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Química dos Elementos Metálicos Valentim M. B. Nunes Departamento de Engenharia Química e do Ambiente Abril de 2009.

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1 Química dos Elementos Metálicos Valentim M. B. Nunes Departamento de Engenharia Química e do Ambiente Abril de 2009

2 Química dos elementos metálicos. Vimos anteriormente que todos os elementos podem ser classificados em metálicos, não-metálicos ou metalóides. Até agora estudámos teorias fundamentais da Química, como ligação química, forças intermoleculares, equilíbrio químico, electroquímica, etc. Todos estes conhecimentos são necessários para compreender a química dos elementos, em particular dos metais. Esta Química Inorgânica Descritiva é necessária para a compreensão da utilidade e aplicação da Química nos variados processos industriais e biológicos (incluindo organismos vivos).

3 Ocorrência A maioria dos metais provem dos minerais. Um mineral é uma substância que ocorre naturalmente e com composição química definida. Um depósito mineral designa-se por minério.

4 Processos metalúrgicos A metalurgia é a ciência da separação dos metais a partir dos minérios e o fabrico de ligas metálicas. Envolve: a) preparação do minério; b) produção do metal; c) purificação. A produção de um metal livre é sempre um processo de redução. Por vezes é necessário previamente calcinar o minério para expulsar impurezas voláteis Os processos mais importantes são realizados a altas temperaturas num processo conhecido como pirometalurgia. CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) 2 PbS(s) + 3 O 2 (g) 2 PbO(s) + 2 SO 2 (g)

5 Processos de redução Metal Li, Na, Mg, CaRedução electrolítica do cloreto. 2 MCl 2 M + Cl 2 AlRedução electrolítica do óxido. Cr, Mn, Ti, V, Fe, ZnRedução do óxido metálico, com metal com menor Eº ou com coque e CO. Hg, Ag, Pt, Cu, AuNão combinados, ou calcinação dos sulfuretos. Eº(v)

6 Metalurgia do Ferro O ferro existe na forma de certos minerais como a pirite (FeS) e a hematite (Fe 2 O 3 ). O processo envolve a redução química dos minerais pelo carbono (na forma de coque) num alto forno. Ferro fundido 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 Fe 3 O4 + CO 3 FeO + CO 2 C + CO 2 2 CO FeO + CO Fe + CO 2 2 C + O 2 2 CO

7 Produção do aço O fabrico do aço é uma indústria fundamental. Enquanto a produção do ferro é um processo de redução a conversão em aço é um processo de oxidação. As impurezas indesejáveis são removidas com oxigénio gasoso. CaO ou SiO 2 CO 2, SO 2 (poluição!)

8 Purificação metálica Destilação: metais com pontos de fusão baixos podem ser purificados por destilação fraccionada. Exemplo: método de Mond para purificação do níquel. Ni(s) + 4 CO(g) Ni(CO)4(g) tetracarbonilníquel 43 ºC 200 ºC Electrólise: Como exemplo o cobre (já estudado) Refinação de zona.

9 Metais alcalinos São os elementos menos electronegativos. Estado de oxidação +1. Possuem pontos de fusão e densidade baixas.

10 Sódio, Na Ocorrência: NaAlSi 3 O 8 (albite); NaCl; NaNO 3 (nitrato do Chile) Obtenção: electrólise do NaCl fundido (pilha de Downs) Reacções principais: 2 Na(s) + 2 H 2 O(l) 2 NaOH(aq) + H 2 (g) 2 Na(s) + O 2 (g) Na 2 O 2 (g) Na 2 O 2 (g) + 2 H 2 O(l) 2 NaOH(aq) + H 2 O 2 (aq)

11 Potássio, K Ocorrência: KAlSi 3 O 8 (ortoclase); KCl Obtenção: destilação do KCl fundido a 892 ºC. Reacções principais: 2 K(s) + 2 H 2 O(l) 2 KOH(aq) + H 2 (g) K(s) + O 2 (g) KO 2 (g) 2 KO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 2 KOH(aq) + O 2 (g) + H 2 O 2 (aq) 4 KO 2 (g) + 2 CO 2 (g) 2 K 2 CO 3 (s) + 3 O 2 (g)

12 Aplicações Na 2 CO 3 : tratamento de águas; fabrico de sabões; detergentes; medicamentos, indústria do vidro. Hidróxidos: produção de sabões; electrólitos de baterias,.... Nitratos: fertilizantes; explosivos,.....

13 Metais alcalino-terrosos: Magnésio,Mg Ocorrência: Mg(OH) 2 (brucite); CaCO 3.MgCO 3 (dolomite); MgSO 4.7 H 2 O (epsomite). Obtenção: electrólise do MgCl 2 fundido (obtido da água do mar) Reacções principais: Mg(s) + H 2 O(g) MgO(s) + H 2 (g) 2 Mg(s) + O 2 (g) 2 MgO(s) 3 Mg(s) + N 2 (g) Mg 3 N 2 (s) MgO(s) + H 2 O(l) Mg(OH) 2 (aq)

14 Cálcio, Ca Ocorrência: CaCO 3 (calcário, giz e mármore); CaSO 4.2 H 2 O (gesso); CaF 2 (fluorite) Obtenção: electrólise do CaCl 2 fundido Reacções principais: Ca (s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (aq) + H 2 (g) CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) CaO (s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (s)

15 Aplicações Magnésio: ligas metálicas; protecção catódica; baterias.... CaO: metalurgia; remoção de SO 2 ; regulação da acidez dos solos,..... Ca(OH) 2 : tratamento de águas.

16 Alumínio, Al O alumínio é o metal mais abundante, e 3º elemento mais presente na crusta terrestre (7.5%). Possui baixa densidade, elevada resistência à tracção e é um excelente condutor eléctrico. Ocorrência: Al 2 O 3. 2 H 2 O (bauxite); Be 3 Al 2 Si 6 O 18 (berilo); Na 3 AlF 6 (criolite); Al 2 O 3 (corindo). Obtenção: electrólise do óxido de alumínio anidro, pelo processo de Hall- Héroult. Reacções principais: 2 Al (s) + 6 HCl(aq) 2 AlCl 3 (aq) + 3 H 2 (g) 2 Al (s) + 2 NaOH(aq) + 2 H 2 O(l) 2 NaAlO 2 (aq) + 3 H 2 (g) 4 Al(s) + 3 O 2 (g) 2 Al 2 O 3 (s)

17 Aplicações Alumínio: linhas de transmissão de alta tensão; construção de aeronaves; recipientes; propulsor sólido para foguetões. Reciclagem: O alumínio é utilizado em milhões de toneladas de latas de refrigerantes. Para reciclar o alumínio é apenas necessário a energia para aquecer o alumínio até ao ponto de fusão ( ~ 660 ºC) e a energia de fusão ( ~10.7 kJ/mol). No total, a energia para reciclar um mole de alumínio é cerca de 9% da energia necessária para produzir a mesma quantidade por electrólise.


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