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Os metais Universidade Federal da Paraíba

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Apresentação em tema: "Os metais Universidade Federal da Paraíba"— Transcrição da apresentação:

1 Os metais Universidade Federal da Paraíba
Centro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Química Prof. Dr. Ary da Silva Maia Os metais

2 INTRODUÇÃO Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

3 São os mais numeroso entre os elementos
Todos os elementos dos blocos s, d e f da tabela periódica são metais Alguns elementos do bloco p também são metais: Alumínio, Gálio, Tálio, Estanho, Chumbo e Bismuto Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

4 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

5 Distribuição dos elementos metálicos (em azul) na tabela periódica
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

6 PROPRIEDADES GERAIS DOS METAIS
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

7 Bons condutores de calor Bons condutores de eletricidade
Sólidos, exceto o mercúrio (líquido). Brilho Dúcteis (fios). Maleáveis (lâminas). Formam cátions (+). Resistência mecânica alta Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

8 A entalpia (energia) de Vaporização dos metais são bastante diferentes.
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

9 Considerações Importantes!!!
A baixa entalpia de vaporização do sódio e do mercúrio possibilita aplicá-los em lâmpadas de iluminação pública (vapores) e fluorescentes. O tungstênio, com o valor mais alto é usado como filamento em lâmpadas incandescentes, já que ele volatiliza muito lentamente. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

10 PROPRIEDADES QUÍMICAS
A maioria dos metais reage com o oxigênio (O2). Entretanto, a espontaneidade e a velocidade dessa reação varia muito. Ex: - O Césio inflama-se em contato com o ar. - O Alumínio e o Ferro sobrevivem ao ar e por isso são empregados comercialmente. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

11 OS METAIS DO BLOCO S: METAIS ALCALINOS (GRUPO 1) METAIS ALCALINOS TERROSOS (GRUPO 2)
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

12 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

13 2 Li(s) + 2 H2O(l) → 2 LiOH(aq) + H2(g)
METAIS ALCALINOS (1A) Os Alcalinos são os elementos do Grupo 1 (1A) da Tabela Periódica. Formada pelos seguintes metais: lítio (Li), sódio (Na), potássio (K), rubídio (Rb), césio (Cs) e frâncio (Fr). Têm este nome porque reagem muito facilmente com a água e, quando isso ocorre, formam hidróxidos, liberando hidrogênio. 2 Li(s) + 2 H2O(l) → 2 LiOH(aq) + H2(g) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

14 METAIS ALCALINOS TERROSOS (2A)
Os alcalino-terrosos são os elementos químicos do grupo 2 (2 A) da tabela periódica, e são os seguintes: berílio (Be), magnésio (Mg), cálcio (Ca), estrôncio (Sr), bário (Ba) e radio (Ra). O nome alcalino-terroso provém do nome que recebiam seus óxidos: terras. Possuem propriedades básicas (alcalinas). Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

15 A abundância é muito variada na crosta terrestre: desde o Cálcio (5º metal mais abundante), seguido pelo Sódio, Magnésio até aos metais mais raros como Césio e Berílio. Abundância na crosta: as quantidades citadas estão na base 10. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

16 Possuem Energia de Ionização Baixa
Esses metais reagem rapidamente com a água para liberar hidrogênio (H2). Os números de oxidação coincidem com o seu número de grupo: Metais Alcalinos (Grupo 1): + 1 Metais Alcalinos Terrosos (Grupo 2): + 2 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

17 OBTENÇÃO Sódio, Potássio, Magnésio e Cálcio são abundantes na crosta terrestre, mas a obtenção dos metais requer muita energia e consequentemente é cara!!! METAL FONTE NATURAL MÉTODO DE OBTENÇÃO LÍTIO LiAl(SiO3) ELETRÓLISE SÓDIO ÁGUA DO MAR CÁLCIO CALCÁRIO Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

18 ELETRÓLISE Eletrólise ígnea do NaCl e- e- e- e- ânodo cátodo ânodo
Fonte de corrente direta Fonte de corrente direta e- e- e- e- ânodo cátodo ânodo cátodo ELETRÓLISE Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

19 M(s) + H2O(l) → M+(aq) + OH−(aq) + H2(g)
Os metais alcalinos e alcalinos terrosos são dissolvidos até pela água. M(s) + H2O(l) → M+(aq) + OH−(aq) + H2(g) M(s) + 2 H2O(l) → M+2(aq) + 2OH−(aq) + H2(g) Estas reações são tão rápidas e exotérmicas que faz com que o hidrogênio se inflame Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

20 Diagramas de Latimer Grupo 1 – Meio Ácido Grupo 2 – Meio Ácido
Grupo 2 – Meio Básico Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

21 OS METAIS DO BLOCO d Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

22 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

23 METAIS DE TRANSIÇÃO São conhecidos como elementos de transição porque suas propriedades são geralmente intermediárias entre os elementos metálicos dos blocos s e os elementos não metálicos dos blocos p. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

24 Apresentam a velocidade de oxidação moderada
A maioria dos metais do bloco d é muito mais rígida do que os metais do bloco s Apresentam a velocidade de oxidação moderada Tais fatos justificam o uso do ferro, cobre e titânio na construção de edifícios e veículos Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

25 ESTADOS DE OXIDAÇÃO ELEVADOS
Os Metais do bloco d apresentam ampla faixa de estados de oxidação o que induz a uma química rica e interessante. O estado de oxidação do grupo pode ser alcançado por elementos que se encontram ao lado esquerdo do bloco d, mas não pelos elementos do lado direito Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

26 Número de Oxidação dos Metais de Transição
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

27 OS METAIS DO BLOCO d Estados de Oxidação ao longo das séries:
Configuração eletrônica padrão: ns2 (n-1)dx sendo x o no do grupo – 2 unidades Serão avaliados: Os estados de oxidação mais elevados Os estados de oxidação intermediários Como base de avaliação será empregado o Diagrama de Frost para os metais da série 3d. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

28 OS METAIS DO BLOCO d Diagrama de Frost para os elementos da série 3d.
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

29 OS METAIS DO BLOCO d Estados de Oxidação Elevados:
O número de oxidação do grupo de um elemento é o número do seu grupo. Esta regra é valida para os elementos dos grupos 3 a 7. A partir dos elementos do Grupo 8 (até o 11) o estado de oxidação do grupo não é alcançado. Este limite está relacionado com o aumento da Energia de Ionização e portanto com o caráter nobre da esquerda para a direita, ao longo de cada série do bloco d. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

30 OS METAIS DO BLOCO d A formação de compostos binários dos elementos da série 3d com halogênios e oxigênio evidencia a tendência de estabilidade dos estados de oxidação do grupo: Grupos 3 e 4: alcançam o estado de oxidação do grupo com cloro (ScCl3 e TiCl4). Grupo 5 e 6: só alcançam o estado de oxidação do grupo com o fluor (VF5 e CrF6). A partir do Grupo 7: só o oxigênio é capaz de alcançar o estado de oxidação do grupo. Motivo: IMPEDIMENTO ESTÉRICO EM FUNÇÃO DA QUANTIDADE DE ÁNIONS DE HALOGÊNIO NECESSÁRIOS. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

31 CrO42- < MnO41- < FeO42-
OS METAIS DO BLOCO d A pouca estabilidade dos estados de oxidação máximo atingido nos grupos 6,7 e 8 é evidenciada pelo alto caráter oxidante apresentado por estes estados (CrO42-, MnO41-, FeO42-). Observar que o caráter oxidante é crescente na ordem: CrO42- < MnO41- < FeO42- Outra evidência da dificuldade de se oxidar elementos a direita do Cr ao estado de oxidação do grupo é o fato da oxidação ao ar do MnO2, em hidróxido de potássio fundido, não levar o metal ao estado de oxidação do grupo, mas sim a um composto verde escuro (K2MnO4) = Mn(VI) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

32 OS METAIS DO BLOCO d Estados de oxidação intermediário na série 3d:
Estado de Oxidação +1: A maioria sofre desproporcionamento em M e M2+. Ligações no metal sólido são muito fortes, Para os metais 3d o estado de oxidação +2 é mais estável, considerando-se solução aquosa e combinação com ligantes duros. Exceções são os compostos organometálicos e as carbonilas metálicas como Ni(CO)4 e Mo(CO)6. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

33 OS METAIS DO BLOCO d Estado de Oxidação +2:
Os aquaíons dipositivos ( M2+(aq)), mais especificamente os complexos octaédricos [M(H2O)6]2+ , tem importante papel na química dos metais da série 3d. Muitos destes íons são coloridos, como resultado das transições d-d na região visível do espectro. Cr2+(aq) é azul, Fe2+(aq) é verde, Co2+(aq) é rosa, Ni2+(aq) é verde e Cu2+(aq) é azul. É um estado de oxidação cada vez mais comum da esquerda para a direita da série 3d. Sc2+ - desconhecido, Ti2+ - técnica especial de preparação, V2+ e Cr2+ - termodinamicamente instáveis em relação à oxidação pelo H+. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

34 OS METAIS DO BLOCO d Apesar da instabilidade, a lentidão na evolução de H2 torna possível trabalhar com soluções aquosas destes íons, na ausência de ar, sendo assim agentes redutores úteis. Após o Cr, o íon M2+ é estável em relação à reação com água e somente o Fe2+ é oxidado pelo ar. A água pode atuar como um agente oxidante, tornando instáveis algumas soluções de íons M2+. Isto faz com que sejam conhecidos mais sais destes íons em estado sólido do que em solução aquosa. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

35 OS METAIS DO BLOCO d Estado de Oxidação +3:
Este estado de oxidação é mais comum para os elementos a esquerda da série, sendo por exemplo, o único estado de oxidação conhecido para o escândio. Titânio, vanádio e cromo apresentam grande variedade de compostos no estado de oxidação +3. O aumento da energia de ionização é responsável pela diminuição da estabilidade das espécies M(III) ao longo do período. O Mn2+ apresenta a subcamada d semicheia o que implica em maior estabilidade desta espécie. Já o Mn3+ apresenta relativamente poucos compostos conhecidos. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

36 OS METAIS DO BLOCO d São conhecidos compostos de Fe(III), mas, geralmente, os mesmos são oxidantes. O Co3+ é um poderoso oxidante em meio ácido, promovendo liberação de O2. Consegue-se estabilização deste íons na forma de oxocomplexos em meio básico, ou quando complexados por outros ligantes bons doadores. Os aquapions Ni3+ e Cu3+ nunca foram preparados. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

37 OS METAIS DO BLOCO d Estados de oxidação intermediário nas séries 4d e 5d : Diferentemente dos metais da série 3d, os metais das séries 4d e 5d raramente formam íons M2+ (aq) simples. Poucos exemplos foram caracterizados: [Ru(H2O)6]2+ , [Pd(H2O)4]2+ , [Pt(H2O)4]2+ São formados muitos complexos entre o íon M(II) e outros ligantes que não a água, entre eles estão: Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

38 OS METAIS DO BLOCO d Complexos octaédricos d6 muito estáveis, como:
[Ru(H2O)(NH3)5]2+ Complexos d6 quadrado piramidais muito raros, como: [Ru(Cl)2(PPh3)3] Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

39 OS METAIS DO BLOCO d Paládio (II) e platina (II) formam muitos complexos d8 , quadrado planares, como por exemplo [PtCl4]2-. [PdCl4]2- Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

40 OS METAIS DO BLOCO d Estados de Oxidação descendo nos grupos:
Nos grupos 4 a 10 o estado de oxidação mais elevado torna-se mais estável descendo no grupo, com a maior mudança de estabilidade ocorrendo entre as duas primeiras séries. A facilidade de oxidação do metal não se correlaciona com o maior estado de oxidação disponível. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

41 APLICAÇÕES DO FERRO Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

42 É o metal de transição mais abundante da crosta terrestre.
O ferro é encontrado em numerosos minerais, destacando-se a: Hematita (Fe2O3) Magnetita (Fe3O4) Limonita (FeO(OH)) Siderita (FeCO3) Pirita (FeS2) Ilmenita (FeTiO3) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

43 A redução dos óxidos para a obtenção do ferro é efetuada em fornos denominados alto forno ou forno alto. Nele são adicionados os minerais de ferro, em presença de coque (C), e carbonato de cálcio (CaCO3) que atua como escorificante. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

44 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

45 O Ferro obtido no processo é chamado de ferro gusa (até 4% de C).
O ferro gusa é duro e quebradiço, com baixa resistência mecânica, devido ao excesso de carbono. O aço comum é uma liga de ferro carbono (Fe-C) contendo geralmente de 0,008 a 2% de carbono Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

46 Cobre, prata e ouro: metais de cunhagem
CARÁTER NOBRE Os metais localizados à direita do bloco d são resistentes à oxidação. Essa resistência é mais evidente para a prata, ouro e os metais 4d, 5d e do grupo 8 a 10. Grupo 8 a 10: metais do grupo da platina (ocorrem em minérios contendo platina) Cobre, prata e ouro: metais de cunhagem Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

47 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

48 Au + 4 H+ + NO3- + 4 Cl- → [AuCl4]- + NO + 2 H2O
Para dissolver o ouro é necessário uma mistura de 3:1 de ácido clorídrico e ácido nítrico (água régia). Au + 4 H+ + NO Cl- → [AuCl4]- + NO + 2 H2O Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

49 OS METAIS DO BLOCO p Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

50 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

51 Os metais mais pesados do bloco p favorecem os estados de oxidação baixos
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

52 Os metais do grupo 13 (alumínio) apresentam estado de oxidação + 3
Entre os elementos do bloco p, o silício (Si) e o alumínio (Al) são os mais abundantes e o tálio (Tl) e bismuto (Bi) são os menos abundantes. Os metais do grupo 13 (alumínio) apresentam estado de oxidação + 3 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

53 OS METAIS DO BLOCO f Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

54 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

55 LANTANÍDEOS São metais altamente eletropositivos.
São conhecidos como terras raras Marcam o aparecimento dos subníveis f nas configurações eletrônicas (4f) Do La ao Yb favorecem o estado de oxidação +3 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

56 APLICAÇÕES DOS LANTANÍDEOS
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

57 CÉRIO (Ce) PRASEODÍMIO (Pr) PROMÉCIO (Pm)
LANTÂNIO (La) CÉRIO (Ce) PRASEODÍMIO (Pr) Lentes para óculos de proteção para soldadores Camisas incandescentes usadas em lampiões (Pedras para isqueiros) NEODÍMIO (Nd) PROMÉCIO (Pm) Possível fonte de calor para fornecer força auxiliar à satélites e sondas espaciais Prof. Dr. Ary Maia Corante para esmalte Outubro 2009

58 EURÓPIO(Eu) GADOLÍNIO (Gd)
SAMÁRIO (Sm) EURÓPIO(Eu) Fabricação de fones de ouvidos Equipamentos de projeção GADOLÍNIO (Gd) Memória para computadores Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

59 TÉRBIO (Tb) DISPRÓSIO(Dy) ÉRBIO (Er) HÓLMIO (Ho) Fabricação de CD´s
É usado como ativador para a cor verde em tubos de imagens de televisores em cores ÉRBIO (Er) HÓLMIO (Ho) Laser para oftalmologia Fabricação de filtros fotográficos Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

60 TÚLIO (Tm) ITÉRBIO(Yb) LUTÉCIO (Lu) Na fabricação de ferritas
Aplicação em lasers LUTÉCIO (Lu) Catalisador em reações Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

61 ACTINÍDEOS Envolvem o preenchimento da subcamada 5f
Os primeiros membros da série ocorrem em uma rica variedade de estados de oxidação. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

62 Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

63 APLICAÇÕES DOS ACTINÍDEOS
Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

64 TÓRIO(Th) PROTACTÍNIO(Pa)
ACTÍNIO(Ac) TÓRIO(Th) Aumenta a refração de vidros para lentes de câmeras e de binóculos Usado em geradores termoelétricos PROTACTÍNIO(Pa) Elemento radioativo artificial (não há registro do uso do elemento) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

65 URÂNIO(U) NETÚNIO(Np) PLUTÔNIO(Pu)
Indústria de aeronaves - urânio metálico Combustível nuclear para reatores de potência na produção de energia elétrica; Elemento radioativo PLUTÔNIO(Pu) Usado nas missões lunar Apollo, como potência, e em equipamentos para uso na superfície lunar. Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

66 AMERÍCIO(Am) BERQUÉLIO(Bk)
CÚRIO(Cm) AMERÍCIO(Am) Fonte de ionização para detector de fumaça Elemento radioativo (fonte portátil para radiografia gama) BERQUÉLIO(Bk) Elemento radioativo artificial (não há registro de uso) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

67 CALIFÓRNIO(Cf) EINSTÊNIO(Es) FÉRMIO(Fm) Elemento radioativo artificial
(não há registros de seu uso) Elemento radioativo artificial (usado como fonte portátil de nêutrons) FÉRMIO(Fm) Elemento radioativo (não foi totalmente investigado) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009

68 MENDELÉVIO(Md) NOBÉLIO(No) LAURÊNCIO(Lr)
Elemento radioativo artificial (não tem uso comercial devido sua raridade) Elemento radioativo artificial (não há utilização comercial) LAURÊNCIO(Lr) Elemento radioativo artificial (não há registros de uso) Prof. Dr. Ary Maia Outubro 2009


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