Oxidação-Redução, Solubilidade e Física: Guia de Química e Física

Reações de Oxidação-Redução

Reações de oxidação-redução
A oxidação é o processo em que uma substância perde electrões. A redução é o processo em que uma substância ganha electrões.

Número de Oxidação

O número de oxidação corresponde às cargas dos iões. Por exemplo, em HCl, temos a fórmula iónica H⁺ Cl^-, sendo, por isso, +1 o número de oxidação do hidrogénio e -1 o número de oxidação do cloro. No caso de serem dois átomos iguais, como é o caso de H₂, ou seja, H – H, os electrões são atribuídos igualmente aos dois átomos e, por isso, os seus números de oxidação são zero.

Desta forma:

• Oxidação é o aumento do número de oxidação.
• Redução é a diminuição do número de oxidação.

Pares Conjugados de Oxidação-Redução

1. O agente oxidante e a sua espécie reduzida formam um par conjugado.
2. O agente redutor e a sua espécie oxidada formam um par conjugado. [Ex: Ag⁺ / Ag]

As partículas transformam-se umas nas outras e, por isso, são chamadas pares conjugados de oxidação-redução.

Solubilidade e Desmineralização da Água

Solubilidade
A solubilidade é a quantidade máxima de soluto que se pode dissolver numa certa quantidade de solvente, a uma dada temperatura e pressão. Pode ser expressa em [moles de soluto por litro de solução] ou [gramas de soluto por litro de solução].

As substâncias podem ser:

1. Solúveis: cuja solubilidade é superior a 0,02 mol/L.
2. Ligeiramente solúveis: cuja solubilidade é da ordem dos 0,02 mol/L.
3. Pouco solúveis: cuja solubilidade é inferior a 0,02 mol/L.

De acordo com a quantidade de soluto, as soluções podem ser:

1. Saturadas: contêm a quantidade máxima de soluto possível.
2. Sobressaturadas: contêm uma quantidade maior de soluto do que a solução saturada correspondente.
3. Não saturadas: contêm uma quantidade de soluto inferior à que indica a sua solubilidade.

Produto de Solubilidade

O produto de solubilidade é uma constante de equilíbrio, K_s, correspondente à multiplicação das concentrações dos reagentes, elevadas aos seus coeficientes estequiométricos. Aplica-se a soluções iónicas da mesma maneira, ou seja, em vez de concentrações, usam-se as concentrações dos iões (por exemplo, H⁺, Cl^-), tendo em conta a respetiva proporção estequiométrica.

Fatores que Afetam a Solubilidade dos Sais

1. Temperatura: A solubilidade dos sais é geralmente um processo endotérmico (ΔH > 0). Neste caso, um aumento da temperatura provoca um aumento da solubilidade. Contudo, há sais, como o sulfato de sódio e o sulfato de cério (III), em que a solubilidade diminui com o aumento da temperatura, sendo a reação exotérmica (ΔH < 0).
2. Ião comum: Um composto é mais solúvel numa solução que não contenha já os seus iões do que numa que já os tenha. Por exemplo, o cloreto de magnésio é mais solúvel em H₂O do que em H₂O com iões de magnésio já presentes.
3. Reações laterais: A solubilidade de um composto aumenta ou diminui devido à ocorrência de reações laterais que alteram a concentração dos iões em equilíbrio.

Dureza da Água

Na natureza, as águas contêm sempre compostos dissolvidos que determinam a sua maior ou menor qualidade. A presença de iões Ca²⁺ e Mg²⁺ nas águas é responsável pela sua dureza. A dureza da água indica a quantidade total de sais, principalmente de cálcio e magnésio, dissolvidos na água. Devido ao facto de a solubilidade destes sais diminuir com a temperatura, formam-se depósitos e incrustações sobre as canalizações e condutas que transportam água quente (como nas caldeiras). Ainda têm inconvenientes domésticos, pois reagem com os sabões e detergentes, formando precipitados e reduzindo, assim, o efeito de lavagem.

Sais em Solução Aquosa Saturada. Previsão da Formação de Precipitados

Conhecendo os valores dos produtos de solubilidade de dois sais, pode-se prever a formação, ou não, de precipitados por reações entre dois compostos em solução. Para se formar precipitado, em consequência de uma reação entre dois iões, o produto iónico da solução tem de ser maior que o produto de solubilidade (Q > K_s). É esta condição que faz precipitar o composto até Q = K_s (a solução fica saturada).

Desmineralização da Água do Mar

Os processos mais viáveis para a dessalinização da água do mar, para obter água doce, são a destilação e a osmose inversa.

1. Destilação: baseia-se na vaporização da água do mar, seguida de condensação do vapor.
2. Osmose: é a passagem da água (ou de outro solvente) através de uma membrana semipermeável, que deixa atravessar apenas o solvente, impedindo a passagem dos sais nele dissolvidos. O solvente passa, assim, da solução menos concentrada para a mais concentrada.
3. Osmose inversa: é a passagem da água através da membrana no sentido oposto (da solução concentrada para a menos concentrada), por ação de uma pressão externa.

Acidez e Basicidade. Reações Ácido-Base

Ácido é toda a espécie química que dá iões H⁺. Base é toda a espécie química que recebe iões H⁺.

Numa reação ácido-base ocorre a transferência de um protão H⁺ de um ácido para uma base.

Ex: HNO₃(aq) + H₂O(l) → NO₃^-(aq) + H₃O⁺(aq).

Resumindo: Ácido₁ + Base₂ → Base₁ + Ácido₂. Chama-se par ácido-base conjugado ao conjunto de duas espécies que diferem entre si num ião H⁺.

Autoionização da Água

A molécula de água é uma partícula anfiprótica, ou seja, pode comportar-se como ácido ou como base. Verifica-se que tem condutividade elétrica, o que indica a presença de iões.

H₂O + H₂O → H₃O⁺ + OH^-

Constante de equilíbrio: K_w = [H₃O⁺] × [OH^-]. K_w é o produto iónico da água. A 25 °C, o valor de K_w é 1,0 × 10^-14.

Força de Ácidos e Bases

• Ácido forte: tem tendência para ceder iões H⁺.
• Ácido fraco: tem pouca tendência para ceder iões H⁺.
• Base forte: tem tendência para receber iões H⁺.
• Base fraca: tem pouca tendência para receber iões H⁺.

A força de um ácido ou de uma base é dada pelo respetivo valor da constante de equilíbrio.

K_a (constante de acidez) = (produtos da reação) / (reagente ácido)
K_b (constante de basicidade) = (produtos da reação) / (reagente básico)

Quanto maior for a constante de ionização, K_a ou K_b, mais forte é o ácido ou a base.

Princípio de Le Chatelier

Quando um sistema em equilíbrio é sujeito a uma perturbação (alteração da concentração, pressão ou temperatura), o equilíbrio desloca-se no sentido contrário a essa perturbação, até se estabelecer um novo equilíbrio.

Reflexão e Difusão da Luz. Leis da Reflexão

A reflexão ocorre quando um feixe incidente encontra uma superfície refletora.

1. Reflexão difusa: o feixe incidente é refletido irregularmente e em múltiplas direções.
2. Reflexão regular: o feixe incidente é refletido apenas numa direção.

Leis da reflexão da luz (Snell-Descartes):

1. O raio incidente, a normal no ponto de incidência e o raio refletido estão no mesmo plano.
2. O ângulo de incidência, ângulo formado pelo raio incidente com a normal, e o ângulo de reflexão, ângulo formado pelo raio refletido com a normal, são iguais.

Refração da Luz. Leis da Refração

A refração ocorre quando um feixe incidente atravessa a superfície de separação e penetra noutro meio.

Leis da refração da luz (Snell-Descartes):

1. O raio incidente, a normal no ponto de incidência e o raio refratado estão no mesmo plano.
2. sin (ângulo de incidência) / sin (ângulo de refração) = constante (índice de refração [n]).

O mesmo pode ser expresso pelo índice de refração: n = (velocidade da luz de propagação no meio 1) / (velocidade da luz de propagação no meio 2).

Conclui-se que o raio refratado se aproxima da normal quando passa para um meio onde a velocidade de propagação da luz é menor (meio mais denso), e se afasta da normal quando essa velocidade é maior (meio menos denso).

Índice de refração absoluto: n = (velocidade da luz no vazio) / (velocidade da luz nesse meio).

De forma semelhante (em dois meios): (índice de refração 1) × sin (ângulo de incidência) = (índice de refração 2) × sin (ângulo de refração).

Reflexão Total da Luz

Quando a luz passa opticamente de um meio mais denso para um meio menos denso, ocorre o afastamento do raio refratado em relação à normal. Aumentando o ângulo de incidência, aumenta o ângulo de refração e o raio refratado aproxima-se cada vez mais da superfície de separação dos dois meios. O ângulo de incidência para o qual o ângulo de refração é de 90 graus é designado ângulo crítico, I_c. Para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico, deixa de haver refração e toda a luz é refletida. Isto designa-se por reflexão total.

A tecnologia de um dos meios mais eficientes de transmissão de informação a longas distâncias, a fibra ótica, é fundamentada na reflexão total da luz. Uma fibra ótica é um filamento muito estreito, flexível e resistente, que tem, para proteção adicional, uma estrutura constituída por:

1. Uma parte central, o núcleo, feito de vidro ou de vidro enriquecido com germânio, de índice de refração muito superior.
2. Um revestimento exterior, o revestimento, de vidro puro e de índice de refração inferior ao do material do núcleo.

A luz entra no núcleo por uma das extremidades da fibra, propagando-se até à outra extremidade com sucessivas reflexões totais nas superfícies de separação entre o núcleo e o revestimento, para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico.

Difração das Ondas

A difração é um fenómeno ondulatório que permite a passagem de ondas por obstáculos com dimensões da ordem de grandeza do comprimento de onda. A difração das ondas depende dos respetivos comprimentos de onda. Por exemplo:

1. O som e as ondas eletromagnéticas de grande comprimento de onda, como as ondas de rádio, contornam facilmente obstáculos de grandes dimensões, propagando-se em todas as direções.
2. As ondas eletromagnéticas de pequeno comprimento de onda, como as micro-ondas utilizadas nas transmissões por satélite, são praticamente não difratadas.

Interações entre Corpos

1. Contacto: quando o corpo que exerce a força está em contacto com o corpo que sofre a ação.

2. À distância: quando a interação se manifesta entre corpos que estão em contacto ou a uma certa distância entre si.

As quatro interações fundamentais da Natureza são:

1. Gravítica: manifesta-se entre todas as partículas e é sempre atrativa.
2. Eletromagnética: manifesta-se entre partículas com carga elétrica, podendo ser repulsiva ou atrativa.
3. Nuclear forte (entre quarks): é responsável pela coesão do núcleo atómico, ou seja, mantém unidos os protões e os neutrões do núcleo.
4. Nuclear fraca (entre quarks): é responsável pelo decaimento de certos núcleos radioativos, em que um neutrão passa a protão ou vice-versa, com emissão de radiação beta e neutrinos.

Lei de Newton 3 – Ação-Reação

Sempre que há uma interação entre dois corpos, manifestam-se duas forças que constituem um par ação-reação. Estas forças apresentam:

1. mesma direção;
2. mesma intensidade, em módulo;
3. sentidos opostos;
4. pontos de aplicação em corpos diferentes.

Se uma força F_A exerce sobre um corpo B uma força F_B, este reage e exerce sobre A uma força de igual intensidade, mesma direção e sentido oposto, ou seja, F_A,B = −F_B,A.

Lei da Gravitação Universal

Dois corpos quaisquer atraem-se mutuamente com forças F_g, cuja intensidade é F_g = G (m₁ × m₂) / r², em que G é a constante universal da gravitação.

Lei de Newton 2 – Lei Fundamental da Dinâmica. Aceleração

A aceleração média (a_m) = Δv / Δt.

Num movimento retilíneo acelerado, a aceleração e a velocidade têm o mesmo sentido [a > 0 e v > 0 (sentido positivo); a < 0 e v < 0 (sentido negativo)].

Num movimento retilíneo retardado, a aceleração e a velocidade têm sentidos opostos [a < 0 e v > 0 (sentido positivo); a > 0 e v < 0 (sentido negativo)].

A lei fundamental da dinâmica é: F_r = m·a, em que F_r é a força resultante (soma de todas as forças que atuam no corpo), m a massa e a a aceleração.

Da análise da expressão, conclui-se que:

1. A força e a aceleração têm a mesma direção e o mesmo sentido.
2. Quanto maior a massa, menor a aceleração do corpo.

Lei de Newton 1 – Lei da Inércia

Se a força resultante que atua sobre um corpo for nula, o corpo permanece em movimento retilíneo uniforme ou em repouso.

Movimentos Retilíneos

Movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV):

• Aceleração: a = Δv / Δt
• Lei das velocidades: v = v₀ + at
• Lei das posições: x = x₀ + v₀t + (1/2) a t²

Movimento retilíneo uniforme (MRU):

• v = constante
• x = x₀ + vt

Em conclusão:

1. MRUA, quando a velocidade aumenta, ou seja, quando a velocidade e a aceleração têm o mesmo sentido.
2. MRUR (retardado), quando a velocidade diminui, ou seja, quando a velocidade e a aceleração têm sentidos diferentes.
3. MRU, quando a velocidade é constante.

Movimentos à Superfície da Terra

F_g = G (m_T · m) / R_T². Como F = m·a, temos que G (m_T · m) / R_T² = m·a, o que dá a = G m_T / R_T².

Valores adicionais: R_T = 6,37 × 10⁶ m; m_T = 5,98 × 10²⁴ kg.

Lançamento Vertical com Resistência do Ar Desprezável

O movimento pode ser decomposto em:

1. MRUR, quando sobe;
2. MRUA, quando desce.

Fórmulas: v = √(2gh); a = −g; v = v₀ − gt; y = y₀ + v₀t − (1/2) g t².

Gráficos: o gráfico da aceleração é uma linha paralela ao eixo dos X; o gráfico da velocidade é uma linha reta descendente; o gráfico da posição é uma parábola com concavidade voltada para baixo.

Lançamento Vertical com Resistência do Ar Não Desprezável

Nem sempre a resistência do ar pode ser desprezada. É o caso da queda livre de um paraquedista: enquanto o paraquedas não está aberto, o valor da resistência do ar é muito inferior ao da força gravítica, logo, a resultante das forças é descendente e a velocidade aumenta. Quando se abre o paraquedas, a resistência do ar aumenta muito, causando a diminuição da velocidade, pois a resultante passa a ser ascendente. À medida que a velocidade diminui, diminui também a intensidade da resistência do ar, até que se atinge uma situação de equilíbrio, ou seja, a resultante é nula e o paraquedista desce com velocidade constante designada por velocidade terminal.

Lançamento Horizontal com Resistência do Ar Desprezável

Quando um corpo é lançado na horizontal, fica sujeito apenas à força gravítica (desprezando a resistência do ar), descrevendo uma trajetória parabólica no plano xOy.

Velocidade: v = √(v₀² + 2gh).

Direção horizontal (eixo X, onde a velocidade é v₀): movimento retilíneo uniforme. Aceleração nula. x = v₀t.

Direção vertical (eixo Y, onde F_g = −gt): movimento retilíneo uniformemente variado. Aceleração constante. y = y₀ − (1/2) g t².

Energia Transferida como Trabalho

1. O trabalho de uma força de módulo constante F, que atua sobre um corpo na direção e sentido do deslocamento, é positivo (W = F × d).
2. O trabalho de uma força de módulo constante F, que atua sobre um corpo na direção do deslocamento mas em sentido oposto, é negativo (W = −F × d).
3. O trabalho de uma força de módulo constante F, que atua sobre um corpo numa direção perpendicular ao deslocamento, é nulo (W = 0).

[A unidade SI de trabalho é o joule (J).]

Força Conservativa e Trabalho

Exemplo: o peso.

Quando é uma força conservativa:

1. O trabalho realizado é independente da trajetória, dependendo apenas das posições inicial e final.
2. O trabalho é igual à variação da energia potencial simétrica (ΔE_p = −W).
3. O trabalho realizado ao longo de uma trajetória fechada é nulo.

Lei da conservação da energia mecânica: num sistema conservativo, em que o trabalho realizado pelas forças é igual ao das forças conservativas, a variação da energia mecânica é nula, ou seja, há conservação da energia mecânica.

Força Não Conservativa e Trabalho

Exemplo: o atrito.

Considere-se um sistema em que atuam forças não conservativas. Quando estas realizam trabalho, este depende da trajetória descrita. Assim, num percurso fechado, o trabalho nunca é nulo, ou seja, a energia mecânica não se conserva (ΔE_M ≠ 0).

W = ΔE_M

Estas forças, que dificultam o movimento por atuarem em sentido contrário ao do deslocamento, são resistentes e realizam trabalho negativo, traduzindo-se numa diminuição da energia mecânica do sistema. Por outras palavras, as forças não conservativas, como o atrito e a resistência do ar, são responsáveis pela diminuição da energia mecânica, por dissiparem energia.

Rendimento e Dissipação de Energia

O rendimento de uma máquina é inferior a 100%, sendo dado por: η = E_útil / E_disponível.

Apesar de não se verificar a conservação da energia mecânica, há conservação da energia no sistema em interação, pois a energia dissipada, sob a forma de aquecimento nas superfícies de contacto, traduz-se num aumento da energia interna.