Exercícios: Propriedades das substâncias consoante a sua ligação

O sal comum funde a $801\ \celsius$: é necessário aquecê-lo bastante para o derreter. Uma porção da sua rede cristalina é apresentada na figura.

Explica, com base na sua ligação iónica e na sua estrutura em rede cristalina, por que razão o ponto de fusão do $\text{NaCl}$ é tão elevado.

A água ferve a $100\ \celsius$, enquanto o sal funde a $801\ \celsius$.

1. a) Indica que estrutura tem cada substância: moléculas ou rede cristalina?
2. b) Explica, a partir dessa diferença estrutural, por que razão a água muda de estado a uma temperatura muito mais baixa do que o sal.

Os cabos das habitações são de cobre, um sólido que conduz a corrente. O modelo do mar de eletrões é apresentado na figura.

Explica, utilizando o modelo do mar de eletrões, por que razão o cobre conduz a eletricidade no estado sólido, ao contrário de um pedaço de sal.

As brocas para perfurar rocha têm pontas de diamante, o material natural mais duro que se conhece. Um fragmento da sua rede covalente é apresentado na figura.

Explica, a partir da sua rede covalente tridimensional, por que razão o diamante é tão duro.

Um cristal de sal não conduz a corrente elétrica, mas se o fundires ou dissolveres em água, passa a conduzir.

1. a) Explica o que acontece aos iões em cada uma das três situações.
2. b) Que condição devem cumprir partículas com carga para poderem transportar a corrente elétrica?

Na cozinha, o sal desaparece ao mexê-lo na água, mas o azeite forma gotas e não se mistura.

1. a) Explica, pelo tipo de ligação e pelas interações que se estabelecem com a água, por que razão o sal comum (NaCl) se dissolve em água.

1. b) Justifica, com a regra «o semelhante dissolve o semelhante», por que razão o óleo não se dissolve em água.

A «mina» de um lápis é de grafite: ao escrever, as camadas de carbono deslizam umas sobre as outras e desprendem-se sobre o papel. A estrutura em camadas é apresentada na figura.

1. a) Explica, a partir da sua estrutura em camadas, por que razão a grafite é macia e deixa traço.
2. b) Que tipo de forças une as camadas entre si? Compara-as com as ligações dentro de cada camada.

A folha de ouro utilizada em decoração é constituída por lâminas de ouro finíssimas obtidas a martelar o metal. Explica, com base no modelo da ligação metálica, por que razão os metais se deformam ao serem golpeados em vez de se quebrarem, como aconteceria com um cristal de sal.

Montas um circuito com uma pilha, uma lâmpada e dois elétrodos para testar a condutividade do sal. A montagem é apresentada na figura.

1. a) Prevê o que observarás ao colocar sal de cozinha sólido entre os elétrodos e explica o resultado.
2. b) Repete a previsão dissolvendo previamente o sal em água.
3. c) Que papel desempenha a mobilidade dos iões na diferença de resultados?

O $\text{NaCl}$ funde a $801\ \celsius$ e o $\text{MgO}$ a $2852\ \celsius$, sendo ambos cristais iónicos com a mesma estrutura. Os pontos de fusão são comparados na figura.

1. a) Indica as cargas dos iões de cada composto.
2. b) Explica, comparando essas cargas, por que razão a atração eletrostática é muito maior no $\text{MgO}$.
3. c) Relaciona essa atração com o seu ponto de fusão elevadíssimo: o $\text{MgO}$ é utilizado, de facto, para revestir o interior de fornos industriais.

A $20\ \celsius$ podem dissolver-se até $36\ \text{g}$ de $\text{NaCl}$ por cada $100\ \text{g}$ de água, mas apenas $0,0002\ \text{g}$ de $\text{AgCl}$.

1. a) Calcula quantos gramas de sal de cozinha se podem dissolver, no máximo, em $250\ \text{g}$ de água a $20\ \celsius$.
2. b) Explica, com a ajuda de um esquema no teu caderno, como é que as moléculas de água rodeiam e separam os iões ao dissolver-se o sal (hidratação dos iões).
3. c) Conclui por que razão afirmar que «as substâncias iónicas se dissolvem em água» é apenas uma aproximação.

As linhas de alta tensão são de alumínio e os cabos domésticos são de cobre; as suas massas volúmicas são $2,70\ \text{g/cm}^3$ e $8,96\ \text{g/cm}^3$, respetivamente.

1. a) Explica por que razão ambos os metais conduzem a corrente elétrica.
2. b) Justifica, com base nas massas volúmicas, que vantagem existe em estender quilómetros de cabo de alumínio suspenso nos postes.
3. c) O cobre conduz melhor do que o alumínio para a mesma secção: justifica o que é mais vantajoso no interior de uma parede, onde o peso não é relevante.

O diamante e a grafite são constituídos por carbono puro, mas as suas propriedades são quase opostas: o diamante é extremamente duro e não conduz a eletricidade; a grafite é macia e conduz a eletricidade. As duas estruturas são comparadas na figura.

1. a) Explica a diferença de dureza a partir da estrutura de cada um.
2. b) Explica a diferença de condutividade elétrica.
3. c) Justifica por que razão a grafite risca o papel e o diamante, pelo contrário, risca o vidro.

A areia da praia é sílica, $\text{SiO}_2$: dura, não conduz a eletricidade e funde a $1710\ \celsius$.

1. a) Deduz, a partir dessas propriedades, que tipo de ligação e que estrutura possui a sílica.
2. b) O $\text{CO}_2$, com o mesmo tipo de ligação covalente, é um gás à temperatura ambiente: explica como é que isso é possível.
3. c) Justifica por que razão a areia serve como matéria-prima para o fabrico de vidro e o $\text{CO}_2$ não poderia servir.

Um cristal de sal quebra-se nitidamente ao ser atingido por um martelo, enquanto uma lâmina de cobre apenas se deforma.

1. a) Desenha no teu caderno duas camadas de iões e explica o que acontece quando uma camada da rede iónica desliza sobre a outra: que sinais de carga ficam frente a frente?
2. b) Contrasta o resultado anterior com o que sucede no metal quando as suas camadas de catiões deslizam.
3. c) Conclui por que razão dizemos que os sais são «frágeis» e os metais, «maleáveis».

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

A água destilada quase não conduz a corrente, a água da torneira conduz um pouco e a água do mar conduz muito.

1. a) Explica que partículas transportam a corrente na água da torneira e qual a sua origem ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$... dissolvidos).
2. b) Por que razão a água destilada quase não conduz a corrente, se a molécula de água possui eletrões?
3. c) Ordena as três águas pela sua concentração de iões e relaciona-a com a respetiva condutividade.

Três substâncias apresentam as seguintes propriedades. X: funde a $1538\ \celsius$, conduz no estado sólido e líquido e é maleável. Y: funde a $801\ \celsius$, só conduz quando fundida ou dissolvida e é frágil. Z: sublima a $-78\ \celsius$, não conduz em caso algum e forma cristais macios.

1. a) Deduz, com justificação, o tipo de ligação que predomina em cada substância.
2. b) Propõe uma substância real que possa corresponder a cada uma.
3. c) Para cada propriedade da lista, indica que aspeto da estrutura da substância a explica.

Num laboratório existem três frascos sem rótulo com pós brancos: sal de cozinha ($\text{NaCl}$), açúcar (sacarose, uma substância molecular) e areia ($\text{SiO}_2$).

1. a) Concebe um procedimento com três testes — solubilidade em água, condutividade da solução e comportamento ao aquecimento forte — para identificar o conteúdo de cada frasco.
2. b) Prevê o resultado de cada substância em cada teste.
3. c) Explica cada resultado com base na ligação e na estrutura da substância.

Considera estas substâncias e os respetivos pontos de fusão: $\text{CH}_4$ ($-182\ \celsius$), $\text{H}_2\text{O}$ ($0\ \celsius$), $\text{NaCl}$ ($801\ \celsius$), $\text{CaO}$ ($2572\ \celsius$) e $\text{MgO}$ ($2852\ \celsius$). Os pontos de fusão encontram-se representados na figura.

1. a) Ordena-as por ordem crescente de ponto de fusão.
2. b) Explica por que razão o metano e a água, substâncias moleculares, fundem a temperaturas tão baixas em comparação com as redes iónicas.
3. c) Compara o $\text{NaCl}$ com o $\text{MgO}$ e o $\text{CaO}$: que papel desempenham as cargas $1+/1-$ em comparação com as cargas $2+/2-$?
4. d) Sem conheceres o respetivo valor, prevê se o ponto de fusão do $\text{KCl}$ (iões $\text{K}^{+}$ e $\text{Cl}^{-}$) será mais próximo do do $\text{NaCl}$ ou do do $\text{MgO}$, e justifica a resposta.

Dissolves $1\ \text{mol}$ de $\text{NaCl}$ num litro de água e $1\ \text{mol}$ de $\text{CaCl}_2$ noutro litro. Dado: $N_{\text{A}} = 6,022\cdot10^{23}\ \text{mol}^{-1}$.

1. a) Calcula quantas moles de iões existem no total em cada solução.
2. b) Calcula quantos iões individuais contém cada solução; apresenta o resultado em notação científica com duas casas decimais na mantissa.
3. c) Justifica qual das duas soluções conduzirá melhor a corrente elétrica.

As brocas que perfuram poços de petróleo possuem pastilhas de diamante sintético, fabricado sujeitando a grafite a pressões e temperaturas enormes.

1. a) Explica, a partir da sua estrutura, por que razão o diamante é o material ideal para cortar rocha.
2. b) Justifica por que razão a grafite, sendo o mesmo elemento químico, não serviria para essa ponta.
3. c) O diamante não conduz a eletricidade e funde acima de $3500\ \celsius$: explica ambas as propriedades tendo em conta onde se encontram os seus eletrões.

O elétrodo negativo das baterias de ião-lítio dos telemóveis é de grafite: ao carregar o telemóvel, os iões $\text{Li}^{+}$ alojam-se entre as suas camadas, e o elétrodo deve, além disso, conduzir a corrente. A inserção dos iões entre as camadas é apresentada na figura.

1. a) Explica, a partir da estrutura em camadas da grafite, por que razão esta consegue alojar iões entre elas.
2. b) Explica por que razão a grafite cumpre o requisito de conduzir a eletricidade, ao contrário de outros materiais covalentes.
3. c) Justifica por que razão o diamante não poderia ser utilizado como elétrodo de uma bateria.

O ouro é tão dúctil que com $1\ \text{g}$ é possível produzir um fio com cerca de $2\ \text{km}$ de comprimento.

1. a) Explica, com base no modelo do mar de eletrões, esta maleabilidade e ductilidade extremas.
2. b) As joias são de ouro de $18$ quilates, uma liga metálica com $25\ \%$ de cobre e prata, porque o ouro puro é demasiado maleável: justifica por que razão átomos de dimensões diferentes, inseridos na rede, dificultam o deslizamento das camadas e tornam a liga mais dura sem retirar o brilho nem a condutividade características dos metais.
3. c) Contrasta este comportamento com o de um cristal iónico quando este é deformado.

Composição: «A ligação química explica o mundo material».

1. a) Escolhe o sal de cozinha, a água, o cobre e o diamante e, para cada substância, explica o seu ponto de fusão, a sua condutividade elétrica e a sua dureza a partir do tipo de ligação e da estrutura que forma.
2. b) Termina enunciando por palavras tuas uma regra geral que relacione a estrutura de uma substância (moléculas ou rede cristalina) com as suas propriedades.

Desafio do tema. Como é que a estrutura microscópica determina a utilização doméstica dos materiais? Desenha um estudo comparativo entre três substâncias da tua casa: sal de cozinha ($NaCl$), etanol ($CH_3-CH_2-OH$) e papel de alumínio ($Al$).

1. Classificação teórica: Justifica a estabilidade eletrónica dos seus átomos e iões segundo a regra do octeto, identifica o tipo de ligação presente em cada substância e descreve as propriedades do grupo funcional do etanol.

2. Recolha de dados caseira: Mede com um termómetro de cozinha ($\pm 0,5\ ^\circ\text{C}$) a evolução térmica ao evaporar-se um guardanapo embebido em água em comparação com outro em etanol. Regista a temperatura a cada $30\text{ s}$ durante $3\text{ min}$ ($t \pm 1\text{ s}$) e consulta a entalpia de vaporização oficial de ambas na base de dados NIST Chemistry WebBook. Atenção: usa uma pequena quantidade de etanol (inflamável), num local ventilado e longe de chamas, fogões acesos ou fontes de calor.

3. Tratamento de dados: Constrói uma tabela com os valores e incertezas e traça o gráfico $T = f(t)$. Calcula o declive médio de arrefecimento ($\Delta T / \Delta t$) e relaciona a volatilidade com as ligações intermoleculares.

4. Produto final: Elabora um relatório fundamentado (no máximo uma página) comparando a volatilidade, a condutividade e os pontos de fusão dos três materiais de acordo com a sua ligação (iónica, covalente molecular e metálica).

Será valorizado:

• Rigor ao explicar a estabilidade eletrónica, os tipos de ligação e o grupo funcional.

• Precisão na realização das medições experimentais, expressão de incertezas e qualidade gráfica.

• Coerência na justificação das propriedades macroscópicas a partir da ligação química.