Estrutura química aplicada de átomos e funções inorgânicos e orgânicos

Elaine Lima Silva

Química Aplicada Estrutura dos Átomos e Funções Inorgânicas e Orgânicas

1ª Edição

www.editoraerica.com.br

2 Química Aplicada: Estrutura dos Átomos e Funções Inorgânicas e Orgânicas

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

Silva, Elaine Lima Química aplicada: estrutura dos átomos e funções inorgânicas e orgânicas / Elaine Lima Silva. -- 1. ed. -- São Paulo : Érica, 2014.

ISBN 978-85-365-0701-9

1. Química - Estudo e ensino I. Título. 14-01262 CDD-540.7

Índices para catálogo sistemático: 1. Química : Estudo e ensino 540.7

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Coordenação Editorial: Rosana Arruda da Silva Capa: Maurício S. de França Edição de Texto: Beatriz M. Carneiro, Bruna Gomes Cordeiro, Carla de Oliveira Morais Tureta, Juliana Ferreira Favoretto, Nathalia Ferrarezi, Silvia Campos Preparação e revisão de texto: Juliana Maria Mendes Produção Editorial: Adriana Aguiar Santoro, Alline Bullara, Dalete Oliveira, Graziele Liborni, Laudemir Marinho dos Santos, Rosana Aparecida Alves dos Santos, Rosemeire Cavalheiro Editoração: Know-how Editorial

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Agradecimentos

Àquele que me possibilita ter todas as oportunidades na vida, Jesus Cristo. Ao meu esposo Edilson pelo apoio, pela paciência e pela ajuda constante, e ao carinho do meu amado filho Davi. Aos meus pais Maria de Lourdes e José pelo incentivo e apoio constante.

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Sobre a autora

Elaine Lima Silva é Mestre em biologia vegetal e meio ambiente pelo Instituto de Botânica de São Paulo. Pós-graduada lato sensu em Ensino da Biologia pela USP, Licenciada em Ciências Biológi- cas pela Unicastelo, docente de Biologia na Secretaria de Educação do Estado de São Paulo, docente nos cursos técnicos integrados e Nutrição e Dietética do Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza, Consultora técnica nas disciplinas de Biologia e Química no Instituto Monitor.

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Sumário

Capítulo 1 - Introdução à Química .................................................................................9 1.1 Conceito ...........................................................................................................................................................9 1.2 Matéria ...........................................................................................................................................................10 1.3 O estado físico da matéria ...........................................................................................................................11 1.4 Propriedades da matéria ..............................................................................................................................13 1.4.1 Densidade ..............................................................................................................................................14 1.5 Substâncias .....................................................................................................................................................17 1.5.1 Técnicas para separação de misturas .................................................................................................18 1.6 Solução ...........................................................................................................................................................23 Agora é com você! ...............................................................................................................................................25 Capítulo 2 - O Estudo da Matéria .................................................................................27 2.1 O estudo do átomo .......................................................................................................................................27 2.2 Elemento químico .........................................................................................................................................29 2.2.1 Isótopos, isóbaros e isótonos ..............................................................................................................30 2.3 Tabela periódica ............................................................................................................................................31 2.4 Ligações químicas .........................................................................................................................................38 2.4.1 Ligação iônica .......................................................................................................................................38 2.4.2 Ligação covalente .................................................................................................................................39 2.4.3 Ligações metálicas ................................................................................................................................42 Agora é com você! ...............................................................................................................................................43 Capítulo 3 - Química Inorgânica ...................................................................................45 3.1 Funções inorgânicas ....................................................................................................................................45 3.1.1 Ácidos ...................................................................................................................................................45 3.1.2 Bases ou hidróxidos .............................................................................................................................48 3.1.3 Sais..........................................................................................................................................................49 3.1.4 Óxidos ...................................................................................................................................................49 3.2 Potencial hidrogeniônico (pH) ...................................................................................................................50 3.2.1 A importância do pH para os seres vivos .........................................................................................50 3.2.2 Indicadores ácido-base ou indicadores de pH .................................................................................51 3.3 Caracterização de alguns compostos inorgânicos e suas aplicações .....................................................54 3.3.1 Ácidos ....................................................................................................................................................54 3.3.2 Bases .......................................................................................................................................................55 3.3.3 Sais .........................................................................................................................................................55 3.3.4 Óxidos ....................................................................................................................................................56

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3.4 Reações químicas .........................................................................................................................................56 3.4.1 Tipos de reações químicas ..................................................................................................................57 Agora é com você! ...............................................................................................................................................58 Capítulo 4 - Química Orgânica .....................................................................................61 4.1 Compostos de carbono ................................................................................................................................61 4.1.1 Nomenclatura ......................................................................................................................................65 4.2 Principais funções orgânicas .......................................................................................................................66 4.3 Álcoois ............................................................................................................................................................69 4.4 Fenóis .............................................................................................................................................................69 4.5 Éteres ..............................................................................................................................................................69 4.6 Aldeídos .........................................................................................................................................................70 4.7 Cetonas ...........................................................................................................................................................70 4.8 Ácidos carboxílicos .......................................................................................................................................71 4.9 Ésteres .............................................................................................................................................................72 4.10 Aminas .........................................................................................................................................................72 4.11 Amidas .........................................................................................................................................................74 4.12 Haletos orgânicos ........................................................................................................................................74 Agora é com você! ...............................................................................................................................................76 Capítulo 5 - Bioquímica ..............................................................................................79 5.1 Compostos inorgânicos ...............................................................................................................................80 5.1.1 Água .......................................................................................................................................................80 5.2 Sais minerais ..................................................................................................................................................83 5.3 Substâncias orgânicas ...................................................................................................................................84 5.3.1 Carboidratos .........................................................................................................................................85 5.3.2 Lipídios ..................................................................................................................................................89 5.3.3 Proteínas ................................................................................................................................................91 5.3.4 Ácidos nucleicos ...................................................................................................................................98 5.3.5 Vitaminas ............................................................................................................................................101 Agora é com você! .............................................................................................................................................105 Capítulo 6 - Química nos Cosméticos ......................................................................... 107 6.1 Definição de cosméticos ...........................................................................................................................107 6.1.1 Produtos Grau 1 .................................................................................................................................108 6.1.2 Produtos Grau 2 .................................................................................................................................110 6.1.3 Presença de alguns compostos orgânicos e inorgânicos em cosméticos ....................................112 Agora é com você! .............................................................................................................................................116 Bibliografia ............................................................................................................. 117

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Apresentação

Esta obra tem por finalidade contribuir para a formação técnica de jovens e adultos de cursos técnicos e profissionalizantes. O livro contém seis capítulos. Começamos com uma introdução à química, ciência tão presen- te em nosso cotidiano, e seguimos com o estudo da matéria e de suas propriedades; a diferença entre substância e mistura; a estrutura atômica e os diferentes elementos químicos; as funções inorgânicas e orgânicas; a bioquímica estrutural; a função de carboidratos, lipídios, proteínas, ácidos nucleicos e as vitaminas; e os compostos orgânicos e inorgânicos presentes nos cosméticos. Espero que você comece a notar a química no seu dia a dia! A autora

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Introdução à Química

Vamos relembrar alguns conceitos básicos de química, assim entenderemos como alguns fenôme- nos ocorrem e as propriedades de algumas substâncias que fazem parte do nosso dia a dia.

Para começar

1.1 Conceito Quando escutamos a palavra química, imediatamente pensamos em uma pessoa de jaleco branco, em um laboratório, com uma quantidade enorme de vidrarias de tamanhos variados, como tubos de ensaio, rodeada de produtos químicos cujos rótulos trazem a indicação “produto tóxico” ou, ainda, o símbolo de uma caveira indicando a letalidade do produto. Parece algo assustador, ou uma realidade distante, para poucos. Entretanto, a Química é uma ciência natural, que estuda a composição e a transformação da matéria. Além disso, nem todo produto químico é nocivo, ou seja, perigoso ou letal à nossa saúde. Na verdade, a química faz parte do nosso dia: quando acordamos, escovamos os dentes, por exem- plo; a escola de dentes é constituída de um material sintético, seu cabo é de plástico, lembrando que o plástico vem do petróleo, e suas cerdas são de náilon, que é uma fibra constituída da mistura de ácidos dicarboxílicos com diaminas. A pasta de dentes é composta por várias substâncias: NaF, CaCO3, água deionizada, aromatizantes, corantes, sacarina sódica e outras. A química não para por aí! Após o café da manhã, em nosso organismo começa o processo de digestão dos alimentos; é a química acontecendo novamente, mas agora dentro do nosso organismo,

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e este é apenas um exemplo. Milhares de reações químicas acontecem a todo momento no orga- nismo de todos os seres vivos. Vamos relembrar alguns conceitos importantes para entendermos melhor essa ciência tão pre- sente no nosso dia a dia.

docent/Shutterstock.com

Figura 1.1 - Químicos em um laboratório.

Sebastian Kaulitzki/Shutterstock.com

Figura 1.2 - O início de uma série de reações químicas no sistema digestório.

1.2 Matéria Matéria é o objeto de estudo químico, mas o que é matéria? Trata-se de tudo o que tem massa e ocupa lugar no ambiente em que se encontra. Portanto, este livro é matéria, assim como quem está lendo o livro, o marca-texto, o lápis, a carteira, enfim, tudo é matéria. A matéria é formada por átomos, que podem ser definidos como a menor parte da matéria.

11Introdução à Química

1.3 O estado físico da matéria A forma pela qual a matéria se apresenta depende de como os átomos estão ligados entre si, formando as moléculas, que, por sua vez, compõem a matéria. Um exemplo clássico: a molécula de água é composta por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio; o grau de agitação dessas moléculas determina o seu estado físico. Vamos aproveitar esse exemplo para abordar o estado físico da matéria. A água pode ser encontrada em três estados físicos: » Estado líquido: a matéria apresenta-se com a forma variável, suas moléculas estão mais afastadas umas das outras, pela diminuição da força de atração entre elas, que se movi- mentam de forma regular. » Estado sólido: a matéria apresenta-se com forma e volume definidos, suas moléculas estão próximas umas das outras, em razão da força de atração entre as moléculas, com baixo grau de movimentação entre elas. » Estado gasoso: a matéria apresenta-se com forma e volume variáveis, suas moléculas estão agitadas e distantes umas das outras. O estado de agitação das moléculas, como você pode perceber, define os estados físicos de uma substância.

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Figura 1.3 - Água no estado líquido.

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Figura 1.4 - Água no estado sólido.

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Figura 1.5 - Água no estado gasoso.

12 Química Aplicada: Estrutura dos Átomos e Funções Inorgânicas e Orgânicas

A matéria pode mudar seu estado físico. Vamos conhecer essas mudanças? » Fusão: quando a matéria passa do estado sólido para o líquido. » Solidificação: quando a matéria passa do estado líquido para o sólido. » Vaporização: quando a matéria passa do estado líquido para o gasoso. A vaporização pode acontecer de três formas diferentes: com a passagem quase instantâ- nea do estado líquido para o gasoso, denominada calefação; de forma lenta, pela ação da temperatura ou da ventilação, denominada evaporação; ou de forma gradual, por meio do aquecimento, denominada ebulição. » Liquefação ou condensação: quando a matéria passa do estado gasoso para o liquido. » Sublimação: quando a matéria passa do estado sólido diretamente para o estado gasoso ou vice-versa.

Sublimação

Solidificação

Fusão

Estado sólido Estado gasoso

Vaporização

Sublimação

Condensação

Valentyn Volkov/Shutterstock.com

Estado líquido

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Figura 1.6 - Esquema simplificado das mudanças de estado físico da matéria.

As mudanças de estado relacionam-se à temperatura. Quando a matéria sofre um aqueci- mento, temos os processos de fusão, vaporização ou sublimação; quando sofre um resfriamento, temos os processos de solidificação, condensação ou sublimação. Cada substância apresenta um ponto de solidificação, também chamado de ponto de fusão (PF). O ponto de fusão é a temperatura em que uma substância passa do estado sólido para o estado líquido.

13Introdução à Química

Exemplos:

Tabela 1.1 - Pontos de fusão de algumas substâncias

Substância Ponto de fusão (ao nível do mar)

Água 0 °C

Álcool –144 °C

Alumínio 660 °C

Ferro 1.537 °C

Ouro 1.063 °C

Temos também o ponto de ebulição (PE), que é a temperatura na qual uma substância passa do estado líquido para o gasoso.

Tabela 1.2 - Pontos de ebulição de algumas substâncias

Substância Ponto de ebulição (ao nível do mar)

Água 100 °C

Álcool 2.450 °C

Alumínio 2.450 °C

Ferro 3.000 °C

Ouro 2.966 °C

A fusão acontece sempre na mesma temperatura e sob a mesma pressão em uma substância. Exemplo: a água funde-se a 0 °C e entra em ebulição a 100 °C ao nível do mar.

1.4 Propriedades da matéria Existem algumas propriedades que definem a matéria, vejamos as propriedades gerais. » Extensão: toda matéria ocupa lugar no ambiente em que se encontra. A caneta em sua mão está ocupando espaço. » Massa: quantidade de matéria que um corpo ou objeto possui. Quantos átomos tem sua caneta? » Impenetrabilidade: dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo. Seus dedos estão ocupando um espaço, e a caneta, outro. » Inércia: todo corpo conserva seu estado de movimento ou de repouso. Quando a caneta cai da sua mão ou quando você começa a escrever, ela sai do estado de repouso. » Indestrutibilidade: a matéria se transforma, não pode ser destruída, tampouco criada. Os átomos que formam o tubo da caneta de plástico podem ser transformados em um outro objeto por meio da reciclagem, por exemplo.

14 Química Aplicada: Estrutura dos Átomos e Funções Inorgânicas e Orgânicas

» Divisibilidade: a matéria pode ser dividida em pedaços cada vez menores. » Compressibilidade: a matéria pode ser comprimida, pode diminuir seu volume, quando aplicada uma força externa. » Elasticidade: ocorre quando a matéria volta ao seu estado normal após cessarem as forças externas a ela aplicadas. Podemos citar também as propriedades específicas, que dependem do tipo de matéria, ou seja, dos tipos de substâncias que formam essa matéria. » Organolépticas: quando a matéria possui cor, brilho, sabor ou odor. A cor da caneta, o perfume de uma loção de barba, o sabor de um batom, o odor de um esmalte. » Maleabilidade: a capacidade que algumas matérias possuem de adquirirem novas formas, serem moldadas. » Ductibilidade: quando a matéria pode ser transformada em fio. Os metais, como cobre e ferro, possuem essa propriedade. » Dureza: algumas matérias são mais compactas que outras e, por isso, podem riscar esses materiais, o diamante é a matéria mais dura, capaz de riscar qualquer material.

Na natureza, podemos encontrar a água nos três estados: líquido, nos mares, oceanos, lagos e rios; sólido, nas geleiras, na neve; e gasoso, nas nuvens.

Wikimedia Commons/Ben Holt - National Aeronautics and Space Administration (NASA)

Figura 1.7 - Paisagem na Antártida, mostrando os três estados físicos da água.

Fique de olho!

1.4.1 Densidade Por que cubos de gelo boiam em um copo com refrigerante? Fácil! O gelo é mais leve que o refrigerante! Isso acontece pela diferença de densidade entre o líquido do refrigerante e o cubo de gelo.

15Introdução à Química

Densidade ou densidade absoluta é a relação entre a massa e o volume de uma substância. Cada substância tem sua própria densidade, esta é uma propriedade física da matéria. A densidade é dada por meio da divisão da massa pelo volume de uma determinada substância. Densidade massa volume =

Geralmente, para os sólidos, usamos a unidade gramas por centímetro cúbico (g∕cm3), e, para os líquidos, gramas por mililitro (g ∕mL). Vamos entender melhor o que é densidade. Temos três esferas, uma de alumínio, uma de ferro e outra de cobre, todas com as mesmas dimensões. A esfera de alumínio é mais leve que a de cobre, que é mais leve que a de ferro. Todas elas possuem as mesmas dimensões, o mesmo volume, mas quantidades de matéria (ou massas) diferentes. Agora, pense um pouco. O que pesa mais: um quilo de açúcar ou um quilo de algodão?

Matthew Cole/Shutterstock.com matsiash iryna/Shutterstock.com

Figura 1.8 - Pesando um quilo de açúcar e um quilo de algodão.

É uma pegadinha! Nesse exemplo, os dois possuem a mesma massa, mas os volumes são diferentes. Como você pode perceber, existe uma relação entre a massa e o volume das substâncias.

16 Química Aplicada: Estrutura dos Átomos e Funções Inorgânicas e Orgânicas

Na tabela a seguir, temos as densidades de algumas substâncias.

Tabela 1.3 - Diferenças de densidade entre diversos materiais

Material Densidade (g ∕cm3)

Material Densidade (g ∕cm3)

Alumínio 2,7 Ar 0,001

Cobre 8,9 Água 1,0

Ferro 7,9 Álcool 0,79

Ouro 19,3 Acetona 0,79

Prata 10,9 Óleo de soja 0,92

Mercúrio