Conceitos Fundamentais de Química: Reações e Soluções

Estequiometria

A estequiometria é o campo da química que estuda as relações entre as quantidades envolvidas em uma reação química. As leis que a regem são as seguintes:

• Lei das Proporções Definidas: Quando dois ou mais elementos se combinam para formar um determinado composto, eles sempre o fazem com uma relação de massa constante.
• Lei da Composição Constante: Todos os compostos químicos puros contêm os mesmos elementos nas mesmas proporções em massa.
• Lei da Conservação da Massa: A matéria não é criada nem destruída, apenas transformada.

Determinação da Quantidade de Produto

A quantidade de produto obtido em uma reação química é determinada por:

• Reagente Limitante: É o reagente que é completamente consumido em uma reação química, determinando a quantidade máxima de produto que pode ser formada.
• Rendimento da Reação: É a quantidade de produto efetivamente produzido em uma reação química, geralmente expressa como uma porcentagem do rendimento teórico.

Soluções

Uma solução é uma mistura homogênea de um soluto em um solvente.

• Soluto: Substância que é dissolvida.
• Solvente: Substância que dissolve o soluto.

Tipos de Soluções

• Diluídas: Quando a quantidade de soluto em uma solução é pequena, ou seja, o solvente é predominante.
• Saturadas: Aquela que atingiu o equilíbrio entre solvente e soluto, contendo a quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida a uma dada temperatura.
• Supersaturadas: Aquela em que há predominância de soluto em solução, contendo mais soluto do que o normalmente possível de dissolver a uma dada temperatura, sendo um estado instável.

Solubilidade

A solubilidade é a quantidade máxima de soluto que pode se dissolver em uma dada quantidade de solvente a uma dada temperatura.

Fatores que Afetam a Solubilidade

• Superfície de Contato: A interação solvente-soluto aumenta quando há mais superfície de contato, e o soluto se dissolve mais rápido (ex: pulverização do soluto).
• Agitação: Agitar a solução ajuda a dissolver o soluto, separando as camadas e permitindo que novas moléculas de soluto e solvente continuem a interagir.
• Temperatura: O aumento da temperatura favorece o movimento das moléculas e aumenta a energia das partículas sólidas, facilitando sua dissolução.
• Pressão: Afeta a solubilidade dos gases e é diretamente proporcional a ela.

Concentração de Soluções

A concentração é a quantidade de soluto presente em uma solução. É classificada em:

Unidades Físicas

• % P/P (porcentagem em massa)
• % P/V (porcentagem massa/volume)
• % V/V (porcentagem volume/volume)

Unidades Químicas

• Molaridade
• Molalidade
• Normalidade
• Fração Molar

Propriedades Coligativas de Soluções

As propriedades coligativas de uma solução são aquelas que dependem do número de partículas de soluto em uma dada quantidade de solvente, e não da natureza do soluto.

Pressão de Vapor

Esta propriedade é refletida na Lei de Raoult, que estabelece o seguinte princípio:"A diminuição na pressão de vapor do solvente é proporcional à fração molar do soluto"

Ponto de Ebulição

É a temperatura na qual a pressão de vapor de um líquido se iguala à pressão aplicada sobre sua superfície (geralmente a pressão atmosférica).

Ponto de Congelamento

É a temperatura na qual a pressão de vapor do líquido e do sólido se igualam. O ponto de congelamento de uma solução é atingido quando a energia cinética das moléculas diminui com a temperatura. Soluções sempre congelam a uma temperatura mais baixa do que o solvente puro.

Pressão Osmótica

Essa propriedade é baseada no fenômeno da osmose, que é a passagem seletiva de substâncias através de uma membrana semipermeável. Essa membrana possui poros minúsculos que permitem a passagem apenas de moléculas de solvente, mas não de soluto.

Cinética Química

A cinética química é o ramo que estuda a velocidade das reações químicas, dependendo da concentração das espécies reagentes e de todas as variáveis que podem afetar a velocidade da reação.

Velocidade da Reação

Refere-se à relação precisa entre a variação da velocidade da reação ao longo do tempo e a natureza das colisões intermoleculares (que controlam a velocidade) envolvidas na formação dos produtos. Assim, a velocidade de reação é a quantidade de material consumido ou produzido por unidade de tempo.

Fatores que Afetam a Velocidade da Reação

Experimentalmente, demonstrou-se que são quatro principais:

• Natureza das Reações: Em todos os processos químicos, deve ocorrer uma interação entre as nuvens de elétrons das partículas, e isso depende das características individuais de cada uma.
• Concentração dos Reagentes: Na maioria dos casos, a velocidade de uma reação química aumenta rapidamente com o aumento da concentração de um ou mais reagentes. Ao aumentar a concentração de um reagente, também aumenta o número de partículas no meio reacional, o que pode ser medido pela alteração na velocidade, usando o desaparecimento de alguns reagentes ou a formação de algum produto.
• Temperatura: O efeito de um pequeno aumento na temperatura da reação indica que a velocidade da reação não é linear, mas exponencial, ou seja, pequenas alterações produzem grandes mudanças na velocidade do processo. O aumento da temperatura aumenta a energia cinética das moléculas. Consequentemente, aumenta o número de partículas com a energia de ativação necessária para que ocorra a interação química e, portanto, aumenta a velocidade da reação.
• Catálise: Altera a velocidade da reação, modificando o mecanismo químico e diminuindo a energia de ativação, através do uso de um catalisador. Neste processo, há três aspectos importantes:
  • O catalisador é uma espécie química que promove um mecanismo alternativo para a reação.
  • Esta substância está diretamente envolvida nesse mecanismo, mas em todas as fases o catalisador aparece como reativo e não como produto. Ou seja, não há consumo líquido do catalisador.
  • O mecanismo catalítico leva a uma reação mais rápida, devido à diminuição da energia de ativação do processo.

Equilíbrio Químico

Experimentalmente, verifica-se a conversão incompleta de algumas substâncias, mesmo com tempo suficiente para a reação. Isso ocorre porque, em algumas reações, os produtos formados começam a interagir quimicamente entre si, em um processo inverso que regenera os reagentes, criando um obstáculo para a conversão completa dos reagentes iniciais.

Ao adicionar os reagentes, a reação leva um tempo determinado até atingir um certo nível de transformação, que é mantido constante. As concentrações permanecem inalteradas, tanto para os reagentes quanto para os produtos. Este estado é conhecido como equilíbrio químico.

Tipos de Reações

• Reação Direta: Ocorre quando um ou ambos os reagentes químicos são esgotados e as substâncias originais não podem ser recuperadas; é uma reação que ocorre em uma única direção.
• Reação Reversível: Aquelas em que os reagentes resultam em produtos que, por sua vez, se decompõem e dão origem a novas substâncias que reagiram inicialmente. A reação ocorre em ambas as direções. Reações reversíveis podem levar a um estado de equilíbrio químico. Quando a velocidade de ambas as reações é igual, as concentrações não se alteram e diz-se que o equilíbrio foi atingido.

Fatores que Afetam o Equilíbrio Químico

• Introdução de Espécies Químicas: A adição de um componente a um sistema em equilíbrio causa uma mudança nas concentrações, favorecendo a reação (direta ou inversa) na qual o componente adicional é consumido, a fim de reduzir o excesso presente.
• Remoção de Espécies Químicas: Ao remover um componente, o equilíbrio é restabelecido pela reação (direta ou inversa) que produz o componente extraído, a fim de aliviar a escassez.
• Variação da Concentração: A influência das variações na concentração em um sistema em equilíbrio é regulada pela Lei da Ação das Massas:"A velocidade de uma reação química é proporcional ao produto das concentrações molares dos reagentes"
• Alteração da Temperatura: Uma mudança na temperatura do sistema produz uma mudança na constante de equilíbrio. Um aumento de temperatura favorecerá o processo que absorve calor (processo endotérmico). Uma queda de temperatura favorecerá o processo exotérmico.
• Mudança de Pressão: A pressão é um fator que influencia sistemas gasosos em equilíbrio. A influência da pressão sobre um sistema em equilíbrio é coberta pela Lei de Le Chatelier:"Quando um sistema está em equilíbrio, um aumento na pressão favorece a reação onde há menor volume; se a pressão diminuir, favorece a reação onde há maior volume. Quando o volume é igual em ambos os lados, as alterações de pressão não alteram o equilíbrio"
• Adição de um Catalisador: Catalisadores não têm efeito sobre a concentração de reagentes e produtos no equilíbrio. Isso ocorre porque um catalisador acelera a reação direta e a reação inversa na mesma proporção, portanto, não há alteração no equilíbrio.