SumárioSobre os Autores xiv Prefácio xv Introdução ao Estudante xxi 1 Introdução à Química 1.1 1.2 POR DENTRO DE 1 Alumínio 2 O Estudo da Química 4 6 A Perspectiva Macroscópica 5 A Perspectiva Microscópica ou Particulada Representação Simbólica 9 1.3 A Ciência da Química: Observações e Modelos 10 As Observações na Ciência 11 Interpretando as Observações 12 Modelos na Ciência 13 1.4 1.5 Números e Medições na Química 14 Unidades 15 Números e Algarismos Significativos 18 Soluções de Problemas na Química e na Engenharia 21 Utilizando Proporções 21 Proporções em Cálculos Químicos 23 Problemas de Química Conceitual 25 A Visualização na Química 26 POR DENTRO DE Seleção de Material 1.6 e Quadros de Bicicletas 28 30 Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 31 Problemas e Exercícios 31 2 Átomos e Moléculas 2.1 2.2 POR DENTRO DE 37 Polímeros 38 Estrutura Atômica e Massa 40 Conceitos Fundamentais do Átomo 40 Número Atômico e Número de Massa 41 Isótopos 41 Símbolos Atômicos 43 Massas Atômicas 43 2.3 Íons 45 Descrição Matemática 46 Íons e suas Propriedades 47 v Mols e Equações Químicas 3.4 Compostos e Ligações Químicas Fórmulas Químicas 48 Ligação Química 50 48 2.2 POR DENTRO DE 77 Explosões 78 Fórmulas e Equações Químicas 79 Escrevendo Equações Químicas 80 Balanceando Equações Químicas 81 Conexões Matemáticas 84 3.1 3.4 Interpretando Equações e Mol Interpretando Equações Químicas 96 Número de Avogadro e o Mol 96 Determinando a Massa Molar 97 96 3.8 Sistemas Binários 63 Nomeando Compostos Covalentes 64 Nomeando Compostos Iônicos 66 POR DENTRO DE Polietileno 68 Enfoque na Resolução de Problemas 71 Resumo 71 Problemas e Exercícios 72 3 Moléculas. Ametais e Metalóides 2.3 Soluções Aquosas e Equações Iônicas Líquidas Soluções.5 A Tabela Periódica 53 56 Períodos e Grupos 53 Metais.6 Química Inorgânica e Orgânica 57 58 Química Inorgânica – Grupos Representativos e Metais de Transição Química Orgânica 59 Grupos Funcionais 63 2.6 Análise Elementar: Determinando as Fórmulas Empíricas e Moleculares Concentração em Quantidade de Matéria 105 Diluição 107 POR DENTRO DE Células de Combustível 109 Enfoque na Resolução de Problemas 111 Resumo 111 Problemas e Exercícios 112 4 Estequiometria 4.7 Nomenclatura Química 63 2.1 POR DENTRO DE 120 Gasolina e outros Combustíveis 121 .vi Química Geral Aplicada à Engenharia 2.5 Cálculos Utilizando Mols e Massas Molares 99 102 3. Solventes e Solutos 87 Equações Químicas para Reações Aquosas Reações Ácido-Base 92 90 86 3. 2 POR DENTRO DE A Natureza Ondulatória da Luz 196 Conexões Matemáticas 198 A Natureza Particulada da Luz 200 193 194 Luzes Incandescentes e Fluorescentes O Espectro Eletromagnético 196 6.6 Fundamentos de Estequiometria 125 125 Obtendo Proporções a partir de uma Equação Química Balanceada Reagentes Limitantes 130 Rendimentos Teóricos e Percentuais 137 Estequiometria de Solução 139 POR DENTRO DE Combustíveis Alternativos e Aditivos de Combustível 142 Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 144 Problemas e Exercícios 145 143 5 Gases 5.5 4.4 4.1 6.4 5.3 4.Sumário vii 4.3 Os Espectros Atômicos O Átomo de Bohr 208 205 .1 5.3 5.6 História e Aplicação da Lei dos Gases Unidades e a Lei do Gás Ideal 164 Pressão Parcial 166 Estequiometria de Reações Envolvendo Gases Condições Padrão de Temperatura e Pressão 171 Postulados do Modelo 173 Conexões Matemáticas 175 Gases Reais e Limitações da Teoria Cinética 177 Corrigindo a Equação de Gás Ideal 178 POR DENTRO DE Sensores de Gás 181 Manômetro de Capacitância 181 Calibrador Termoacoplado 182 Calibrador de Ionização 182 Espectrômetro de Massas 184 Enfoque na Resolução de Problemas 184 Resumo 185 Problemas e Exercícios 186 Teoria Cinético-Molecular e Ideal versus Gases Reais 5.2 4.5 5.2 153 do Ar 154 157 160 170 173 POR DENTRO DE Poluição Propriedades dos Gases 156 Pressão Medindo a Pressão 159 Unidades de Pressão 159 5.7 6 A Tabela Periódica e Estrutura Atômica 6. 2 POR DENTRO DE 290 Carbono 291 Fases Condensadas – Sólidos 293 .4 O Modelo Atômico da Mecânica Quântica Conexões Matemáticas 211 Energia Potencial e Orbitais 212 Números Quânticos 212 Visualização de Orbitais 216 210 6.2 POR DENTRO DE 242 243 Compostos de Flúor Familiares A Ligação Iônica 244 A Ligação Covalente 250 253 Formação de Cátions 245 Formação de Ânions 246 7.1 8.3 Ligações Químicas e Energia 250 Ligações Químicas e Reações 252 Ligações Químicas e a Estrutura de Moléculas 7.5 7.8 Luz: LED e Lasers 232 7 Ligação Química e Estrutura Molecular 7.8 7.5 O Princípio da Exclusão de Pauli e Configurações Eletrônicas 219 Energias de Orbitais e Configurações Eletrônicas Regra de Hund e o Princípio de Aufbau 222 220 6.7 7.4 Eletronegatividade e Polaridade da Ligação Eletronegatividade 256 Polaridade da Ligação 257 255 259 7.1 7.6 7.9 Mantendo o Rastro da Ligação: Estruturas de Lewis Ressonância 265 Superposição de Orbitais e Ligação Química 267 Orbitais Híbridos 270 Arranjos das Moléculas 272 POR DENTRO DE Clorofluorocarbonetos 281 Enfoque na Resolução de Problemas Resumo 284 Problemas e Exercícios 284 283 8 Moléculas e Materiais 8.7 A Tabela Periódica e as Configurações Eletrônicas 224 Tendências Periódicas nas Propriedades Atômicas 226 Tamanho Atômico 226 Energia de Ionização 228 Afinidade Eletrônica 231 POR DENTRO DE Fontes Modernas de Enfoque na Resolução de Problemas 234 Resumo 235 Problemas e Exercícios 236 6.6 6.viii Química Geral Aplicada à Engenharia 6. 5 Entalpia 354 Definindo Entalpia 354 ΔH de Mudanças de Fases 355 Vaporização e Produção de Eletricidade 358 Calor de Reação 359 Ligações e Energia 359 Calores de Reação para Algumas Reações Específicas 360 9.5 Fases Condensadas – Líquidos Pressão de vapor 316 Ponto de Ebulição 317 Tensão Superficial 319 315 8.4 Transformação de Energia e Conservação de Energia Desperdício de Energia 346 344 Capacidade Calorífica e Calorimetria Capacidade Calorífica e Calor Específico Calorimetria 351 347 346 9.4 Forças Intermoleculares Forças entre Moléculas 309 Forças de Dispersão 309 Forças Dipolo-Dipolo 311 Ligação de Hidrogênio 311 309 8.3 9.6 Polímeros 320 8.Sumário ix 8.7 Energia e Estequiometria 366 .3 Ligação nos Sólidos: Metais.1 9.6 Lei de Hess e Calores de Reação Lei de Hess 361 Reações de Formação e Lei de Hess 364 361 9. Isolantes e Semicondutores Modelos de Ligação Metálica 301 Teoria de Banda e Condutividade 303 Semicondutores 305 301 8.7 Polímeros de Adição 321 Polímeros de Condensação 324 Copolímeros 326 Propriedades Físicas 326 Polímeros e Aditivos 328 POR DENTRO DE Invenção de Novos Materiais Enfoque na Resolução de Problemas 331 Resumo 331 Problemas e Exercícios 332 329 9 Energia e Química 9.2 POR DENTRO DE Formas de Energia 341 Calor e Trabalho 342 Unidades de Energia 343 337 338 O Uso de Energia e a Economia Mundial Definindo Energia 341 9. 4 Leis de Velocidade Integrada 430 Conexões Matemáticas 430 Lei de Velocidade Integrada de Ordem Zero 431 Lei de Velocidade Integrada de Primeira Ordem 432 .6 Energia Livre de Gibbs 395 Energia Livre e Variação Espontânea 395 Energia Livre e Trabalho 398 10.3 Leis de Velocidade e a Dependência da Concentração em Relação às Velocidades 424 426 A Lei de Velocidade 424 Determinação da Lei de Velocidade 11.1 POR DENTRO DE Reciclagem de Plásticos 10.x Química Geral Aplicada à Engenharia 9.8 POR DENTRO DE O Sistema Econômico Enfoque na Resolução de Problemas 406 Resumo 406 Problemas e Exercícios 407 399 da Reciclagem 401 11 Cinética Química 416 11.2 Espontaneidade 383 Sentido da Natureza 383 Processos Espontâneos 384 Entalpia e Espontaneidade 385 381 382 10.1 POR DENTRO DE A Destruição do Ozônio 417 11.7 Energia Livre e Reações Químicas Implicações do ΔG° para uma Reação 400 10.8 Densidade de Energia e Combustíveis 368 POR DENTRO DE Baterias 369 Enfoque na Resolução de Problemas 372 Resumo 373 Problemas e Exercícios 374 10 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica 10.2 Velocidades das Reações Químicas 420 Conceito de Velocidade e Velocidades de Reação 420 Estequiometria e Velocidade 421 Velocidade Média e Velocidade Instantânea 423 11.3 Entropia 385 389 Probabilidade e Variação Espontânea 386 Definição de Entropia 388 Julgando as Variações de Entropia nos Processos 10.5 A Terceira Lei da Termodinâmica 10.4 A Segunda Lei da Termodinâmica A Segunda Lei 390 Implicações e Aplicações 391 390 392 10. 5 Temperatura e Cinética 440 440 Efeitos da Temperatura e Moléculas que Reagem Comportamento de Arrhenius 443 Fazendo Conexões Mentais 446 11.6 Equilíbrios de Solubilidade 497 497 Constante do Produto de Solubilidade 497 Definindo a Constante do Produto de Solubilidade A Relação entre Kps e a Solubilidade Molar 499 Efeito do Íon Comum 500 .1 POR DENTRO DE Cianeto de Hidrogênio 12.4 Concentrações no Equilíbrio 12.7 Catálise 448 451 Etapas Elementares e Mecanismos de Reação 449 Mecanismos e Velocidade: A Etapa Determinante de Velocidade 452 11.Sumário xi Lei de Velocidade Integrada de Segunda Ordem Meia-Vida 438 434 11.3 Constantes de Equilíbrio 476 A Expressão de Equilíbrio (Ação da Massa) 476 Equilíbrios de Fase Gasosa: Kp e Kc 478 Equilíbrios Homogêneos e Heterogêneos 479 Importância Numérica da Expressão de Equilíbrio 480 Manipulação Matemática de Constantes de Equilíbrio 482 Invertendo a Equação Química 482 Ajustando a Estequiometria da Reação Química 482 Constantes de Equilíbrio para uma Série de Reações 484 Unidades e a Constante de Equilíbrio 485 12.8 Catálisadores Homogêneos e Heterogêneos 452 Perspectiva Molecular da Catálise 454 Catálise e Engenharia de Processos 454 POR DENTRO DE O Ozônio Troposférico Enfoque na Resolução de Problemas 457 Resumo 458 Problemas e Exercícios 459 455 12 Equilíbrio Químico Reações Diretas e Inversas 473 Relações Matemáticas 475 470 471 12.2 Equilíbrio Químico 473 12.5 Princípio de LeChatelier 485 486 Concentrações no Equilíbrio a partir das Concentrações Iniciais Técnicas Matemáticas para Cálculos de Equilíbrio 490 491 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Concentração de Reagente ou Produto 491 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Pressão Quando Estão Presentes Gases 493 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Temperatura 495 Efeito de um Catalisador no Equilíbrio 496 12.6 Mecanismos de Reação 11. 4 Potenciais da Célula e Equilíbrio Potenciais da Célula e Energia Livre 538 Constantes de Equilíbrio 539 538 13.6 Eletrólise 546 547 Eletrólise e Polaridade 547 Eletrólise Passiva no Refino de Alumínio Eletrólise Ativa e Galvanoplastia 549 13.8 POR DENTRO DE Prevenção à Corrosão 555 Revestimentos 555 Proteção Catódica 557 A Prevenção à Corrosão no Espaço 557 Enfoque na Resolução de Problemas 558 Resumo 559 Problemas e Exercícios 559 .5 Baterias 541 Células Primárias 541 Células Secundárias 543 Limitações das Baterias 546 13.2 Reações de Oxirredução e Células Galvânicas Reações de Oxirredução e Semi-reações 524 Construindo uma Célula Galvânica 525 Terminologia para Células Galvânicas 526 Perspectiva Atômica nas Células Galvânicas 527 Corrosão Galvânica e Corrosão Uniforme 528 13.7 Eletrólise e Estequiometria 550 553 Corrente e Carga 550 Cálculos com a Utilização de Massas de Substâncias na Eletrólise 13.9 POR DENTRO DE Boratos e Ácido Bórico Enfoque na Resolução de Problemas 512 Resumo 513 Problemas e Exercícios 513 13 Eletroquímica 522 524 13.8 Energia Livre e Equilíbrio Químico 508 511 Perspectiva Gráfica 508 Energia Livre e Condições Não-Padrão 509 12.7 Ácidos e Bases 502 A Teoria de Brøsnted-Lowry de Ácidos e Bases 503 O Papel da Água na Teoria de Brønsted-Lowry 503 Ácidos e Bases Fracos 505 12.1 POR DENTRO DE Corrosão 523 13.3 Potenciais da Célula 530 Medindo o Potencial da Célula 530 Potenciais Padrão de Redução 533 Condições Não-Padrão 536 13.xii Química Geral Aplicada à Engenharia Confiabilidade no Uso de Concentrações em Quantidade de Matéria 502 12. 15 K 574 Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C 580 Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C 582 Constantes do Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C 583 I Potenciais Padrão de Redução em Soluções Aquosas a 25 °C 586 J Respostas dos Exercícios de “Verifique seu Entendimento” 590 K Respostas para os Exercícios Ímpares dos Finais de Capítulos 593 A B C D E F G H Glossário 618 634 651 651 652 653 Índice Remissivo Algumas Constantes Úteis Algumas Relações Importantes Tabela Periódica dos Elementos Tabela Internacional de Massas Atômicas .Sumário xiii Apêndices Tabela Internacional de Peso Atômico 569 Constantes Físicas 571 Configurações Eletrônicas dos Átomos no Estado Fundamental 572 Calores Específicos e Capacidades Caloríficas de Algumas Substâncias Comuns 573 Dados Termodinâmicos Selecionados a 298. vemos conexões entre a química e praticamente tudo. não havia livros no mercado com esse enfoque. Era imprescindível um livro específico para essa disciplina. os currículos de engenharia na maioria das universidades estão sendo reduzidos: atualmente. O livro fornece também conhecimento suficiente sobre ciência da química para um profissional tecnicamente habilitado. as aulas de química geral tradicional. ocupam um único semestre. afinal de contas. nesse caso. Dessa forma. Quando as escolas – incluindo a nossa – começaram a oferecer essa disciplina. a química é basicamente um pré-requisito para disciplinas que envolvem propriedades dos materiais. mas manter aproximadamente tudo dos tópicos tradicionais. Essas disciplinas normalmente adotam uma abordagem fenomenológica dos materiais. Apesar de isso ser possível. é a aplicação criativa e prática de uma vastíssima gama de princípios científicos. O objetivo deste livro é proporcionar conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que suportam a ciência dos materiais. temos que decidir qual conteúdo incluir. que eram praticadas em um ano. em vez de enfatizar a perspectiva molecular da química. Existem basicamente dois modelos utilizados para condensar o programa de química geral. Conseqüentemente.Prefácio A Origem deste Livro Como químicos. Mas a química é apenas uma das muitas ciências com as quais um engenheiro deve estar familiarizado. Escrevemos este livro para preencher essa lacuna. logo. Isso não significa que este livro se destine apenas à ciência dos materiais. A engenharia. futuros engenheiros. Para muitos estudantes de engenharia. e o conteúdo do material didático existente para os dois semestres tinha que ser sempre modificado para encaixar. e o currículo de graduação deve achar espaço para muitos tópicos. de forma que seus praticantes devem ter uma grande base em ciências naturais. está longe de ser o ideal. Conteúdo e Organização O conteúdo completo de química geral tradicional não pode ser pensado significativamente em um semestre. essas instituições estão oferecendo uma disciplina desenvolvida especificamente para estudantes de engenharia. Nosso objetivo é ampliar o papel da química para muitas áreas da engenharia e tecnologia por meio de uma interação entre a química e a engenharia em uma variedade de tecnologias modernas. Escolhemos a última abordagem e construímos um livro de 13 capítulos com base nos fundamentos para satisfazer o que pensamos ser os objetivos da disciplina: . Em muitos casos. a idéia de que estudantes de engenharia devem aprender química parece evidente para a maioria dos químicos. O segundo é tomar as decisões mais difíceis e fundamentais sobre quais tópicos da química são apropriados e relevantes para os leitores. a intenção deste trabalho é preparar os estudantes para pesquisas futuras na área. O primeiro é tomar a abordagem de um livro introdutório e reduzir o aprofundamento da cobertura e o número de exemplos. xvi Química Geral Aplicada à Engenharia • Fornecer uma introdução concisa. os 13 capítulos deste livro representam mais material do que poderia ser encaixado em uma disciplina padrão de um semestre. respectivamente. moléculas e reações. • Mostrar as conexões entre a química e as outras matérias estudadas pelos alunos de engenharia. em geral utilizam mais de um modelo simultaneamente. mas total à ciência da química. A estequiometria simples de soluções é apresentada no Capítulo 4. e cinética e equilíbrio são tratados nos Capítulos 11 e 12. e termina com uma seção sobre síntese. e de novo integramos nossa cobertura em áreas apropriadas do livro. Assim. são considerados nos Capítulos 9 e 10. O Capítulo 4 começa e termina com discussões sobre combustíveis. Inicialmente. Retornamos à perspectiva microscópica para cobrir mais detalhes de estrutura atômica e de ligação química dos Capítulos 6 ao 8. definimos ácidos e bases na conjunção com a introdução a soluções no Capítulo 3. O Capítulo 2 também contém uma rica discussão de estruturas orgânicas lineares e grupos funcionais. incluímos mais tópicos no Capítulo 8. e a reciclagem de polímeros fornece o contexto para a consideração da segunda lei da termodinâmica. Finalmente. concluímos com o tratamento da eletroquímica e da corrosão. Os aspectos de energia da química. particularmente naquelas relacionadas às propriedades dos polímeros. sobre fases condensadas. estrutura e propriedades do polietileno. O Capítulo 8 contém mais sobre carbono e polímeros. Escolhemos tratá-los da seguinte forma: Química Orgânica: A química orgânica é importante em muitas áreas da engenharia. um tópico ao qual retornamos no Capítulo 9. Nos Capítulos 4 e 5. os departamentos ou os professores individualmente necessitarão fazer algumas escolhas adicionais ao conteúdo que seja mais adequado para os seus estudantes. Cobertura dos Tópicos A cobertura dos tópicos neste livro reflete o fato de que os químicos constantemente utilizam conceitos múltiplos para entender o campo deles. por exemplo. Considerados em sua totalidade. especialmente matemática e física. Química Ácido-Base: As reações ácido-base representam outra importante área da química com aplicações na engenharia. Em contrapartida. no Capítulo 10. microscópica e simbólica. enfocando em polímeros. incluindo as importantes conseqüências macroscópicas. Final- . Julgamos que muitos professores não incluirão todo o material sobre equilíbrio do Capítulo 12. as quais servirão de base para estudos posteriores da ciência dos materiais. Cobertura de Conteúdo Específico Sabemos que existem tópicos específicos na química que são vitais para os futuros engenheiros.1 e usamos os polímeros e seus monômeros em muitos exemplos nesse capítulo. Assim. • Mostrar a conexão entre o comportamento molecular e as propriedades físicas observáveis. Em vez de utilizarmos um único capítulo de orgânica. • Fornecer aos estudantes informações consistentes sobre os princípios de estrutura e de ligação. As duas últimas perspectivas são enfatizadas nos Capítulos 2 e 3 sobre átomos. integramos nossa cobertura de química orgânica por todo o livro. do que muitos professores esperariam incluir em suas disciplinas. uma aplicação química importante para as disciplinas de engenharia. Introduzimos os polímeros orgânicos na Seção 2. estabelecemos mais de uma conexão entre o microscópico e o macroscópico no nosso tratamento de estequiometria e gases. o estudo da química que apresentamos aqui pode ser visto de múltiplas perspectivas: macroscópica. que introduz um modelo ou tema que mostra a interação entre química e engenharia. que ajuda os estudantes a aprenderem a estimar se a resposta obtida é razoável. Esses ensaios expandem e revisam os conceitos matemáticos à medida que dizem respeito ao tópico específico estudado. que é mais forte e mais leve que o KevlarTM e o está substituindo no enchimento de coletes à prova de bala. Optamos por circular nas nossas aplicações de engenharia sempre que possível. mas apresentar as conexões naturais entre as várias matérias estudadas. Em razão disso. incluímos uma seção de “Por dentro de” inteira sobre células de combustível e suas possíveis aplicações futuras em carros e notebooks. Abordagem para a Resolução de Problemas A resolução de problemas é uma parte-chave nas disciplinas de química do ensino superior e é especialmente importante como uma habilidade transferida amplamente para os estudantes de engenharia. o Capítulo 1 contém uma breve abordagem dos OLED (diodos orgânicos emissores de luz). e aparecem sempre que as ligações entre o tópico em mãos e a matemática parecem especialmente significativas. estará simultaneamente matriculada em uma disciplina introdutória de cálculo. geralmente incluímos a seção denominada “Analise sua Resposta”. um novo avanço que pode eventualmente substituir as telas de cristal líquido em dispositivos como câmeras digitais e monitores de tela plana para computadores. e o tema introduzido nela aparece regularmente por todo o capítulo. assim. esforçamo-nos para apresentar a química nos contextos que realmente interessam a eles. Por exemplo.Prefácio xvii mente. na qual enfatizamos os conceitos e as relações que devem ser considerados para trabalhar no problema. Os vínculos entre química e engenharia são centrais na estrutura do livro. discutimos o novo polímero UHMWPE (polietileno de ultra alta massa molecular). Após a solução. Essa seção representa apenas o começo das conexões. cada exemplo termina com um problema ou uma . No Capítulo 3. Estes quadros têm a intenção de ser suplementares. no Capítulo 12. No Capítulo 2. e a maioria dos estudantes. Cada capítulo começa e termina com uma seção denominada “POR DENTRO DE”. Os OLED são visitados novamente mais tarde no Capítulo 6. por todo o livro. este livro inclui problemas resolvidos do início ao fim. Todos os nossos Problemas-Modelo incluem uma seção de “Estratégia” logo após o enunciado do problema. Não se pretende com a inclusão de cálculo dificultar o material apresentado. Em razão disso. de tal forma que aqueles estudantes cursando uma disciplina de pré-cálculo não sejam prejudicados. incluímos referências ao papel do cálculo na seção “Conexões Matemáticas”. Conexões entre Química e Engenharia Uma vez que este livro é direcionado a disciplinas desenvolvidas para estudantes de engenharia. um tratamento mais detalhado da química ácido-base é apresentado no contexto de equilíbrios. atendendo a uma disciplina do tipo para o qual este livro está direcionado. Matemática: As habilidades matemáticas dos estudantes de engenharia geralmente são mais fortes que as de outros alunos. Finalmente. discutimos as inovações-chave recentes em vários campos. não é possível chegar a uma resposta numérica final utilizando as informações fornecidas. Este símbolo especial da seção “Por dentro de” é utilizado para identificar os locais onde as idéias apresentadas na seção de abertura do capítulo são revisitadas no livro. Nessa seção. a maioria dos estudantes que tem aulas do tipo para o qual este livro foi escrito também terá aula de cálculo. Acreditamos que a experiência em química geral ajudará os estudantes de engenharia a desenvolver melhores habilidades na resolução de problemas. • “Conexões Matemáticas”: Em nossa experiência. inclui uma mistura de questões qualitativas e quantitativas que enfocam o processo de busca por uma solução para um problema. mas pede-se ao estudante que identifique a estratégia ou o raciocínio a ser utilizado no problema. os temas apresentados por ela são entrelaçados por todo o capítulo. Características do Texto Empregamos uma série de recursos. a seção “Enfoque na Resolução de Problemas”. assim. Em razão disso. parece . A seção “Enfoque na Resolução de Problemas” oferece aos estudantes a oportunidade de desenvolver e praticar verdadeiras habilidades na resolução de problemas. as perguntas apresentadas não exigem uma resposta numérica. freqüentemente fornecendo o contexto para pontos de discussão ou problemas-modelo. não a solução em si. os estudantes são forçados a desenvolver uma solução. enquanto os problemas exigem etapas múltiplas e raciocínio fora do contexto da informação fornecida. Essa seção. Adequadamente. é importante fazer aqui uma distinção entre problemas e exercícios. que aparece no final de cada um dos capítulos. em vez de apenas identificar e executar um algoritmo. uma peculiaridade que distingue os estudantes de engenharia dos outros estudantes de química geral é o alto nível de intimidade com a matemática. Portanto. o que significa que a seção “Enfoque na Resolução de Problemas” pode ser totalmente incorporada à disciplina. Esse recurso didático é resultado de um projeto de avaliação de resolução de problemas nas aulas de química. Além de a seção abrir e fechar cada capítulo. na qual são apresentados temas que abrem e fecham cada capítulo e que mostram as conexões entre engenharia e química. Normalmente. Na maioria dos casos. que permitirão que os estudantes identifiquem a utilidade da química e entendam as conexões com a engenharia. Os exercícios fornecem uma oportunidade de praticar uma habilidade limitada.xviii Química Geral Aplicada à Engenharia pergunta da seção “Verifique seu Entendimento” para ajudar o estudante a generalizar ou estender o que ele aprendeu no Problema-Modelo. • “POR DENTRO DE ”: Cada capítulo é construído em torno da seção “Por dentro de”. Em geral. incluímos também problemas similares adicionais no material de final de capítulo. • “ENFOQUE NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS ”: Professores de engenharia afirmam unanimemente que os calouros precisam praticar resolução de problemas. Além disso. percebemos que essas habilidades podem ser transferidas para outras matérias no currículo de engenharia mesmo quando o conteúdo de química não está envolvido. Os exercícios apresentados no final de cada capítulo incluem problemas adicionais dessa natureza. incluímos uma característica única ao final de cada capítulo. as perguntas propostas exigem que os estudantes identifiquem informações que ainda faltam para a resolução do problema. financiado pela Fundação Nacional da Ciência (National Science Foundation – NSF). Entretanto. alguns dos quais já citados anteriormente. Um dos principais objetivos deste livro é inspirar uma avaliação do papel da química em muitas áreas da engenharia e tecnologia. economicamente. isto é. esses engenheiros do futuro terão que compreender os átomos e as forças que os ligam. Essas nanomáquinas serão montadas não por parafusos ou rebites. engenheiros devem projetar e montar bombas de ar ou outras minúsculas máquinas utilizando engrenagens e outras peças fabricadas em escala atômica. os materiais e as forças da natureza em benefício da humanidade”. essa engenharia relacionada aos átomos permanece ainda como uma possibilidade a ser concretizada no futuro. E quanto aos engenheiros de hoje? Quanto de suas decisões depende do conhecimento da química? E. mas pelas forças de atração entre os diferentes átomos – por meio de ligações químicas. no futuro. De acordo com a definição da Abet: “Engenharia é a profissão cujo conhecimento das ciências matemáticas e naturais obtido por meio de estudos. As decisões desses profissionais serão guiadas pelo conhecimento dos tamanhos e das propriedades dos átomos de diferentes elementos. os estudantes de engenharia nem sempre reconhecem o papel da química na profissão que escolheram. Evidentemente. quais são os reais motivos para você estudar química? O Conselho de Atribuição para Engenharia e Tecnologia (Accreditation Board for Engineering and Technology – Abet) é uma organização profissional que supervisiona o ensino de engenharia. e na interação entre a química e a engenharia. como ciência. as aplicações da nanociência estão surgindo principalmente na tecnologia de computadores. a química é claramente incluída no campo de conhecimento à disposição de um engenheiro. O estudo da química envolve um vasto número de conceitos e habilidades. de sua própria perspectiva como um estudante de engenharia. A filosofia deste livro é apresentar algumas idéias básicas e aplicá-las aos aspectos da engenharia. em uma variedade de tecnologias modernas. experiências e prática é aplicado com bom senso para o desenvolvimento de maneiras de utilizar.1 Introdução à Química tualmente. Tais aparelhos poderão ser construídos átomo por átomo: cada átomo seria especificado com base em critérios de design relevante e manobrado para a posição com a utilização de minúsculas ferramentas. Logo. 1 A . Pelo menos por enquanto. Mas. terão que compreender a química. Ainda assim. as latas são mais fáceis de ser manuseadas e mais baratas para ser transportadas. Objetivos do Capítulo Após dominar o assunto deste capítulo. O fato de o alumínio não sofrer facilmente reações químicas que poderiam degradá-lo à medida que as latas são transportadas e armazenadas é também importante. Comparado à maioria dos outros metais. Cada capítulo começará com um exemplo da química relacionada à engenharia. O que faz do alumínio um material fascinante para esse tipo de aplicação e como ele se tornou parte tão comum de nossa vida? Você provavelmente pode identificar algumas propriedades do alumínio que tornam seu uso em uma lata de refrigerante adequado. microscópica e simbólica na compreensão dos sistemas químicos. e por que ela é feita de alumínio?”. você deverá ser capaz de descrever como a química e a engenharia auxiliaram na transformação do alumínio de um metal precioso a um material estrutural barato. Outros temas envolverão o projeto e a seleção de materiais para diversos usos e a importância da química em questões de engenharia ambiental. com suas próprias palavras. Todas as seções de abertura de capítulo apresentam títulos que começam com “Por dentro de”. As questões apontadas nessas seções guiarão nossa exploração dos fundamentos relevantes de química apresentados em cada capítulo. desenhar figuras para ilustrar fenômenos químicos simples (como as diferenças entre sólidos. o papel da química pode não ser tão aparente. como a queima de combustíveis. dificilmente você fará seguinte pergunta: “De onde veio a lata que contém este refrigerante. expressar os resultados de cálculos utilizando o número correto de algarismos significativos. da simples lâmpada incandescente até os lasers modernos e os diodos orgânicos de emissão de luz (organic light emitting diodes – Oled). Nosso primeiro caso contempla a produção e história do alumínio como material estrutural. você tem várias opções para saciá-la. conseqüentemente.2 Química Geral Aplicada à Engenharia em que a química é importante. o alumínio é leve. líquidos e gases) em escala molecular. Desse modo. POR DENTRO DE 1. como água. estudaremos como a evolução do conhecimento das propriedades químicas estimulou o projeto de diferentes fontes de luz. envolverão aplicações bem claras de princípios químicos e reações. Em outros casos. Uma lata de refrigerante feita de chumbo seria certamente menos conveniente. E quando opta por um refrigerante de lata. Isso significa que a lata não adiciona muito peso se comparado ao do refrigerante em si. utilizar proporções adequadas para a conversão de medidas de uma unidade para outra. a diferença entre o raciocínio indutivo e dedutivo. uma lata de alumínio típica é bem mais leve que uma lata comparável de estanho ou aço. mas bem forte. explicar a utilidade das perspectivas macroscópica. A lata de alumínio se tornou tão comum que é fácil tomá-la por verdade. refrigerantes etc.1 Alumínio Quando está com sede. apesar de todas essas características da lata de . Porém. No Capítulo 6. explicar. sucos. Alguns desses exemplos. e então escolheram o alumínio. Pesando 100 onças (cerca de 2. os arquitetos queriam um material que causasse impacto para ser utilizado no cume do Washington Monument. representada pelo globo. Na Europa. Como ciência da matéria. hoje chapas de alumínio pesando mais que 45 kg são encontradas com regularidade em muitas lojas de metal. A grande disponibilidade do alumínio é resultado de uma colaboração impressionante entre a ciência básica da química e as ciências aplicadas da engenharia. o cume do monumento era a maior peça única de alumínio puro jamais projetada naquela época. A sociedade. No século XIX.1. Por que o alumínio era tão caro naquela época e o que mudou para que ele se tornasse tão acessível agora? Uma discussão inicial dessa questão pode ser imaginada em termos da Figura 1.Introdução à Química 3 alumínio serem positivas. tem necessidades de bens e materiais. Atualmente. . Muito da engenharia consiste em esforços para otimizar os processos utilizados nessas conversões. um tributo ao “pai de nosso país”. que expressa bem amplamente as interações da sociedade humana com a Terra. elas não teriam muita utilidade prática se o alumínio não fosse prontamente disponível e razoavelmente barato. e para o futuro A matéria flui da ecosfera para a economia humana como matéria-prima. Napoleão era o imperador de uma parte considerável do continente e ele impressionava seus convidados com o uso de extravagantes talheres de alumínio. Contudo. Nos Estados Unidos. Sociedade humana Ecosfera A matéria flui da economia humana para a ecosfera como lixo.8 kg). Figura 1. a química é um importante elemento do conhecimento explorado na engenharia desses processos. o alumínio era um metal raro e precioso.1 As interações da sociedade humana com a Terra podem ser pensadas amplamente em termos da conversão da matéria a partir da matéria-prima em lixo.