nível de energia dos reativos 反应物.
• Ele sobe sobre uma 'colina' — a altura dessa colina é a energia de ativação $E_a$.
• Depois ela desce ou sobe até o nível de energia dos produtos 生成物.
• A diferença entre o nível dos reagentes e o nível dos produtos é a variação de entalpia $\Delta H$.

Para uma reação exotérmica, os produtos estão abaixo dos reagentes, então a energia é liberada e $\Delta H$ é negativo.

Para uma reação endotérmica, os produtos estão acima dos reagentes, então a energia é absorvida e $\Delta H$ é positivo.

Uma reação envolve quebrar as ligações nos reagentes e formar novas ligações nos produtos.

• Quebra de ligação 断键 absorve energia, então é uma etapa endotérmica.
• Formação de ligação 成键 libera energia, então é uma etapa exotérmica.

A energia de ligação 键能 é a energia necessária para quebrar um mol de uma ligação específica. Você pode usar energias de ligação para encontrar a variação de entalpia:

Se mais energia é liberada formando ligações do que é absorvida quebrando ligações, a reação é exotérmica ($\Delta H$ negativo). Se menos energia é liberada, é endotérmica ($\Delta H$ positivo).

Exemplo resolvido

Para a reação $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$, use estas energias de ligação (em kJ/mol): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

Ligações quebradas: uma H–H e uma Cl–Cl $= 436 + 242 = 678$.

Ligações formadas: duas H–Cl $= 2 \times 431 = 862$.

A resposta é negativa, então esta reação é exotérmica.

• Exotérmica libera calor, então o ambiente esquenta e $\Delta H$ é negativo; endotérmica absorve calor, então o ambiente esfria e $\Delta H$ é positivo.
• Quebra de ligação absorve energia (endotérmica); formação de ligação libera energia (exotérmica). Use $\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$.
• Se mais energia for liberada formando ligações do que usada quebrando-as, a reação é exotérmica. Sempre verifique o sinal da sua resposta final.
• Em um diagrama de via de reação, uma reação exotérmica termina abaixo de onde começou; uma endotérmica termina acima. A altura da colina é a energia de ativação.

Uma mudança física 物理变化 não produz uma nova substância. A substância apenas muda de estado ou forma, e a mudança geralmente pode ser revertida. O derretimento do gelo e a dissolução do açúcar são mudanças físicas.

Uma mudança química 化学变化 (uma reação química) produz uma ou mais novas substâncias e geralmente é difícil de reverter. Sinais de uma mudança química incluem mudança de cor, liberação de gás, mudança de energia ou formação de um precipitado 沉淀 (um sólido).

A taxa de reação 反应速率 indica quão rápido os reativos 反应物 se transformam em produtos 生成物.

Teoria das colisões

Teoria das colisões 碰撞理论 explica o que controla a taxa. Para que uma reação ocorra, as partículas 粒子 devem colidir 碰撞, e devem colidir com energia suficiente. A menor energia necessária é a energia de ativação 活化能 ($E_a$). Uma taxa mais rápida ocorre quando as partículas têm colisões bem-sucedidas com maior frequência.

O que altera a taxa

Catalisadores

Um catalisador acelera uma reação, mas não é consumido — permanece inalterado no final. Ele atua reduzindo a energia de ativação. Enzimas 酶 são catalisadores biológicos (catalisadores que funcionam em seres vivos).

Medindo a taxa

Você pode acompanhar uma reação ao longo do tempo destas formas:

• Variação de massa: coloque o frasco sobre uma balança. Se um gás escapar, a massa diminui. Registre a massa em intervalos regulares de tempo.
• Volume de gás: colete o gás em uma seringa de gás 注射器 e leia seu volume em intervalos regulares de tempo.
• Formação de precipitado: em uma reação que fica turva, meça quanto tempo leva para uma marca sob o frasco desaparecer.

Em um gráfico de produto contra tempo, a linha é mais íngreme no início (maior taxa), torna-se menos íngreme conforme os reativos são consumidos, e fica horizontal quando a reação termina.

Algumas reações são reversíveis 可逆反应: os produtos podem reagir para formar os reativos novamente. Mostramos isso com o símbolo $\rightleftharpoons$.

Alterando a direção

Um exemplo claro usa compostos hidratados 水合 e anidros 无水:

• O sulfato de cobre(II) hidratado azul, ao ser aquecido, perde sua água e torna-se sulfato de cobre(II) anidro branco. Adicionar água o torna azul novamente.
• O cloreto de cobalto(II) hidratado rosa perde água ao aquecer e torna-se cloreto de cobalto(II) anidro azul. Adicionar água o torna rosa novamente.

Adicionar água ao sólido anidro (e observar o retorno da cor) é usado como teste para água.

Equilíbrio

Em um sistema fechado 密闭系统 (onde nada entra ou sai), uma reação reversível atinge equilíbrio 平衡 quando:

• a taxa da reação direta 正反应 é igual à taxa da reação inversa 逆反应, e
• as concentrações dos reativos e produtos não estão mais mudando.

Alterando a posição do equilíbrio

A posição do equilíbrio 平衡位置 indica se há mais reativos ou mais produtos. Você pode movê-la:

• Temperatura: aquecer move o equilíbrio na direção que absorve calor (direção endotérmica 吸热反应); resfriar move-o na direção que libera calor (direção exotérmica 放热反应).
• Pressão (gases): maior pressão move o equilíbrio para o lado com menos moléculas gasosas.
• Concentração: adicionar mais de uma substância move o equilíbrio para o outro lado, para consumi-la.
• Um catalisador não mover a posição do equilíbrio. Ele apenas ajuda a reação a atingir o equilíbrio mais rapidamente.

Processo Haber

O Processo Haber 哈伯法 produz amônia:

• O hidrogênio 氢气 vem do metano 甲烷 (gás natural); o nitrogênio 氮气 vem do ar.
• Condições típicas: temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, pressão de aproximadamente $200$ atm ($20\,000$ kPa) e um catalisador de ferro 铁.

Processo Contact

O Processo Contact 接触法 converte dióxido de enxofre em trióxido de enxofre:

• O dióxido de enxofre vem da queima de enxofre 硫 (ou calcinação de minerais sulfetados); o oxigênio 氧气 vem do ar.
• Condições típicas: temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, pressão de aproximadamente $2$ atm ($200$ kPa) e um catalisador de óxido de vanádio(V) 五氧化二钒.

Por que essas condições são escolhidas

As condições são um compromisso 折中:

• Maior pressão daria mais produto, mas pressões muito altas são perigosas e caras, então usa-se uma pressão média.
• Temperatura mais baixa daria mais produto (ambas as reações diretas são exotérmicas), mas a reação seria muito lenta, então usa-se uma temperatura relativamente alta para manter uma boa taxa.
• O catalisador acelera a reação sem alterar a posição do equilíbrio, o que reduz custos.

Oxidação 氧化 e redução 还原 sempre ocorrem ao mesmo tempo, em uma reação chamada reação redox 氧化还原反应. ('Redox' é abreviação de reduction–oxidation.)

Existem três maneiras de descrever oxidação e redução:

• Oxigênio: oxidação é o ganho de oxigênio; redução é a perda de oxigênio.
• Elétrons 电子: oxidação é a perda de elétrons; redução é o ganho de elétrons.
• Número de oxidação 氧化数: na oxidação o número de oxidação aumenta; na redução ele diminui.

Um auxílio mnemônico útil é OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — de elétrons.

Regras do número de oxidação

O número de oxidação é indicado por numeral romano, como em ferro(II) e ferro(III). As regras são:

• Um elemento que não está combinado tem número de oxidação de $0$.
• Um íon monoatômico tem número de oxidação igual à sua carga (portanto $\text{Na}^{+}$ é $+1$).
• Os números de oxidação em um composto somam $0$.
• Os números de oxidação em um íon somam a carga do íon.

Exemplo resolvido. Encontre o número de oxidação do manganês no íon manganato(VII), $\text{MnO}_4^{-}$. Cada oxigênio é $-2$, e há quatro deles, totalizando $4 \times (-2) = -8$. Os números de oxidação em um íon devem somar a carga do íon, que aqui é $-1$. Então, se o manganês for $x$, temos $x + (-8) = -1$, resultando em $x = +7$ - exatamente o que o (VII) no nome indica. Defina o total como a carga do íon, não como zero: zero é apenas para um composto neutro.

Agentes oxidantes e redutores

• Um agente oxidante 氧化剂 oxida outra substância e é reduzido por si mesmo.
• Um agente redutor 还原剂 reduz outra substância e é oxidado por si mesmo.

Algumas reações redox mostram mudanças de cor claras:

• O permanganato de potássio acidificado 高锰酸钾 é roxo. Ao atuar como agente oxidante, é reduzido, e a cor roxa desaparece tornando-se incolor.
• O iodeto de potássio 碘化钾 é incolor. Ao ser oxidado, forma-se iodo 碘 vermelho-marrom.

• Explique uma taxa mais rápida usando a teoria das colisões: colisões bem-sucedidas ocorrem com mais frequência. Concentração, pressão e área de superfície aumentam a frequência com que as partículas colidem; uma temperatura mais alta faz isso e também fornece mais partículas com energia suficiente.
• Um catalisador reduz a energia de ativação e acelera a reação, mas não é consumido e não altera $\Delta H$ nem a posição do equilíbrio.
• No equilíbrio, as taxas das reações direta e inversa são iguais e as concentrações param de mudar — isso não significa que as quantidades de reagente e produto sejam iguais.
• Use o princípio de Le Chatelier: aumentar a temperatura favorece a direção endotérmica; aumentar a pressão favorece o lado com menos moléculas gasosas; adicionar uma substância desloca o equilíbrio para longe dela.
• Redox — OIL RIG: Oxidação é Perda, Redução é Ganho de elétrons. Elas sempre ocorrem juntas, e um agente oxidante é ele próprio reduzido.

Um ácido 酸 é uma substância que forma íons de hidrogênio ($\text{H}^{+}$) quando dissolvida em água. Ácidos têm três reações típicas:

• com metais 金属: ácido + metal → uma sal 盐 + hidrogênio 氢气
• com bases: ácido + base 碱 → uma sal + água (esta é a neutralização 中和)
• com carbonatos 碳酸盐: ácido + carbonato → uma sal + água + dióxido de carbono 二氧化碳

Descrevendo o que você vê

Nomear os produtos é apenas metade do que o exame pede. "Descreva as observações" pergunta o que você veria com seus olhos, e isso tem suas próprias pontuações — então aprenda as palavras:

Então, para magnésio adicionado ao ácido clorídrico, uma resposta completa é: efervescência, e o sólido dissolve-se (e o tubo fica quente). Para óxido de cobre(II) adicionado ao ácido sulfúrico morno: o sólido preto dissolve-se e a solução fica azul.

Duas regras salvam a maioria das perdas de pontos. Nunca escreva "hidrogênio é liberado" como uma observação - você não pode ver hidrogênio, só pode ver as bolhas, então escreva efervescência. E não escreva um nome que você não pode ver: "uma sal se forma" é uma conclusão, não uma observação.

Indicadores

Um indicador 指示剂 é um corante que muda de cor para mostrar se uma solução é ácida ou alcalina.

Soluções aquosas de ácidos contêm íons de hidrogênio ions 离子 ($\text{H}^{+}$). Soluções aquosas de alcalinos contêm íons hidroxida ($\text{OH}^{-}$).

Bases são óxidos 氧化物 ou hidróxidos 氢óxidos de metais. Um alcalino 可溶性碱 é uma base que se dissolve em água (uma base solúvel).

Bases têm duas reações típicas:

• com ácidos: base + ácido → uma sal + água (neutralização novamente)
• com sais de amônio 铵盐: isso libera gás amônia.

Um ácido é um doador de prótons 质子 — ele cede íons $\text{H}^{+}$ (um íon de hidrogênio é apenas um próton). Uma base é um aceitador de prótons.

A força de um ácido depende de quanto dele se divide em íons na água:

• Um ácido forte 强酸 está completamente dissociado 电离 (totalmente dividido em íons) na água. Ácido clorídrico 盐酸 é forte:

• Um ácido fraco 弱酸 está apenas parcialmente dissociado. Ácido etanoico 乙酸 é fraco, então a equação usa a seta reversível:

Nota: 'forte' e 'fraco' referem-se à dissociação, não a estar diluído ou concentrado.

A escala de pH vai de 0 a 14 e mostra quão ácida ou alcalina é uma solução. Uma maior concentração de íons de hidrogênio significa um pH mais baixo.

Você pode encontrar o pH usando o indicador universal 通用指示剂, que muda para diferentes cores:

Quando um ácido e um alcalino reagem, os íons $\text{H}^{+}$ e $\text{OH}^{-}$ se unem para formar água:

Óxidos podem ser classificados por seu comportamento:

• Óxidos ácidos são óxidos de não-metais, como $\text{SO}_2$ e $\text{CO}_2$.
• Óxidos básicos são óxidos de metais, como $\text{CuO}$ e $\text{CaO}$.
• Óxidos anfoterônicos 两性 reagem tanto com ácidos quanto com bases para formar uma sal e água. $\text{Al}_2\text{O}_3$ e $\text{ZnO}$ são anfoterônicos.

Assim, óxidos de metais tendem a ser básicos e óxidos de não-metais tendem a ser ácidos.

Se um sal pode ser feito por um certo método depende se ele é solúvel 可溶 (dissolve) ou insolúvel 不溶 (não dissolve).

Regras de solubilidade

Fazendo um sal solúvel

Você reage um ácido com um destes:

• um alcalino, usando titulação 滴定 (já que ambos são soluções, você deve medir os volumes exatos);
• um excesso 过量 de um metal, uma base insolúvel ou um carbonato insolúvel.

Quando você usa excesso de um sólido, depois filtra 过滤 para remover o sólido restante. Finalmente, você evapora 蒸发 parte da água e deixa a solução cristalizar 结晶 para obter o sal.

Exemplo resolvido. Qual método você usaria para preparar (a) sulfato de cobre(II) e (b) sulfato de bário? Verifique as regras de solubilidade primeiro. (a) Sulfato de cobre(II) é solúvel (apenas sulfatos de bário, cálcio e chumbo não são), então faça-o a partir de um sólido insolúvel e um ácido: adicione excesso de óxido de cobre(II) a ácido sulfúrico diluído morno, filtre o sólido restante, depois evapore parte da água e cristalize. (b) Sulfato de bário é insolúvel, então faça-o por precipitação: misture duas soluções que carreguem cada uma um dos íons necessários, depois filtre, lave e seque o sólido. A solubilidade do sal que você quer é o que decide o método - consulte as regras antes de escolher.

Fazendo um sal insolúvel

Um sal insolúvel é feito por precipitação 沉淀: misture duas soluções que contenham cada uma um dos íons necessários, e o sal insolúvel forma-se como um sólido. Você então filtra, lava e seca.

Água em sais

• Uma substância hidratada 水合 é quimicamente ligada à água.
• Uma substância anidra 无水 não contém água.

As moléculas de água dentro dos cristais hidratados são chamadas de água de cristalização 结晶水. Por exemplo, $\text{CuSO}_4 \bullet 5\text{H}_2\text{O}$ tem cinco moléculas de água para cada unidade de fórmula.

• Aprenda as três reações de ácido: ácido + metal → sal + hidrogênio; ácido + base → sal + água (neutralização); ácido + carbonato → sal + água + dióxido de carbono.
• Forte e fraco descrevem quanto o ácido se divide em íons (dissociação), não quão concentrado ele está. Um ácido forte está totalmente dissociado; um ácido fraco está apenas parcialmente.
• Um pH mais baixo significa uma maior concentração de íons de hidrogênio. pH 7 é neutro, abaixo de 7 é ácido, acima de 7 é alcalino.
• Escolha o método do sal pela solubilidade: um sal solúvel é feito de ácido + sólido em excesso (depois filtre, evapore, cristalize), ou por titulação com um alcalino; um sal insolúvel é feito por precipitação (misture duas soluções, depois filtre).
• Aprenda as regras de solubilidade — todos os sais de sódio, potássio, amônio e nitrato são solúveis.

A Tabela Periódica 周期表 organiza todos os elementos 元素 em ordem crescente de número de prótons 质子数 (o número atômico 原子序数). As fileiras horizontais são chamadas de períodos 周期 e as colunas verticais são chamadas de grupos 族.

Alguns padrões-chave:

• Ao longo de um período, os elementos mudam de metais 金属 à esquerda para não-metais 非金属 à direita.
• O número do grupo indica a carga dos íons 离子 que os elementos formam. O Grupo I forma íons $+1$, o Grupo II forma íons $+2$ e o Grupo VII forma íons $-1$.
• Elementos no mesmo grupo possuem propriedades químicas semelhantes. Isso ocorre porque eles têm o mesmo número de elétrons 电子 na camada externa (a mesma configuração eletrônica 电子排布 externa).

Devido a esses padrões, você pode usar a posição de um elemento para prever suas propriedades.

Os elementos do Grupo I são os metais alcalinos 碱金属: lítio 锂, sódio 钠 e potássio 钾. Eles são metais macios 柔软 (você pode cortá-los com uma faca).

Descendo pelo grupo, há tendências claras:

Você pode usar essas tendências para prever as propriedades de outros elementos do Grupo I. Por exemplo, o rubídio (abaixo do potássio) seria ainda mais reativo e teria um ponto de fusão ainda menor.

Reação com a água e o que se vê

Esta é a reação mais cobrada nos exames. Todo metal do Grupo I reage com a água para formar uma base (hidróxido do metal) mais hidrogênio - exatamente por isso são chamados de metais alcalinos:

"Descreva o que você vê" vale pontos próprios, então aprenda a lista para sódio sobre a água:

• ele flutua - o metal é menos denso que a água.
• ele derrete formando uma bola - a reação libera calor e o ponto de fusão do metal é baixo.
• ele se move pela superfície - o jato de hidrogênio que escapa o empurra.
• há efervescência 泡腾 (borbulhamento) - o gás hidrogênio escapando.
• ele diminui e desaparece à medida que é consumido.
• a solução torna-se alcalina, então o indicador universal fica roxo (é agora $\text{NaOH}$).

A tendência aparece na intensidade disso: lítio borbulha constantemente mas não derrete; sódio derrete numa bola e corre ao redor; potássio é rápido o suficiente para inflamar seu próprio hidrogênio, queimando com uma chama lilás. Duas respostas a evitar: "hidrogênio é liberado" não é uma observação (você não pode vê-lo - diga efervescência), e o metal derrete porque a reação é exotérmica, não porque "a água está quente".

Os elementos do Grupo VII são os halogênios 卤素: cloro 氯气, bromo 溴 e iodo 碘. Eles são diatômicos 双原子 não-metais (cada molécula é formada por dois átomos, como $\text{Cl}_2$).

Sua aparência à temperatura e pressão ambiente:

Descendo o grupo, a densidade aumenta, mas a reatividade diminui (a tendência oposta ao Grupo I).

Reações de deslocamento

Um halogênio mais reativo empurra para fora (desloca) um íon haleto 卤化物 menos reativo de sua solução. Esta é uma reação de deslocamento 置换反应.

Por exemplo, o cloro é mais reativo que o bromo, então o cloro desloca o bromo do brometo de potássio:

Exemplo resolvido. Cloro aquoso é adicionado a uma solução de iodeto de potássio; depois, iodo aquoso é adicionado a uma solução de brometo de potássio. O que acontece em cada caso? A reatividade cai para baixo no Grupo VII: cloro, depois bromo, depois iodo. (a) O cloro está acima do iodo, então é mais reativo e o desloca: $\text{Cl}_2 + 2\text{KI} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{I}_2$, e a solução fica vermelho-acastanhada quando o iodo é liberado. (b) O iodo está abaixo do bromo, então é menos reativo e não pode desloca-lo - há nenhuma reação e nenhuma mudança de cor. "Nenhuma reação" é uma resposta completa que vale pontos: verifique a ordem no grupo antes de escrever qualquer equação.

Os metais de transição 过渡元素 são o bloco de metais no meio da Tabela Periódica. Comparados aos metais do Grupo I, eles:

• têm altas densidades;
• têm altos pontos de fusão;
• formam compostos 化合物 coloridos 有色;
• frequentemente atuam como catalisadores, tanto como elementos quanto em compostos.

Eles também podem ter números de oxidação 氧化数 variáveis 可变. Por exemplo, o ferro 铁 forma compostos de ferro(II) e ferro(III).

Os gases nobres 稀有气体 do Grupo VIII são inertes 不活泼, gases monoatômicos 单原子 (existem como átomos individuais, não como moléculas).

Eles são inertes porque já possuem uma camada externa de elétrons completa. Isso os torna estáveis, então não precisam ganhar, perder ou compartilhar elétrons.

• A Tabela Periódica é ordenada pelo número de prótons. Elementos no mesmo grupo (coluna) têm o mesmo número de elétrons externos, então reagem de maneira semelhante; períodos são as linhas.
• Grupo I (metais alcalinos) tornam-se mais reativos descendo; Grupo VII (halogênios) tornam-se menos reativos descendo — tendências opostas.
• Um halogênio mais reativo desloca um menos reativo de uma solução de seu sal — por exemplo, o cloro desloca o bromo.
• Gases nobres são inertes porque têm uma camada externa cheia. Metais de transição são duros e densos, formam compostos coloridos, atuam como catalisadores e têm números de oxidação variáveis.

Propriedades físicas

Metais 金属 e não-metais 非金属 comportam-se muito diferentemente:

Propriedades químicas

Os metais reagem de três maneiras principais:

• com ácidos 酸 diluídos → um sal 盐 + hidrogênio 氢气
• com água fria ou vapor 蒸汽 → um hidróxido (ou óxido) metálico + hidrogênio
• com oxigênio 氧气 → um óxido 氧化物 metálico

Um metal é escolhido para uma tarefa devido às suas propriedades físicas.

• Alumínio 铝 é usado para fazer aviões devido à sua baixa densidade 密度 (é leve).
• Alumínio é usado para cabos elétricos aéreos devido à sua baixa densidade e boa condutividade elétrica.
• Alumínio é usado para recipientes alimentícios porque resiste à corrosão 腐蚀.
• Cobre 铜 é usado para fiação elétrica devido à sua boa condutividade elétrica e ductilidade (pode ser estirado em fios).

Uma liga 合金 é uma mistura 混合物 de um metal com um ou mais outros elementos.

• Latão 黄铜 é uma mistura de cobre e zinc 锌.
• Aço inoxidável 不锈钢 é uma mistura de ferro 铁 com outros elementos como cromo 铬, níquel 镍 e carbono 碳.

Ligas geralmente são mais duras e fortes que os metais puros, o que as torna mais úteis. Por exemplo, o aço inoxidável é usado para talheres porque é duro e não enferruja.

Por que as ligas são mais duras. Em um metal puro, os átomos 原子 são todos do mesmo tamanho, então as camadas 层 podem deslizar umas sobre as outras facilmente. Em uma liga, os átomos de tamanhos diferentes impedem que as camadas deslizem, tornando a liga mais dura e forte.

A série de reatividade 金属活动性顺序 lista os metais em ordem de sua reatividade. Carbono e hidrogênio são incluídos para comparação:

potássio 钾, sódio 钠, cálcio 钙, magnésio 镁, alumínio, carbono, zinco, ferro, hidrogênio, cobre, prata, ouro

(mais reativo no topo, menos reativo na base)

Quanto mais alto está um metal, mais facilmente forma íons positivos 离子. Isso explica suas reações:

• potássio, sódio e cálcio reagem com água fria.
• magnésio reage com vapor (mas muito lentamente com água fria).
• magnésio, zinco e ferro reagem com ácido clorídrico diluído; cobre, prata e ouro não reagem.

Reações de deslocamento

Um metal mais reativo deslocará um metal menos reativo de uma solução de seus íons (uma reação de deslocamento 置换反应). Por exemplo, o zinco desloca o cobre da solução de sulfato de cobre(II), pois o zinco é mais reativo que o cobre:

Esteja pronto para dizer o que você veria, pois são marcas separadas:

• a cor azul da solução desaparece - os íons azul $\text{Cu}^{2+}$ estão sendo consumidos (sulfato de zinco é incolor).
• um sólido rosa-acastanhado reveste o zinco - esse é o cobre deslocado.
• o zinco cinza dissolve e diminui de tamanho.
• a mistura aquece - o deslocamento é exotérmico.

Reações de metal com ácido têm sua própria lista: efervescência 泡腾 (o escape do hidrogênio) e o sólido dissolve. Com óxido de cobre(II) ou carbonato e ácido, adicione que a solução fica azul. Nunca escreva "hidrogênio é liberado" como uma observação - você não pode ver o gás, apenas as bolhas, então escreva efervescência.

Exemplo resolvido. Zinco e alumínio são ambos encontrados como óxidos. Qual pode ser extraído aquecendo com carbono, e por quê? Encontre a posição de cada metal em relação ao carbono na série de reatividade. O zinco fica abaixo do carbono, então o carbono é mais reativo dos dois e pode retirar o oxigênio dele: o óxido de zinco é reduzido aquecendo com carbono. O alumínio fica acima do carbono, então o carbono não é suficientemente reativo para desloca-lo, e o alumínio deve ser extraído por eletrólise - é por isso que o alumínio custa muito mais para extrair. A linha na série que decide o método é a do carbono, não o topo da lista.

O caso especial do alumínio

O alumínio parece menos reativo do que sua posição sugere. Isso ocorre porque ele é coberto por uma fina e forte camada de óxido 氧化层 que impede que outras substâncias alcancem o metal por baixo.

Ferrugem 生锈 é a corrosão do ferro e do aço. Duas coisas são necessárias para a ferrugem: oxigênio (do ar) e água. A ferrugem 铁锈 formada é óxido de ferro(III) hidratado.