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

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).

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.

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  CaCO3(s)  CaO(s) + CO2(g) 2 PbS(s) + 3 O2(g)  2 PbO(s) + 2 SO2(g) Os processos mais importantes são realizados a altas temperaturas num processo conhecido como pirometalurgia.

Processos de redução Metal Li, Na, Mg, Ca Redução electrolítica do cloreto. 2 MCl  2 M + Cl2 Al Redução electrolítica do óxido. Cr, Mn, Ti, V, Fe, Zn Redução do óxido metálico, com metal com menor Eº ou com coque e CO. Hg, Ag, Pt, Cu, Au Não combinados, ou calcinação dos sulfuretos. Eº(v)

Metalurgia do Ferro O ferro existe na forma de certos minerais como a pirite (FeS) e a hematite (Fe2O3). O processo envolve a redução química dos minerais pelo carbono (na forma de coque) num alto forno. 3 Fe2O3 + CO  2 Fe3O4 + CO2 CaCO3  CaO + CO2 Fe3O4 + CO  3 FeO + CO2 C + CO2  2 CO FeO + CO  Fe + CO2 2 C + O2  2 CO Ferro fundido

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 SiO2 CO2, SO2 (poluição!)

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.

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

2 Na(s) + 2 H2O(l)  2 NaOH(aq) + H2(g) 2 Na(s) + O2(g)  Na2O2(g) Sódio, Na Ocorrência: NaAlSi3O8 (albite); NaCl; NaNO3(nitrato do Chile) Obtenção: electrólise do NaCl fundido (pilha de Downs) Reacções principais: 2 Na(s) + 2 H2O(l)  2 NaOH(aq) + H2(g) 2 Na(s) + O2(g)  Na2O2(g) Na2O2(g) + 2 H2O(l)  2 NaOH(aq) + H2O2 (aq)

2 K(s) + 2 H2O(l)  2 KOH(aq) + H2(g) K(s) + O2(g)  KO2(g) Potássio, K Ocorrência: KAlSi3O8 (ortoclase); KCl Obtenção: destilação do KCl fundido a 892 ºC. Reacções principais: 2 K(s) + 2 H2O(l)  2 KOH(aq) + H2(g) K(s) + O2(g)  KO2(g) 2 KO2(g) + 2 H2O(l)  2 KOH(aq) + O2(g) + H2O2 (aq) 4 KO2(g) + 2 CO2(g)  2 K2CO3(s) + 3 O2(g)

Aplicações Na2CO3: tratamento de águas; fabrico de sabões; detergentes; medicamentos, indústria do vidro. Hidróxidos: produção de sabões; electrólitos de baterias, .... Nitratos: fertilizantes; explosivos, .....

Metais alcalino-terrosos: Magnésio,Mg Ocorrência: Mg(OH)2 (brucite); CaCO3.MgCO3 (dolomite); MgSO4.7 H2O (epsomite). Obtenção: electrólise do MgCl2 fundido (obtido da água do mar) Reacções principais: Mg(s) + H2O(g)  MgO(s) + H2(g) 2 Mg(s) + O2(g)  2 MgO(s) 3 Mg(s) + N2(g)  Mg3N2(s) MgO(s) + H2O(l)  Mg(OH)2 (aq)

Ca (s) + H2O(l)  Ca(OH)2 (aq) + H2(g) CaCO3 (s)  CaO (s) + CO2(g) Cálcio, Ca Ocorrência: CaCO3 (calcário, giz e mármore); CaSO4.2 H2O (gesso); CaF2 (fluorite) Obtenção: electrólise do CaCl2 fundido Reacções principais: Ca (s) + H2O(l)  Ca(OH)2 (aq) + H2(g) CaCO3 (s)  CaO (s) + CO2(g) CaO (s) + H2O(l)  Ca(OH)2 (s)

Aplicações Magnésio: ligas metálicas; protecção catódica; baterias.... CaO: metalurgia; remoção de SO2; regulação da acidez dos solos,..... Ca(OH)2: tratamento de águas.

2 Al (s) + 6 HCl(aq)  2 AlCl3(aq) + 3 H2(g) 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: Al2O3. 2 H2O (bauxite); Be3Al2Si6O18 (berilo); Na3AlF6 (criolite); Al2O3 (corindo). Obtenção: electrólise do óxido de alumínio anidro, pelo processo de Hall-Héroult.                           Reacções principais: 2 Al (s) + 6 HCl(aq)  2 AlCl3(aq) + 3 H2(g) 2 Al (s) + 2 NaOH(aq) + 2 H2O(l)  2 NaAlO2(aq) + 3 H2(g) 4 Al(s) + 3 O2(g)  2 Al2O3(s)

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.