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Química Aplicada ao Ambiente Química dos Elementos Metálicos Valentim M B Nunes Unidade Departamental de Engenharias Instituto Politécnico de Tomar, maio,2014.

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1 Química Aplicada ao Ambiente Química dos Elementos Metálicos Valentim M B Nunes Unidade Departamental de Engenharias Instituto Politécnico de Tomar, maio,2014 CET: ESTTQA-TMR1

2 Química dos elementos metálicos Todos os elementos podem ser classificados em metálicos, não- metálicos ou metalóides. Esta Química Inorgânica Descritiva é necessária para a compreensão da utilidade e aplicação da Química nos variados processos industriais e biológicos (incluindo aspectos ambientais).

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 Exercício 1. Indique três metais que ocorrem normalmente na natureza na forma não combinada e três metais que ocorrem na natureza de forma combinada.

5 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)

6 Exercício 2. O que significa calcinação em metalurgia? Porque razão a calcinação constitui uma importante fonte de poluição atmosférica e de chuva ácida? Exercício 3. Uma determinada mina produz anualmente 2×10 8 kg de cobre a partir da calcopirite, CuFeS 2. O minério contém apenas 1% de cobre em massa. a) Se a densidade do minério for 2.8 g.cm -3 calcular o volume de minério removido anualmente; b) calcular a massa de SO 2 produzida por calcinação.

7 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 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 C + CO 2 2 CO FeO + CO Fe + CO 2

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

9 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)

10 Potássio (K) Ocorrência: KAlSi 3 O 8 (ortoclase); KCl Obtenção: destilação do KCl fundido a 892 °C. 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)

11 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,.....

12 Exercício 4. Consulte um manual de Química ou fontes na www e descreva a utilização dos seguintes compostos: a) NaCl; b) NaOH; c) KO 2.

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 Exercício 5. Quando exposto ao ar o cálcio forma inicialmente óxido de cálcio, que se transforma em hidróxido de cálcio e finalmente em carbonato de cálcio. Escreva as equações para cada etapa.

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

17 Dureza da água A dureza na água para consumo humano está associada à presença de catiões metálicos, designadamente os iões cálcio (Ca 2+ ) e magnésio (Mg 2+ ). Uma água é considerada dura quando contém na sua composição valores significativos destes sais e macia quando os contém em pequenas quantidades. Dureza da água Grau de durezamg/L de CaCO 3 Macia0-60 Média Dura Muito dura> 300

18 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)

19 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.

20 Exercício 6. Consulte um manual de Química ou fontes na www e descreva as propriedades e aplicações do alumínio que fazem dele um dos metais mais versáteis conhecidos.

21 Aplicando…. Exercício 7. Consulte um manual de Química ou fontes na www e descreva uma aplicação ambiental ou de saúde para cada um dos seguintes compostos: a) NaF; b) Mg(OH) 2 ; c) CaCO 3.


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