Grandezas químicas: o que cai no ENEM e nos vestibulares

Resumo rápido

Grandezas químicas são as medidas que permitem contar átomos e moléculas, que são pequenos demais para contar um por um, pesando-os ou medindo seu volume. As três grandezas centrais são massa, quantidade de matéria, em mol, e volume, para gases. A ponte entre elas é a massa molar, em gramas por mol, e o número de Avogadro, \( \mathrm{6,02 \times 10^{23}} \) entidades por mol. No ENEM e no vestibular, esse tema é a base de toda a estequiometria: sem saber converter gramas em mols, mols em partículas e mols em litros de gás, não dá para resolver cálculo de rendimento, de reagente limitante ou de fórmula. A ideia é simples e poderosa: um mol é uma quantidade fixa de entidades, como uma dúzia é 12 unidades, só que muito maior, porque átomos são muito pequenos. Um mol de átomos de carbono tem 12 gramas, um mol de moléculas de água tem 18 gramas, um mol de qualquer gás, nas condições normais de temperatura e pressão, ocupa 22,4 litros. Com essas três informações, dá para transformar qualquer dado da questão em mol, fazer a conta e voltar para gramas ou litros. O segredo é sempre passar pelo mol, nunca pular direto de gramas para partículas ou de litros para gramas sem essa ponte.

Mol, número de Avogadro e massa molar

Mol é a unidade de quantidade de matéria no Sistema Internacional. Um mol contém exatamente \( \mathrm{6,02214076 \times 10^{23}} \) entidades elementares, valor arredondado em prova para \( \mathrm{6,02 \times 10^{23}} \). Entidade pode ser átomo, molécula, íon, elétron ou fórmula unitária, dependendo do contexto. Assim, um mol de átomos de ferro tem \( \mathrm{6,02 \times 10^{23}} \) átomos de ferro, e um mol de moléculas de água tem \( \mathrm{6,02 \times 10^{23}} \) moléculas de água, mas tem o dobro de átomos de hidrogênio, pois cada molécula tem dois hidrogênios, ou seja, \( \mathrm{1,204 \times 10^{24}} \) átomos de hidrogênio. Essa distinção entre molécula e átomo é uma pegadinha clássica. A massa molar é a massa de um mol de entidades, em gramas por mol, e é numericamente igual à massa atômica ou molecular, mas com unidade. Exemplo: a massa atômica do carbono é 12, então a massa molar do carbono é 12 gramas por mol. A massa molecular da água, \( \mathrm{H_2O} \), é 2 vezes 1, do hidrogênio, mais 16, do oxigênio, igual a 18, então a massa molar da água é 18 gramas por mol. A massa molar do gás carbônico, \( \mathrm{CO_2} \), é 12 mais 2 vezes 16, igual a 44 gramas por mol. A massa molar do ácido sulfúrico, \( \mathrm{H_2SO_4} \), é 2 vezes 1, mais 32, mais 4 vezes 16, igual a 98 gramas por mol. A fórmula central é \( \mathrm{n = m / M} \), em que \( \mathrm{n} \) é a quantidade em mol, \( \mathrm{m} \) é a massa em gramas e \( \mathrm{M} \) é a massa molar. Para partículas, \( \mathrm{N = n \times N_A} \), em que \( \mathrm{N_A} \) é o número de Avogadro. Na sala de estudo, treine o cálculo de massa molar com a tabela periódica, sem calculadora, arredondando os valores, como a prova permite.

Volume molar e condições de gás

Para gases, há uma relação especial: nas condições normais de temperatura e pressão, chamadas de CNTP, que são 0 °C e 1 atmosfera, um mol de qualquer gás ideal ocupa 22,4 litros. Nas condições ambientes de temperatura e pressão, CATP, 25 °C e 1 atmosfera, o volume molar é de cerca de 25 litros, e algumas provas usam 24,5 litros, dependendo da convenção. O importante é ler o enunciado: se ele disser CNTP, use 22,4; se disser CATP ou 25 °C, use o valor dado. A fórmula é \( \mathrm{V = n \times V_m} \), em que \( \mathrm{V_m} \) é o volume molar. Exemplo: 2 mols de gás carbônico em CNTP ocupam \( \mathrm{2 \times 22,4 = 44,8} \) litros. Exemplo inverso: 11,2 litros de oxigênio em CNTP correspondem a \( \mathrm{11,2 \div 22,4 = 0,5} \) mol. Para gases, não importa se é hidrogênio, oxigênio ou gás carbônico: em mesmas condições, mesmo número de mols ocupa mesmo volume, a famosa hipótese de Avogadro. Isso só vale para gases, não para líquidos e sólidos, que têm volumes molares muito diferentes. A massa de um gás pode ser obtida pelo mol, e a densidade de um gás pode ser calculada por massa dividida por volume, o que cai em questões de balão, de respiração e de poluição. A matéria sobre água e sais minerais ajuda a lembrar que a água líquida não segue o volume molar dos gases.

Exemplos resolvidos passo a passo

Exemplo 1: quantos mols há em 36 gramas de água? Massa molar da água é 18 gramas por mol, então \( \mathrm{n = 36 \div 18 = 2} \) mols. Quantas moléculas há? \( \mathrm{2 \times 6,02 \times 10^{23} = 1,204 \times 10^{24}} \) moléculas. Quantos átomos de hidrogênio há? Cada molécula tem 2, então \( \mathrm{2 \times 1,204 \times 10^{24} = 2,408 \times 10^{24}} \) átomos. Exemplo 2: quantos gramas há em 0,5 mol de gás carbônico? Massa molar 44, então \( \mathrm{m = 0,5 \times 44 = 22} \) gramas. Exemplo 3: qual é o volume de 3 mols de hidrogênio em CNTP? \( \mathrm{3 \times 22,4 = 67,2} \) litros. Exemplo 4: uma amostra tem \( \mathrm{1,806 \times 10^{24}} \) moléculas de amônia, \( \mathrm{NH_3} \). Quantos mols são? Divida por Avogadro: \( \mathrm{1,806 \times 10^{24} \div 6,02 \times 10^{23} = 3} \) mols. Qual é a massa? Massa molar da amônia é 14 mais 3 vezes 1, igual a 17, então \( \mathrm{3 \times 17 = 51} \) gramas. Exemplo 5: compare 1 mol de ferro e 1 mol de alumínio. Ambos têm o mesmo número de átomos, \( \mathrm{6,02 \times 10^{23}} \), mas massas diferentes: ferro, cerca de 56 gramas, alumínio, cerca de 27 gramas, porque os átomos têm massas diferentes. Mol iguala quantidade, não massa. Para revisar, visite a página de Química.

Concentração, densidade e outras grandezas ligadas

Além de massa, mol e volume de gás, a prova cobra concentração em mol por litro, chamada de molaridade: \( \mathrm{C = n / V} \), em que \( \mathrm{V} \) é o volume da solução em litros. Exemplo: 0,5 mol de sal em 1 litro dá 0,5 mol por litro. Se o volume for dado em mililitros, converta para litros antes, dividindo por 1.000. Densidade é massa dividida por volume, \( \mathrm{d = m / V} \), e serve para líquidos e sólidos, não só para gases. Título e porcentagem em massa também aparecem: porcentagem é massa do soluto dividida pela massa da solução, vezes 100. Essas grandezas se combinam em questões de preparo de soro, de solução de limpeza e de análise de água. O erro mais comum é misturar volume da solução com volume molar de gás, ou usar mililitro como se fosse litro. Sempre confira as unidades antes de calcular. No tema dos lipídios, a densidade ajuda a entender por que o óleo flutua na água.

Erros comuns que derrubam nota

Primeiro erro: achar que 1 mol de substâncias diferentes tem a mesma massa. Tem o mesmo número de entidades, mas massas diferentes. Segundo erro: contar átomos como se fossem moléculas. Em \( \mathrm{H_2O} \), 1 mol de moléculas tem 2 mols de átomos de hidrogênio e 1 mol de átomos de oxigênio. Terceiro erro: usar 22,4 litros para líquido ou sólido. Só vale para gás em CNTP. Quarto erro: esquecer de converter mililitro para litro em molaridade. Quinto erro: usar massa atômica sem somar todos os átomos da fórmula na massa molar. Sexto erro: confundir massa molar, em gramas por mol, com massa molecular, sem unidade, embora os números sejam iguais.

Mapa mental

• Grandezas químicas: massa, mol, volume de gás, partículas, tudo passa pelo mol
  • Mol: 6,02 vezes 10 elevado a 23 entidades; dúzia gigante para átomos
  • Massa molar: soma das massas atômicas, em g/mol; n igual a m dividido por M
  • Partículas: N igual a n vezes Avogadro; cuidado com átomo versus molécula
  • Gás em CNTP: 1 mol igual a 22,4 L; em CATP, cerca de 25 L; só para gás
  • Outras: molaridade n dividido por V em litros; densidade m dividido por V

Perguntas e respostas rápidas (SAQ)

1. O que é um mol? É a quantidade de matéria que contém 6,02 vezes 10 elevado a 23 entidades elementares.
2. O que é massa molar? É a massa de um mol de entidades, em gramas por mol, numericamente igual à massa atômica ou molecular.
3. Qual é a massa molar da água? 18 gramas por mol, pois 2 vezes 1 mais 16 é 18.
4. Quantos átomos há em 1 mol de ferro? 6,02 vezes 10 elevado a 23 átomos, com massa de cerca de 56 gramas.
5. Qual é o volume de 1 mol de gás em CNTP? 22,4 litros, para qualquer gás ideal, nas condições de 0 °C e 1 atmosfera.
6. Como converter gramas em mols? Dividindo a massa pela massa molar, pela fórmula n igual a m dividido por M.
7. Em 1 mol de água, quantos mols de hidrogênio há? 2 mols de átomos de hidrogênio, pois cada molécula tem dois hidrogênios.
8. Mol iguala massa ou quantidade? Quantidade. Massas de 1 mol de substâncias diferentes são diferentes.

Questões comentadas originais, no estilo ENEM

Questão 1. Quantos mols há em 36 gramas de água, cuja massa molar é 18 gramas por mol? A) 0,5; B) 1; C) 2; D) 18; E) 36. Gabarito: C. n igual a 36 dividido por 18, igual a 2 mols.

Questão 2. Uma amostra de 2 mols de moléculas de gás carbônico contém quantas moléculas? A) \( \mathrm{6,02 \times 10^{23}} \); B) \( \mathrm{1,204 \times 10^{24}} \); C) \( \mathrm{3,01 \times 10^{23}} \); D) \( \mathrm{2,408 \times 10^{24}} \); E) \( \mathrm{6,02 \times 10^{24}} \). Gabarito: B. Duas vezes Avogadro é 1,204 vezes 10 elevado a 24.

Questão 3. Em CNTP, 3 mols de gás oxigênio ocupam: A) 22,4 L; B) 44,8 L; C) 67,2 L; D) 11,2 L; E) 33,6 L. Gabarito: C. Três vezes 22,4 é 67,2 litros.

Questão 4. Um mol de ferro, 56 gramas, e um mol de alumínio, 27 gramas, têm em comum: A) a massa; B) o volume; C) o número de átomos, 6,02 vezes 10 elevado a 23; D) a densidade; E) o ponto de fusão. Gabarito: C. Mol iguala quantidade, não massa, volume de sólido ou densidade.

Questão 5. Quantos átomos de oxigênio há em 2 mols de moléculas de água? A) \( \mathrm{6,02 \times 10^{23}} \); B) \( \mathrm{1,204 \times 10^{24}} \); C) \( \mathrm{2,408 \times 10^{24}} \); D) \( \mathrm{3,01 \times 10^{23}} \); E) \( \mathrm{1,806 \times 10^{24}} \). Gabarito: B. Cada molécula tem 1 oxigênio, então 2 mols de moléculas têm 2 mols de átomos de oxigênio, ou 1,204 vezes 10 elevado a 24 átomos.

Questão 6. Uma solução foi preparada com 0,5 mol de sal em 2 litros de água. Sua concentração em mol por litro é: A) 0,25; B) 0,5; C) 1,0; D) 2,0; E) 4,0. Gabarito: A. Concentração igual a 0,5 dividido por 2, igual a 0,25 mol por litro.

Dica do professor

Em toda questão de grandezas, escreva o que a questão dá, o que ela pede e passe tudo para mol primeiro. Mol é a moeda de troca da Química: gramas viram mol, litros de gás viram mol, partículas viram mol, e do mol você volta para o que a questão pede.

Atenção e cuidado

Confira sempre as unidades: gramas com gramas por mol, litros com litros por mol, mililitros convertidos para litros. E leia se a questão fala de átomo, molécula ou íon, pois o fator multiplica: água tem 2 hidrogênios, gás carbônico tem 2 oxigênios, ácido sulfúrico tem 2 hidrogênios.

Conexão com outras áreas

Na Física, mol e Avogadro se ligam a gases ideais e pressão. Na Biologia, mol ajuda a entender soro, concentração de glicose no sangue e fotossíntese. Na indústria, mol é a base do cálculo de produção, de fertilizantes e de remédios. Na Matemática, notação científica e regra de três são as ferramentas que sustentam todas essas contas.