Química - Reações químicas, balanceamento e Leis ponderais.

REAÇÕES QUÍMICAS

As substâncias podem combinar-se com outras substâncias transformando-se em novas substâncias. Para estas transformações damos o nome de Reações Químicas.

Reação Química é um fenômeno onde os átomos permanecem intactos. Durante as reações, as moléculas iniciais são "desmontadas" e os seus átomos são reaproveitados para "montar" novas moléculas.

No nosso cotidiano, há muitas reações químicas envolvidas, como por exemplo, no preparo de alimentos, a própria digestão destes alimentos no nosso organismo, a combustão nos automóveis, o aparecimento da ferrugem, a fabricação de remédios, etc.

    

EQUAÇÃO QUÍMICA

A forma que representamos a reação química chama-se Equação Química.

Equação Química – é a representação gráfica da reação química.

Nela colocamos os elementos que estão envolvidos na reação, de forma abreviada, e como ela aconteceu, através de símbolos já padronizados.

As Equações Químicas representam a escrita usada pelos químicos e de forma universal, ou seja, é a mesma em qualquer país.

As substâncias que participam da reação química são chamadas de produtos ou reagentes na equação química.

Reagentes (1° membro) – são as substâncias que estão no início da reação. São as que irão reagir, sofrer a transformação.

Produtos (2° membro) – são as substâncias resultantes da reação química.

Exemplo: Duas moléculas de gás hidrogênio juntam-se com uma molécula de gás oxigênio formando duas moléculas de água.

2H₂       +       O₂    →       2 H₂O

reagente                    produto

Observe que o H₂ e o O₂ são reagentes e H₂O é o produto.

Para representar a reação química, utiliza-se uma seta apontando para o lado direito, indicando a transformação.

Em cima da seta, são utilizados alguns símbolos indicando as condições nas quais a reação deve ocorrer.

∆ - calor
aq – aquoso ( em água)
cat – catalisador
λ – energia luminosa

Em cada substância pode haver os seguintes símbolos:
↑ - desprendimento de gás
↓ - precipitação de um sólido

Nas equações químicas, as substâncias podem aparecer com seus estados físicos:
(s) – sólido
(l) – líquido
(g) – gasoso

Exemplo:
C (s)   +  O₂ (g)   →   CO₂ (g)

BALANCEAMENTO DE EQUAÇÕES QUÍMICAS

MÉTODO DAS TENTATIVAS

Como o nome já sugere, consiste na escolha de números arbitrários de coeficientes estequiométricos. Assim, apesar de mais simples, pode se tornar a forma mais trabalhosa de balancear uma equação. Para fazer o acerto dos coeficientes das reações químicas, utilizamos o método das tentativas, que consiste apenas em contar o número de átomos dos reagentes e dos produtos.

Para facilitar, podemos começar acertando os metais. Em seguida os não-metais, depois oxigênio e por último o hidrogênio.

Nesta ordem:
1º) Metais
2º) Não-Metais
3º) Oxigênio
4º) Hidrogênio

MÉTODO ALGÉBRICO

Utiliza-se de um conjunto de equações, onde as variáveis são os coeficientes estequiométricos. Sendo que, essas equações podem ser solucionadas por substituição, escalonamento ou por matrizes (através de determinantes).
Exemplo: NH₄NO₃ → N₂O + H₂O
Passo 1: Identificar os coeficientes.
aNH₄NO₃ → bN₂O + cH₂O
Passo 2: Igualar as atomicidades de cada elemento respeitando a regra da proporção atômica. Assim, deve-se multiplicar a atomicidade de cada elemento da molécula pelo coeficiente estequiométrico identificado anteriormente.
Para o nitrogênio: 2a = 2b (pois existem 2 átomos de N na molécula NH₄NO₃)
Para o hidrogênio: 4a = 2c
Para o oxigênio: 3a = b + c
Ou seja, o número de átomos de cada elemento deve ser igual no lado dos reagentes e no lado dos produtos.
Passo 3: Resolver o sistema de equações
Se 2a = 2b, tem-se que a = b.
Se 4a = 2c, tem-se que 2a = c.
Portanto, atribuindo-se o valor arbitrário 2 para o coeficiente a, tem-se:
a = 2, b = 2, c = 4.
Mas, como os coeficientes devem ser os menores valores inteiros possíveis:
a = 1, b = 1, c = 2.
Passo 4: Substituir os valores obtidos na equação original
1NH₄NO₃ → 1N₂O + 2H₂O, ou simplesmente, NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O

MÉTODO REDOX

Baseia-se nas variações dos números de oxidação dos átomos envolvidos de modo a igualar o número de elétrons cedidos com o número de elétrons ganhos. Se no final do balanceamento redox faltar compostos a serem balanceados, deve-se voltar para o método das tentativas e completar com os coeficientes restantes.
Exemplo: Fe₃O₄ + CO → FeO + CO₂
Passo 1: Identificar os átomos que sofrem oxirredução e calcular as variações dos respectivos números de oxidação.
Sabendo-se que o Nox do oxigênio é -2 para todos os compostos envolvidos. O Nox do Ferro varia de +8/3 para +2. E, o Nox do carbono de +2 para +4.
Portanto, o ferro se reduz e o carbono se oxida.
ΔFe = 8/3 – 2 = 2/3 (variação de Nox do ferro)
ΔC = 4 – 2 = 2 (variação de Nox do carbono)
Passo 2: Multiplicar a variação de Nox pela respectiva atomicidade no lado dos reagentes e atribuir o valor obtido como o coeficiente estequiométrico da espécie que sofreu processo reverso. Assim, o número obtido pela multiplicação da variação de Nox do ferro pela sua atomicidade deve ser atribuído como o coeficiente estequiométrico da molécula de CO.
Para o ferro: 2/3 . 3 = 2
Para o carbono: 2 . 1 = 2
Portanto, o coeficiente do Fe₃O₄ é igual a 2, e o coeficiente do CO também.
2Fe₃O₄ + 2CO → FeO + CO₂
Simplificando-se os coeficientes para os menores valores inteiros possíveis, tem-se:
Fe₃O₄ + CO → FeO + CO₂
Passo 3: Acrescentar os coeficientes restantes
Para completar o balanceamento, pode-se realizar o mesmo procedimento utilizado no lado dos reagentes (multiplicando a variação de Nox pela atomicidade do elemento na molécula) ou realizar o método de tentativas.
A primeira opção é a mais viável, embora para equações mais simples (como a indicada como exemplo) possa ser utilizado o segundo método. O fato é que ambos os métodos devem levar à mesma resposta final.
Como a atomicidade do carbono no CO₂ é igual a 1, multiplicando-se pela variação do Nox 2, obtém-se o coeficiente 2 para o FeO. Do mesmo modo, sendo a variação de Nox do ferro igual a 2/3, multiplicando-se pela atomicidade 1 na molécula de FeO, obtém-se o coeficiente 2/3 para o CO₂.
Agora, basta balancear o lado dos produtos:
Fe₃O₄ + CO → 2FeO + 2/3CO₂
Como os coeficientes devem ser os menores valores inteiros possíveis, deve-se multiplicar a equação por 3/2 a fim de retirar o coeficiente fracionário do CO₂:
Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂

MÉTODO ÍON-ELÉTRON

Baseia-se na divisão da reação global de oxirredução em duas semi-equações. Sendo que, para a semi-equação de redução deve-se acrescentar os elétrons no lado dos reagentes e o ânion no lado dos produtos. De forma análoga, para a semi-equação de oxidação, deve-se adicionar os elétrons no lado dos produtos junto à espécie oxidada, enquanto que no lado de reagentes deve estar a espécie mais reduzida.
Exemplo: CuSO₄ + Ni → NiSO₄ + Cu
Passo 1: Identificar as espécies que sofrem oxidação e redução
No composto CuSO₄, o cobre possui Nox +2 e transforma-se em cobre puro com Nox 0. Assim como, o Níquel puro passa do estado 0 para o estado de oxidação +2. Portanto, o cobre 2+ sofre redução e o níquel oxidação.
Passo 2: Escrever as semi-equações
Cu²⁺ + 2e → Cu
Ni → Ni²⁺ + 2e
Passo 3: Somar as semi-equações de modo a balanceá-las e cancelar os elétrons cedidos com os ganhos
Cu²⁺ + Ni → Ni²⁺ + Cu, ou simplesmente, CuSO₄ + Ni → NiSO₄ + Cu
Caso a quantidade de elétrons cedidos e ganhos não fosse igual, as duas semi-equações deveriam ser multiplicadas por números inteiros de modo a equilibrar as cargas.
Se a equação inicial possuir íons H+ em um dos lados ou átomos de oxigênio, também em um dos lados, deve-se balancear a primeira espécie com moléculas de hidrogênio e a segunda com moléculas de água.

VELOCIDADE DAS REAÇÕES

As reações químicas não ocorrem com a mesma velocidade: umas são mais rápidas, outras são bem lentas. A reação entre bicarbonato de sódio, por exemplo, e vinagre, é rápida. Basta os reagentes entrarem em contato para que ela ocorra. Já a reação que ocorre entre ferro, oxigênio e água, formando a ferrugem, é lenta.

Alguns fatores podem alterar a velocidade das reações químicas.

Numa reação entre um comprimido efervescente e água podemos acelerar a velocidade desta reação. Basta dividir o comprimido em pedaços iguais. Então quanto mais triturado, mais dividido, mais rápida é a reação. Este fator é a superfície de contato, que aumenta e faz com que a reação seja mais rápida.

O mesmo acontece quanto à temperatura. Se colocarmos o comprimido efervescente em água fria e outro em água quente, observaremos que com a água quente a reação ocorre mais rápida. Então, o aumento da temperatura faz com que a velocidade da reação química aumente.

TIPOS DE REAÇÕES QUÍMICAS

As reações químicas são classificadas em quatro tipos:

- síntese ou adição
- análise ou decomposição
- simples troca ou deslocamento
- dupla troca

- SÍNTESE OU ADIÇÃO – é a reação onde duas ou mais substâncias reagem para se transformar em uma. Exemplos:
C  +  O₂  →    CO₂
Cao  + H₂O  →   Ca(OH)₂

 
- ANÁLISE OU DECOMPOSIÇÃO – é a reação onde uma substância se divide em duas ou mais substâncias de estrutura mais simples.
Exemplos:
2AgBr  →    2Ag  + Br₂
2Cu(NO₃)₂   →    2CuO  +  4NO₂  +  O₂ 

- SIMPLES TROCA OU DESLOCAMENTO – é a reação onde uma substância simples troca de lugar com um elemento de uma substância composta, se transformando em uma nova substância simples.
Exemplos:
Zn   +  H₂SO₄     →   ZnSO₄  +   H₂ 
Fe   +  CuSO₄   →   FeSO₄    +  Cu

  
- DUPLA TROCA – é a reação onde duas substâncias compostas reagem e trocam seus elementos, se transformando em duas substâncias também compostas.
Exemplos:
HCl  +   NaOH   →  NaCl  +    H₂O      
FeS  +   2HCl     →  FeCl₂  +  H₂S
 

LEI DE LAVOISIER

“Numa reação química, a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos.”

Segundo esta lei, num sistema químico fechado, qualquer que seja a transformação ocorrida, a massa segue constante.

Estas afirmativas obedecem a uma Lei da natureza. Descoberta pelo cientista francês Antoine Lavoisier, no final do século XVII. Por este motivo, esta lei ficou conhecida como Lei de Lavoisier ou Lei da Conservação da Massa.

É dele também a célebre frase: "Na natureza nada se perde, nada se cria. Tudo se transforma".

Observe:
Uma reação entre as substâncias A e B transformam-se em C.
A massa da substância A é 20g e de B é 5g. Qual a massa de C?

A   +    B   →   C
20g     5g         x

Então: 20 + 5 = 25g de C

A   +    B   →   C
20g     5g         25g

Esta reação obedece a Lei de Lavoisier, onde a soma das massas dos reagentes é igual a soma da massa dos produtos.

LEI DE PROUST

"Uma determinada substância composta é formada por substâncias mais simples, unidas sempre na mesma proporção em massa".

O químico francês Joseph Louis Proust observou que em uma reação química a relação entre as massas das substâncias participantes é sempre constante. A Lei de Proust ou a Lei das proporções definidas diz que dois ou mais elementos ao se combinarem para formar substâncias, conservam entre si proporções definidas.

Observe: A massa de uma molécula de água é 18g e é resultado da soma das massas atômicas do hidrogênio e do oxigênio.
 

H₂ – massa atômica = 1 → 2 x 1 = 2g
O – massa atômica = 16 → 1 x 16 = 16g

Então 18g de água tem sempre 16g de oxigênio e 2g de hidrogênio. A molécula água esta na proporção 1:8.

m H₂  =   2g  =   1
____     ___      __

m O       16g       8

As Leis de Lavoisier e de Proust são chamadas de Leis Ponderais porque estão relacionadas à massa dos elementos químicos nas reações químicas. 

Fonte: soq.com.br