Exercícios: O modelo atómico-molecular

Completa a frase com as palavras que faltam: «Segundo o modelo atómico-molecular, toda a matéria é formada por $\dots$. Estes agrupam-se formando $\dots$ e, numa reação química, não desaparecem: apenas se $\dots$ para dar substâncias novas».

A fórmula da água é $H_2O$. A figura mostra o seu modelo de esferas.

1. a) Quantos átomos de hidrogénio tem uma molécula de água?
2. b) Quantos átomos de oxigénio?
3. c) Quantos átomos há no total na molécula?

A fórmula do dióxido de carbono é $CO_2$. Indica que elementos formam a sua molécula e quantos átomos de cada elemento existem nela.

Relaciona cada símbolo químico com o respetivo elemento: $H$, $O$, $C$ e $N$, com os nomes hidrogénio, carbono, azoto e oxigénio.

Observa a figura:

Explica a diferença entre escrever $O_2$ e escrever $2\ O$: quantos átomos de oxigénio existem em cada caso e como estão (ligados ou soltos)?

Queremos construir um modelo da molécula de água com plasticina: usamos esferas vermelhas para os átomos de oxigénio e esferas brancas para os de hidrogénio.

1. a) De quantas esferas de cada cor precisas para uma molécula de água?
2. b) Descreve como estariam ligadas as esferas.

Na formação da água, duas moléculas de hidrogénio ($2\ H_2$) reagem com uma molécula de oxigénio ($O_2$) e formam-se duas moléculas de água ($2\ H_2O$), como mostra o esquema corpuscular.

Conta os átomos de hidrogénio e de oxigénio antes e depois da reação. Desapareceu algum átomo?

Quando o gelo derrete, as moléculas continuam a ser $H_2O$; quando a água se decompõe com corrente elétrica, surgem $H_2$ e $O_2$. A figura mostra os corpúsculos nos dois processos.

Explica com o modelo atómico-molecular qual das duas transformações é química e porquê.

Conta com atenção:

1. a) Quantos átomos de hidrogénio e de oxigénio existem em $3\ H_2O$?
2. b) Quantos átomos de carbono e de oxigénio existem em $5\ CO_2$?

A fórmula do amoníaco é $NH_3$.

1. a) Quantos átomos existem numa molécula de amoníaco?
2. b) Quantos átomos de cada elemento existem em $2\ NH_3$?

A combustão do metano escreve-se assim: $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$. O esquema representa as moléculas antes e depois.

Conta os átomos de cada elemento antes e depois da reação e verifica que se conservam.

Num modelo de esferas, as pretas são átomos de carbono, as brancas de hidrogénio e as vermelhas de oxigénio. Uma esfera preta ligada a quatro brancas representa o metano, $CH_4$.

1. a) Que molécula representa uma esfera preta ligada a duas vermelhas?
2. b) Descreve com esferas deste modelo a molécula de água.

No ar, as moléculas de $N_2$ e de $O_2$ estão soltas e misturadas; na água, os átomos de hidrogénio e de oxigénio estão ligados formando moléculas $H_2O$, como mostra a figura.

Explica com o modelo atómico-molecular a diferença entre uma mistura e um composto.

Explica, usando o modelo atómico-molecular, por que razão a massa se conserva numa reação química (lei de Lavoisier): o que acontece aos átomos durante a reação e o que sucede à sua massa?

A água é $H_2O$ e a água oxigenada é $H_2O_2$. A figura mostra o modelo de ambas as moléculas.

1. a) Contêm os mesmos elementos?
2. b) São a mesma substância?
3. c) Relaciona a tua resposta com a lei das proporções definidas.

Ao ferver água, as moléculas $H_2O$ separam-se umas das outras, mas não se quebram.

1. a) Porque razão o vapor continua a ser água?
2. b) O que teria de acontecer às moléculas para que o vapor deixasse de ser água?

A formação da água representa-se assim: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) Quantas moléculas existem antes e depois da reação?
2. b) Quantos átomos de cada tipo existem antes e depois?
3. c) Usa o modelo atómico-molecular para justificar a lei de conservação da massa.

Ao queimar uma fita de magnésio no ar, o óxido que se forma pesa mais do que a fita original.

1. a) Explica este aumento de massa com o modelo atómico-molecular.
2. b) Prevê o que aconteceria à massa total se pudéssemos pesar também todo o ar que participou na reação.

Ao fazer passar corrente elétrica pela água, esta decompõe-se: $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$. A figura mostra o dispositivo da experiência.

1. a) Conta os átomos de cada elemento antes e depois.
2. b) Na experiência recolhe-se o dobro do volume de hidrogénio em relação ao oxigénio: relaciona este facto com o número de moléculas de cada gás que se forma.
3. c) A massa conserva-se nesta decomposição? Justifica.

A síntese industrial do amoníaco escreve-se: $N_2 + 3\ H_2 \rightarrow 2\ NH_3$.

1. a) Cria um modelo com esferas (escolhe uma cor para cada elemento) que represente esta reação, antes e depois.
2. b) Verifica, contando átomos no teu modelo, que a conservação da massa é respeitada.
3. c) Quantas moléculas de amoníaco se formam por cada molécula de azoto?

Um aluno escreve no seu caderno a combustão do metano assim: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

1. a) Conta os átomos de cada elemento nos dois lados da seta.
2. b) O teu esquema respeita a lei de conservação da massa?
3. c) Corrige a escrita para que os átomos fiquem certos e explica o que alteraste.

A formação do óxido de ferro pode escrever-se: $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$. O esquema representa os átomos antes e depois.

1. a) Conta os átomos de ferro e de oxigénio antes e depois.
2. b) Um portão velho de ferro muito enferrujado pesa mais do que quando era novo: explica este facto com o modelo atómico-molecular.
3. c) De onde vieram os átomos que fazem aumentar a sua massa?

Num recipiente fechado existem $10$ moléculas de $H_2$ e $10$ moléculas de $O_2$, ocorrendo a reação $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$. A figura mostra o recipiente antes da reação.

1. a) Quantas moléculas de água se formam?
2. b) Sobram moléculas de algum gás? Quantas e de qual?
3. c) Relaciona o resultado com a lei das proporções definidas.

O modelo atómico-molecular permite explicar as duas leis das reações químicas que estudaste.

1. a) Explica com o modelo a lei de conservação da massa: por que razão não muda a massa se os átomos não desaparecem e cada tipo de átomo tem sempre a mesma massa?
2. b) Explica com o modelo a lei das proporções definidas: por que razão um composto tem sempre a mesma proporção em massa se a sua fórmula é sempre a mesma?

Desafio do tema. A massa desaparece quando se forma um gás? Vais comprovar na tua cozinha as leis que deram origem à química moderna utilizando vinagre, bicarbonato e uma balança caseira de precisão (incerteza $\pm 0,1\text{ g}$).

1. Conservação da massa (Lavoisier): Pesa uma garrafa com $50\text{ mL}$ de vinagre e um balão preso ao gargalo que contenha $2\text{ g}$ de bicarbonato, sem misturar ainda. Verte o sólido no líquido dentro do sistema fechado e volta a medir. Repete o processo num copo aberto.

2. Proporções definidas (Proust): Em três copos abertos com $50\text{ mL}$ de vinagre cada um, adiciona $2\text{ g}$, $4\text{ g}$ e $8\text{ g}$ de bicarbonato. Mede a massa inicial e final em cada ensaio, calcula a massa de gás $\text{CO}_2$ perdido ($\Delta m = m_{\text{inicial}} - m_{\text{final}}$) e constrói uma tabela e um gráfico de $\Delta m$ em função da massa de bicarbonato.

3. Modelo atómico e produto final: Elabora um relatório breve onde justifiques o gráfico identificando o reagente limitante (Proust) e ilustres, mediante um esquema de esferas (Dalton), como se reorganizam as ligações atómicas para explicar por que razão os átomos se conservam.

Será valorizado:

• Rigor no registo experimental caseiro, expressão de incertezas e traçado do gráfico.

• Justificação coerente das leis de Lavoisier e Proust a partir dos teus resultados.

• Uso correto do modelo atómico-molecular para explicar a conservação e o rearranjo de partículas.