As reações químicas São mudanças pelas quais a matéria passa no arranjo de seus átomos e ocorrem quando duas substâncias ou compostos diferentes entram em contato. As mudanças se originam no processo que pode ser visto imediatamente; como um aumento na temperatura, resfriamento, formação de gás, flashing ou precipitação de um sólido.
As reações químicas mais comuns costumam passar despercebidas na vida cotidiana; milhares deles são realizados em nossos corpos. Outros, porém, são mais visíveis, pois podemos fazê-los na cozinha selecionando os utensílios e ingredientes corretos; por exemplo, misturar bicarbonato de sódio com vinagre, derreter o açúcar na água ou acidificar o suco de repolho roxo.
Em laboratórios, as reações químicas tornam-se cada vez mais comuns; todos ocorrem em béqueres ou frascos Erlenmeyer. Se têm algo em comum, é que nenhum deles é simples, pois escondem colisões, quebras de elos, mecanismos, formação de elos, energia e aspectos cinéticos..
Existem reações químicas tão marcantes que amadores e cientistas, conhecendo a toxicologia dos reagentes e algumas medidas de segurança, os reproduzem em larga escala em eventos de demonstração fascinantes..
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As reações químicas ocorrem quando há a quebra de uma ligação (iônica ou covalente), de modo que outra se forma em seu lugar; dois átomos ou um conjunto deles param de interagir fortemente para originar novas moléculas. Graças a isso, as propriedades químicas de um composto, sua reatividade, estabilidade, com o que ele reage, podem ser determinadas.
Além de serem responsáveis pelas reações químicas em que a matéria se transforma constantemente, sem afetar seus átomos, eles explicam o surgimento dos compostos como os conhecemos..
A energia é necessária para que os vínculos se rompam e, quando os vínculos são formados, ela é liberada. Se a energia absorvida for maior do que a liberada, a reação é dita endotérmica; temos um resfriamento do entorno. Já se o calor liberado for maior do que o absorvido, então será uma reação exotérmica; os arredores ficam quentes.
As moléculas, em teoria, devem colidir umas com as outras, carregando com elas energia cinética suficiente para promover a quebra de uma ligação. Se suas colisões são lentas ou ineficientes, a reação química é afetada cineticamente. Isso pode ocorrer tanto pelos estados físicos das substâncias, quanto por sua geometria ou estrutura..
Assim, em uma reação, a matéria se transforma ao absorver ou liberar calor, ao mesmo tempo em que sofre colisões que favorecem a formação de produtos; os componentes mais importantes de qualquer reação química.
Devido à lei de conservação da massa, a massa total do conjunto permanece constante após uma reação química. Assim, a soma das massas individuais de cada substância é igual à massa do resultado obtido..
A ocorrência de uma reação química pode ser acompanhada por uma mudança no estado dos componentes; ou seja, uma variação no estado sólido, líquido ou gasoso do material.
No entanto, nem todas as mudanças de estado envolvem uma reação química. Por exemplo: se a água evapora devido ao efeito do calor, o vapor de água produzido após esta mudança de estado ainda é água.
Dentre os atributos físicos resultantes de uma reação química, destaca-se a mudança na cor dos reagentes versus a cor do produto final..
Esse fenômeno é perceptível ao se observar a reação química dos metais com o oxigênio: quando um metal se oxida, muda sua cor característica (ouro ou prata, conforme o caso), passando para uma tonalidade laranja-avermelhada, conhecida como ferrugem..
Esta característica se manifesta como um borbulhar ou emissão de odores particulares.
Geralmente, as bolhas aparecem como conseqüência da sujeição de um líquido a altas temperaturas, o que provoca um aumento da energia cinética das moléculas que fazem parte da reação..
Caso o calor seja um catalisador da reação química, uma mudança de temperatura será induzida no produto final. Portanto, a entrada e saída de calor no processo também pode ser uma característica das reações químicas..
Qualquer reação química é representada por uma equação do tipo:
A + B → C + D
Onde A e B são os reagentes, enquanto C e D são os produtos. A equação nos diz que o átomo ou molécula A reage com B para originar os produtos C e D. Esta é uma reação irreversível, uma vez que os reagentes não podem se originar novamente dos produtos. Por outro lado, a reação abaixo é reversível:
A + B <=> C + D
É importante ressaltar que a massa dos reagentes (A + B) deve ser igual à massa dos produtos (C + D). Caso contrário, a massa não seria preservada. Da mesma forma, o número de átomos para um determinado elemento deve ser o mesmo antes e depois da seta.
Acima da seta estão indicadas algumas especificações específicas da reação: temperatura (Δ), incidência de radiação ultravioleta (hv), ou catalisador usado.
No que diz respeito à vida e às reações que ocorrem em nossos corpos, o meio de reação é aquoso (ac). No entanto, as reações químicas podem ocorrer em qualquer meio líquido (etanol, ácido acético glacial, tolueno, tetrahidrofurano, etc.), desde que os reagentes estejam bem dissolvidos..
As reações químicas controladas ocorrem em um recipiente, seja um vidro simples ou em um reator de aço inoxidável.
Os tipos de reações químicas são baseados no que acontece no nível molecular; quais ligações são quebradas e como os átomos acabam se juntando. Da mesma forma, é levado em consideração se as espécies ganham ou perdem elétrons; embora na maioria das reações químicas isso ocorra.
Aqui, explicamos os diferentes tipos de reações químicas que existem.
No exemplo da pátina ocorre uma reação de oxidação: o cobre metálico perde elétrons na presença de oxigênio para se transformar em seu óxido correspondente.
4Cu (s) + Odois(g) => CudoisVocês)
O óxido de cobre (I) continua a oxidar em óxido de cobre (II):
2CudoisO (s) + Odois => 4CuO (s)
Esse tipo de reação química em que a espécie aumenta ou reduz seu número (ou estado) de oxidação, é conhecido como reação de oxidação e redução (redox)..
Cobre metálico com estado de oxidação 0, primeiro perde um elétron e depois o segundo (oxida), enquanto o oxigênio permanece (reduz):
Cu => Cu+ + e-
Cu+ => Cudois+ + e-
OUdois + 2e- => 2Odois-
O ganho ou perda de elétrons pode ser determinado calculando os números de oxidação dos átomos nas fórmulas químicas de seus compostos resultantes..
Para CudoisOu, sabe-se que por ser um óxido, temos o ânion Odois-, Portanto, para manter as cargas neutralizadas, cada um dos dois átomos de cobre deve ter uma carga de +1. Muito semelhante acontece com CuO.
Quando o cobre se oxida, ele adquire números de oxidação positivos; e oxigênio, a serem reduzidos, números de oxidação negativos.
Exemplos adicionais para reações redox são mostrados abaixo. Além disso, um breve comentário será feito e as alterações nos números de oxidação serão especificadas..
FeCldois + CoCl3 => FeCl3 + CoCldois
Se os números de oxidação forem calculados, será notado que os de Cl permanecem com um valor constante de -1; não assim, com os de Fe y Co.
À primeira vista, o ferro foi oxidado enquanto o cobalto foi reduzido. Como você sabe? Porque o ferro agora não interage com dois ânions Cl- mas com três, o átomo de cloro (neutro) sendo mais eletronegativo do que o ferro e o cobalto. Por outro lado, o oposto acontece com o cobalto: ele passa a interagir com três Cl- dois deles.
Se o raciocínio acima não for claro, passamos a escrever as equações químicas da transferência líquida de elétrons:
Fédois+ => Fé3+ + e-
Co3+ + e- => Codois+
Portanto, o Fedois+ enferruja, enquanto Co3+ se reduz.
6KMnO4 + 5KI + 18HCl => 6MnCldois + 5KIO3 + 6KCl + 9HdoisOU
A equação química acima pode parecer complicada, mas não é. Cloro (Cl-) ou oxigênio (Odois-) experimentam ganho ou perda de seus elétrons. Iodo e manganês, sim.
Considerando apenas os compostos com iodo e manganês, temos:
KI => KIO3 (número de oxidação: -1 a +5, perder seis elétrons)
KMnO4 => MnCldois (número de oxidação: +7 a +2, ganhar cinco elétrons)
O iodo é oxidado, enquanto o manganês é reduzido. Como saber sem fazer cálculos? Porque o iodo passa de ser com potássio para interagir com três oxigênios (mais eletronegativo); e o manganês, por sua vez, perde as interações com o oxigênio para ficar com o cloro (menos eletronegativo).
KI não pode perder seis elétrons se KMnO4 ganhe cinco; é por isso que o número de elétrons deve ser equilibrado na equação:
5 (KI => KIO3 + 6e-)
6 (KMnO4 + 5e- => MnCldois)
O que resulta em uma transferência líquida de 30 elétrons.
A combustão é uma oxidação vigorosa e energética na qual a luz e o calor são liberados. Geralmente, neste tipo de reação química, o oxigênio participa como um agente oxidante ou oxidante; enquanto o agente redutor é o combustível, que queima no final do dia.
Onde há cinza, houve combustão. São compostos essencialmente por óxidos de carbono e metálicos; embora sua composição dependa logicamente de qual era o combustível. Abaixo estão alguns exemplos:
C (s) + Odois(g) => COdois(g)
2CO (g) + Odois(g) => 2COdois(g)
C3H8(g) + 5Odois(g) => 3COdois(g) + 4HdoisO (g)
Cada uma dessas equações corresponde a combustões completas; ou seja, todo o combustível reage com um excesso de oxigênio para garantir sua completa transformação.
Da mesma forma, deve-se notar que COdois e HdoisOu são os principais produtos gasosos durante a queima de corpos carbonosos (como madeira, hidrocarbonetos e tecidos animais). É inevitável que algum alótropo de carbono seja formado, devido ao oxigênio insuficiente, bem como gases menos oxigenados, como CO e NO.
A imagem acima mostra uma representação extremamente simples. Cada triângulo é um composto ou átomo, que se junta para formar um único composto; dois triângulos formam um paralelogramo. As massas aumentam e as propriedades físicas e químicas do produto são, muitas vezes, muito diferentes das de seus reagentes..
Por exemplo, a combustão do hidrogênio (que também é uma reação redox) produz óxido de hidrogênio ou hidreto de oxigênio; mais conhecido como água:
Hdois(g) + Odois(g) => 2HdoisO (g)
Quando os dois gases são misturados, em alta temperatura, eles queimam produzindo água gasosa. Conforme a temperatura esfria, os vapores se condensam para dar água líquida. Vários autores consideram esta reação de síntese como uma das alternativas possíveis para substituir os combustíveis fósseis na obtenção de energia..
As ligações H-H e O = O quebram para formar duas novas ligações simples: H-O-H. A água, como se sabe, é uma substância única (além do sentido romântico), e suas propriedades são bem diferentes do hidrogênio gasoso e do oxigênio..
A formação de compostos iônicos a partir de seus elementos também é um exemplo de reação de síntese. Uma das mais simples é a formação de haletos metálicos dos grupos 1 e 2. Por exemplo, a síntese de brometo de cálcio:
Ca (s) + Brdois(l) => CaBrdois(s)
Uma equação geral para este tipo de síntese é:
M (s) + Xdois => MXdois(s)
Quando o composto formado envolve um átomo metálico dentro de uma geometria eletrônica, diz-se que se trata de um complexo. Em complexos, os metais permanecem ligados aos ligantes por ligações covalentes fracas e são formados por reações de coordenação.
Por exemplo, temos o complexo [Cr (NH3)6]3+. Este é formado quando o cátion Cr3+ está na presença das moléculas de amônia, NH3, que atuam como ligantes de cromo:
Cr3+ + 6NH3 => [Cr (NH3)6]3+
O octaedro de coordenação resultante em torno do centro de metal de cromo é mostrado abaixo:
Observe que a carga 3+ no cromo não é neutralizada no complexo. Sua cor é roxa, e é por isso que o octaedro é representado com essa cor.
Alguns complexos são mais interessantes, como no caso de certas enzimas que coordenam átomos de ferro, zinco e cálcio.
A decomposição é o oposto da síntese: um composto se decompõe em um, dois ou três elementos ou compostos.
Por exemplo, temos as três decomposições a seguir:
2HgO (s) => 2Hg (l) + Odois(g)
2hdoisOUdois(l) => 2HdoisO (l) + Odois(g)
HdoisCO3(ac) => COdois(g) + HdoisO (l)
O HgO é um sólido avermelhado que, sob a ação do calor, se decompõe em mercúrio metálico, um líquido preto e oxigênio..
O peróxido de hidrogênio ou peróxido de hidrogênio sofre decomposição, fornecendo água líquida e oxigênio.
E o ácido carbônico, por sua vez, se decompõe em dióxido de carbono e água líquida.
Uma decomposição "mais seca" é aquela sofrida por carbonatos metálicos:
Ladrão3(s) => CaO (s) + COdois(g)
Uma reação de decomposição que tem sido usada nas aulas de química é a decomposição térmica do dicromato de amônio, (NH4)doisCrdoisOU7. Este sal cancerígeno de laranja (por isso deve ser manuseado com muito cuidado), queima para liberar muito calor e produzir um sólido verde, óxido crômico, CrdoisOU3:
(NH4)doisCrdoisOU7(s) => CrdoisOU3(s) + 4HdoisO (g) + Ndois(g)
As reações de deslocamento são um tipo de reação redox na qual um elemento desloca outro em um composto. O elemento deslocado acaba reduzindo ou ganhando elétrons.
Para simplificar o acima, a imagem acima é mostrada. Os círculos representam um elemento. Observa-se que o círculo verde limão desloca o azul, permanecendo do lado de fora; mas não só isso, mas o círculo azul encolhe no processo, e o verde limão enferruja.
Por exemplo, temos as seguintes equações químicas para expor o explicado acima:
2Al (s) + 6HCl (aq) => AlCl3(aq) + 3Hdois(g)
Zr (s) + 2HdoisO (g) => ZrOdois(s) + 2Hdois(g)
Zn (s) + HdoisSW4(ac) => ZnSO4(ac) + Hdois(g)
Qual é o elemento deslocado para essas três reações químicas? Hidrogênio, que é reduzido a hidrogênio molecular, Hdois; vai de um número de oxidação de +1 a 0. Observe que os metais alumínio, zircônio e zinco podem deslocar os hidrogênios dos ácidos e da água; enquanto o cobre, nem prata nem ouro, não pode.
Da mesma forma, existem essas duas reações de deslocamento adicionais:
Zn (s) + CuSO4(ac) => Cu (s) + ZnSO4(ac)
Cldois(g) + 2NaI (aq) => 2NaCl (aq) + Idois(s)
Na primeira reação, o zinco desloca o cobre metálico menos ativo; o zinco é oxidado enquanto o cobre é reduzido.
Já na segunda reação, o cloro, elemento mais reativo que o iodo, desloca este último no sal de sódio. Aqui é o contrário: o elemento mais reativo é reduzido pela oxidação do elemento deslocado; portanto, o cloro é reduzido pela oxidação do iodo.
Nas reações pôde-se perceber que vários deles geraram gases e, portanto, também entram neste tipo de reação química. Da mesma forma, as reações da seção anterior, de deslocamento do hidrogênio por um metal ativo, são consideradas reações de formação de gás..
Além dos já mencionados, os sulfetos de metal, por exemplo, liberam sulfeto de hidrogênio (que cheira a ovo podre) quando o ácido clorídrico é adicionado:
N / DdoisS (s) + 2HCl (aq) => 2NaCl (aq) + HdoisS (g)
Na metátese ou reação de duplo deslocamento, o que ocorre é uma troca de parceiros sem transferência de elétrons; ou seja, não é considerada uma reação redox. Como pode ser visto na imagem acima, o círculo verde quebra o link com o círculo azul escuro para vincular ao círculo azul claro.
Quando as interações de um dos parceiros são fortes o suficiente para superar o efeito de solvatação do líquido, um precipitado é obtido. As seguintes equações químicas representam reações de precipitação:
AgNO3(aq) + NaCl (aq) => AgCl (s) + NaNO3(ac)
CaCldois(ac) + NadoisCO3(ac) => CaCO3(s) + 2NaCl (aq)
Na primeira reação, o Cl- muda para NÃO3- para formar cloreto de prata, AgCl, que é um precipitado branco. E na segunda reação, o CO3dois- muda para Cl- precipitar carbonato de cálcio.
Talvez a mais emblemática das reações de metátese seja a neutralização ácido-básica. Finalmente, duas reações ácido-base são mostradas como exemplos:
HCl (aq) + NaOH (aq) => NaCl (aq) + HdoisO (l)
2HCl (aq) + Ba (OH)dois(ac) => BaCldois(aq) + 2HdoisO (l)
O OH- deslocar o Cl- para formar sais de água e cloreto.
Abaixo e abaixo, serão mencionadas algumas reações químicas com suas respectivas equações e comentários..
Zn (s) + AgNO3(ac) → 2Ag (s) + Zn (NO3)dois(ac)
O zinco desloca a prata em seu sal de nitrato: reduz-o do Ag+ a Ag. Como resultado, a prata metálica começa a precipitar no meio, observada ao microscópio como árvores prateadas sem folhas. Por outro lado, nitrato combina com íons Zndois+ resultante para formar nitrato de zinco.
Ladrão3(s) + 2HCl (aq) → CaCldois(ac) + HdoisO (l) + COdois(g)
O ácido clorídrico neutraliza o sal de carbonato de cálcio para produzir um sal, cloreto de cálcio, água e dióxido de carbono. O COdois ele borbulha e é detectado na água. Este borbulhamento também é obtido pela adição de HCl a giz ou cascas de ovos, ricos em CaCO3.
NH3(g) + HCl (g) → NH4Cl (s)
Nesta segunda reação, os vapores de HCl neutralizam a amônia gasosa. O sal de cloreto de amônio, NH4Cl, é formado como uma fumaça esbranquiçada (imagem inferior), pois contém partículas muito finas suspensas no ar.
AgNO3(aq) + NaCl (aq) → AgCl (s) + NaNO3(ac)
Em uma reação de duplo deslocamento, ocorre uma troca de "parceiros". A prata muda de parceiro com o sódio. O resultado é que o novo sal, cloreto de prata, AgCl, precipita como um sólido leitoso..
Existem inúmeras reações redox. Um dos mais impressionantes é o do Barkin Dog:
8 NdoisO (g) + 4 CSdois(l) → S8(s) + 4 COdois(g) + 8 Ndois(g)
A energia liberada quando os três produtos estáveis são formados é tanta que há um flash azulado (imagem superior) e um retumbante aumento na pressão causado pelos gases originados (COdois e ndois).
E, além disso, tudo isso é acompanhado por um som muito alto, semelhante ao latido de um cachorro. O enxofre produzido, S8, reveste as paredes internas do tubo de amarelo.
Qual espécie é reduzida e qual é oxidada? Como regra geral, os elementos têm número de oxidação 0. Portanto, o enxofre e o nitrogênio nos produtos devem ser as espécies que ganharam ou perderam elétrons..
Enxofre oxidado (elétrons perdidos), pois tinha número de oxidação -2 em CSdois (C4+Sdoisdois-):
Sdois- → S0 + 2e-
Enquanto o nitrogênio foi reduzido (ganhou elétrons), porque teve número de oxidação +1 no NdoisSOBREdois+OUdois-):
2N+ + 2e → N0
Qual sal precipita na seguinte reação em meio aquoso?
N / DdoisS (ac) + FeSO4(ac) → ¿?
Como regra geral, todos os sulfetos, com exceção daqueles formados com metais alcalinos e amônio, precipitam em meio aquoso. Ocorre um duplo deslocamento: o ferro se liga ao enxofre e o sódio ao sulfato:
N / DdoisS (ac) + FeSO4(ac) → FeS (s) + NadoisSW4(ac)
Quais produtos obteremos da seguinte reação?
Carimbo3)dois + Ca (OH)dois →?
O hidróxido de cálcio não é muito solúvel em água; mas a adição de nitrato de cobre ajuda a solubilizá-lo porque ele reage para formar seu hidróxido correspondente:
Carimbo3)dois(ac) + Ca (OH)dois(ac) → Cu (OH)dois(s) + Ca (NÃO3)dois(ac)
Cu (OH)dois instantaneamente reconhecível como um precipitado azul.
Qual sal será produzido na seguinte reação de neutralização?
Al (OH)3(s) + 3HCl (aq) → ¿?
O hidróxido de alumínio se comporta como uma base reagindo com o ácido clorídrico. Em uma reação de neutralização ácido-base (Bronsted-Lowry), sempre se forma água, então o outro produto deve ser cloreto de alumínio, AlCl3:
Al (OH)3(s) + 3HCl (aq) → AlCl3(aq) + 3HdoisOU
Desta vez, o AlCl3 não precipita porque é um sal (até certo ponto) solúvel em água.
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