Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti



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Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti
Carlos Alberto Mattoso Ciscato, Luis Fernando Pereira, Emiliano Chemello, Patrícia Barrientos Proti
Moderna
Página 1

Carlos Alberto Mattoso Ciscato
Bacharel em Filosofia pela Universidade de São Paulo (USP). Professor em escolas particulares e cursos pré-vestibulares em São Paulo.

Luis Fernando Pereira
Bacharel e licenciado em Química pela Universidade de São Paulo (USP). Professor em escolas particulares e cursos pré-vestibulares.

Emiliano Chemello
Licenciado em Química e Mestre em Engenharia e Ciência dos Materiais pela Universidade de Caxias do Sul (UCS), RS. Professor em escolas particulares e cursos pré-vestibulares.

Patrícia Barrientos Proti
Bacharel e licenciada em Química pela Universidade de São Paulo (USP). Doutora em Ciências (área de concentração: Bioquímica) pela Universidade de São Paulo (USP). Professora universitária e do Ensino Médio em escolas particulares e cursos pré-vestibulares.

QUÍMICA

Ciscato, Pereira, Chemello e Proti

2

Ensino Médio

Componente curricular: QUÍMICA

1ª edição

São Paulo, 2016



MODERNA
Página 2

Coordenação editorial: Rita Helena Bröckelmann

Edição de texto: Patrícia Araújo dos Santos (coord.), Tathyana Cristina Tumolo Ribeiro (coord.), Flávia Esteves dos Reis, Luciana Keler Machado Corrêa, Edna Emiko Nomura

Assessoria didático-pedagógica: Maria Fernanda Penteado Lamas

Assistência editorial: Josilãna Alves Nogueira

Leitor técnico: Déborah de Alencar Simoni, Flavio Antonio Maximiano, Simone Martorano, Tonimar Domiciano Arrighi Senra, Luciane Hiromi Akahoshi

Preparação de texto: Márcia Leme, Lídia Toshie Tamazato

Gerência de design e produção gráfica: Sandra Botelho de Carvalho Homma

Coordenação de produção: Everson de Paula

Suporte administrativo editorial: Maria de Lourdes Rodrigues (coord.)

Coordenação de design e projetos visuais: Marta Cerqueira Leite

Projeto gráfico: Mariza de Souza Porto, Otávio dos Santos

Capa: Douglas Rodrigues José
Foto: Gruta submarina (Saint John) no Mar Vermelho, Egito.
Na foto podemos observar o efeito Tyndall. © Dray van Beeck/Minden Pictures/Latinstock

Coordenação de arte: Wilson Gazzoni Agostinho

Edição de arte: Jordana de Lima Chaves, Cristiane Cabral

Editoração eletrônica: Grapho Editoração

Edição de infografia: Luiz Iria, Priscilla Boffo, Otávio Cohen

Ilustrações de vinhetas: Otávio dos Santos

Coordenação de revisão: Adriana Bairrada

Revisão: Afonso N. Lopes, Alessandra Abramo Felix, Denise Ceron, Thiago Dias

Coordenação de pesquisa iconográfica: Luciano Baneza Gabarron

Pesquisa iconográfica: Fernanda Siwiec, Flávia Aline de Morais

Coordenação de bureau: Américo Jesus

Tratamento de imagens: Denise Feitoza Maciel, Marina M. Buzzinaro, Rubens M. Rodrigues

Pré-impressão: Alexandre Petreca, Everton L. de Oliveira, Fabio N. Precendo, Hélio P. de Souza Filho, Marcio H. Kamoto, Vitória Sousa

Coordenação de produção industrial: Viviane Pavani

Impressão e acabamento:

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Química – Ciscato, Pereira, Chemello e Proti — 1. ed. — São Paulo : Moderna, 2016. Autores: Carlos Alberto Mattoso Ciscato, Luis Fernando Pereira, Emiliano Chemello, Patrícia Barrientos Proti
Obra em 3 v. “Componente curricular: Química”
Bibliografia.
1. Química (Ensino médio) I. Ciscato, Carlos Alberto Mattoso. II. Pereira, Luis Fernando. III. Chemello, Emiliano. IV. Proti, Patrícia Barrientos.
16-01674
CDD-540.7
Índice para catálogo sistemático: 1. Química : Ensino médio 540.7

Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998.

Todos os direitos reservados

EDITORA MODERNA LTDA.
Rua Padre Adelino, 758 - Belenzinho
São Paulo - SP - Brasil - CEP 03303-904
Vendas e Atendimento: Tel. (0_ _11) 2602-5510
Fax (0_ _11) 2790-1501
www.moderna.com.br
2016
Impresso no Brasil

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Página 3

Apresentação

Rolando uma química...

Quando duas pessoas se gostam, costumamos dizer que está “rolando uma química” entre elas, não é?

Saiba que, para essa expressão, existem explicações científicas. Pesquisas comprovam que certas substâncias químicas, presentes em nosso organismo, variam à medida que sentimos amor, ódio, alegria, tristeza, agressividade, tranquilidade, tolerância, intolerância, entre outros sentimentos.

Quando dizemos que “rola uma química” entre duas pessoas, significa que a relação entre elas envolve os melhores sentimentos.

Esta coleção pretende fazer “rolar uma química” entre você e essa ciência, despertando seu interesse, sua curiosidade e outros sentimentos positivos em relação ao estudo da Química.

Nossa intenção foi produzir uma obra que servisse de guia para conduzi-lo, com segurança e motivação, no universo da constituição da matéria e suas transformações. Para facilitar a compreensão, os conteúdos são abordados, sempre que possível, em situações reais e atuais, destacando a aplicação desses conceitos no dia a dia.

Você deve estar ansioso e, talvez, até um pouco preocupado com as novidades e os desafios que estão por vir. Fique tranquilo: com o apoio do professor e desta coleção, que foi desenvolvida pensando em você, sua jornada será, sem dúvida, bem-sucedida.

Desejamos a você uma ótima experiência com o estudo da Química!



Os autores
Página 4

Conheça o seu livro

Texto de apresentação do capítulo
Apresenta o que será discutido ao longo dos temas do capítulo.

Texto de abertura do capítulo
Traz um contexto transdisciplinar que servirá de desencadeador de ideias a serem trabalhadas ao longo do capítulo.

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Questões relativas ao texto de abertura
Atividades de interpretação de texto que exploram também a leitura e a compreensão de outras linguagens apresentadas no texto de abertura.

Reflita sobre os tópicos abordados neste capítulo
Questões para desencadear discussões e que procuram levar o aluno a estabelecer relações entre o que ele sabe e o que será estudado. Tem a função de levantamento de conhecimentos prévios.

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Texto de apresentação do tema
Apresenta o que será discutido ao longo do tema.

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Textos de fontes variadas com enfoque multidisciplinar e que auxiliam o aluno a retomar os conceitos químicos estudados no tema, por meio das atividades.



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Página 5

Glossário
Termos da língua portuguesa e/ou termos químicos que precisam ser esclarecidos. Encontram-se destacados no texto.

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Atividade prática
Propostas de atividades simples e investigativas que podem ser trabalhadas em sala de aula ou em casa. Apresentam normas de segurança e orientações específicas sobre descarte. Possuem dois tipos de questionamento: os que encaminham a interpretação dos resultados e os que auxiliam na conclusão da atividade.

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Questões para fechamento do tema
Atividades de fixação e compreensão dos conceitos para que seja possível a avaliação do conhecimento adquirido ao longo do estudo do tema.

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Exercícios finais
Seleção de atividades para ampliar a compreensão dos conteúdos desenvolvidos no capítulo, incluindo as provenientes dos principais vestibulares do país e do Enem, a fim de que o aluno adquira familiaridade com esses processos de seleção.

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Atividade em grupo
Envolve diferentes áreas do conhecimento, a realização de pesquisas e a organização e análise de informações. Incentiva o trabalho colaborativo e a apresentação dos resultados por meio da elaboração de gráficos, tabelas, diagramas e textos jornalísticos, visando o envolvimento da comunidade escolar.

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Página 6

Sumário

Capítulo 1 Água potável: propriedades físicas e químicas e processos de obtenção, 12

A água no planeta Terra 12
Disponibilidade de água doce e potável 13
Poluição da água e as doenças que podem ser causadas por ela 14
O uso da água no Brasil 15
Questões relativas ao texto de abertura 15
Reflita sobre os tópicos abordados neste capítulo 15

Tema 1 Como obter água potável a partir de água doce, 16
Potabilidade da água 16
Com alta concentração de flúor, fontes são lacradas em Águas da Prata, SP 18
Alguns contaminantes das águas 18
Origem dos contaminantes 20
O tratamento da água 22
Questões para fechamento do tema 24

Tema 2 As principais formas de expressar as concentrações dos solutos nas soluções, 25
A concentração de gás oxigênio na água 25
Atividade prática: Avaliando o teor de gás oxigênio dissolvido em amostras de água 25
Expressando concentrações em ppm, ppb, porcentagem e título 28
Expressando concentrações em gramas por litro e em quantidade de matéria 29
Preparando uma solução a partir de solutos sólidos 30
Fluoretação da água de abastecimento e a concentração de íons 31
Soluções concentradas e soluções diluídas 32
Como calcular a concentração após a diluição 34
Preparando uma solução diluída a partir de uma solução concentrada 34
Questões para fechamento do tema 35

Tema 3 Controle de acidez das águas, 37
A importância do parâmetro pH no contexto ambiental 37
Determinando a concentração de ácido ou de base em uma amostra por meio da titulação 38
Titulação envolvendo outros tipos de reação 40
Questões para fechamento do tema 42

Tema 4 Obtendo água doce a partir de outras fontes, 44
A dessalinização da água: um método caseiro que se baseia nos fenômenos de evaporação e condensação 44
Propriedades físicas das soluções 45
A volatilidade e a pressão de vapor de uma substância 45
A influência da altitude na temperatura de ebulição 48
A influência do soluto nas propriedades físicas das soluçõe 49
Obtendo água doce a partir da água do mar 50
A osmose 51
A osmose reversa e a água potável 53
Nasa detecta correntes de água salgada nas encostas de Marte/Sais hidratados 54
Questões para fechamento do tema 56

Exercícios finais 58

Atividade em grupo: Água potável: uso consciente 63

Capítulo 2 Aspectos qualitativos e quantitativos dos combustíveis, 64

Gases combustíveis: gás natural, gás liquefeito de petróleo e biogás 64
Matriz energética brasileira e as energias renováveis e não renováveis 65
Origens, composição e aspectos ambientais do GN, do GLP e do biogás 65
Questões relativas ao texto de abertura 67
Reflita sobre os tópicos abordados neste capítulo 67

Tema 1 Avaliando o poder calorífico de diferentes combustíveis, 68
Calor e temperatura 68
Calorimetria 70
Página 7

Proporção entre a energia liberada e a massa de combustível queimada 71


Comparando poderes caloríficos de combustíveis 72
Aspectos energéticos dos alimentos e das atividades físicas 74
Atividade prática: A energia liberada pelos alimentos 74
Valor energético de algumas atividades físicas 76
Questões para fechamento do tema 77

Tema 2 Variação de entalpia (ΔH) de uma transformação, 78
As origens dos combustíveis etanol, gasolina e gás natural veicular e o conceito de entalpia 78
A variação de entalpia e suas representações 80
Variação de entalpia envolvendo mudanças de estados de agregação 81
Fatores que alteram a variação de entalpia 82
Estado de agregação 82
Forma alotrópica 83
Estrutura e aplicações do grafeno 85
Quantidade de matéria 87
O estado padrão 88
Entalpia padrão de dissolução (ΔH°diss.) 88
Entalpia padrão de formação (ΔH°F) 89
Entalpia padrão de combustão (ΔH°C) 90
Questões para fechamento do tema 95

Tema 3 Calculando a variação de entalpia (ΔH) de uma reação a partir das entalpias de formação e pela lei de Hess, 97
Cálculo da variação de entalpia a partir das entalpias de formação 97
Cálculo da variação de entalpia de uma reação pela lei de Hess 100
Questões para fechamento do tema 102

Tema 4 Cálculo da variação de entalpia (ΔH) a partir das energias de ligação, 104
Questões para fechamento do tema 106

Exercícios finais 108

Atividade em grupo: Construindo um biodigestor 113

Capítulo 3 As transformações químicas e a energia elétrica, 114

A invenção da pilha e a produção de alumínio por eletrólise 114
Luigi Galvani, Alessandro Volta e a primeira pilha 114
As pilhas e baterias atuais: usos, descartes e problemas associados 115
Produção de alumínio por eletrólise: consumo de energia elétrica e impacto ambiental 116
Questões relativas ao texto de abertura 117
Reflita sobre os tópicos abordados neste capítulo 117

Tema 1 Ocorrência de fenômenos espontâneos de oxidação e redução, 118
Investigando reações de oxirredução: cobre metálico em uma solução de nitrato de prata 118
Investigando a reação de formação da ferrugem e o conceito de número de oxidação (nox) 120
Determinando o nox em diferentes tipos de espécies químicas 124
Autopreservação química 125
Questões para fechamento do tema 126

Tema 2 Potenciais padrão de redução, 128
Investigando o potencial de redução de espécies químicas 128
Prevendo a ocorrência ou não de uma reação de oxirredução 132
Reações de oxirredução e a maresia 133
Questões para fechamento do tema 134

Tema 3 Funcionamento das pilhas e baterias e maneiras de evitar ou retardar a corrosão, 136
Entendendo o funcionamento das pilhas 136
Atividade prática: Construção e associação de pilhas em série e em paralelo 139
Pilhas e baterias atuais 141
Como retardar ou evitar a corrosão 144
Projeto da Engenharia Ambiental recolhe pilhas e baterias para reciclagem 146
Questões para fechamento do tema 148
Página 8

Tema 4 Eletrólise, 150
Conceito de eletrólise 150
Eletrólise ígnea e a obtenção do alumínio 150
Eletrólise aquosa e a produção de hipoclorito de sódio 154
Aplicações da eletrólise: galvanoplastia e eletrorrefinação 157
Lei de Faraday e a quantificação da eletrólise 159
Questões para fechamento do tema 161

Exercícios finais 162

Atividade em grupo: Conscientizando a comunidade escolar sobre o correto descarte de pilhas e baterias 169

Capítulo 4 Estudo cinético da formação e depleção do ozônio, 170

Ozônio 170
Camada de ozônio 170
Depleção da camada de ozônio 171
Questões relativas ao texto de abertura 172
Reflita sobre os tópicos abordados neste capítulo 173

Tema 1 Quantificando a rapidez de uma reação química, 174
Formação do ozônio troposférico e o conceito de taxa média 174
A rapidez instantânea 177
Taxa média de uma reação 178
Rapidez das reações e o cálculo estequiométrico 179
Questões para fechamento do tema 180

Tema 2 Modelos explicativos e os fatores que alteram a rapidez de uma reação, 182
A teoria das colisões e do complexo ativado 182
Representação gráfica das transformações químicas 185
Atividade prática: Outros fatores que influenciam a rapidez de uma reação química 186
Questões para fechamento do tema 188

Tema 3 Catalisadores, 190
Catalisadores e a rapidez de uma reação 190
Catálise homogênea: a depleção da camada de ozônio 191
Catálise heterogênea: os catalisadores automotivos 194
Enzimas: catalisadores biológicos 196
A fixação do nitrogênio e a nitrogenase 197
Questões para fechamento do tema 199

Tema 4 Lei cinética de reação, 200
Breve histórico e a expressão matemática da lei cinética de reação 200
Aplicação da constante de rapidez de uma reação 202
Reações elementares e não elementares 202
Resolvido um mistério de 70 anos 204
Questões para fechamento do tema 205

Exercícios finais 207

Atividade em grupo: Protetores solares 213

Capítulo 5 Equilíbrio químico e sua importância para a saúde, 214

A formação da cárie 214
A constituição química dos dentes e o pH bucal 214
Os dentifrícios e a fluoretação da água 216
Questões relativas ao texto de abertura 217
Reflita sobre os tópicos abordados neste capítulo 217

Tema 1 Reações reversíveis e o equilíbrio químico, 218
Conceito de reações reversíveis e equilíbrio químico 218
Desmineralização e remineralização do esmalte dos dentes: um equilíbrio heterogêneo 220
Dor de dente na aldeia? 222
Questões para fechamento do tema 223
Página 9

Tema 2 Reações reversíveis e seus aspectos quantitativos, 224
A constante de equilíbrio 224
Atividade prática: Alterando as condições de equilíbrio químico 227
O deslocamento de equilíbrio e a degradação do esmalte dentário 229
O princípio de Le Chatelier 230
O processo de Haber 232
Questões para fechamento do tema 233

Tema 3 O pH de uma solução e a hidrólise salina, 236
A constante de ionização da água: pH e pOH 236
A constante de ionização e a erosão dos dentes 239
Teorias ácido-base e o sistema-tampão 241
Um sistema-tampão no ambiente bucal 243
Caráter ácido ou básico de soluções de sais 243
A hidrólise salina 244
Questões para fechamento do tema 245

Tema 4 O produto de solubilidade, 246
Equilíbrios heterogêneos e o produto de solubilidade 246
A hidroxiapatita e o flúor na saúde bucal 248
A ação do flúor 248
O fluoreto no ambiente bucal 250
O produto de solubilidade pode ajudar a prever uma precipitação 251
Questões para fechamento do tema 252

Exercícios finais 253

Atividade em grupo: De olho na saúde bucal 259

Tabela periódica 260

Fique por dentro 261

Siglas de vestibular 263

Referências bibliográficas 263

Respostas das atividades 264
Página 10

Segurança no laboratório

Você só deve realizar as atividades práticas autorizadas pelo professor após ler atentamente o procedimento da atividade e ter solucionado todas as eventuais dúvidas.

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ILUSTRAÇÃO: TOMA


Página 11
Página 12

Capítulo 1
Água potável: propriedades físicas e químicas e processos de obtenção


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Delfim Martins/Pulsar imagens

Em 2015, um dos principais afluentes do rio São Francisco, o rio das Velhas (Sabará, MG, 2015), entrou em Estado de Restrição de Uso, alerta máximo dado pelo Instituto Mineiro de Gestão das Águas (Igam), devido à baixa vazão e ao aumento da proliferação de cianobactérias tóxicas. De acordo com o Fundo das Nações Unidas para a Infância (Unicef), quase 750 milhões de pessoas no mundo não conseguem obter água apropriada para o consumo e cerca de mil crianças morrem diariamente em decorrência desse fato e da carência de saneamento básico.

Neste capítulo serão estudados a importância da preservação das águas naturais para a manutenção da vida na Terra e alguns critérios utilizados para classificá-las como próprias para o consumo humano. Assim, será abordado o conceito de concentração de uma solução e como expressá-la em função dos componentes nela presentes. Serão estudadas ainda algumas propriedades das soluções que podem ser consideradas, por exemplo, em processos alternativos de obtenção de água potável, principalmente para países que apresentam pouca oferta desse recurso.

A água no planeta Terra

A água que forma oceanos, rios, lagos e calotas polares compõe um conjunto chamado hidrosfera, de volume estimado em 1,5 ⋅ 1021 litros e que cobre cerca de três quartos da superfície terrestre. Como essa quantidade de água está distribuída? Observe o gráfico a seguir.



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ADILSON SECCO

Fonte: BRASIL. Agência Nacional de Águas (ANA). A água no Brasil e no mundo. Disponível em:

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